輻射度光度基礎(chǔ)課件

關(guān)于輻射度光度基礎(chǔ)第1頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三輻射的基本概念Whatisradiation?Radiationisenergythattravelsintheformofwavesorparticles.2第2頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三紫外可見近紅外短波紅外中波紅外長波紅外遠紅外

(m)電磁波譜0.01nm1nm0.1m10m0.1cm10cm10m1km100km射線光學譜段紫外線x射線可見光紅外微波無線電波EHFSHFUHFVHFHFMFLFVLF輻射度學光度學色度學多波段多光譜超光譜高光譜第3頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三一、輻射度量(物理的Physical)立體角

立體角Ω是描述輻射能向空間發(fā)射、傳輸或被某一表面接收時的發(fā)散或會聚的角度，定義為：以錐體的基點為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比dsrdddo式中，為天頂角；為方位角；d

d分別為其增量。立體角單位是球面度(sr)。第4頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三輻射能(Q):

簡稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，單位焦耳（J）。輻射能量是輻射通量Φe對時間的積分。(2)輻能密度（W,單位J/m-3）

(3)輻射通量（,又稱為輻射功率P,單位W）

:以輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時間特性。實際應用中，對于連續(xù)輻射體或接收體，以單位時間內(nèi)的輻射能、即輻射通量表示。是單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能。第5頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三(4)輻射強度(I，單位Wsr-1):點輻射源在給定傳輸方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位為W/Sr(瓦每球面度)。對于各向異性的輻射源有輻射強度描述了光源輻射的方向特性。點光源~擴展源:即光源發(fā)光部分的尺寸比起其實際輻射傳輸距離小得多時，可以將其近似認為是一個點光源，在輻射傳輸計算，測量上不會引起明顯的誤差。點光源向空間輻射球面波。對點光源的輻射強度描述dФVdΩIV鎢絲白熾燈的輻射強度分布第6頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三(5)輻亮度(L，單位Wm-2sr-1):光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積、單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。

光源微面元輻強度特性輻亮度在光輻射的傳輸和測量中具有重要的作用。例如，描述螺旋燈絲白熾燈時，由于描述燈絲每一局部表面(燈絲、燈絲之間的空隙)的發(fā)射特性常常是沒有實用意義的，而把它作為一個整體，即一個點光源，描述在給定觀測方向上的輻射強度；而在描述天空輻射特性時，希望知道其各部分的輻射特性，則用輻亮度可描述天空各部分輻亮度分布的特性。第7頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三(6)輻射出射度(M，單位Ｗm-2):

離開光源表面單位面元的輻射通量。即面元所對應的立體角是輻射的整個半球空間。dΦ為面光源表面上的小面元dA在各方向上（多為半空間２π立體角）所發(fā)出的總的輻射通量。(7)輻照度(E，單位Ｗm-2):投射在單位面元上的輻射通量。即輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。兩者的區(qū)別：前者描述的是面光源向外發(fā)射的輻射特性，后者則是描述接收面所接收到的輻射特性。第8頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三(8)吸收比(率)、反射比、透射比

由于輻射度量也是波長的函數(shù)，當描述光譜輻射量時，可在相應名稱前加“光譜”，并在相應的符號上加波長的符號“”作為下標，例如光譜輻射通量記為或()，等等。irsa第9頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三人眼的視網(wǎng)膜(Retina)上布滿了大量的感官細胞，即桿狀細胞(rods)和錐狀細胞(cones)。桿狀細胞靈敏度高，它能感受微弱光刺激；錐狀細胞感光靈敏度低，但能很好的區(qū)別顏色和辨別被視物的細節(jié)。

人所感受的外界信息80%以上來自視覺。二、光度量(生理的physiological)

第10頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三辨別光亮和顏色的雙重功能

（錐狀細胞和桿狀細胞）對明暗光的適應力

（瞳孔調(diào)節(jié)，10-20倍，黑色素、眼瞼等，感光范圍

2*10-17W到2*10-17W）很高的分辨能力（1分）很高的辨色能力

（480nm-600nm，辨別不到1nm的色差）視覺暫留時間（0.1s）和動態(tài)響應時間（0.05s）在粗略感知大視場內(nèi)景物的同時把主要分辨力集中于視力集中的小范圍。人的視覺功能：

第11頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三視覺神經(jīng)對不同波長光的感光靈敏度是不一樣的，對綠光最靈敏，而對紅、藍光最低。0.29R+0.6G+0.11B明視覺暗視覺中介視覺顏色適應3×10-5cd/m23cd/m23×105cd/m2暗視覺明視覺中介視覺第12頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三二、光度量(生理的physiological)描述光輻射能平均為人眼接受后引起視覺刺激大小的量。

與輻射量的區(qū)別在研究方法和概念上十分相似，在評價光電系統(tǒng)性能時，輻射度量和光度量緊密相關(guān)。人眼的視見函數(shù)

