改 1輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識

1、光電信息技術(shù)光電信息技術(shù) 肖孟超肖孟超 l成績判定：期末考試成績判定：期末考試 70%+平時成績平時成績30% l教材：廖家鼎教材：廖家鼎光電技術(shù)光電技術(shù)浙江大學(xué)出版浙江大學(xué)出版 社社 l主要參考資料：主要參考資料： l雷玉堂雷玉堂 光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù) 中國計(jì)量出版社中國計(jì)量出版社 l浦昭邦浦昭邦 光電測試技術(shù)光電測試技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 l書名中有：光電信息、光電檢測、光電測試、書名中有：光電信息、光電檢測、光電測試、 光電技術(shù)的書光電技術(shù)的書 l其它：中國期刊網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)其它：中國期刊網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng) 課程簡介課程簡介 光電技術(shù)光電技術(shù) l光學(xué)技術(shù)光學(xué)技術(shù)處理的是空間光強(qiáng)信息，

2、它具有遠(yuǎn)距離、處理的是空間光強(qiáng)信息，它具有遠(yuǎn)距離、 非接觸、多維、并行、快速數(shù)據(jù)處理等能力非接觸、多維、并行、快速數(shù)據(jù)處理等能力 l電子技術(shù)電子技術(shù)處理的是隨時間的變化的一維電量，它有處理的是隨時間的變化的一維電量，它有 較高的運(yùn)算靈活性和變換精度較高的運(yùn)算靈活性和變換精度 l光電技術(shù)光電技術(shù)是將傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代微電子技術(shù)以及是將傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代微電子技術(shù)以及 計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合在一起的一門高新技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合在一起的一門高新技術(shù) l是獲取光信息或者借助光來提取其它信息，例如力、是獲取光信息或者借助光來提取其它信息，例如力、 溫度、聲音、電流、生物信息的重要手段溫度、聲音、電流、生物

3、信息的重要手段 光電技術(shù)作用光電技術(shù)作用 l擴(kuò)展了人類的視覺范圍擴(kuò)展了人類的視覺范圍:380nm-780nm200nm紫外紫外- 1mm遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外 l提高了探測閾值到光子探測的極限水平提高了探測閾值到光子探測的極限水平 l提高了響應(yīng)速度到納秒、皮秒、飛秒量級提高了響應(yīng)速度到納秒、皮秒、飛秒量級 l有廣泛的適用范圍：有廣泛的適用范圍： 能獲取和處理各種光學(xué)信息以及可以轉(zhuǎn)換為光信息的能獲取和處理各種光學(xué)信息以及可以轉(zhuǎn)換為光信息的 非光學(xué)參量，包括探測機(jī)構(gòu)內(nèi)部或危險環(huán)境下的工作非光學(xué)參量，包括探測機(jī)構(gòu)內(nèi)部或危險環(huán)境下的工作 參量參量 l有較高的信號檢測能力：有較高的信號檢測能力： 能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非

4、接觸、快速、高靈敏度的檢測和傳能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸、快速、高靈敏度的檢測和傳 輸；檢測所需的輸入能量幾乎不影響被測物的能量狀輸；檢測所需的輸入能量幾乎不影響被測物的能量狀 態(tài)；檢測信噪比高，信息容量大，傳輸能力強(qiáng)態(tài)；檢測信噪比高，信息容量大，傳輸能力強(qiáng) 光電技術(shù)的應(yīng)用光電技術(shù)的應(yīng)用 l光電技術(shù)的應(yīng)用已遍及軍事、科學(xué)研究、工業(yè)、光電技術(shù)的應(yīng)用已遍及軍事、科學(xué)研究、工業(yè)、 宇宙和環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和民用等各個領(lǐng)域宇宙和環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和民用等各個領(lǐng)域 l星體溫度探測星體溫度探測 l導(dǎo)彈跟蹤導(dǎo)彈跟蹤 l生物細(xì)胞組織的識別生物細(xì)胞組織的識別 l環(huán)境的監(jiān)測環(huán)境的監(jiān)測 l視覺工業(yè)機(jī)器人視覺工業(yè)機(jī)器人 l

