應(yīng)用光學(xué)(第六章)

1、1第六章第六章 輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)2波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為400760nmnm范圍內(nèi)的電磁波稱為范圍內(nèi)的電磁波稱為“可見(jiàn)光可見(jiàn)光”研究可見(jiàn)光的測(cè)試、計(jì)量和計(jì)算稱為研究可見(jiàn)光的測(cè)試、計(jì)量和計(jì)算稱為“光度學(xué)光度學(xué)”研究電磁波輻射的測(cè)試、計(jì)量和計(jì)算的研究電磁波輻射的測(cè)試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱為學(xué)科稱為“輻射度學(xué)輻射度學(xué)”3輻射度學(xué)輻射度學(xué) 通過(guò)電磁光譜來(lái)處理輻射能的測(cè)量。通過(guò)電磁光譜來(lái)處理輻射能的測(cè)量。 輻射度學(xué)主要研究頻率為輻射度學(xué)主要研究頻率為31011 31016Hz的光輻射，對(duì)應(yīng)于的光輻射，對(duì)應(yīng)于0.011000m微米的波長(zhǎng)。微米的波長(zhǎng)。 波段范圍包括紅外、可見(jiàn)光、波段范圍包括紅外

2、、可見(jiàn)光、紫外線紫外線。4光光度學(xué)度學(xué) 與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為的光，即可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為380780nm(納米納米)。 波長(zhǎng)波長(zhǎng)450nm對(duì)應(yīng)于藍(lán)色，對(duì)應(yīng)于藍(lán)色，540nm對(duì)應(yīng)于綠對(duì)應(yīng)于綠色，色，659nm對(duì)應(yīng)于紅色。對(duì)應(yīng)于紅色。5立體角的定義：立體角的定義： 一個(gè)任意形狀的一個(gè)任意形狀的封閉錐面所包含封閉錐面所包含的空間稱為立體的空間稱為立體角，用角，用表示。表示。6立體角定義圖立體角定義圖7OrS 以錐體頂點(diǎn)為球以錐體頂點(diǎn)為球心，任意心，任意r r為半徑作為半徑作一球面，此錐體在球一球面，此錐體在球面上的截面為面上

3、的截面為S S，則，則立體角表示為立體角表示為2rS84422rr9 立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空間，間，2角度覆蓋整個(gè)單位圓。角度覆蓋整個(gè)單位圓。 在三維空間，在三維空間， 4的球面度立體角覆蓋整個(gè)單位的球面度立體角覆蓋整個(gè)單位球面。球面。從一個(gè)球面上去處從一個(gè)球面上去處1球面度球面度立體角的圓錐立體角的圓錐10計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系11第二節(jié)第二節(jié) 輻射度學(xué)中的基本量輻射度學(xué)中的基本量一、輻射通量一、輻射通量 輻射通量的定義：輻射通量的定義： 單位時(shí)間內(nèi)輻射體所輻射的總能量，用單位時(shí)間內(nèi)輻射體所輻射的總能量，用e

4、表示；表示；其計(jì)量單位用功率單位其計(jì)量單位用功率單位瓦特瓦特。 表示了一個(gè)輻射體輻射的強(qiáng)弱表示了一個(gè)輻射體輻射的強(qiáng)弱輻射通量就是輻射體的輻射功率輻射通量就是輻射體的輻射功率用輻射通量的用輻射通量的光譜密集度光譜密集度來(lái)表示輻射體的輻射來(lái)表示輻射體的輻射通量按通量按波長(zhǎng)分布波長(zhǎng)分布的特性的特性12 ddlime0 ddedee013其他表示其他表示 面積元面積元ds的輻射通量的輻射通量： 單位時(shí)間內(nèi)面積元單位時(shí)間內(nèi)面積元ds輻射出輻射出 來(lái)的所有波長(zhǎng)的光能量。來(lái)的所有波長(zhǎng)的光能量。 分布函數(shù)（譜輻射通量密度）分布函數(shù)（譜輻射通量密度）： 在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光源面積元的某一波長(zhǎng)附在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光源

5、面積元的某一波長(zhǎng)附近的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的光能量。用近的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的光能量。用e()表示，表示，是波長(zhǎng)的函數(shù)。是波長(zhǎng)的函數(shù)。 14其他表示其他表示 總輻射通量：總輻射通量： 從光源面積元從光源面積元ds輻射出來(lái)的波長(zhǎng)在輻射出來(lái)的波長(zhǎng)在 +d 間的輻射通量為：間的輻射通量為： 從光源面積元從光源面積元ds發(fā)出的各種波長(zhǎng)光的總發(fā)出的各種波長(zhǎng)光的總輻射通量為：輻射通量為： dedd, 0de15二、輻射強(qiáng)度二、輻射強(qiáng)度輻射體在不同方向上的輻射特性用在給定方輻射體在不同方向上的輻射特性用在給定方向上取立體角向上取立體角d，在，在d范圍內(nèi)的輻射通量范圍內(nèi)的輻射通量為為de。把把de與與d之比稱為輻射體在

