1.辐射学和光度量学基本概念 v2.0

辐射学和光度量学基本概念辐射度学研究各种电磁辐射的传播和量度，包括可见光区域。辐射度学单位是纯粹物理量的单位，例如，熟悉的物理学单位焦耳和瓦特就是辐射能和辐射功率的单位；光度学所讨论的内容仅是可见光波的传播和量度，因此光度学的单位必须考虑人眼的响应，包含了生理因素。例如，光度学中光功率的单位不用瓦特而用流明。辐射度学基本物理量辐[射]功率(辐[射能]通量)Φe对辐射源来说，其辐功率定义为单位时间内向所有方向发射的能量，对于电磁波的传播来说，辐功率的定义是单位时间通过某一截面的辐射能。单位为W(瓦[特])。辐[射]强度Ie点状辐射体在不同方向上的辐射特性用辐强度Ie表示。若在某方向上，一个小立体角dΩ内的辐通量为dΦe，则点源在该方向的辐强度Ie为:,单位为W/sr(瓦/球面度)。辐[射]亮度(或称辐射度)Le对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置在不同方向上的辐射特性。一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向θ上有一面元dA。若dA所对应的立体角dΩ内的辐通量为dΦe，则面源在此方向上的辐亮度为:式中是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐通量。单位为W/(m2·sr)。辐[射]出[射]度Me辐出度只表示面辐射源表面不同位置的辐射特性，而不考虑辐射方向。其定义为：面辐射源的单位面积上辐射的辐通量，也就是把辐亮度Le对所有可能方向的角积分，即,单位为W/m2。辐[射]照度Ee它表示每单位受照面接受的辐通量，即,单位为W/m2。这里无需考虑面元dA所接受的辐通量来自何方，故与该面的取向无关。光度学基本物理量人眼是最常用也是最重要的可见光接受器。它对不同波长的电磁辐射有不同的灵敏度，而且不同人的眼睛，其灵敏度也有差异。为了从数量上描述人眼对各种波长辐射能的相对敏感度，引入视见函数Vλ。国际照明委员会从许多人的大量观察结果中取其平均值，得出视见函数的曲线如图所示，图中虚线是暗视觉视见函数，实线是明视觉视见函数。人眼对于波长为555nm的绿色光最敏感，取其视见函数值为1。其它的波长Vλ1，而在可见光谱以外的波段Vλ=0。光通量Φv为了从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度，引入一个新的物理量，称为光通量，也称为光功率。定义为:光通量的单位为1m，称为流明；比例系数C=683lm/W。发光强度Iv与辐射度学的辐强度很相似，定义为：发光强度的单位应是lm/sr，(流明每球面度)，cd(坎德拉).亮度Lv面光源的亮度定义为:,其单位为cd/m2。光出射度Mv它过去也称为面发光度。其定义为面光源从单位面积上辐射的光通量，即,单位为lm/m2,lx(勒克斯)。照度Ev入射到单位面积上的光通量称为照度，即,单位为lx(勒克斯).根据眼睛的视见函数Vλ，可将辐射度学单位表示的量值换算为以光度学单位表示的相应值。例如，已知某一波长λ的光谱辐照度Eeλ时，与之相当的光谱照度Evλ为:如果照明光源不是单色的，则总的照度可用积分求出:黑体辐射定律黑体辐射定律绝对黑体：任何温度、任何波长的入射辐射的吸收比都等于1。1,基尔霍夫（kirchhoff）定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度。（强吸收体也必是强发射体。）黑体辐射定律2,普朗克（Plank）辐射公式：短波或温度不高时，黑体辐射定律3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-BoltzmannLaw）黑体总辐出度：σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定黑体辐射定律3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-BoltzmannLaw）绝对黑体：其中一般物体：e为物体的发射率（emissivity）热辐射：黑体辐射定律4,维恩位移定律(Wien‘sDisplacementLaw)将普朗克公式对波长λ求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长λm与绝对温度T的关系为：μm（峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。）代入Plank公式，黑体的峰值光谱辐出度：黑体辐射定律4,维恩位移定律(Wien'sDisplacementLaw)当黑体温度升高时，辐射曲线的峰值波长向短波长方向移动。例题：若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？Solution:(1)绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度:(2)由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为：峰值光谱辐出度为Solution:(3)发烧到38℃时峰值辐射波长为：发烧时的峰值光谱辐射出射度：