輻射度學與光度學的基礎知識

關于輻射度學與光度學的基礎知識第1頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六3.0引言在研究光（輻射）的產(chǎn)生、傳輸和探測等光輻射與物質(zhì)相互作用時，需要對輻射量進行度量和定量研究第2頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六3.0引言輻射度學是一門研究電磁輻射能測量的科學與技術，對整個電磁波譜范圍都適用；是建立在幾何光學基礎上是，輻射按直線傳播，輻射能是不相干的光度學只限于可見光范圍，是對光能定量研究的科學，包含人眼特性可見光可用輻射量和光度量兩種量值系統(tǒng)來度量第3頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六3.0引言在輻射度單位體系中，基本量是輻射能和輻射通量，是只與輻射客體有關的量，基本單位是J和W；適用于整個電磁波段光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強度，其單位為cd（坎德拉）；只適用于可見光波段第4頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六3.1輻射度的基本物理量任一光輻射的能量都是輻射在它周圍的一定空間的，因此，在進行有關光輻射的討論和計算時，也將是一個立體空間問題在光輻射測量中，常用的幾何量就是立體角一個任意形狀的錐面所包含的空間稱為立體角，符號Ω

單位:Sr(球面度或立體弧度)第5頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六立體角錐體的立體角定義為：以錐體的頂點為球心作球面，該錐體在球表面截取的面積與球半徑平方之比對于一個給定頂點O和一個隨意方向的微小面積dS，它們對應的立體角為第6頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六立體角以O為球心，r為半徑做球面，若立體角Ω截出的球面部分面積為r2，則此球面部分對應的立體角為_______立體角整個球面的面積為4πr2，對于整個空間的立體角為第7頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六一、輻射能以電磁波形式發(fā)射、傳輸或接收的能量稱為輻射能，用Qe表示，單位是J一個光子的輻射能輻射能密度：輻射場內(nèi)單位體積的輻射能第8頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六二、輻射通量指單位時間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收到的輻射能量，又稱輻射功率，單位：W或J/s輻射通量以及由它派生出來的幾個輻射度學中的物理量，屬于基本物理量，都可以用專門的紅外輻射計在離開輻射源一定的距離上進行測量，所以其他輻射量都是由輻射通量定義的第9頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六三、輻射出射度反映物體輻射能力的物理量，定義為輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量輻出度描述了擴展源輻射功率在源表面的分布特性第10頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六四、輻射強度指點輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量點輻射源（相對概念）：輻射源與觀測點之間距離大于輻射源最大尺寸10倍；否則稱為擴展源（有一定面積）輻射強度是描述點輻射源特性的輻射量第11頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六五、輻射亮度指面輻射源在給定方向上單位立體角、單位投影面積的輻射通量，是描述擴展源表面不同位置沿空間不同方向的輻射功率分布特性第12頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六一般輻射體的輻射強度與空間方向有關。有些輻射體的輻射強度在空間方向上分布滿足Ie0是面元dS沿其法線方向的輻射強度。符合上式規(guī)律的輻射體稱為余弦輻射體或朗伯體朗伯體的輻射亮度為可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無關第13頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六六、輻射照度定義為受照物體表面的單位面積上接收到的輻射通量（功率）第14頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六七、單色輻射度量對于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過均定義為單位波長間隔內(nèi)對應的輻射度量對所有輻射量X來說，單色輻射度量與輻射度量之間均滿足第15頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六第16頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六以上介紹的幾個基本輻射量反映了輻射通量（功率）的幾何分布特性：表面密度分布和空間角分布任何輻射均有一定的波長分布范圍：輻射的光譜特性?；据椛淞慷加袑墓庾V輻射量光譜輻射量（略）第17頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六光度學的基本物理量很多光源用于照明，照明的效果最終是以人眼來評定的，因此照明光源的特性只用輻射能參數(shù)來描述是不夠的，必須用基于人眼視覺特性的光學參數(shù)來描述光度學量：是生理的，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度，即光度量是具有標準人眼視覺特性的人眼所接收到的輻射量的度量第18頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六一、光能按人眼的感覺強度進行度量的輻射能大小稱為光能，它與輻射能的大小、人眼的視覺靈敏度成正比第19頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六二、光通量單位時間內(nèi)通過某截面的光能稱為通過這一面積的光通量，單位為流明（lm）40瓦的普通白熾燈泡，其發(fā)光效率大約是每瓦10流明，因此可以發(fā)出約400流明的光；40W的日光燈輸出的光通量大約是2100流明描述光源發(fā)光總量的大小的，與光功率等價。光源的光通量越大，則發(fā)出的光線越多人眼對不同波長光感覺不同，即使具有相同的光通量，產(chǎn)生的明亮程度也可能不同；由此決定了光通量與光通量的換算關系第20頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六三、發(fā)光強度點光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量稱為發(fā)光強度Iv。發(fā)光強度是光度量中最基本的單位，公式為單位為坎德拉（cd），是國際單位制中7個基本單位之一1cd：光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，在此方向上的輻射強度為1/683W/Sr第21頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六光視效能描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應的單色光通量即光視效能Kλ定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比值。單位：流明/瓦特（lm/W）第22頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六光視效率通過對標準光度觀察者的實驗測定，在輻射頻率540×1012Hz（555nm）處，Kλ有最大值，其數(shù)值為683lm/W光視效率是Kλ用Km歸一化的結果第23頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六光譜光視效率國際照明委員會（CIE）根據(jù)對許多人的大量觀察結果，確定了人眼對各種波長光的平均相對靈敏度，稱之為“標準光度觀察者”光譜光視效率，或稱為視見函數(shù)人眼對不同波長的光的刺激感受是不同的第24頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六輻射通量與光通量之間的關系某波長的光通量光視效能多種波長的輻射通量，對應的光通量為第25頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六四、光出射度擴展源單位面積向2π的半空間發(fā)出的光通量單位：lm/m2

（流明每平方米）第26頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六五、光亮度光源在給定方向上的光亮度Lv，是指在該方向上的單位投影面積上向單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量單位為cd/m2（熙提sb；1sb=104cd/m2）在給定方向上的光亮度也是該方向上單位投影面積上的發(fā)光強度第27頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六部分光源的亮度值（cd/m2）第28頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六六、光照度被照物體表面上的單位面積接收到的光通量單位為勒克斯（lx）1lx=1lm/m2被光均勻照射的物體，距離光源1m處，在1m2面積上得到的光通量是1lm時，光源在該面積上的照度為1lx，習稱“燭光米”第29頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六第30頁，共33頁，2022年，5月20日，9點55分，星期六第