6、該方向上的之比稱為輻射體在該方向上的“輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度”，Ie表示表示ddIee16 單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量 輻射強(qiáng)度的單位為輻射強(qiáng)度的單位為瓦每球面度（瓦每球面度（W/sr）。均勻點(diǎn)光源均勻點(diǎn)光源 4eeI17三、輻（射）出射度、輻（射）照度三、輻（射）出射度、輻（射）照度輻射強(qiáng)度不能表示輻射體表面不同位置的輻射特性輻射強(qiáng)度不能表示輻射體表面不同位置的輻射特性表示輻射體表面上任意一點(diǎn)表示輻射體表面上任意一點(diǎn)A處的輻射強(qiáng)弱：處的輻射強(qiáng)弱： 假定假定dS微面輻射出的輻射通量為微面輻射出的輻射通量為de，則，則A點(diǎn)的輻點(diǎn)的輻（射）出射度為（射）出射度為Me稱為稱為“輻

7、（射）出射度輻（射）出射度”， 單位為單位為瓦每平方米（瓦每平方米（W/m2）dSdMee18某點(diǎn)單位面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量某點(diǎn)單位面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量 dSeddSdMee單位為單位為瓦每平方米（瓦每平方米（W/m2）19如果某一物體表面被其它輻射體照射如果某一物體表面被其它輻射體照射即為了表示即為了表示A點(diǎn)被照射的強(qiáng)弱，假定物體所點(diǎn)被照射的強(qiáng)弱，假定物體所接受的輻射通量為接受的輻射通量為de，把把dS接受的接受的de與與dS之比稱為之比稱為“輻（射）照度輻（射）照度”，符號(hào)為，符號(hào)為Ee，即，即輻（射）照度與輻（射）輻（射）照度與輻（射） 出射度的單位一樣，出射度的單位一樣， 也為也為瓦每平

8、方米（瓦每平方米（W/m2）dSdEee20四、輻（射）亮度四、輻（射）亮度 用輻（射）亮度來(lái)表示用輻（射）亮度來(lái)表示輻射體表面不同位置和輻射體表面不同位置和不同方向上的輻射特性不同方向上的輻射特性dS在在AO垂直方向上的投影面積為垂直方向上的投影面積為dSncosdSdSn21若在若在AO方向上的輻射強(qiáng)度為方向上的輻射強(qiáng)度為Ie，把，把Ie與與dSn之比之比稱為稱為“輻輻 （射）亮度（射）亮度”，符號(hào)為，符號(hào)為L(zhǎng)e輻輻 （射）亮度代表了輻射體不同位置和不同方（射）亮度代表了輻射體不同位置和不同方向上的輻射特性。向上的輻射特性。單位為單位為瓦每球面度平方米（瓦每球面度平方米（W/（sr.m2）

9、。needSIL 22可見(jiàn)光可見(jiàn)光光的輻射能中能引起人眼的視覺(jué)效應(yīng)的區(qū)域。光的輻射能中能引起人眼的視覺(jué)效應(yīng)的區(qū)域。 這個(gè)區(qū)域從這個(gè)區(qū)域從400納米到納米到760納米。納米。 人眼觀察輻射體時(shí)，其視覺(jué)強(qiáng)弱與輻射波長(zhǎng)和輻射人眼觀察輻射體時(shí)，其視覺(jué)強(qiáng)弱與輻射波長(zhǎng)和輻射強(qiáng)度（某一方向）有關(guān)強(qiáng)度（某一方向）有關(guān)在可見(jiàn)光中不同波長(zhǎng)的光所引起的視覺(jué)效應(yīng)的靈敏度是在可見(jiàn)光中不同波長(zhǎng)的光所引起的視覺(jué)效應(yīng)的靈敏度是不相同的。不相同的。在光度學(xué)中，為了表示這種差別，定義在光度學(xué)中，為了表示這種差別，定義V ()為為“視見(jiàn)函視見(jiàn)函數(shù)數(shù)”（光譜光視效率）。（光譜光視效率）。第三節(jié)第三節(jié) 人眼的視見(jiàn)函數(shù)人眼的視見(jiàn)函數(shù)23

