应用光学-辐射度学和光度学基础

1第六章辐射度学和光度学基础2发光体实际上为一个电磁波辐射源；研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为“辐射度学”波长为400~760nm范围内的电磁波称为“可见光”描述电磁辐射的物理量，称为辐射量3辐射度学通过电磁光谱来进行辐射能的测量。辐射度学主要研究频率为3×1011～3×1016Hz的光辐射，对应于0.01~1000μm的波长。波段范围包括红外、可见光、紫外线。4研究可见光的测试、计量和计算的学科称为“光度学”也可用视觉受到刺激的程度，即视觉感受来度量可见光。另一方面，可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人感受的电磁波。按照视觉响应原则建立的表征可见光的量称为光学量。5光度学与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为380～780nm纳米。波长450nm对应于蓝色，540nm对应于绿色，659nm对应于红色。6将可见光作为纯物理现象来研究时，应采用辐射量值系统。研究与人的视觉有关的问题时，采用光学量值系统。7把整个空间以某一点为中心，划分成若干立体角。立体角的定义：一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角，用Ω表示。第一节立体角的意义和它在光度学中的应用Ω8OrS如图所示，以锥体顶点为球心，任意r为半径作一球面，此锥体在球面上的截面为S，则立体角表示为2rS9立体角单位：以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，若锥面在园球上所截出的面积等于r2，则该立体角为一个“球面度”（sr）。整个球面的面积为4πr2,对于整个空间有4422rr即整个空间等于4π球面度。10立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2π角度覆盖整个单位圆。在三维空间，4π的球面度立体角覆盖整个单位球面。11第二节辐射度学中的基本量（1）辐射能Qe光辐射是一种能量的传播形式。度量辐射能的单位：焦耳（J）12单位时间内发射、传输或接收的辐射能。度量辐通量的单位：瓦（W）（2）辐射通量ΦedtdQee13用辐射通量的光谱密集度Φeλ来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性。ddlime0ΦeλΔλλ辐射体总辐射通量即辐射体的总辐射功率为ddedee014点辐射源向各方向发出辐射，在某一个方向，在一个圆锥立体角dΩ内发出的辐射通量。即单位时间、单位球面度上发出的能量。辐射强度的单位：W/sr（3）辐射强度IeddIee表示了辐射体在不同方向上的辐射特性。dΦedΩ15辐射源单位发射面积发出的辐射通量，也就是辐射源单位时间内单位面积发出的能量。辐出射度的单位：W/m2（4）辐出射度MedSdMee表示了辐射体在不同位置上的辐射特性AdΦedS16单位受照面积上接收的辐射通量，也就是单位时间内单位面积接收的辐射能量。与辐出度相同，一个是发出，一个是接受。（5）辐照度EedSdEee辐照度的单位：W/m2AdΦedS17表示单位面积在与法线成α角的立体圆锥角内的辐射通量。辐亮度的单位：W/sr·m2（6）辐亮度LeddAdLeecos表示了单位面积辐射源发出的辐通量的空间分布AdSNdΩOIeα18可见光：辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域。这个区域从400纳米到760纳米。人眼观察辐射体时，其视觉强弱与辐射波长和辐射强度（某一方向）有关。在可见光中不同波长的光所引起的视觉效应的灵敏度是不相同的。在光度学中，为了表示这种差别，定义V(λ)为“视见函数”（光谱光视效率）。第三节人眼的视见函数19视见函数•把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准，其它色光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得出各种色光的相对视觉灵敏度，称为视见函数，用V(λ)表示。把人眼最灵敏波长（λ=555nm）的视见函数规定为1，即V(555)=1V(λ)≤1不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别。20/nm4004505005506006507000.00.20.40.60.81.0V()如果以同样功率的不同波长的辐射通量射入人眼，波长λ=555nm的光人眼感觉最亮。紫红21如λ=660nm的红光，要引起与黄绿光相同亮的光感，必须要比555nm的辐射通量大16倍。而λ=780nm的红光，要引起与黄绿光相同亮的光感，必须要比555nm的辐射通量大5万倍。但是波长在380nm，780nm以外区域的辐射能，不管有多大功率的辐射通量进入人眼，将是感觉不到的。