第一章、测量术语、基本量第一章、测量术语、基本量和单位和单位

• §§ １１ -- １辐射度学中的量和单位１辐射度学中的量和单位

• §§ １１ -- ２人眼视觉２人眼视觉

• §§ １１ -- ３光度学中的量及单位３光度学中的量及单位

• §§ １１ -- ４光源的颜色与色温４光源的颜色与色温

• §§ １１ -- ５光辐射测量中的基本定律和定则５光辐射测量中的基本定律和定则

§§ １１ -- １辐射度学中的量和１辐射度学中的量和单位单位• 辐射能：Ｑ辐射能：Ｑ e(Radiant energy)e(Radiant energy)11 、定义：以辐射的形式发射、传播或接受的能量。、定义：以辐射的形式发射、传播或接受的能量。22 、单位：焦耳（Ｊ）、单位：焦耳（Ｊ）

• 辐射通量：辐射通量： ΦΦe(Radiant flux)e(Radiant flux)

11 、又称、又称 :: 辐射功率 辐射功率 PePe （（ Radiant powerRadiant power

22 、定义、定义 :: 以辐射的形式发射、传播或接受的功率。以辐射的形式发射、传播或接受的功率。33 、定义式、定义式 : : 均匀辐射均匀辐射 ::

　　44 、单位、单位 :: 瓦特瓦特 (( ＷＷ )) 或焦耳或焦耳 // 秒秒 (J/S(J/S ））　　　　　 １Ｗ　　　　　 １Ｗ =1J/S=1J/S

ee

dQ

dt e

e

Q

t

• 辐射强度辐射强度 :Ie(Radiant intensity):Ie(Radiant intensity)

１、立体角１、立体角 :: （（ ΩΩ））①① 定义：设在圆球表面切出一个小圆的面积定义：设在圆球表面切出一个小圆的面积 SS 与圆与圆球半径球半径 rr 平方之比平方之比②② 定义式定义式 ::ΩΩ=S/r=S/r22 　　

③③ 单位单位 :: 球面度球面度 (( ＳＳ r)r)

④④ 整个球面度为整个球面度为 ::ΩΩ=S/r=S/r22=4=4ЛЛ

　半个球面度为　半个球面度为 ::ΩΩ=S/r=S/r22=2=2ЛЛ

　　　　　　　　

２、辐射强度：２、辐射强度：

①① 、定义、定义 :: 在给定方向上的立体角元内，离开点在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源（或辐射面元）的辐射通量除以该立体角辐射源（或辐射面元）的辐射通量除以该立体角．．

I=dΦ/dΩ

dΩ

rs

②② 、定义式、定义式 : :

均匀辐射均匀辐射 ::

③③ 、单位、单位 :: 瓦瓦 // 球面度（球面度（ W/SrW/Sr ））④④ 、均匀点辐射源（各向同性）、均匀点辐射源（各向同性） IIee 不随方向变而不随方向变而变，故整个球面的辐射通量为：变，故整个球面的辐射通量为： ΦΦee ＝＝ IIeeΩΩ＝＝ 44ЛЛIIee

eI ed

d

eI e

• 辐射出射度辐射出射度 :Me(Radiant exitance):Me(Radiant exitance)1.1. 定义定义 :: 辐射体单位元表面所辐射的通量辐射体单位元表面所辐射的通量2.2. 定义式定义式 : : 均匀辐射均匀辐射 ::

3.3. 单位单位 :w/m:w/m22

eM ed

dA

eM e

A

• 辐射照度辐射照度 :Ee(Irradiance):Ee(Irradiance)１１ .. 定义定义 :: 被辐射的单位元表面里入射或获得的被辐射的单位元表面里入射或获得的辐辐

射通量的多少射通量的多少２２ .. 定义式定义式 : : 均匀辐射均匀辐射 ::

３３ .. 单位单位 :w/m:w/m22

eE ed

dA

e E e

A

• 辐射出射度与辐射照度的区别：辐射出射度与辐射照度的区别：辐射出射度与辐射照度的表达式和单位完全相同．辐射出射度与辐射照度的表达式和单位完全相同．区别在于区别在于 :M:Mee 描写面辐射源向外发射的辐射特性描写面辐射源向外发射的辐射特性(a)(a)

　　 　　 EEee 描写辐射接受面所接受的辐射特性描写辐射接受面所接受的辐射特性(b)(b)

