第二讲 辐射度学与光度学基本知识课件.ppt

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1、2022/12/22,1,光电子技术原理 及应用,2,2-1 光的基本概念2-2 立体角及其计算2-3 描述辐射场的物理量2-4 人眼与光度学2-5 光度量与辐射度量的对照2-6 辐射度学与光度学中的基本定律,3, 2-1 光的基本概念,牛顿微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波,4,光是电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化的磁场（或变化电场），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度

2、在空间传播，形成电磁波。,1.电磁波的性质与电磁波谱,5,6,电磁波具有以下性质：,电磁波的电场 E 和磁场 H 都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。和传播方向构成右手螺旋系。 沿给定方向传播的电磁波， E 和 H 分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。 空间各点 E和H 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。 任一时刻，在空间任一点， E 和H在量值上的关系为 。 电磁波在真空中传播的速度为 ，介质中的传播速度为 。,7,电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到 射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波

3、有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。,8,9,以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm 1mm，或频率在31016Hz31011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m表示。波数的单位习惯用cm-1。,2. 光辐射,10,通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在3807

4、80nm范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。,可见光：,11,紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1390nm。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外辐射分为A波段、B波段和C波段。,紫外辐射：,12,波长在0.771000m的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。,红外辐射：,13,光子及其能量和动量,当光与物质作用时，如果产生原子对光的发射和吸收，此

5、时光的粒子性表现得较为明显，这时，可将光束看作以光速C运动的粒子流。,一个光子的能量,描述光的波动性：波长，频率描述光的粒子性：能量，动量 P,光子的动量,（1）,（2）,动量的方向即光波（电磁波）传播方向,h 为普朗克常数 h=6.626176 10-34 J s,光既然是一种传播着的能量，如何度量和定量研究,光度学与辐射度学：对光能进行定量研究的科 学.光 度 学只限于可见光范围，包含人眼特性。辐射度学规律适用于从紫外到红外波段（光能的大小是客观的）.有些规律适用于整个电磁波谱。红外物理就是从光是一种能量出发，定量地讨 论光的计算和测量问题（当然不只是可见光）.,2-2 立体角及其计算,一

6、、立体角： 在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角。立体角涉及到的是空间问题。任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的一定空间内。因此，在进行有关光辐射的讨论和计算时，也将是一个立体空间问题。与平面角度相似，我们可把整个空间以某一点为中心划分成若干立体角。,定义:一个任意形状椎面所包含的空间称为立体角。符号： 单位：Sr （球面度）,如图所示，A是半径为R的球面的一部分，A的边缘各点对球心O连线所包围的那部分空间叫立体角。立体角的数值为部分球面面积A与球半径平方之比，即,2022/12/22,17,更严密的，立体角是面S对点P的面积分（曲面）：,球面的立体角：根据定义 全球所对应的立体角 (全球

7、所对应的立体角是整个空间，又称为4空间.) 同理，半球所对应的立体角为2空间。,单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面度。微小面积的立体角：对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积dS ，它们对应的立体角为 其中为dS 与投影面积 dA的夹角，R为O 到dS中心的距离。,2022/12/22,20,例,球冠所对应的立体角：顶角为2的圆锥的立体角为一个单位球的球冠当很小时，可用小平面代替球面，5以下时误差1%。,2022/12/22,21,如图2-4（A）所示，设S处有一盏白炽灯，白炽灯发出的光照到直径

8、d =1.2m的圆桌上，图中AB表示圆桌的一条直径，已知S到圆桌直径AB的距离为3m。求圆桌桌面对S构成的立体角。,2022/12/22,22,m，SO = 3m，,2022/12/22,23,2022/12/22,24,25,2.3 描述辐射场的物理量,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。,辐射度学与光度学是对光能进行定量研究的科学.辐射度学辐射度学中的基本物理量适用于整个电磁波段。主要的应用范围从紫外到红外波段.辐射通量是基本量。光度学是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，只限于可见光范围，波长范围为3

9、80780 nm 。发光强度是基本量。色度学不处理颜色的感知本身，而是研究各种波长的感知强度。例如，绿光比红光和篮光亮。,2022/12/22,27,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的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。,2022/12/22,28,h是普朗克常数，是光频率，它与光速c、波长之间可换算。 辐射能即可以表示辐射源发出的电磁波的能量，也可以表示辐射表面接收到的电磁波的能量。辐射通量以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理