10、視見(jiàn)函數(shù)視見(jiàn)函數(shù) 把人眼對(duì)把人眼對(duì)黃光黃光的視覺(jué)靈敏度作為基準(zhǔn)，其它色的視覺(jué)靈敏度作為基準(zhǔn)，其它色光的視覺(jué)靈敏度與黃光的視覺(jué)靈敏度相比，得光的視覺(jué)靈敏度與黃光的視覺(jué)靈敏度相比，得出各種色光的相對(duì)視覺(jué)靈敏度，稱為視見(jiàn)函數(shù)，出各種色光的相對(duì)視覺(jué)靈敏度，稱為視見(jiàn)函數(shù)，用用V()表示。表示。把人眼最靈敏波長(zhǎng)（把人眼最靈敏波長(zhǎng)（=555nm）的視見(jiàn)函數(shù)規(guī)定）的視見(jiàn)函數(shù)規(guī)定為為1，即，即V(555)=1V()1不同人在不同觀察條件下的視覺(jué)函數(shù)略有差別不同人在不同觀察條件下的視覺(jué)函數(shù)略有差別244004505005506006507000.00.20.40.60.81.0/nmV()25視見(jiàn)函數(shù)是表征人眼對(duì)

11、不同波長(zhǎng)光平均相對(duì)視見(jiàn)函數(shù)是表征人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光平均相對(duì)靈敏度的函數(shù)，又稱視覺(jué)靈敏度靈敏度的函數(shù)，又稱視覺(jué)靈敏度 2121eeVV即：即： ConstVVee2211它與輻射通量的關(guān)系它與輻射通量的關(guān)系 ：26第四節(jié)第四節(jié) 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量 一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量發(fā)光強(qiáng)度是光度學(xué)中發(fā)光強(qiáng)度是光度學(xué)中最基本量最基本量之一，與輻射度學(xué)中之一，與輻射度學(xué)中的輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。的輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。輻射體的輻射波長(zhǎng)為輻射體的輻射波長(zhǎng)為的單色光，在眼睛觀察的方的單色光，在眼睛觀察的方向上的輻射強(qiáng)度為向上的輻射強(qiáng)度為Ie，眼瞳孔對(duì)輻射體所張的立體角，眼瞳孔對(duì)輻射體所張的立體角為

12、為d d，則眼睛接受到的輻射通量為，則眼睛接受到的輻射通量為眼睛的視覺(jué)強(qiáng)度與輻射通量眼睛的視覺(jué)強(qiáng)度與輻射通量d de e和視見(jiàn)函數(shù)和視見(jiàn)函數(shù)V(V() )成成正比正比這就表示該輻射所產(chǎn)生的這就表示該輻射所產(chǎn)生的視覺(jué)強(qiáng)度（視覺(jué)強(qiáng)度（ d d）。dIdeeed)(VCd27d是按人眼視覺(jué)強(qiáng)度來(lái)度量的輻射通量，是按人眼視覺(jué)強(qiáng)度來(lái)度量的輻射通量，稱為稱為“光通量光通量”。C為單位換算常數(shù)，由為單位換算常數(shù)，由d和和de所采用的單所采用的單位決定。位決定。光通量是描述客觀輻射通量所引起的人眼視光通量是描述客觀輻射通量所引起的人眼視覺(jué)強(qiáng)弱的物理量覺(jué)強(qiáng)弱的物理量光通量的單位是光通量的單位是流明（流明（lm）

13、一只一只40W白熾燈的全部輻射的光通量為白熾燈的全部輻射的光通量為500lm，而，而40W的熒光燈的全部輻射約為的熒光燈的全部輻射約為2300lm28發(fā)光強(qiáng)度與輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。它表示在指定方發(fā)光強(qiáng)度與輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。它表示在指定方向上光源發(fā)光的強(qiáng)弱，即向上光源發(fā)光的強(qiáng)弱，即單位立體角內(nèi)發(fā)出的單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量光通量 ed)(VCdddIeeI)(VCdd)(VCI發(fā)光強(qiáng)度的單位為發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎（德拉）（坎（德拉）（cd）對(duì)于均勻點(diǎn)光源對(duì)于均勻點(diǎn)光源4I291cd（坎德拉）（坎德拉）代表發(fā)光體發(fā)出的電磁波頻率代表發(fā)光體發(fā)出的電磁波頻率為為540X1012Hz的單色輻射（波長(zhǎng)為的單色輻射