• 辐射亮度辐射亮度 :: ＬＬ ee(Radiance)(Radiance)1.1. 定义定义 :: 沿沿 rr 方向的辐射强度方向的辐射强度 IIee 与面元与面元 dA(dA( 在垂在垂直于直于 rr

方向平面正投影面积方向平面正投影面积 dA)dA) 的比值称为的比值称为 dAdA沿沿 rr

方向的辐射亮度方向的辐射亮度2.2. 定义式定义式 ::

　　　　　　　　　　 3.3. 单位单位 :w/(m:w/(m22·Sr)·Sr)

cos cose e e

e

dI dI dL

dA dS dA d

•光谱密集度：光谱密集度：１１ .. 定义：包含该波长的无穷小波长间隔内的辐射定义：包含该波长的无穷小波长间隔内的辐射 通量与相应波长间隔之商称为光谱密集度．通量与相应波长间隔之商称为光谱密集度．２２ .. 公式：公式： 注注 :X:Xeeλλ代表任何一个辐射量代表任何一个辐射量eg:eg: 光谱辐射通量为光谱辐射通量为 : :

指的是单位波长间隔内向外辐射通量的多少指的是单位波长间隔内向外辐射通量的多少

( )ex edX

d

( )e

ed

d

§§ １１ -- ２人眼视觉２人眼视觉　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　• 眼睛的特性：眼睛的特性： 　 　 锥体细胞的感光灵敏度低，在３锥体细胞的感光灵敏度低，在３ cd/mcd/m22 的亮度条的亮度条件下作用，能分辨物体的颜色和细节称之为锥体视件下作用，能分辨物体的颜色和细节称之为锥体视觉又称明视觉（Ｐ觉又称明视觉（Ｐ hotopic Vision)hotopic Vision)

杆体细胞只能在黑暗的环境下（杆体细胞只能在黑暗的环境下（ L=10L=10-2 -2 cd/mcd/m22 以以下下 )) 作用，称之为暗视觉（作用，称之为暗视觉（ Scotopic Vision)Scotopic Vision)

介于这两视觉之间的视觉称之为中间视觉介于这两视觉之间的视觉称之为中间视觉（正常人眼睛对黄绿光最灵敏，对红光和紫光最不灵（正常人眼睛对黄绿光最灵敏，对红光和紫光最不灵敏）敏）

• 光谱光视函数曲线光谱光视函数曲线 ::

1.1. 光谱光视效率光谱光视效率 VV((λλ):):设引起相同视觉的波长和波设引起相同视觉的波长和波长为长为 555nm555nm 的辐射通量分别为的辐射通量分别为 ΦΦλλ 和和 ΦΦ555555则视觉则视觉函为函为 :V:V((λλ))==ΦΦ555555//ΦΦλλ是个无量纲的物理量是个无量纲的物理量

２２ .. 物理意义物理意义 :V:V((λλ)) 反映人眼对各种不同波长光的反映人眼对各种不同波长光的视视

觉灵敏度．觉灵敏度．　将　将 555nm555nm 所对应的黄绿光波长的光谱光视效率所对应的黄绿光波长的光谱光视效率值值

定为１，为最大值；红光和紫光的光谱光视效率值定为１，为最大值；红光和紫光的光谱光视效率值最小；红外和紫外光的光谱光视效率值为０．最小；红外和紫外光的光谱光视效率值为０．

３３ .. 由图看出：由图看出：　明视觉条件下　明视觉条件下 VV((λλ)) 所对应的峰值波长为所对应的峰值波长为 555nm555nm ，，暗视觉条件下暗视觉条件下 VV((λλ)) 所对应的峰值波长为所对应的峰值波长为 507nm.507nm.

暗视觉明视觉

• 光度量与辐射量的关系光度量与辐射量的关系 ::

研究表明：明视觉条件：研究表明：明视觉条件：

暗视觉条件：暗视觉条件：

KKmm ：最大光谱光效能（单位：：最大光谱光效能（单位： lm/w)lm/w) 即发光效率的 即发光效率的

极限值极限值

780

V ( ) ( )380X m eK X V d

780' ' 'V ( ) ( )380

X m eK X V d

明视觉条件：明视觉条件： KKmm=683lm/w =683lm/w

　暗视觉条件：　暗视觉条件： KKmm′′=1700lm/w=1700lm/w

故光通量与辐射通量的关系：　　　　　　故光通量与辐射通量的关系：　　　　　　 或或

　　　　　　　　　　　　　　

