第1章 輻射度與光度基礎(chǔ)A 2014.9.19

1、12 電磁波包括的范圍很廣，從電磁波包括的范圍很廣，從無線電波到光波，從無線電波到光波，從X X射線到射線到 射線，都屬于電磁波的范疇射線，都屬于電磁波的范疇，只是波長不，只是波長不同而已。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的電磁波有波長達同而已。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的電磁波有波長達10104 4m m以上的，以上的，也有波長短到也有波長短到1010-5-5nmnm以下的?？梢园凑疹l率或波長的以下的?？梢园凑疹l率或波長的順序把這些電磁波排列成圖表，稱為順序把這些電磁波排列成圖表，稱為電磁波譜電磁波譜，光輻光輻射僅占電波譜的一極小波段射僅占電波譜的一極小波段。 3143.97.7 10 Hz4 以電磁波形式或粒子（光子）形式

2、傳播的光能量，可以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的光能量，可以用光學元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過以用光學元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程稱為程稱為光輻射光輻射。一般認為其波長在。一般認為其波長在10nm 1mm（廣（廣義）義），或頻率在，或頻率在3 1016Hz3 1011Hz范圍內(nèi)。一般按輻范圍內(nèi)。一般按輻射波長及人眼的生理視覺效應(yīng)將射波長及人眼的生理視覺效應(yīng)將光輻射分成三部分光輻射分成三部分：紫：紫外輻射、可見光和紅外輻射。一般在可見到紫外波段波外輻射、可見光和紅外輻射。一般在可見到紫外波段波長用長用nm、在紅外波段波長用、在紅外波段波長用 m表示。表示。波數(shù)波數(shù)的

3、單位習慣的單位習慣用用cm-1。 狹義的光輻射特指可見光。狹義的光輻射特指可見光。 光輻射（廣義光輻射（廣義 狹義）狹義）Copyright 2004 ROAM CONSULTING Inc.可見光是波長在可見光是波長在380 380 760 760 nmnm范圍內(nèi)的光輻射，也就是范圍內(nèi)的光輻射，也就是人人視覺能感受到視覺能感受到“光亮光亮”的電磁輻射的電磁輻射?？梢姽獾牟ㄩL不同，?？梢姽獾牟ㄩL不同，引起人眼的顏色感覺就不同。一般認為：引起人眼的顏色感覺就不同。一般認為： 紅紅 色色 760 760 620 620 nmnm， 橙橙 色色 620 620 590 590nmnm， 黃黃 色色

4、590 590 560 560 nmnm， 黃綠色黃綠色 560 560 530 530nmnm， 綠綠 色色 530 530 500 500 nmnm， 青青 色色 500 500 470 470nmnm， 藍藍 色色 470 470 430 430 nmnm， 紫紫 色色 430 430 380 380nmnm。 可見光可見光：6 紫外輻射比紫光的波長更短，人眼看不見，波長范圍是10390nm。細分為近紫近紫外、遠紫外和極遠紫外外、遠紫外和極遠紫外。由于極遠紫外在空氣中幾乎會被完全吸收，只能在真空中傳播，所以又稱為真空紫外輻射真空紫外輻射。紫外輻射紫外輻射：7 波長在0.771000 m的

5、是紅外輻射(激光制導(dǎo))。通常分為近紅外、中紅外和遠紅外三部分。 紅外輻射紅外輻射：根據(jù)使用者的要求不同，紅外線劃分范圍很不相同。例如有人把能通過大氣通過大氣的三個波段劃分為：近紅外波段 13微米中紅外波段 35微米遠紅外波段 814微米 有人根據(jù)紅外光譜劃分為：近紅外波段 13微米中紅外波段 340微米遠紅外波段 401000微米 醫(yī)學領(lǐng)域中常常如此劃分：近紅外區(qū) 0.763微米中紅外區(qū) 330微米遠紅外區(qū) 301000微米89輻射度學與光度學基本輻射度學與光度學基本知識知識 為了對光輻射進行定量描述，需要引入計量光輻射的物理量計量光輻射的物理量。而對于光輻射的探測和計量，存在著輻射度單位和光