14、（波長(zhǎng)為555nm），），且在此方向上的輻射強(qiáng)度為（且在此方向上的輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr。1坎德拉等于光源在坎德拉等于光源在1個(gè)立體弧度內(nèi)產(chǎn)生個(gè)立體弧度內(nèi)產(chǎn)生1流明流明的光通量的光通量坎德拉是光度學(xué)中最基本的單位，也是國(guó)際基坎德拉是光度學(xué)中最基本的單位，也是國(guó)際基本計(jì)量單位之一。本計(jì)量單位之一。光通量光通量光通量光通量d的單位為流明（的單位為流明（lm）1lm表示在某一方向上的發(fā)光強(qiáng)度為表示在某一方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd的發(fā)光的發(fā)光體在單位立體角內(nèi)的通光量，即體在單位立體角內(nèi)的通光量，即dIdsrcdlm1130由坎德拉及發(fā)光強(qiáng)度的定義可知：由坎德拉及發(fā)光強(qiáng)度的定義可知：cdIsrw

15、I，Ve1,/)683/1 (1555eeI)(VCdd)(VCIwsrcdC/ ).(68331用符號(hào)用符號(hào)K ( )來(lái)表示系數(shù)來(lái)表示系數(shù)CV( )，即，即K ( )稱為稱為 波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的“光譜光視效能光譜光視效能”,其單位是其單位是（cdsr）/W或或lm/W其最大值為其最大值為Km，稱為，稱為“最大光譜光視效能最大光譜光視效能”上面的公式中輻射通量上面的公式中輻射通量de以瓦（以瓦（W）為單位）為單位，光通量光通量d以流明（以流明（lm）為單位）為單位)(V)(VC)(K683W/ )srcd(Km 683 edKd32在實(shí)際應(yīng)用中，輻射體都有一定的波長(zhǎng)范圍，在實(shí)際應(yīng)用中，輻射體都有一定

16、的波長(zhǎng)范圍，所以光通量與輻射通量的關(guān)系就有所以光通量與輻射通量的關(guān)系就有用用K來(lái)表示發(fā)光體的發(fā)光特性來(lái)表示發(fā)光體的發(fā)光特性注意：注意：K和和K( )是不同的。是不同的。K稱為發(fā)光體稱為發(fā)光體“光視效能光視效能”，其單位為流明每，其單位為流明每瓦（瓦（lm/W）其物理意義是輻射體消耗）其物理意義是輻射體消耗1W功率功率所發(fā)出的流明數(shù)所發(fā)出的流明數(shù)K ( )稱為稱為 波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的“光譜光視函數(shù)光譜光視函數(shù)” dKdKdee000 00ddKKeee33二、光出射度和光照度二、光出射度和光照度用光出射度用光出射度M來(lái)表示來(lái)表示A點(diǎn)處的發(fā)光強(qiáng)弱點(diǎn)處的發(fā)光強(qiáng)弱指發(fā)光表面單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，它指發(fā)光

17、表面單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，它與輻（射）出射度相對(duì)應(yīng)與輻（射）出射度相對(duì)應(yīng)當(dāng)發(fā)光表面均勻發(fā)光時(shí)，其光出射度為當(dāng)發(fā)光表面均勻發(fā)光時(shí)，其光出射度為反之，當(dāng)某一表面被發(fā)光體照明，用光照度反之，當(dāng)某一表面被發(fā)光體照明，用光照度E來(lái)表示被照明表面來(lái)表示被照明表面A處的照明強(qiáng)弱處的照明強(qiáng)弱在均勻照明情況下在均勻照明情況下dSdMdSdESESM34光照度表示被照明的表面單位面積上光照度表示被照明的表面單位面積上所接收的光通量。所接收的光通量。它與輻射度學(xué)中的輻（射）照度相對(duì)它與輻射度學(xué)中的輻（射）照度相對(duì)應(yīng)。應(yīng)。 它們的單位為它們的單位為勒克斯（勒克斯（lx）。1lx等于等于1m2面積上發(fā)出或接收面積上發(fā)出或接收1lm的的光能量，即：光能量，即： 2/11mlmlx 35三、光亮度三、光亮度前面所講的概念并不能表前面所講的概念并不能表示發(fā)光面不同方向的發(fā)光示發(fā)光面不同方向的發(fā)光特性。特性。用光亮度來(lái)表示發(fā)光表面用光亮度來(lái)表示發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)不同位置和不同方向的發(fā)光特性。光特性。在該方向上單位投影面積在該方向上單位投影面積的發(fā)光強(qiáng)度。的發(fā)光強(qiáng)度。cosdSIdSILn36L表示發(fā)光面上