780

V ( ) ( )380683 e V d

780 'V ( ) ( )380

1700 e V d

§§ １１ -- ３光度学中的量及单３光度学中的量及单位位光度学中以光强的单位“坎德拉”作为基本单位，光度学中以光强的单位“坎德拉”作为基本单位，其他光度量的单位作为导出单位．其他光度量的单位作为导出单位．• 光通量光通量 ΦΦvv(luminous flux)(luminous flux)1.1. 定义：光源在单位时间内发出的光量的多少定义：光源在单位时间内发出的光量的多少2.2. 公式：公式： ΦΦv=dQv/dtv=dQv/dt

3.3. 单位：单位： lmlm （流明）（流明）

• 光强光强 IIvv(luminous Intensity)(luminous Intensity)1.1. 坎德拉坎德拉 (cd)(cd) 的最新规定：即一个烛光，它是的最新规定：即一个烛光，它是光源光源

发出频率为发出频率为 540×10540×101212HzHz 的单色辐射，在给定方向的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为上的辐射强度为 1/683w/Sr1/683w/Sr 时，其光强为１坎时，其光强为１坎

（（ cd)cd)

2.2. 光强定义光强定义 :: 光源在指定方向上通过单位立体角光源在指定方向上通过单位立体角内内

的光通量的多少的光通量的多少3.3. 光强公式光强公式 :: ＩＩ v=dv=dΦΦv/dv/dΩΩ

发光均匀分布发光均匀分布 :: ＩＩ v=v=ΦΦv/v/ΩΩ

4.4. 单位单位 :cd:cd （坎德拉）（坎德拉）I

w

ＩＩ v=dv=dΦΦv/dv/dΩΩ

• 光出射度光出射度 MMvv(Lminous exitance)(Lminous exitance)1.1. 定义：面光源单位元表面内向外所发射的光通定义：面光源单位元表面内向外所发射的光通量量

2.2. 公式：公式： MMvv=d=dΦΦVV/d/d Ａ Ａ 发光均匀：发光均匀： M=M=ΦΦv/v/ ＡＡ3.3. 单位：单位： lm/mlm/m22 （流明（流明 // 平方米）平方米）

• 光照度光照度 EEvv(illuminance)(illuminance)1.1. 定义定义 :: 被照物体单位元表面里入射或获得的光被照物体单位元表面里入射或获得的光通通

量的多少量的多少2.2. 公式：公式： Ev=dEv=dΦΦv/dv/d ＡＡ 光通量分布均匀：光通量分布均匀： Ev=Ev=ΦΦv/v/ ＡＡ3.3. 单位单位 :lx:lx （勒克斯（勒克斯 ))

照度

流明

面积(m2)

• 光亮度光亮度 LLvv(luminance)(luminance)1.1. 定义定义 :: 面光源在给定方向上，单位正投影面积的面光源在给定方向上，单位正投影面积的 发光强度发光强度2.2. 公式公式 ::　　　　　　　　　　 光通量分布均匀：光通量分布均匀：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3.3. 单位单位 :Sb(:Sb(熙提熙提 )) 或或 nt(nt(尼特尼特 )) 或或 cd/mcd/m22(( 坎德坎德

拉拉 // 平方平方 米米 ))

cos cos

dI dI dL

dA dS dA d

cos cos

I I EL

A S A

• 光效光效 ηη

1.1. 定义定义 :: 面光源发出的总光通量与它所消耗的电功 面光源发出的总光通量与它所消耗的电功 率之比称为光源的发光效率率之比称为光源的发光效率2.2. 公式公式 ::ηη==ΦΦv/Pv/P 电电

3.3. 单位单位 :lm/w:lm/w

4.4. 对于白炽灯对于白炽灯 ::

直流供电气体放电灯：直流供电气体放电灯： PP 电电 ==UU 灯灯 II 灯灯

　 　 交流供电气体放电灯：交流供电气体放电灯： PP 电电 =U=U 灯灯 II 灯灯 ·cos·cosφφ

5.5. 常见几种灯的发光效率：常见几种灯的发光效率：白炽灯：白炽灯： 8-17lm/w 8-17lm/w

金属卤化物灯：金属卤化物灯： 45-60lm/w45-60lm/w

日光灯：日光灯： 30-60lm/w 30-60lm/w

高压钠灯：高压钠灯： 100-150lm/w100-150lm/w

低压钠灯：低压钠灯： 180-200lm/w180-200lm/w

§§ 1-41-4 光源的颜色与色温光源的颜色与色温• 光源的颜色：（色表和显色性）光源的颜色：（色表和显色性）１１ .. 光源的色表光源的色表 :: 光源发光时，人眼直接看光源时光源发光时，人眼直接看光源时光 光

