1.2 辐射度学与光度学基本知识

为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。在辐射度单位体系中，辐射通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳/秒（J/s）。辐射度学适用于整个电磁波段。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应。为了区别起见，在对应的物理量符号用角标“e”表示辐射度物理量，角标“ν”表示光度物理量。下面分别介绍这两套单位体系中的物理量。

1.2.1 辐射量

1.辐射能

辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。辐射能一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（J）。

2.辐射通量

辐射通量Φe又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即

辐射通量的单位是瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）。

3.辐射出射度

辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即

单位是W/m2。

4.辐射强度

辐射强度Ie定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，即

辐射强度的单位是瓦特·球面度-1（W·sr-1）。

由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是Φe，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有

5.辐射亮度

辐射亮度Le定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，如图1-2所示。

式中，θ是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。辐射亮度的单位是瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。

显然一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足

式中，Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合

式（1-6）规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。将式（1-6）代入式（1-5），得到余弦辐射体的辐射亮度为

可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角θ无关。将式（1-7）代入式（1-5），得到余弦辐射体的面元dS向半空间的辐射通量为

计算式（1-8）的积分时应用了立体角的定义体的辐射出射度为。余弦辐射体的辐射出射度为

6.辐射照度

在辐射接收面上的辐射照度Ee定义为照射在面元上的辐射通量dΦe与该面元的面积dA之比，即

单位是W/m2。

由辐射通量和辐射强度之间的关系式（1-4）可知，一个辐射强度为1W·sr-1的点光源，总辐射通量等于4πW。现在假设有一个以这个点光源为球心、半径为1m的球面包围这个点光源，则该球面上的辐射照度恰好等于1W/m2。用这样的假想球面不难求得辐射强度为Ie在距离R处的辐射照度为Ee=Ie/R2。这一结果表明，一个均匀点光源在空间一点的辐射照度与该光源的辐射强度成正比，与距离平方成反比。

7.单色辐射度量

对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，其名称及单位见表1-3，并且对所有辐射量X来说，单色辐射度量与辐射度量之间均满足

1.2.2 光度量

由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反映人的亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用与辐射度学的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee相对应的Qν、Φν、Iν、Mν、Lν、Eν来表示，其定义完全一一对应，其关系见表1-4。

光度量的单位是国际计量委员会（CIPM）规定的。在光度单位体系中，被选作基本单位的不是相应的光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的7个基本单位之一。它的定义是“一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度为1/683 W/sr，则该光源在该方向上的发光强度为1cd”。

光度量与辐射度量之间的关系可以用光视效能与光视效率表示。光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。即光视效能Kλ定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量之比，即

单位是流明/瓦特（lm/W）。通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率540×1012Hz（波长555n m）处，Kλ有最大值，其数值为Km=683 lm/W。单色光视效率是Kλ用Km归一化的结果，其定义为

图1-3给出了明视觉Vλ（日间视觉）和暗视觉V'λ（夜间视觉）条件下单色光视效率曲线，表1-5则是人眼对一些典型波长的单色光视效率数值。