5、民用全自動照相機(jī)民用全自動照相機(jī) l民用簡單光電開關(guān)民用簡單光電開關(guān) l生產(chǎn)領(lǐng)域中生產(chǎn)過程的視覺檢查和制品加工自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中生產(chǎn)過程的視覺檢查和制品加工自動化 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 l輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ) 知識知識 l光電儀器中的常用光源光電儀器中的常用光源 l光輻射探測器的理論基光輻射探測器的理論基 礎(chǔ)礎(chǔ) l真空光電器件真空光電器件 l半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件 l半導(dǎo)體結(jié)型器件半導(dǎo)體結(jié)型器件 l真空成像器件真空成像器件 l固體成像器件固體成像器件 l熱探測器熱探測器 l光輻射的調(diào)制光輻射的調(diào)制 l直接探測和相干探測直接探測和相干探測 l光電檢測電路設(shè)計(jì)光電檢測電路設(shè)

6、計(jì) 本課程要求本課程要求 l掌握輻射度、光度學(xué)和探測器的物理基礎(chǔ)掌握輻射度、光度學(xué)和探測器的物理基礎(chǔ) l熟悉光電器件特點(diǎn)及性能參數(shù)，能正確選用光熟悉光電器件特點(diǎn)及性能參數(shù)，能正確選用光 電器件電器件 l學(xué)會選擇和設(shè)計(jì)簡單的光電檢測電路學(xué)會選擇和設(shè)計(jì)簡單的光電檢測電路 第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ) 知識知識 l第一節(jié)第一節(jié) 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量 l第二節(jié)第二節(jié) 光度的基本物理量光度的基本物理量 l第三節(jié)第三節(jié) 輻射度和光度中的基本定律輻射度和光度中的基本定律 l第四節(jié)第四節(jié) 黑體輻射黑體輻射 第一節(jié)第一節(jié) 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量 電磁波譜

7、電磁波譜 l怎樣度量電磁輻射？怎樣度量電磁輻射？ l輻射度量和光度量是度量電磁輻射的物理量輻射度量和光度量是度量電磁輻射的物理量 （正如度量長度用長度單位）（正如度量長度用長度單位） l輻射度量輻射度量 l描述輻射能的描述輻射能的客觀客觀物理量（純粹的物理量）物理量（純粹的物理量） l光度量光度量 l是光輻射能為是光輻射能為平均人眼平均人眼接受所引起的接受所引起的視覺刺激大小視覺刺激大小 的度量（還包含的度量（還包含生理學(xué)生理學(xué)和和心理學(xué)心理學(xué)的概念）的概念） l有的近紅外近紫外的弱光你能感覺到，但別人不一定有的近紅外近紫外的弱光你能感覺到，但別人不一定 能能 l等功率的綠光比紅光亮等功率的綠

8、光比紅光亮 l昆蟲能感受到波長為昆蟲能感受到波長為240nm的紫外光的紫外光 l輻射度量輻射度量 l輻射能輻射能Qe l輻射通量輻射通量e l輻照度輻照度Ee l輻射出射度輻射出射度Me l輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度Ie（方向（方向 性）性） l輻射亮度輻射亮度Le（方向（方向 性）性） l光度量光度量 l光能光能Qv l光通量光通量v l光照度光照度Ev l光出射度光出射度Mv l發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度Iv l光亮度光亮度Lv l1.輻射能輻射能(Qe) 輻射能是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻射能是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的 能量。單位能量。單位: 焦耳焦耳(J)。 l2.輻射通量輻射通量(e) 又稱為輻

9、射功率又稱為輻射功率 定義為某一截面上單位時間內(nèi)流過的輻射定義為某一截面上單位時間內(nèi)流過的輻射 能能 單位單位: 瓦特瓦特(W)，焦耳，焦耳/秒秒(J/s) dQ d e e t l3.輻射出射度輻射出射度描述面光源的發(fā)射描述面光源的發(fā)射 輻射體單位面積上（通常為向半空間）發(fā)輻射體單位面積上（通常為向半空間）發(fā) 射的輻射通量，單位為射的輻射通量，單位為W/m2 l4.輻射照度輻射照度描述面對輻射的接收描述面對輻射的接收 接收面單位面積上（通常為從半空間）接接收面單位面積上（通常為從半空間）接 收的輻射通量，單位為收的輻射通量，單位為W/m2 d d e e M S d d e e E S l5