6、度單位兩套不同的體系。 另一類是另一類是生理的生理的，叫作，叫作光度學量光度學量，是描述光，是描述光輻射能為輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度度，即光度量是具有，即光度量是具有標準人眼視覺特性標準人眼視覺特性的人眼所接的人眼所接受到輻射量的度量受到輻射量的度量。在光學中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類在光學中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類: : 一類是一類是物理的物理的，叫作，叫作輻射度學量輻射度學量，是用能量單，是用能量單位描述光輻射能的位描述光輻射能的客觀客觀物理量；物理量；11 在輻射度單位體系中在輻射度單位體系中，輻通量輻通量（

7、又稱為輻射功率輻射功率）或者輻射能輻射能是基本量基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特瓦特（W）或者焦耳焦耳（J）。輻射度學適用于整個電磁波段。 光度單位體系光度單位體系是一套反映視覺視覺亮暗特性的光輻射光輻射計量單位，被選作基本量的不被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強度是光通量而是發(fā)光強度，其基本單位是坎坎德拉德拉（cd ） 。光度學只適用于可見光波段光度學只適用于可見光波段。 12 以上兩類單位體系中的物理量在物理概概念上是不同的念上是不同的，但所用的物理符號一一對物理符號一一對應(yīng)的應(yīng)的。為了區(qū)別起見，在對應(yīng)的物理量符號標角標“e”表示輻射度物理量，角標“v”表示光度物理量。下面

8、重點介紹輻射度單輻射度單位體系位體系中的物理量。光度單位體系光度單位體系中的物理量可對比理解。 13在光輻射測量中，常用的幾何量就是立體角立體角。立體角涉及到的是空間問題。任一光源發(fā)射的光能量都是輻射在它周圍的一定空間內(nèi)。因此，在進行有關(guān)光輻射的討論和計算時，也將是一個立體空間問題。與平面角度相似，我們可把整個空間以某一點為中心劃分成若干立體角。 0、立體角：、立體角：p/14 = 立體角的單位叫球面度球面度（sr），1球面度是半徑為1米的球面上，1平方米的球面對球心所張對球心所張的立體角的立體角。lAoB(a)sAAr(b)or光度學的預(yù)備概念rl= 2rS平面角和立體角平面角和立體角平面角

9、的單位叫弧弧度度，1弧度是半徑為1米的圓上，1米長的圓弧對圓心對圓心所張的角所張的角。下面我們先來介紹一下光度學的一些基本概念15對于一個給定頂點O 和一個隨意方向隨意方向的微小面積微小面積dS ，它們對應(yīng)的立體角為 其中為dS 與投影面積投影面積 dA的夾角，R為O 到dS中心的距離。2cosdSdR 單位立體角：單位立體角：以O(shè)為球心、R為半徑作球，若立體角截出的球面部分的面積為R2，則此球面部分所對應(yīng)的立體角稱為一個單位立體角單位立體角，或一球面度。思考 當夾角較小時 平面角與立體角的關(guān)系？ 1、輻射能輻射能Qe：輻射能是一種以電磁波：輻射能是一種以電磁波（主要指紫外、可見光和紅外輻射）

10、的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為位為J J( (焦耳焦耳),),輻射能一般用符號Qe表示。2輻射能密度輻射能密度 we :光源在光源在單位體積單位體積內(nèi)的輻射能稱為光內(nèi)的輻射能稱為光源的輻射能密度。源的輻射能密度。dVdQwee/ 3、輻射通量輻射通量e：又稱：又稱輻射功率輻射功率，是輻射能的時間，是輻射能的時間變化率，單位為瓦變化率，單位為瓦 (1W=1(1W=1J J/s)/s)，是，是單位時間單位時間內(nèi)發(fā)射、內(nèi)發(fā)射、 傳傳播或接收的輻射能。播或接收的輻射能。dtdQee/ 4 4、輻射強度輻射強度 Ie：輻射強度定義為從一個：輻射強度定義為從一個點光源