22第四节光度学中的基本量（1）光通量(Φ)标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。一只40W白炽灯的全部辐射的光通量为500lm，而40W的荧光灯的全部辐射约为2300lm光通量的单位：流明（lm）光源发出555nm波长的光，如果功率为1W，则其光通量为683lm23（2）发光强度(I)发光强度是光度学中最基本量之一。发光强度与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光源发光的强弱，即单位立体角内发出的光通量。ddI发光强度的单位为坎（德拉）（cd）241cd（坎德拉）代表发光体发出的电磁波频率为540X1012Hz的单色辐射（波长为555nm），且在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr。srcdlm111lm（流明）表示在某一方向上的发光强度为1cd的发光体在单位立体角内的通光量，即坎德拉是光度学中最基本的单位，也是国际基本计量单位之一。25（3）光出射度(M)指发光表面单位面积内所发出的光通量，它与辐射度学中辐（射）出射度相对应dSdM光出射度的单位为勒克斯（lx）1lx等于1m2面积上发出或接收1lm的光能量，即：2/11mlmlx26dSdE（4）光照度(E)当某一表面被发光体照明，用光照度E来表示被照明表面A处的照明强弱光照度表示被照明的表面单位面积上所接收的光通量。它与辐射度学中的辐（射）照度相对应。它们的单位为勒克斯（lx）。27AdSNdΩOIα前面所讲的概念并不能表示发光面不同方向的发光特性。用光亮度来表示发光表面不同位置和不同方向的发光特性。在该方向上单位投影面积的发光强度。cosdSIdSILn（5）光亮度（L)28L表示发光面上A点处在AO方向上的发光特性光亮度等于发光表面上某点周围的微面在给定方向上的发光强度除以该微面在垂直于给定方向的投影面积光亮度L与辐射度学中的辐亮度相对应。光亮度的单位为坎（德拉）/米2（cd/m2）29第五节光照度公式和发光强度的余弦定律一、光照度公式IddAldΩIdSNOαdΦ2lcosdSd2lcosdSId2lcosIdSdE这是实际应用的光照度公式应用计算时I以坎（cd）为单位，l以米（m）为单位，E以勒克斯（lx）为单位30二、发光强度余弦定律当发光体在各方向的光亮度相同时，不同方向上的发光强度变化规律如何？设发光体在各方向上的光亮度一致则有此式为发光强度余弦定律，又称“朗伯定律”符合余弦定律的发光体被称为“余弦辐射体”或“朗伯辐射体”dSNI0αIcosII0αdSI031在一个余弦辐射体上任意一点O向四周发出光时，但在各个方向上的发光强度是不等的。对于余弦辐射体，在法线方向的发光强度最大，其它方向上的发光强度是按余弦规律变小。如图所示，在辐射体的表面上O点的法线上取一线段OA，使OA比例于I0，以OA为直径作一球体切于辐射体。过O点作一射线，使该射线与法线之间的夹角为θ，射线与球面相交于B点，则OB的长度就比例于该方向的发光强度。I0IOAB32第五节光源与光度学基础知识一、光源自然光源：人工光源日光，月光，星光人工光源：（1）白炽灯：钨丝达到白炽状态，内充惰性气体。灯丝：单螺旋、双螺旋接口：螺口、卡口33（2）卤钨灯：灯泡内加入碘、溴等卤素。钨蒸发与碘、溴等结合在灯丝附近分解钨回到灯丝上（3）气体放电灯：电流通过气体（或者金属蒸汽）而发光。日光灯，霓虹灯等。34（4）其他光源：发光二极管激光器二、光源的发光效率定义：光源消耗1W的电功率，发出的光通量的流明数。p35一般白炽灯：8~12日光灯：40~80汞灯：50钠光灯：160～180氙灯：30~45照明光源要求发出的光具有良好的颜色1、人眼直接观察光源时所看到的颜色，称为光源的色表。2、光源照射到物体上所产生的客观效果，称为光源的显色性。三、光源的色表和显色性36光源的光谱能量分布情况是决定该光源色表与显色性的重要因素。如果能量分布连续而均与，则色表和显色性一定好，反之则较差。四、光的接收器设计一个光学系统，其最终的目的是使接收器接受到所需的信号。很多现代光学仪器采用光电探测器作为接收器，将光信号转换为电信号。人眼是光学系统最重要的接收器。37常用的接收器（一）、感光胶片重要指标：感光速度黑白彩色在传统胶卷相机上ISO代表感光速度的标准，在数码相机中ISO定义和胶卷相同，代表着CCD或者CMOS感光元件的感光速度，ISO数值越高就说明该感光材料的感光能力越强。感光度越高，对曝光量的要求就越少。ISO200的胶卷的感光速度是ISO100的两倍，换句话说在其他条件相同的情况下，ISO200胶卷所需要的曝光时间是ISO100胶卷的一半。38（二）、硅光电池即常说的太阳能电池。（三）、硅光二极管利用P－N结单向导电的结型光电器件。当有光照时，会产生电流。其特点是响应频率非常高，理论上可以达到几个G39（四）、硅光三极管结构与晶体三极管相似，但基极不接导线，是一个较大的光接受面。与光电二极管相比具有放大作用。响应频率不如二极管，还与负载有关RL=1KΩ时，f=100kHz40（五）、电荷耦合器件（CCD）在光照下在势阱附近产生载流子并流入势阱。产生载流子的多少取决于光强。黑白的是0～255级，即256级灰度。