10、.輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度(Ie)-描述點(diǎn)光源的發(fā)射描述點(diǎn)光源的發(fā)射 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度Ie定義為：點(diǎn)輻射源在給定方向上定義為：點(diǎn)輻射源在給定方向上 單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量 單位單位: W/sr d d e e I l立體角定義立體角定義 l曲面上面積微元曲面上面積微元ds與其矢量半徑的二次方的比值與其矢量半徑的二次方的比值 d=ds/r2； l閉合球面的立體角都是閉合球面的立體角都是4。 l立體角與平面角的關(guān)系立體角與平面角的關(guān)系 2 4 sin 4 a l立體角的積分立體角的積分 建立直角坐標(biāo)系，建立直角坐標(biāo)系， 用用()定位立體角定位立體角 l推論：推論： l點(diǎn)輻射源

11、各向異性，則在整個空間內(nèi)輻射的通量點(diǎn)輻射源各向異性，則在整個空間內(nèi)輻射的通量 為為 l點(diǎn)輻射源各向同性，則在有限立體角內(nèi)輻射的通點(diǎn)輻射源各向同性，則在有限立體角內(nèi)輻射的通 量為量為 ee I 2 00 ( , )( , )sin eee IdId d sindd d l6. 輻射亮度輻射亮度-描述面光源的發(fā)射描述面光源的發(fā)射 輻射體某點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射輻射體某點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射 強(qiáng)度，除以該面元在垂直與該方向的平面強(qiáng)度，除以該面元在垂直與該方向的平面 上的正投影面積，單位為上的正投影面積，單位為W/sr-m2 2 dd d cosd d cos ee e I L S S l

12、7.光譜輻射量光譜輻射量 l輻射度量輻射度量：各波長輻射一起統(tǒng)計(jì)：各波長輻射一起統(tǒng)計(jì) l光譜輻射量光譜輻射量：單位波長處的輻射度，即輻射量：單位波長處的輻射度，即輻射量 的光譜密度，輻射量隨波長的變化率的光譜密度，輻射量隨波長的變化率 l光度量光度量：輻射度：輻射度+其視覺刺激值其視覺刺激值 ( ) e e dX X d 0 ( ) ee XXd ( ) e e d d 第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ) 知識知識 l第一節(jié)第一節(jié) 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量 l第二節(jié)第二節(jié) 光度的基本物理量光度的基本物理量 l第三節(jié)第三節(jié) 輻射度和光度中的基本定律輻射度和光度中

13、的基本定律 l第四節(jié)第四節(jié) 黑體輻射黑體輻射 l輻射度量輻射度量 l輻射能輻射能Qe l輻射通量輻射通量e l輻照度輻照度Ee l輻射出射度輻射出射度Me l輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度Ie（方向（方向 性）性） l輻射亮度輻射亮度Le（方向（方向 性）性） l光度量光度量 l光能光能Qv l光通量光通量v l光照度光照度Ev l光出射度光出射度Mv l發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度Iv l光亮度光亮度Lv 第二節(jié)第二節(jié) 光度的基本物理量光度的基本物理量 怎么評估？怎么評估？ 輻射度輻射度+ +其視覺刺激值其視覺刺激值 l光譜光視效率（視見函數(shù)）光譜光視效率（視見函數(shù)）v() 視神經(jīng)對不同波視神經(jīng)對不同波 長光的長光的

14、感光靈敏感光靈敏 度度不一樣（對綠不一樣（對綠 光最敏感）光最敏感） 不同人不同人對各種波長對各種波長 光的感光靈敏度不光的感光靈敏度不 一樣一樣 大量人眼試驗(yàn)大量人眼試驗(yàn) 平均相對靈敏平均相對靈敏 度度 光譜光視效率光譜光視效率 歸一化歸一化 l光度的基本物理量光度的基本物理量 l光譜輻射通量光譜輻射通量to光譜光通量光譜光通量 Km為明視覺最大光譜光視效率（光功當(dāng)量），為明視覺最大光譜光視效率（光功當(dāng)量）， 表示人眼對波長為表示人眼對波長為555nm光輻射產(chǎn)生光感覺的光輻射產(chǎn)生光感覺的 效能。效能。Km683 lm/W l一般性的關(guān)系式：一般性的關(guān)系式： ( )( )( ) vme K (