10、量，属于基本物理量。它们的量值都可以用专门的红外辐射计在离开辐射源一定的距离上进行测量。,辐射能量Qe 在辐射度学中，辐射能量是基本的能量单位，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）。,2.3.1辐射度学中的基本物理量,29,2. 辐射通量：辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即 单位：瓦特（W）或焦耳/秒（J / s）。 e与功率意义相同。,3.辐射强度Ie,数学描述：若点辐射源在小立体角内的辐射功率为，则与之比的极限值定义为辐射强度. 单位：W/Sr （瓦/球面度）物理描述：点辐射源在某一

11、方向上的辐射强度，是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出的辐射通量。,点辐射源： （相对概念）辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）. P18第一句话重要，“辐射强度是描述点源特性的辐射量”。（画）,2022/12/22,32,若：一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射源体向所有方向发射的总辐射通量为e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie为常量，有：,各向同性、均匀介质,33,4.辐射出射度物理描述：辐射出射度简称辐出度，是描述扩展源辐射特性的辐射度量，其定义为扩展源单位表面积向半球空间发射的辐射通量，用Me 表示。 2空间：（半球空

12、间）因扩展源有面积，不同于点光源， 不能向下或向内辐射。数学描述：若辐射源的微小面积A向半球空间的辐射通量为，则与A之比的极限值定义为辐射出射度.单位：W/m2。,2022/12/22,34,扩展源总的辐射通量，等于辐射出射度对辐射表面积的积分：A为扩展源面积. 如果辐射源表面的辐射出射度Me为常数，则它所发射的辐射通量为e = MeA。,35,5. 辐射亮度Le 为了能同时描述扩展源的辐射功率在源表面不同位置沿空间不同方向的分布，特别引出辐射亮度的概念。 它是另一个描述扩展源辐射特性的物理量。其定义为：辐射源在给定方向上的辐射亮度，是辐射源在该方向投影面积上、单位立体角内发出的辐射功率，用L

13、e来表示。,2022/12/22,36,数学描述：面积元A向小立体角内发射的辐射功率是二阶小量()2； 在方向看到的源面积是A的投影面积 AAcos ，,2022/12/22,37,因此，在方向上观测到的源表面上该位置的辐亮度就定义为2与A及之比的极限值 单位：w/(Sr) 瓦/（平方米球面度）,2022/12/22,38,I与L关系：,对小面元dA有如下关系：,于是有,39,6.辐射照度 描述受照物体的表面接受辐射的情况来描述辐射源的辐射特性。 在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即 单位：（W/m2）。,2022/12/22,40,注意：辐射出射度Me

14、和辐射照度Ee公式相同、单位相同，意义不同，一个是辐射源的发射特性，一个是被照表面的接收特性。,2022/12/22,41,定义辐射强度、辐射出射度、辐射亮度和辐射照度等辐射量时，只考虑了辐射的空间分布，认为辐射波长覆盖了从0到的所有波长的全辐射，我们将这种在定义中不考虑波长范围或者认为覆盖了整个波长范围的辐射量称为全辐射量。由于辐射源的辐射往往是由许多单色辐射所组成，而且在很多情况，人们关心的是辐射源在某一特定波长附近的辐射特征，因此，在辐射度量的定义中需要考虑到辐射源的辐射波长，我们将这种在定义中考虑了辐射波长的辐射量称为光谱辐射量。,2.3.2 全辐射量与光谱辐射量,光谱辐射通量：辐射源

15、在+波长间隔内发出的辐射通量，称为在波长处的光谱辐射通量（或单色辐射通量） 单位：W/m （瓦/米） 严格地讲，单色辐射通量和光谱辐射通量不同，其区别在于“单色辐射通量”比“光谱辐射通量”的 波长范围更小一些。,注意单位（W/m），光谱辐射通量不是辐射通量的单位W/m2，而是辐射通量与波长的比值，描述的是某一波长或波段的辐射特性。,光谱带辐射通量与全辐射通量,2022/12/22,44,于是有： 光谱辐射强度 光谱辐射出射度 光谱辐射亮度 光谱辐射照度,与光谱辐射通量的定义类似，其他光谱辐射量的定义可以写为：,2022/12/22,45,前面由辐射通量定义出了四个辐射量Ie、Me、Le、Ee，

