朗伯余弦定律(Lambert‘s Cosine Law)

我最近看到卡耐基梅隆大学 15-462/662 计算机图形学 Computer Graphics(Fall 2020)_哔哩哔哩_bilibili讲解朗伯余弦定律的部分,觉得讲得不错,记录在这里。

首先给出辐射照度(Irradiance)定义:单位被照面积接收到的辐射通量,即

E=\partial \Phi /\partial A

单位是W/cm^{2}.

注意:这里的面积就是实际被照的面积,而不是投影面积

  • 下图是表示入射光线与接收面垂直的情况。接收面的面积是A。

此时辐照度为:

E=\frac{\Phi }{A}

  • 下面考虑入射光束与接收面存在夹角的情况。

 其中A'是接收面实际面积,A是接收面在入射光方向的投影面积

所以辐照度是:

E=\frac{\Phi }{A'}=\frac{\Phi cos \theta}{A}

所以表面辐照度与入射光和表面法线之间的夹角余弦成正比。

 顺便将其他常用辐射量的定义整理一下。

名称 英文名符号单位定义
辐射能radiant energyQJ以电磁波的形式发射、传输或接收的能量
辐射通量/功率radiant flux/power\PhiW

单位时间内发射、传输或接收的能量

\frac{\partial Q}{\partial t}

辐射强度radiant intensityIW/sr

单位立体角内辐射源发射的辐射通量

\frac{\partial \Phi }{\partial \Omega }

辐射亮度radianceLW/cm^{2} /sr辐射面元在某一方向的单位投影面积,想该方向的单位立体角内发射的辐射通量\frac{\partial ^{2}\Phi}{\partial \Omega \partial A cos\theta}

### 朗伯体辐射出度的计算方法及其物理原理 #### 定义与基本概念 朗伯体是一种理想化的辐射表面模型,其特性在于各个方向上的辐射强度相同。这种均匀性使得朗伯体成为研究热辐射的重要理论基础之一。对于朗伯体而言,其辐射出度 \( M \) 是指单位时间、单位面积上发出的总辐射能量[^1]。 #### 辐射出度公式推导 朗伯体的辐射强度定义为 \( I(\theta, \lambda) \),其中 \( \theta \) 表示观察角度,\( \lambda \) 表示波长。由于朗伯体具有各向同性的性质,在任意方向上的辐射强度均为常数。因此,可以利用立体角积分来求解整个半球范围内的辐射出度: \[ M = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\pi/2} I(\cos\theta)\cos\theta\sin\theta \, d\theta \, d\phi \] 这里: - \( I(\cos\theta) \) 表示朗伯体在特定方向上的辐射强度; - \( \cos\theta \) 考虑的是投影效应,即垂直于表面的方向贡献最大; - \( \sin\theta \) 来自立体角微分元 \( d\Omega = \sin\theta \, d\theta \, d\phi \)。 经过简化处理后可得最终表达式为: \[ M = \pi I_0 \] 其中 \( I_0 \) 是法线方向上的辐射强度。 #### 物理意义分析 上述公式的本质来源于朗伯余弦定律 (Lambert's cosine law),该定律描述了漫反射表面上某一点处发射或散射光强随观测角度变化的关系。具体来说,当光线偏离表面法线时,实际接收到的能量会因有效发光区域缩小而减少,这一现象正好由因子 \( \cos\theta \) 描述出来[^2]。 另外需要注意的是,虽然此处讨论仅限于单一波长情况 (\( \lambda \)) 下的结果,但在实际情况中往往涉及全谱段综合效果,则需进一步引入普朗克黑体辐射分布函数并完成相应数值运算得到总的辐射出度值。 ```python import numpy as np def lambert_emittance(I0): """ Calculate the emittance of a Lambertian surface. Parameters: I0 : float Radiant intensity at normal direction Returns: M : float Emittance or radiant exitance """ pi = np.pi M = pi * I0 return M I0_example = 1.0 # Example value for radiant intensity in W/sr/m² emittance_result = lambert_emittance(I0_example) print(f"The emittance is {emittance_result:.2f} W/m²") ```
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