15、 )( )( ) vme XKX 780 380 ( )( ) vme XKXd 第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ) 知識知識 l第一節(jié)第一節(jié) 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量 l第二節(jié)第二節(jié) 光度的基本物理量光度的基本物理量 l第三節(jié)第三節(jié) 輻射度和光度中的基本定律輻射度和光度中的基本定律 l第四節(jié)第四節(jié) 黑體輻射黑體輻射 第三節(jié)第三節(jié) 輻射度與光度中的基本定律輻射度與光度中的基本定律 1. 余弦定律：余弦定律： l 從光束傳輸路徑的角度從光束傳輸路徑的角度 l光束傳輸路徑上，任一表面的輻照度隨該表面光束傳輸路徑上，任一表面的輻照度隨該表面 法線法線和輻射能和輻射能

16、傳輸方向傳輸方向之間夾角的余弦而變化。之間夾角的余弦而變化。 /cos cos cos E SS E S 相對于相對于正照面正照面，斜照面斜照面 照度按斜照角度的余弦照度按斜照角度的余弦 減小減小 習(xí)題習(xí)題1 l如圖所示，求輻射強(qiáng)度為如圖所示，求輻射強(qiáng)度為I的點(diǎn)光源下的點(diǎn)光源下A點(diǎn)點(diǎn) 處的輻照度處的輻照度 解：根據(jù)余弦定律有：解：根據(jù)余弦定律有： 22 coscoscos cos cos n n nn n n dI d EEiii dAdA dAIIi i dARR 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈也是照度標(biāo)準(zhǔn)燈強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈也是照度標(biāo)準(zhǔn)燈 2 n I E R 照度距離平照度距離平 方反比方反比 科科1 1 l從漫反射

17、角度，也叫朗伯余弦定律從漫反射角度，也叫朗伯余弦定律 l朗伯表面（余弦輻射體）：在任何發(fā)射方向上朗伯表面（余弦輻射體）：在任何發(fā)射方向上 輻亮度不變輻亮度不變的表面的表面(太陽、白墻、白紙、毛玻璃、太陽、白墻、白紙、毛玻璃、 黑體、平面狀鎢燈黑體、平面狀鎢燈 ) l朗伯表面在某方向上的輻射強(qiáng)度隨該方向和表朗伯表面在某方向上的輻射強(qiáng)度隨該方向和表 面法線之間的夾角的余弦而變化。面法線之間的夾角的余弦而變化。 斜射強(qiáng)度按斜射角度的余弦減小斜射強(qiáng)度按斜射角度的余弦減小 0 0 cos LL II dAdA I0 I cos o II 習(xí)題習(xí)題2 l如圖所示，求亮度為如圖所示，求亮度為L的朗伯面元對張

18、角為的朗伯面元對張角為 a的立體角內(nèi)輻射的通量的立體角內(nèi)輻射的通量 2 2 2 2 2 00 d s dd d cosd d cos dd cos d cos d cosi in ns sin 2 a I L S S LS L S L Sd a Ld d d dS 解：解： 軸上面元向光學(xué)系統(tǒng)里輻射的通量軸上面元向光學(xué)系統(tǒng)里輻射的通量 是不是也可這樣算？是不是也可這樣算？ l推論推論1： 朗伯面元對半球空間輻射的通量為朗伯面元對半球空間輻射的通量為 l推論推論2： 朗伯面元亮度與出射度的關(guān)系為朗伯面元亮度與出射度的關(guān)系為 dLdS /LM 2 sin 2 a LdS 亮度標(biāo)準(zhǔn)也是出射度標(biāo)準(zhǔn)亮度

19、標(biāo)準(zhǔn)也是出射度標(biāo)準(zhǔn) 2、距離平方反比定律：、距離平方反比定律： l點(diǎn)光源點(diǎn)光源在傳輸方向上某點(diǎn)的輻照度和該點(diǎn)在傳輸方向上某點(diǎn)的輻照度和該點(diǎn) 到點(diǎn)光源的距離平方成反比。到點(diǎn)光源的距離平方成反比。 22 S S S dI d E dSd I dI dRR 注：該定律并不要求點(diǎn)光源光強(qiáng)度各向均勻注：該定律并不要求點(diǎn)光源光強(qiáng)度各向均勻 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定照度強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定照度 l對于擴(kuò)展光源對于擴(kuò)展光源 l可以證明：當(dāng)求距離光源表面足夠遠(yuǎn)處的照度可以證明：當(dāng)求距離光源表面足夠遠(yuǎn)處的照度 時，才能用平方反比定律而不產(chǎn)生明顯的誤差。時，才能用平方反比定律而不產(chǎn)生明顯的誤差。 l2R/ L1：5 用平方反比定律

