應(yīng)用光學(xué)輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)

應(yīng)用光學(xué)輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)1第一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日發(fā)光體實(shí)際上為一個(gè)電磁波輻射源；研究電磁波輻射的測(cè)試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱(chēng)為“輻射度學(xué)”波長(zhǎng)為400~760nm范圍內(nèi)的電磁波稱(chēng)為“可見(jiàn)光”描述電磁輻射的物理量，稱(chēng)為輻射量2第二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日輻射度學(xué)通過(guò)電磁光譜來(lái)進(jìn)行輻射能的測(cè)量。輻射度學(xué)主要研究頻率為3×1011～3×1016Hz的光輻射，對(duì)應(yīng)于0.01~1000μm的波長(zhǎng)。波段范圍包括紅外、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)。3第三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日研究可見(jiàn)光的測(cè)試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱(chēng)為“光度學(xué)”也可用視覺(jué)受到刺激的程度，即視覺(jué)感受來(lái)度量可見(jiàn)光。另一方面，可見(jiàn)光是能對(duì)人的視覺(jué)形成刺激并能被人感受的電磁波。按照視覺(jué)響應(yīng)原則建立的表征可見(jiàn)光的量稱(chēng)為光學(xué)量。4第四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日光度學(xué)與輻射度學(xué)類(lèi)似，但它只處理人眼可感知的光，即可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為380～780nm納米。波長(zhǎng)450nm對(duì)應(yīng)于藍(lán)色，540nm對(duì)應(yīng)于綠色，659nm對(duì)應(yīng)于紅色。5第五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日將可見(jiàn)光作為純物理現(xiàn)象來(lái)研究時(shí)，應(yīng)采用輻射量值系統(tǒng)。研究與人的視覺(jué)有關(guān)的問(wèn)題時(shí)，采用光學(xué)量值系統(tǒng)。6第六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日把整個(gè)空間以某一點(diǎn)為中心，劃分成若干立體角。立體角的定義：一個(gè)任意形狀的封閉錐面所包含的空間稱(chēng)為立體角，用Ω表示。第一節(jié)立體角的意義和它在光度學(xué)中的應(yīng)用Ω7第七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日如圖所示，以錐體頂點(diǎn)為球心，任意r為半徑作一球面，此錐體在球面上的截面為S，則立體角表示為8第八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

立體角單位：以錐頂為球心，以r為半徑作一圓球，若錐面在園球上所截出的面積等于r2，則該立體角為一個(gè)“球面度”（sr）。整個(gè)球面的面積為4πr2,對(duì)于整個(gè)空間有即整個(gè)空間等于4π球面度。9第九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空間，2π角度覆蓋整個(gè)單位圓。在三維空間，4π的球面度立體角覆蓋整個(gè)單位球面。10第十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)輻射度學(xué)中的基本量（1）輻射能Qe光輻射是一種能量的傳播形式。度量輻射能的單位：焦耳（J）11第十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能。度量輻通量的單位：瓦（W）（2）輻射通量Φe12第十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