源所呈现的颜色源所呈现的颜色2.2. 光源的显色性光源的显色性 :: 某光源与标准光源分别照射同某光源与标准光源分别照射同一一

物体时物体时 ,, 人眼所产生的颜色类别人眼所产生的颜色类别用用

显色指数来定量描述显色指数来定量描述

CIE 计算 CRI 值的色板

显色指数显色指数：用数字来表达演色能力

带有黄色滤片的白炽灯光照下的显色性 在低压钠灯光照下的显色性

显色性

• 几种灯的颜色特性：几种灯的颜色特性：1.1.高压汞灯高压汞灯 :: 色表↑，显色性↓色表↑，显色性↓2.2.白炽灯白炽灯 :: 色表↓，显色性↑色表↓，显色性↑3.3.钠灯钠灯 :: 色表和显色性↓故被照物体颜色会失真色表和显色性↓故被照物体颜色会失真

讨论讨论 :: 为何高压汞灯和钠灯照射物体会失真？为何高压汞灯和钠灯照射物体会失真？　　　　①了解钠灯和高压汞灯的辐射光谱线　　　　①了解钠灯和高压汞灯的辐射光谱线　　　　②了解钠灯和高压汞灯的色表和显色性　　　　②了解钠灯和高压汞灯的色表和显色性　　　　③颜色的决定因数　　　　③颜色的决定因数结论结论 :: 自身发光的物体颜色由光谱功率分布决定。自身发光的物体颜色由光谱功率分布决定。　　　 本身不发光的物体颜色取决于光谱功率分　　　 本身不发光的物体颜色取决于光谱功率分布和物体的发射特性或透射特性布和物体的发射特性或透射特性

•色温与相关色温色温与相关色温 ::１１ .. 色温色温 :T:Tcc(colour temperature)(colour temperature)

待测辐射源在温度待测辐射源在温度 TT 时所呈现的颜色与某一温时所呈现的颜色与某一温度度

TTcc时的黑体颜色相同时的黑体颜色相同 (( 色品相同色品相同 )) 则称则称 TTcc为该辐为该辐射体射体

光源的颜色与色温的色温度。简称色温光源的颜色与色温的色温度。简称色温 TTcc(( 单位单位 ::ＫＫ ))

　　　　

各光源的色温各光源的色温

２２ .. 相关色温：相关色温：在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体色品最接在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体色品最接近的色温度称之为相关色温用Ｔ表示（单位：Ｋ）近的色温度称之为相关色温用Ｔ表示（单位：Ｋ）

　　　　

u-v 色度图中黑体轨迹和等色温线 [LM]

照度与色温关系照度与色温关系 为了使照明具有良好的效果，所选用的光源的色温必须与要求的照度相适应 .

照度和光源色温的关系

§§ １１ -- ５光辐射测量中的定律５光辐射测量中的定律与定则与定则• 朗伯定律或理想漫射面的余弦定则朗伯定律或理想漫射面的余弦定则 ::１１ .. 朗伯定律朗伯定律 在在 θθ方向上：方向上： 在法线方向上：在法线方向上：　　　　如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有 :: 故故

2.2.遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源．遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源．　只有绝对黑体才是朗伯光源　只有绝对黑体才是朗伯光源

　　　　　　　　　　　　　　　　

cos

IL

dA

00

IL

dA

00 cos

I IL L

dA dA

0 cosI I

3.3.朗伯光源的特性朗伯光源的特性①① 单位面积上的光出度为其亮度的 倍：单位面积上的光出度为其亮度的 倍：　　　　　　或 　　　　　　　或 　

②②当二个元表面当二个元表面 dAdA11..dAdA22 亮度相等时亮度相等时 ,, 一元表面发一元表面发射射到另一元表面的光通量等于它自身获得的光通量．到另一元表面的光通量等于它自身获得的光通量．即即

/L M M L E

：漫射系数

12 21 1 2 1 22cos cos

Ld d dAdA

l （传播定律）

• 距离平方反比定律距离平方反比定律１１ .. 在在 r⊥dAr⊥dA 方向上的光强为方向上的光强为 : :

