《光电技术》1-1辐射度与光度基础.

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.电磁场的性质与电磁波谱56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。001c1vEH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顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱。8/m/nm101410121010108106104102110-210-410-610-810-10声频电磁振荡无线电波毫米波红外光紫外光X射线射线宇宙射线1106410461031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光图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10nm~1mm，或频率在31016Hz~31011Hz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380~780nm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40~400nm。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（315~400nm）、B波段(280~315nm）和C波段(200~280nm）。紫外辐射：12波长在0.76~1000m的是红外辐射。通常分为近红外(0.76~3m)、中红外(3~40m)和远红外(40~1000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：Ω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2RA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θ为dS与投影面积dA的夹角，R为O到dS中心的距离。2cosdSdR单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角Ω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。ddrdSsin2sindddd20⑵辐射通量：辐射通量e又称为辐射功率以辐射形式发射、传播或接收的功率，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）。eedQdt⑴辐射能：辐射能是以辐射形式发射、传播或接收的电磁波（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21⑷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空间发射的辐射通量，即(1.2-3)单位：W/m2。eedMdS⑶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(1.2-2)单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。eedId22⑸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）。2coscoseeedIdLdSddSSddSd图2辐射亮度示意图23⑹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）。⑺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，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)eedEdA,0eeXXd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：常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度量光度量名称符号定义单位名称符号定义单位辐射能QeJ光量QvQv=vdtlm•s辐射通量Φee＝dQe/dtW光通量Φvv=Ivdlm辐射强度IeIe=de/dW•sr-1发光强度Iv基本量cd=lm•sr-1辐射出射度MeMe=dedSW•m-2光出射度MvMv=dv/dSlm•m-2辐射照度EeEe=de/dAW•m-2光照度EvEv=dv/dAlx=lm•m-2辐射亮度LeLe=dIe/(dScos)W•m-2•sr-1辐射亮度LvLv=dIv/(dScos)cd•m-226晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50—500lx阴天室内5—50lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度50~60lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx27光谱光视效能：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K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即(1.2-11)单位：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555nm）处，K有最大值，其数值为Km=683lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果，其定义为(1.2-12)veK1vmmeKVKK284005006007008000.00.20.40.60.81.0VV'波长(nm)光视效率明视觉暗视觉291vmmeKVKKemvVKΦΦdemvVKΦΦ780380不同光谱辐射产生的光通量30§1-3辐射度与光度中的基本定律,EESScos,SS一、余弦定律投影面积S和S′的表面上的辐照度E和E′分别为：因为所以cosEE余弦定理：任一表面上的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间夹角的余弦而变化。SS′θOΩ31•漫辐射源：辐射亮度L与方向无关的辐射源。（太阳、荧光屏等）•漫辐射：漫辐射源发出的辐射。•漫反射：与漫辐射具有相同特性的反射。（电影屏幕等）32举例：很光滑的反射（镜）面，当有一束光入射其上时，具有很好的（反射）方向性；表面粗糙的反射器，在很大的空间内都有反射，没有强弱之分。•描述这种辐射的空间分布的特性公式为式中B——常数θ——辐射法线与观察方向夹角△A——辐射源面积△Ω——辐射立体角即：“理想漫反射源单位表面积向空间指定方向单位立体角内发射（或反射）的辐射功率和该指定方向与表面法线夹角的余弦成正比。”这就是朗伯余弦定律。具有这种特性的发射体（或反射体）称为余弦发射体（或余弦反射体）。2BcosA33由辐射亮度的定义知：与上式相比较，则（常数）2LAcos2LBAcos34“朗伯余弦定律”为另一种形式亮度∵∴法向亮度θ方向亮度因为漫辐射源各方向亮度相等，即L=Lθ，（上二式相等），则Iθ=I0cosθ•朗伯辐射表面在某方向上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角的余弦而变化。（物理意义）cosAL2IcosAILAIcosAIL00cosAIL351、朗伯辐射源的辐射亮度（常数）2、朗伯辐射源的辐射强度注意：虽各方向亮度相同，但辐射强度不同。Iθ=I0cosθθ=90°时，Iθ=0BcosAL236二、距离平方反比定律:描述点辐射源产生的照度的规律。设：点辐射源的辐射强度为I;源到被照表面P点的距离为d（P点为小面元dA）;小面元dA的法线与到辐射源之间的夹角为θ，求：点辐射源在P点产生的照度由辐射强度的定义知由立体角的定义则由照度的定义如θ=0（垂直照射），则此乃距离平方反比定律。ddI22cosddAdSd2cosddAIIdd22coscosAddAIEIddAdd2IEd37距离平方反比定律：点辐射源在距离d处所产生的照度，与辐射源的辐射强度I成正比，与距离的平方成反比。注意：被照的平面一定要垂直于辐射投射的方向，如果有一定的角度，则情况如下图所示，此时的照度为该式也被称为照度的余弦法则。从图中可见，CD=AB·cosθ，即垂直照射时落在CD上的光通量被分散开来落到较大的面积AB上，所以照度就减小了。源越倾斜，照射面积越大，照度就越小。从照度的定义也可看出，，在通量不变的情况下，被照面积越大照度越小。cos2dIEAddE38三、