用輻射通量的光譜密集度Φeλ來(lái)表示輻射體的輻射通量按波長(zhǎng)分布的特性。ΦeλΔλλ

輻射體總輻射通量即輻射體的總輻射功率為13第十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日點(diǎn)輻射源向各方向發(fā)出輻射，在某一個(gè)方向，在一個(gè)圓錐立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的輻射通量。即單位時(shí)間、單位球面度上發(fā)出的能量。輻射強(qiáng)度的單位：W/sr（3）輻射強(qiáng)度Ie表示了輻射體在不同方向上的輻射特性。dΦedΩ14第十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射通量，也就是輻射源單位時(shí)間內(nèi)單位面積發(fā)出的能量。輻出射度的單位：W/m2（4）輻出射度Me表示了輻射體在不同位置上的輻射特性AdΦedS15第十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日單位受照面積上接收的輻射通量，也就是單位時(shí)間內(nèi)單位面積接收的輻射能量。與輻出度相同，一個(gè)是發(fā)出，一個(gè)是接受。（5）輻照度Ee輻照度的單位：W/m2AdΦedS16第十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日表示單位面積在與法線(xiàn)成α角的立體圓錐角內(nèi)的輻射通量。輻亮度的單位：W/sr·m2（6）輻亮度Le表示了單位面積輻射源發(fā)出的輻通量的空間分布AdSNdΩOIeα17第十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日可見(jiàn)光：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400納米到760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)的靈敏度是不相同的。在光度學(xué)中，為了表示這種差別，定義V(λ)為“視見(jiàn)函數(shù)”（光譜光視效率）。第三節(jié)人眼的視見(jiàn)函數(shù)18第十八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日視見(jiàn)函數(shù)把人眼對(duì)黃光的視覺(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，得出各種色光的相對(duì)視覺(jué)靈敏度，稱(chēng)為視見(jiàn)函數(shù)，用V(λ)表示。把人眼最靈敏波長(zhǎng)（λ=555nm）的視見(jiàn)函數(shù)規(guī)定為1，即V(555)=1V(λ)≤1不同人在不同觀察條件下的視覺(jué)函數(shù)略有差別。19第十九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日/nmV()如果以同樣功率的不同波長(zhǎng)的輻射通量射入人眼，波長(zhǎng)λ=555nm的光人眼感覺(jué)最亮。紫紅20第二十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日如λ=660nm的紅光，要引起與黃綠光相同亮的光感，必須要比555nm的輻射通量大16倍。而λ=780nm的紅光，要引起與黃綠光相同亮的光感，必須要比555nm的輻射通量大5萬(wàn)倍。但是波長(zhǎng)在380nm，780nm以外區(qū)域的輻射能，不管有多大功率的輻射通量進(jìn)入人眼，將是感覺(jué)不到的。

21第二十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)光度學(xué)中的基本量

（1）光通量(Φ

)標(biāo)度可見(jiàn)光對(duì)人眼的視覺(jué)刺激程度的量。一只40W白熾燈的全部輻射的光通量為500lm，而40W的熒光燈的全部輻射約為2300lm光通量的單位：流明（lm）光源發(fā)出555nm波長(zhǎng)的光，如果功率為1W，則其光通量為683lm22第二十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（2）發(fā)光強(qiáng)度(I

