第一章辐射度与光度基础教材课件.ppt
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1、1,第一章 辐射度与光度学基础,2,教学目的:掌握电磁波的特性和辐射度学基本物理量,了解光度学基本知识和热辐射基本规律。,重点:电磁波的特性和辐射强度的意义。,难点:光度学基本知识。,3,一、光的基本性质,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在空间传播,形成电磁波。,1.电
2、磁场的性质与电磁波谱,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。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
3、顺序把这些电磁波排列成图表,称为电磁波谱。,8,/m,/nm,图1 电磁辐射波谱,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10nm1mm,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。,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380780nm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
4、,紫外辐射比紫光的波长更短,人眼看不见,波长范围是40400 nm。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(315400 nm)、B波段(280315 nm)和C波段(200280 nm)。,紫外辐射:,12,波长在0.761000 m的是红外辐射。通常分为近红外(0.763 m)、中红外(340 m)和远红外(401000 m)三部分。,红外辐射:,13,二、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
5、辐射度单位和光度单位两套不同的体系。,14,在辐射度单位体系中,辐通量(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(J)。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(cd)。光度学只适用于可见光波段。,15,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。,16,在光辐
6、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。,0、立体角:,17,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,18,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
7、心的距离。,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。,19,用球坐标表示立体角,微小面积则dS对应的立体角为计算某一个立体角时,在一定范围内积分即可。,20,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(1.2-1)单位:瓦特(W)或焦耳秒(J s)。,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)。,1.射度辐的基本物理量,21,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
8、体单位面积向空间发射的辐射通量,即(1.2-2)单位:W/m2。,辐射强度: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,用Ie表示,即(1.2-3)单位:瓦特球面度-1(W sr-1)。,22,辐射亮度:辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。如图2所示。(1.2-5)式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位:瓦特/球面度米2(W/sr m2)。,23,辐射照度: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(1.2-9)单位:(W/m2)。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,
9、只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量,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(1.2-10),24,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应人的亮暗感觉。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度学的基本物理量对应的来表示,其定义完全一一对应。与辐射度量体系不同,在光度单位体系中,被选作基本单位的不是光量或光通量,而是发光强度,其单位是坎德拉(cd)。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)的七个基本单位之一。,1-2.光度的基本物理量,25,表1:常用辐度量和光
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