第6章 輻射度與光度基礎(chǔ)A 2014

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(zhǎng)不，只是波長(zhǎng)不同而已。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的電磁波有波長(zhǎng)達(dá)同而已。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的電磁波有波長(zhǎng)達(dá)10104 4m m以上的，以上的，也有波長(zhǎng)短到也有波長(zhǎng)短到1010-5-5nmnm以下的?？梢园凑疹l率或波長(zhǎng)的以下的?？梢园凑疹l率或波長(zhǎng)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(xué)元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過以用光學(xué)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(rèn)為其波長(zhǎng)在。一般認(rèn)為其波長(zhǎng)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(zhǎng)及人眼的生理視覺效應(yīng)將射波長(zhǎng)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(zhǎng)用長(zhǎng)用nm、在紅外波段波長(zhǎng)用、在紅外波段波長(zhǎng)用 m表示。表示。波數(shù)波數(shù)的

3、單位習(xí)慣的單位習(xí)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）可見光是波長(zhǎng)在可見光是波長(zhǎng)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。可見光的波長(zhǎng)不同，?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)不同，引起人眼的顏色感覺就不同。一般認(rèn)為：引起人眼的顏色感覺就不同。一般認(rèn)為： 紅紅 色色 760 760 620 620 nmnm， 橙橙 色色 620 620 590 590nmnm， 黃黃 色色 590 590 560 560 nmnm， 黃綠色黃綠色 560 56

4、0 530 530nmnm， 綠綠 色色 530 530 500 500 nmnm， 青青 色色 500 500 470 470nmnm， 藍(lán)藍(lán) 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(zhǎng)更短，人眼看不見，波長(zhǎng)范圍是10390nm。細(xì)分為近紫近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)紫外外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)紫外。由于極遠(yuǎn)紫外在空氣中幾乎會(huì)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(zhǎng)在0.771000 m的是紅外輻射(激光制導(dǎo))。通常分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外三部分。 紅外輻

5、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(gè)波段劃分為：近紅外波段 13微米中紅外波段 35微米遠(yuǎn)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(yuǎn)紅外波段 401000微米 醫(yī)學(xué)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(yuǎn)紅外區(qū) 301000微米89輻射度學(xué)與光度學(xué)基本輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)知識(shí) 為了對(duì)光輻射進(jìn)行定量描述，需要引入計(jì)量光輻射的物理量計(jì)量光輻射的物理量。而對(duì)于光輻射的探測(cè)和計(jì)量，存在著輻射度單位和光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(xué)

6、量光度學(xué)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(qiáng)平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強(qiáng)度度，即光度量是具有，即光度量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性標(biāo)準(zhǔn)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(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)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(xué)量輻射度學(xué)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（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

7、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(xué)適用于整個(gè)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(jì)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(qiáng)度是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎坎德拉德拉（cd ） 。光度學(xué)只適用于可見光波段光度學(xué)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(hào)一一對(duì)物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)的應(yīng)的。為了區(qū)別起見，在對(duì)應(yīng)的物理量符號(hào)標(biāo)角標(biāo)“e”表示輻射度物理量，角標(biāo)“v”表示光度物理量。下面重點(diǎn)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

8、系中的物理量可對(duì)比理解。 13在光輻射測(cè)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(jìn)行有關(guān)光輻射的討論和計(jì)算時(shí)，也將是一個(gè)立體空間問題。與平面角度相似，我們可把整個(gè)空間以某一點(diǎn)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(duì)球心所張對(duì)球心所張的立體角的立體角。lAoB(a)sAAr(b)or光度學(xué)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的單位叫弧弧度度，1弧度是半徑為1米的圓上，1米長(zhǎng)的圓弧對(duì)圓心對(duì)圓心所

9、張的角所張的角。下面我們先來介紹一下光度學(xué)的一些基本概念思考 當(dāng)夾角較小時(shí) 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）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(hào)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(shí)間，是輻射能的時(shí)間變化率，單位為瓦變化率，單位為瓦 (1W=1(1W=1

10、J J/s)/s)，是，是單位時(shí)間單位時(shí)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(qiáng)度輻射強(qiáng)度 Ie：輻射強(qiáng)度定義為從一個(gè)：輻射強(qiáng)度定義為從一個(gè)點(diǎn)光源點(diǎn)光源發(fā)發(fā)出的，在出的，在單位時(shí)間單位時(shí)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(qiáng)度，的輻射強(qiáng)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

11、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(qiáng)度于該方向上的輻射強(qiáng)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(kuò)展源表面是擴(kuò)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

12、 ( (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(kuò)展輻射源擴(kuò)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(duì)于理想的散射面，有對(duì)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：

13、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(zhǎng)多不同波長(zhǎng)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(zhǎng)的輻射通量，需要對(duì)某一波長(zhǎng)的種波長(zhǎng)的輻射通量，需要對(duì)某一波長(zhǎng)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(zhǎng)間隔內(nèi)單位波長(zhǎng)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(zhǎng)間每單位波長(zhǎng)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(zhǎng)在波長(zhǎng) 處的光譜輻射通量為處的光譜輻射通量為 在整個(gè)光譜內(nèi)，總的輻射通量為在整個(gè)光譜內(nèi)，總的輻射通量為 de0該量與波長(zhǎng)有關(guān) ddIIe)( 3 3、光譜輻射強(qiáng)度光譜輻射強(qiáng)度I ：光源發(fā)出的光在每：光源發(fā)出的光在每單位波長(zhǎng)間隔單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)內(nèi)的輻射強(qiáng)度的輻射強(qiáng)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(zhǎng)間單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)隔內(nèi)的輻射出射度的輻射出射度( (單位面積單位面積)