)發(fā)光強(qiáng)度是光度學(xué)中最基本量之一。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，即單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎（德拉）（cd）23第二十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日1cd（坎德拉）代表發(fā)光體發(fā)出的電磁波頻率為540X1012Hz的單色輻射（波長(zhǎng)為555nm），且在此方向上的輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr。1lm（流明）表示在某一方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd的發(fā)光體在單位立體角內(nèi)的通光量，即坎德拉是光度學(xué)中最基本的單位，也是國(guó)際基本計(jì)量單位之一。24第二十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（3）光出射度(M)指發(fā)光表面單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，它與輻射度學(xué)中輻（射）出射度相對(duì)應(yīng)光出射度的單位為勒克斯（lx）1lx等于1m2面積上發(fā)出或接收1lm的光能量，即：25第二十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（4）光照度(E)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A處的照明強(qiáng)弱光照度表示被照明的表面單位面積上所接收的光通量。它與輻射度學(xué)中的輻（射）照度相對(duì)應(yīng)。它們的單位為勒克斯（lx）。26第二十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日AdSNdΩOIα前面所講的概念并不能表示發(fā)光面不同方向的發(fā)光特性。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)光特性。在該方向上單位投影面積的發(fā)光強(qiáng)度。（5）光亮度（L)27第二十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日L表示發(fā)光面上A點(diǎn)處在AO方向上的發(fā)光特性光亮度等于發(fā)光表面上某點(diǎn)周?chē)奈⒚嬖诮o定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該微面在垂直于給定方向的投影面積光亮度L與輻射度學(xué)中的輻亮度相對(duì)應(yīng)。光亮度的單位為坎（德拉）/米2（cd/m2）28第二十八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日第五節(jié)光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律一、光照度公式AldΩIdSNOαdΦ這是實(shí)際應(yīng)用的光照度公式應(yīng)用計(jì)算時(shí)I以坎（cd）為單位，l以米（m）為單位，E以勒克斯（lx）為單位29第二十九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日二、發(fā)光強(qiáng)度余弦定律當(dāng)發(fā)光體在各方向的光亮度相同時(shí)，不同方向上的發(fā)光強(qiáng)度變化規(guī)律如何？設(shè)發(fā)光體在各方向上的光亮度一致則有此式為發(fā)光強(qiáng)度余弦定律，又稱(chēng)“朗伯定律”符合余弦定律的發(fā)光體被稱(chēng)為“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”dSNI0αIαdSI030第三十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日在一個(gè)余弦輻射體上任意一點(diǎn)O向四周發(fā)出光時(shí)，但在各個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度是不等的。對(duì)于余弦輻射體，在法線(xiàn)方向的發(fā)光強(qiáng)度最大，其它方向上的發(fā)光強(qiáng)度是按余弦規(guī)律變小。如圖所示，在輻射體的表面上O點(diǎn)的法線(xiàn)上取一線(xiàn)段OA，使OA比例于I0，以O(shè)A為直徑作一球體切于輻射體。過(guò)O點(diǎn)作一射線(xiàn)，使該射線(xiàn)與法線(xiàn)之間的夾角為θ，射線(xiàn)與球面相交于B點(diǎn)，則OB的長(zhǎng)度就比例于該方向的發(fā)光強(qiáng)度。I0IOAB31第三十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日第五節(jié)光源與光度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)一、光源自然光源：人工光源日光，月光，星光人工光源：（1）白熾燈：鎢絲達(dá)到白熾狀態(tài)，內(nèi)充惰性氣體。燈絲：?jiǎn)温菪㈦p螺旋接口：螺口、卡口32第三十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（2）鹵鎢燈：燈泡內(nèi)加入碘、溴等鹵素。鎢蒸發(fā)與碘、溴等結(jié)合在燈絲附近分解鎢回到燈絲上（3）氣體放電燈：電流通過(guò)氣體（或者金屬蒸汽）而發(fā)光。日光燈，霓虹燈等。33第三十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（4）其他光源：發(fā)光二極管激光器二、光源的發(fā)光效率定義：光源消耗1W的電功率，發(fā)出的光通量的流明數(shù)。34第三十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日一般白熾燈：8~12日光燈：40~80汞燈：50鈉光燈：160～180氙燈：30~45照明光源要求發(fā)出的光具有良好的顏色1、人眼直接觀察光源時(shí)所看到的顏色，稱(chēng)為光源的色表。2、光源照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果，稱(chēng)為光源的顯色性。三、光源的色表和顯色性35第三十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日光源的光譜能量分布情況是決定該光源色表與顯色性的重要因素。如果能量分布連續(xù)而均與，則色表和顯色性一定好，反之則較差。四、光的接收器設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，其最終的目的是使接收器接受到所需的信號(hào)。很多現(xiàn)代光學(xué)儀器采用光電探測(cè)器作為接收器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。人眼是光學(xué)系統(tǒng)最重要的接收器。36第三十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日常用的接收器（一）、感光膠片重要指標(biāo)：感光速度黑白彩色在傳統(tǒng)膠卷相機(jī)上ISO代表感光速度的標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)碼相機(jī)中ISO定義和膠卷相同，代表著CCD或者CMOS感光元件的感光速度，ISO數(shù)值越高就說(shuō)明該感光材料的感光能力越強(qiáng)。感光度越高，對(duì)曝光量的要求就越少。ISO200的膠卷的感光速度是ISO100的兩倍，換句話(huà)說(shuō)在其他條件相同的情況下，ISO200膠卷所需要的曝光時(shí)間是ISO100膠卷的一半。37第三十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（二）、硅光電池即常說(shuō)的太陽(yáng)能電池。（三）、硅光二極管利用P－N結(jié)單向?qū)щ姷慕Y(jié)型光電器件。當(dāng)有光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流。其特點(diǎn)是