面积为面积为 dAdA 的照度的照度 EE 为为 : :

而而　 故 　 故 垂直于光线传播方向的被照元表面的照度与光强成垂直于光线传播方向的被照元表面的照度与光强成正比，而与光源到被照元表面的距离平方成反比即正比，而与光源到被照元表面的距离平方成反比即为距离平方反比定律为距离平方反比定律 (( 图如下）图如下）　　

d IE d

dA dA

2/d dA l 2/E I l

SdA

rl

/I d d

２２ .. 当被照元表面当被照元表面 dAdA到光源的距离由到光源的距离由 rr11 变到变到 rr22

时，则相应的照度由时，则相应的照度由 EE11→E→E22有下列关系：有下列关系：　　　　　　 　　　　　　 EE11/E/E2=2=rr11

22/r/r2222

　可知距离变化一倍，照度变化四倍．　可知距离变化一倍，照度变化四倍．

100 lx

11 lx25 lx

1 m

2 m

3 m

平方反比定律

当光源为点光源、距离大于光源最大尺寸的十倍时，此定理成立

光源

立体角ω

平面A

距离

d

P

Ep = I / d2

I

π4

dd

π4

dd

d

d

2

2

ΦI

d

Ad

AΦΦ

ΦI

光强与距离无关平方反比定律

注意注意 :: 满足此定律前提：满足此定律前提： ① ① 点光源（点光源（ L≥10R)L≥10R)

② ② 在介质中光不被吸收在介质中光不被吸收　　 ③在给定的立体角内，光通量分布均匀　　 ③在给定的立体角内，光通量分布均匀实际实际 :①:① 光源尺寸取得足够小（距离加大）光源尺寸取得足够小（距离加大）　　　 　　　 ②②在空气中，可忽略光吸收在空气中，可忽略光吸收　　　 ③立体角要足够小　　　 ③立体角要足够小

　　　　　　

　　　　　　 ddΩΩ 　

dAdA

　　• 照度的余弦定则　照度的余弦定则　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　Ｎ　　Ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

I→rI→r 方向的光强方向的光强　　　　　　 　　　　　　 EE00→→垂直于传播方向的照度垂直于传播方向的照度　　　　　　 　　　　　　 EEθθ→→以倾角为以倾角为 θθ的光线斜射到的光线斜射到 dAdA 表表 面的照度面的照度　　结论：光线倾角结论：光线倾角 θθ↑→E↑→E↓↓

　　　　故实际测量时应考虑这一因素．　　　　故实际测量时应考虑这一因素．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2 2

coscos

d I I dA IE d

dA dA dA l l

　　　　　　

　　　　　　 ddΩΩ 　

dAdA

平面 A

距离 d

h

y

p

余弦定理光源

y

余弦定理光源

距离d

y

h

• 例题：一理想漫射面的面积为例题：一理想漫射面的面积为 2cm2cm22,, 其亮度为其亮度为 25cd/cm25cd/cm22

求：①垂直方向上的光强度求：①垂直方向上的光强度　　　　　　②在与垂直方向成②在与垂直方向成 606000倾斜角方向上的光强倾斜角方向上的光强　　　　　　③如果光线垂直射至③如果光线垂直射至 50cm50cm远处半径为远处半径为 2cm2cm 的的圆圆

形屏幕上，求入射到屏幕上的光通量为多少？形屏幕上，求入射到屏幕上的光通量为多少？

解解 ::

①① 由由 L=I/dA ·cosL=I/dA ·cosθθ 知在法线上知在法线上 θθ=0=0 ００

　　　　故　　　　故 I=L·A=25I=L·A=25×2×2=50cd=50cd

②②此为理想漫射面故由朗伯定律知：此为理想漫射面故由朗伯定律知：　　　　　　 IIθθ=I=I ００ ·cos·cosθθ=50×cos60=50×cos6000=25cd=25cd

③③依题由距离平方反比定律知屏幕上照度为：依题由距离平方反比定律知屏幕上照度为： E=E= ＩＩ /r/r22==ΦΦ// Ａ得屏幕上的光通量为：Ａ得屏幕上的光通量为：　 　 ΦΦ=E·=E· ＡＡ =I=I ００ /r/r2 2 ··ＡＡ =50/50=50/5022×2×2ЛЛ×4×4

=4=4ЛЛ/25 lm/25 lm

结束语结束语

谢谢大家!