20、誤差為用平方反比定律誤差為1 l2R/ L1：15 用平方反比定律誤差為用平方反比定律誤差為0.1 (R為面光源半徑，為面光源半徑，L為光源與接收表面距離為光源與接收表面距離) l圓形朗伯表面對其法線上面元的輻照度圓形朗伯表面對其法線上面元的輻照度 lr處環(huán)帶上面元處環(huán)帶上面元ds向向dA2發(fā)射的輻通量發(fā)射的輻通量 lr處環(huán)帶向處環(huán)帶向dA2發(fā)射的輻通量、照度發(fā)射的輻通量、照度 12 ()cosos2cdL dsdsdr rLdd ds cosdLdsd 2 2 2cos d dE dA Lrdrd dA 對整個表面對整個表面A1進(jìn)行積分進(jìn)行積分 22 23 sin 22 () ()22 co

21、scos dd rdrl tgd l tgl tgl 2sincosdELd 00 2 22 2sincos mm EdELd R L Rl 3 222 222 12 coscoscos ( /cos ) dAdAdA d rll 綜上綜上 2 2cosL E drr d dA d 朗伯面元標(biāo)定照度朗伯面元標(biāo)定照度 、亮度守恒定律：、亮度守恒定律： 輻射傳輸路徑上無損失時，表面輻射傳輸路徑上無損失時，表面2的輻亮度的輻亮度 等于表面等于表面1輻亮度，即輻亮度傳輸是守恒的。輻亮度，即輻亮度傳輸是守恒的。 2 12 1 111 2 12 2 222 ; cos cos d L dAd d L dA

22、d 11112222 coscosL dAdL dAd 2 111222 211 22 cos c c s os o scoL dAdA dAL dA RR 12 LL l推論：推論： 可證明光學(xué)系統(tǒng)像面輻亮度可證明光學(xué)系統(tǒng)像面輻亮度L與物面輻亮度與物面輻亮度 L之間有如下關(guān)系：之間有如下關(guān)系： n，n分別為物像空間的折射率，分別為物像空間的折射率，為光學(xué)為光學(xué) 系統(tǒng)的透射比。系統(tǒng)的透射比。 l一般成像系統(tǒng)中，一般成像系統(tǒng)中，nn， 1，則：，則：LL l即光學(xué)系統(tǒng)無助于亮度的增加。即光學(xué)系統(tǒng)無助于亮度的增加。 2 () n LL n 第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)

23、知識知識 l第一節(jié)第一節(jié) 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量 l第二節(jié)第二節(jié) 光度的基本物理量光度的基本物理量 l第三節(jié)第三節(jié) 輻射度和光度中的基本定律輻射度和光度中的基本定律 l第四節(jié)第四節(jié) 黑體輻射黑體輻射 第四節(jié)、黑體輻射第四節(jié)、黑體輻射 l1.基爾霍夫熱輻射定律基爾霍夫熱輻射定律 l描述熱平衡下物體的輻射與吸收的一般規(guī)律描述熱平衡下物體的輻射與吸收的一般規(guī)律 l2.普朗克定律普朗克定律 l定量描述黑體光譜輻射與波長、溫度的關(guān)系定量描述黑體光譜輻射與波長、溫度的關(guān)系 l3.維恩位移定律維恩位移定律 l定量描述黑體光譜輻射曲線峰值波長與溫度關(guān)定量描述黑體光譜輻射曲線峰值波長與溫度關(guān) 系系