16、这里由光谱辐射通量定义出了四个光谱辐射量I、M、L 、E 。 单位：在原来辐射量单位的基础上加m-1。,2.3.3 光子辐射量,光谱辐射量是波长 的函数，用于描述单位波长间隔内的辐射特性。但在研究光子类探测器的性能及其对入射光的响应时，往往不是考虑入射光的功率，而更多的是考虑其每秒钟接收的光子数，为了方便地解决这类问题，需要引入光子辐射量的概念。,光子辐射量是用每秒钟接收（或发射、传输）的光子数代替辐射通量（功率）而定义的各种辐射量。,2022/12/22,47,光子数：NP（无量纲，是纯数字）,Q是用频率表示的辐射能。h是一个光子的能量。 光子数=总的能量除一个光子的能量,又：=c =c/

17、所以有,光子通量：单位时间内传输的光子数 单位：1/S （1/秒）于是有（用光子通量表示的光子辐射量）： 光子强度 光子亮度 光子辐射度 光子照度,2022/12/22,49,前面由辐射通量定义出了四个辐射量，后来由光谱辐射通量定义出了四个光谱辐射量，这里又由光子通量定义出了四个光子辐射量。 单位：在原来单位的基础上加1/(sW),“通量”是传递的能量（发射或接收）“强度”、“亮度”、“出射度”是从源发出的辐射“照度”是被照表面积上接收到的辐射,2022/12/22,52,2-4 人眼与光度学,光度量：辐射量对人眼视觉的刺激值是主观的，不管辐射量大小，以看到为准光谱光视效能是评定该刺激值的参数

18、,以上所讲的辐射量是客观存在的物理现象，不论人们是否看到。那么，众所周知在可见光范围内有很多规律和定义、单位等，与上述理论有何关系呢？引出光度量。,光视效能 光通量 e辐射通量 即人眼对不同波长的辐射产生光感觉的效率 说明：即使辐射通量e不变，光通量v也随着波长不同而变化，K是个比例，但不是常数，是随波长变化的。于是人们又定义了光谱光视效能。光谱光视效能 在波长处的光通量 e 在波长处的辐射通量,2.4.1 光谱光视效能和光谱光视效率,光视效率 物理意义： 以光谱光视效能最大处的波长为基准来衡量其它波长处引起的视觉。 在相同的辐射能量下，看到的亮度不同具体某个波长上的光视效率称为光谱光视效率：

19、,2022/12/22,56,基本光度学量,1.光能,按人眼的感觉强度进行度量的辐射能大小称为光能，与辐射能的大小、人眼的视觉灵敏度成正比,单位为lms（流明 秒）,2022/12/22,57,2、光通量,单位时间内通过某一面积的光能量（功率）。 单位：Lm (流明),K为光视效能，定义为光通量与辐射通量之比,2022/12/22,58,对于明视觉： 对于暗视觉：,2022/12/22,59,3、光出射度扩展源单位面积向2空间发出的全部光通量。 单位：Lm/m2 A为扩展源面积,2022/12/22,60,4、发光强度 点光源在单位立体角内发出的光通量。,单位：cd (坎德拉),5、光亮度,光

20、源在给定方向上的光亮度L，是在该方向上的单位投影面积上、单位立体角内发出的光通量。 单位：cd/m2 （坎德拉/平方米）发光强度 光亮度又可表示为 即在给定方向上的光亮度也就是该方向上单位投影面积上的发光强度。,6、光照度,定义:被照表面积的单位面积上接收到的光通量称为光照度. 单位：Lux （勒克斯） A为被照面积,2022/12/22,63,常见物体的照度 单位：lux,光照度计,常用光学计量仪器举例（I）,亮度计(辉度计),常用光学计量仪器举例（II）,2022/12/22,66,描述辐射场的基本物理量小节,2. 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点

21、源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。,1. 一各向同性的点辐射体，其辐射强度为4W/sr，求它在整个空间的辐射通量。,例题,2022/12/22,68,，,2022/12/22,69,如图所示，设点源的辐射强度为I，它与被照面上x点处面积元dA的距离为l，dA的法线与l的夹角为，则投射到dA上的辐射功率为所以，点源在被照面上x点处产生的辐射照度为,3. 点源产生的辐射照度,Eg:一只100W的白炽灯，其发出的总光通量约为1200lm，若假设该灯泡在空间上发光是均匀的，则距该光源1m和5m处的光照度值是多少？光源的发光强度是多少？,半径为1m的球面积为412=12.56m2，距光源1m处的光照度值为： 1200lm/12.56 m2=95.5Lx。半径为5m的球面积为:452=314 m2，距光源5m处的光照度值为： 1200Lm/314 m2=3.82Lx。发光强度,2022/12/22,71,谢谢！,