11、點光源發(fā)發(fā)出的，在出的，在單位時間單位時間內(nèi)、內(nèi)、給定方向上給定方向上單位立體角單位立體角內(nèi)所輻射內(nèi)所輻射出的能量，單位為出的能量，單位為Wsr( (瓦每球面度瓦每球面度) )， ddIee/dIeecoscos2dSdddSdILeee 5 5、輻射亮度輻射亮度 Le：由輻射表面定向：由輻射表面定向發(fā)射發(fā)射的輻射強度，的輻射強度，除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積。單位。單位為為 ( (瓦每球面度平方米瓦每球面度平方米) ) 。 在與輻射表面在與輻射表面dS的法線成的法線成角的方向上，輻射亮度等角的方向上，輻射亮度等于該方向上的輻射強度于

12、該方向上的輻射強度dIe與輻射表面在該方向垂與輻射表面在該方向垂直面上的投影面積之比直面上的投影面積之比 dAdMee/ 6 6、輻射出射度輻射出射度M Me e：輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量，de 是擴展源表面是擴展源表面dA在在各方向上各方向上( (通常為半空間立體角通常為半空間立體角) )所發(fā)出的所發(fā)出的總的輻射通量總的輻射通量，單位為瓦，單位為瓦/ /米米2 2 ( (瓦每平方米瓦每平方米) )。 7 7、輻射照度輻射照度Ee：投射投射在單位面積上的輻射通量在單位面積上的輻射通量，單，單位為位為 ( (瓦每平方米瓦每平方米) )。dA是投射輻射通量的面積

13、元。是投射輻射通量的面積元。 dAdEee/ 輻射照度和輻射出射度的單位相同，其輻射照度和輻射出射度的單位相同，其區(qū)別僅在于前者是描述區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面輻射接收面所接收的輻所接收的輻射特性，而后者則為描述射特性，而后者則為描述擴展輻射源擴展輻射源向外發(fā)射向外發(fā)射的輻射特性。的輻射特性。 對于理想的散射面，有對于理想的散射面，有Ee= Me 光譜輻射度量光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量：光譜輻射度量也叫輻射量的的光譜密度光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由。輻射源所輻射的能量往往由許許多不同波長多不同波長的單色輻射所組成，為了研究各的單色輻射所組成，為了研究各種波長的輻射通量，需要

14、對某一波長的種波長的輻射通量，需要對某一波長的單色單色光光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度光譜輻射度量是量是單位波長間隔內(nèi)單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。的輻射度量。 1 1、光譜輻射通量光譜輻射通量 ：光源發(fā)出的光在：光源發(fā)出的光在每單位波長間每單位波長間隔隔內(nèi)的輻射通量，也稱內(nèi)的輻射通量，也稱光譜密度或單色輻射通量光譜密度或單色輻射通量。單位為。單位為( (瓦每微米瓦每微米) ) 或或 ( (瓦每納米瓦每納米) )。 e dde 在波長在波長 處的光譜輻射通量為處的光譜輻射通量為 在整個光譜內(nèi)，總的輻射通量為在整個光譜內(nèi)，總的輻射通量為 de0該量與波長有關(guān) ddIIe)( 3 3、光譜輻射強度光譜輻射強度I ：光源發(fā)出的光在每：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔單位波長間隔內(nèi)內(nèi)的輻射強度的輻射強度( (單位立體角單位立體角) ) 。 ddMMe)( 2 2、光譜輻射出射度光譜輻射出射度M：光源發(fā)出的光在每：光源發(fā)出的光在每單位波長間單位波長間隔內(nèi)隔內(nèi)的輻射出射度的輻射出射度(