24、 l4.斯蒂芬斯蒂芬玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 l定量描述黑體總輻射與溫度的關(guān)系定量描述黑體總輻射與溫度的關(guān)系 l5.黑體輻射定律應(yīng)用黑體輻射定律應(yīng)用輻射測溫輻射測溫 l6.人工黑體人工黑體黑體爐黑體爐 l7.輻射度標(biāo)準(zhǔn)輻射度標(biāo)準(zhǔn) l標(biāo)定照度計(jì)標(biāo)定照度計(jì) l標(biāo)定光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈 l標(biāo)定光譜輻射照度標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定光譜輻射照度標(biāo)準(zhǔn)燈 l8.光度標(biāo)準(zhǔn)光度標(biāo)準(zhǔn) 物理學(xué)晴空中的物理學(xué)晴空中的“兩朵烏云兩朵烏云” l19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡 聚一堂會上，英國著名物理學(xué)家開爾文聚一堂會上，英國著名物理學(xué)家開爾文 發(fā)表了新年祝詞他在回顧物理學(xué)所

25、取得發(fā)表了新年祝詞他在回顧物理學(xué)所取得 的偉大成就時說，物理大廈已經(jīng)落成，所的偉大成就時說，物理大廈已經(jīng)落成，所 剩只是一些修飾工作同時，他在展望剩只是一些修飾工作同時，他在展望20 世紀(jì)物理學(xué)前景時，卻若有所思地講道：世紀(jì)物理學(xué)前景時，卻若有所思地講道： “動力理論肯定了熱和光是運(yùn)動的兩種方動力理論肯定了熱和光是運(yùn)動的兩種方 式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩 朵烏云籠罩了朵烏云籠罩了 l其中一朵與黑體輻射有關(guān)其中一朵與黑體輻射有關(guān) 1. 基爾霍夫熱輻射定律基爾霍夫熱輻射定律 l描述熱平衡下物體的輻射與吸收的一般規(guī)律描述熱平衡下物體的輻射與吸收的一般規(guī)律

26、 l基爾霍夫熱輻射定律基爾霍夫熱輻射定律 l同一熱平衡體系中，所有物體的光譜輻射同一熱平衡體系中，所有物體的光譜輻射出射度出射度 與與吸收比吸收比的比值是相同的，并等于平衡體系中的的比值是相同的，并等于平衡體系中的 光譜輻照度。光譜輻照度。 l光譜輻射吸收比光譜輻射吸收比 l定義：定義：a(,T)=Me (,T)/Ee (,T) l Me (,T)為其光譜輻射出射度為其光譜輻射出射度 lEe (,T)為熱平衡溫度為熱平衡溫度T時投射到物體上的光譜輻時投射到物體上的光譜輻 照度照度 l根據(jù)定義：根據(jù)定義：a(,T)=Me (,T)/Ee (,T)， 又因?yàn)樵谝粋€熱平衡溫度又因?yàn)樵谝粋€熱平衡溫度T

27、的腔中，所有物的腔中，所有物 體接收的光譜輻照度體接收的光譜輻照度Ee (,T)相同相同,因此有：因此有： Ee (,T) =Me1 (,T)/ a1(,T)= Me2 (,T)/ a2(,T)=- - l概念及推論概念及推論 l黑體黑體：光譜輻射吸收比：光譜輻射吸收比a(,T)=1的物體。的物體。 l黑體吸收所有投射到自身的輻射（無反射，透射）黑體吸收所有投射到自身的輻射（無反射，透射） l黑體將吸收的輻射全部輻射黑體將吸收的輻射全部輻射 l灰體灰體：光譜輻射吸收比：光譜輻射吸收比a(,T) 輻射溫度輻射溫度 l普朗克定律應(yīng)用普朗克定律應(yīng)用 單色輻射溫度計(jì)單色輻射溫度計(jì) l標(biāo)定：黑體溫度標(biāo)定

28、：黑體溫度T對對 應(yīng)應(yīng)V l測溫：輻射計(jì)測溫：輻射計(jì)V推得推得 實(shí)物表面實(shí)物表面輻射溫度輻射溫度 l發(fā)射率修正，得到發(fā)射率修正，得到 真實(shí)溫度真實(shí)溫度 2 1 5() (1) TC T C M e 22 11 5()() 5 (1)(1) TCC TT CC M ee 實(shí) 黑體黑體T 輻輻 射射 計(jì)計(jì) V L L 覆蓋覆蓋 濾光片濾光片 實(shí)物實(shí)物T 輻輻 射射 計(jì)計(jì) V L L 覆蓋覆蓋 濾光片濾光片 真實(shí)溫度真實(shí)溫度 輻射溫度輻射溫度 l普朗克定律應(yīng)普朗克定律應(yīng) 用用比色輻射比色輻射 溫度計(jì)溫度計(jì) l總可找到兩個波總可找到兩個波 長，在這兩波長長，在這兩波長 處，黑體的輻射處，黑體的輻射 比

29、值比值R與黑體與黑體T存存 在一一對應(yīng)關(guān)系在一一對應(yīng)關(guān)系 2 1 5() (1) TC T C M e 12 22 11 ()()55 12 ( )/ (1)(1) CC TT CC R T ee l普朗克定律應(yīng)普朗克定律應(yīng) 用用比色輻射比色輻射 溫度計(jì)溫度計(jì) l測得比值測得比值r，推得，推得 R值乃至值乃至T值值 2 1 5() (1) TC T C M e 22 12 111 12 ()()55 2 12 ( )/( ) (1)(1) CC TT CC r TR T ee 實(shí)物實(shí)物 比比 值值 r 1 2 l1.基爾霍夫熱輻射定律基爾霍夫熱輻射定律 l2.普朗克定律普朗克定律 l3.維恩位

30、移定律維恩位移定律 l4.斯蒂芬斯蒂芬玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 l5.黑體輻射定律應(yīng)用黑體輻射定律應(yīng)用輻射測溫輻射測溫 l6.人工黑體人工黑體黑體爐黑體爐 l7.輻射度標(biāo)準(zhǔn)輻射度標(biāo)準(zhǔn) l8.光度標(biāo)準(zhǔn)光度標(biāo)準(zhǔn) 第四節(jié)、黑體輻射第四節(jié)、黑體輻射 6. 人工黑體人工黑體黑體爐黑體爐 l結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 目前，人造黑體最高工作溫度為目前，人造黑體最高工作溫度為3000K，實(shí)際應(yīng)，實(shí)際應(yīng) 用多在用多在2000K以下以下。 低溫黑體爐低溫黑體爐 主要參數(shù)：主要參數(shù)： 量程量程50C350C；發(fā)射率固定為；發(fā)射率固定為0.95；分辨；分辨 率率0.1C；加熱時間：；加熱時間：30分鐘到最大溫度；冷卻分鐘到最大溫

31、度；冷卻 時間：時間：40分鐘到分鐘到100C；目標(biāo)直徑；目標(biāo)直徑57mm 中高溫黑體爐中高溫黑體爐 主要參數(shù)：主要參數(shù)： 溫度范圍溫度范圍 150C1200C 腔口發(fā)射率在腔口發(fā)射率在0.995以上，分辨率達(dá)到以上，分辨率達(dá)到0.1C、高精、高精 度黑體則達(dá)到度黑體則達(dá)到0.01C； 7.輻射度標(biāo)準(zhǔn)輻射度標(biāo)準(zhǔn) l標(biāo)定照度計(jì)標(biāo)定照度計(jì) l標(biāo)定光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈 l標(biāo)定光譜輻射照度標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定光譜輻射照度標(biāo)準(zhǔn)燈 標(biāo)定照度計(jì)標(biāo)定照度計(jì) 前面已知前面已知“圓形朗伯表面對其法線上面元的輻照度圓形朗伯表面對其法線上面元的輻照度” 2 22 0 2sincos mR ELdL Rl 2

32、 22 s AR ELL ll 當(dāng)距離當(dāng)距離l l相對光闌半徑足夠大時：相對光闌半徑足夠大時： 黑體黑體 照度計(jì)照度計(jì) 探頭探頭 AS l 黑體黑體 照度計(jì)照度計(jì) 探頭探頭 AS l 根據(jù)斯蒂芬根據(jù)斯蒂芬玻耳茲曼定律，黑體的輻射亮度玻耳茲曼定律，黑體的輻射亮度 L Le e = T = T4 4/ 對于發(fā)射率為對于發(fā)射率為實(shí)際的人工黑體實(shí)際的人工黑體, ,其輻射亮度為：其輻射亮度為： L L = T = T4 4/ 所以，探頭上的照度為：所以，探頭上的照度為： 4 2 s A ET l 2 22 s AR ELL ll l標(biāo)定光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈 根據(jù)普朗克定律，可以算出黑體輻射亮度根據(jù)普朗克定律，可以算出黑體輻射亮度 的光譜密度的光譜密度 因而黑體可作為光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)因而黑