光通量V和輻射通量e可通過人眼視覺特性進行轉(zhuǎn)換

例題？第13頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三人眼的光視效能K

（lm/W）

視見函數(shù)，光視效率V()是CIE推薦的平均人眼光譜光視效率(或稱視見函數(shù))。對于明視覺，對應為輻射通量e(555nm)與某波長能對平均人眼產(chǎn)生相同光視刺激的輻射通量e()的比值。Km是最大光譜光視效能(常數(shù))，按照國際實用溫標IPTS－68的理論計算，對于明視覺，Km=683lm/W。對暗視覺，Km=1725lm/W。第14頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三光通量：光源在單位時間內(nèi)，向周圍空間輻射出的、使人眼產(chǎn)生光感覺的能量，稱為光通量，用符號Φv表示，單位為流明(lm)。人們通常以電光源消耗1W電功率所發(fā)出的流明數(shù)(lm／W)來表征電光源的特性，稱為發(fā)光效率，簡稱光效。電光源的光效越高越好。人眼對可見光中波長為555nm的黃綠色光最靈敏，波長離555nm越遠(如波長較長的紅光和波長較短的紫光)靈敏度越低，所以光通量與光輻射的強弱及其波長都有關(guān)系。常見光源的光視效能光源類型光視效能(lm/W)光源類型光視效能(lm/W)鎢絲燈(真空)8~9.2日光燈27~41鎢絲燈(充氣)9.2~21高壓水銀燈34~45石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈40~47.5氣體放電管16~30鈉光燈60第15頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三(1)光能(QV，單位流明秒lm·s)(2)光能密度(wv,單位lm·s/m-3

)(3)光通量(v,

單位流明lm)(4)發(fā)光強度(Iv,單位坎德拉,cd,lm·sr-1)(5)亮度

(Lv,單位cd·m-2):(6)光出射度(Mv,lm·m-2)(7)照度(Ev,lm·m-2)第16頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三光通量的單位發(fā)光強度的單位坎德拉(Candela,cd)cd是國際單位制的七個基本單位之一定義：當頻率為540×1012Hz(λ=555nminair)的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1/683W?sr-1時，則在該方向上的發(fā)光強度為1cd。第17頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三流明與勒克斯光通量的單位是流明(lm)，它是發(fā)光強度為1cd的均勻點光源在單位立體角(1sr)內(nèi)的發(fā)出的光通量。----------------投影儀-------------光照度的單位是勒克斯(lx)，它相當于1lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。第18頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三亮度：某一物體(或發(fā)光體)的表面亮度是該物體單位面積向視線方向發(fā)出的發(fā)光強度。亮度用符號Lv表示，其單位為坎德拉/每平方米(cd/m2)。由于物體在各個方向的亮度不一定相同，因此常在符號L的右下角注明角度，用以表示與物體表面法線成α角方向的亮度。物體的亮度越高，人們就會感到它越亮。

第19頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三常用輻射度量和光度量之間的對應關(guān)系

第20頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三光譜輻射量----輻射量的光譜密度(1)

光譜輻射通量Φe(W/μm；W/nm)

輻射源發(fā)出的光在波長處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量

Φe(λ)＝dΦe/dλ(2)

光譜輻射強度

Ie(λ)

=dIe/d

(3)

光譜輻(射)照度

Ee(λ)

=dEe/d(4)

光譜輻射出射度

Me(λ)

=dMe/d(5)

光譜輻射亮度

Le(λ)

=dLe/d(6)

輻射源的總的輻射通量線狀或帶狀譜光源連續(xù)譜光源第21頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三朗伯余弦定律亮度守恒定律距離平方反比定律消光與大氣窗口三、輻射傳輸?shù)幕径傻?2頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三朗伯余弦定律

——輻射的空間分布規(guī)律黑體在任意方向上的輻射強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比；朗伯余弦定律的另一種形式，敘述為“各個方向上輻射亮度相等的發(fā)射表面，其輻射強度按余弦規(guī)律變化”?；蛘哒f：任意表面上的照度隨該表面法線與輻射能傳播方向之間夾角的余弦變化。

輻射度學和光度學的研究對象主要是非相干光學輻射，并且認為輻射的傳播服從幾何光學定律。第23頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三朗伯余弦輻射體發(fā)光強度的空間分布滿足的發(fā)光表面叫做余弦輻射體。I0為發(fā)光面在法線方向的發(fā)光強度，Iθ為和法線成任意角度θ方向的發(fā)光強度。發(fā)光強度向量Iθ端點的軌跡是一個與發(fā)光面相切的球面，球心在法線上，球的直徑為I0。上圖為用向量表示的余弦輻射體在通過法線的任意截面內(nèi)的光強度分布。第24頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三朗伯(J.H.Lambert)定律——余弦定律按照cos規(guī)律發(fā)射光通量的規(guī)律，叫朗伯定律；余弦輻射體可以是自發(fā)光面，也可以是透射或反射體；黑體，太陽和平面燈絲鎢絲等可視為余弦輻射體；一個均勻的球形余弦發(fā)射體，從遠處的觀察者看來，與同樣半徑同樣亮度的圓盤無疑。dS*dS朗伯球體的亮度第25頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三余弦輻射體在和法線成任意角度方向的光亮度L,可以表示為LN可見，把半球上每個面元dS投影到圓盤上，得到面積為dS*=dScos的面元，這兩個面元在指向觀察者的方向上的發(fā)光強度和投影面積都是一樣的，因而亮度也是一樣的。余弦輻射體在各個方向上的光亮度相同。第26頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三朗伯輻射體的輻射出射度與亮度的關(guān)系朗伯輻射源在任意方向上的輻射亮度均等于法線方向上的輻射亮度，且等于M/π。第27頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三應用朗伯光源及朗伯理想表面的漫反射作為一種理想的模型在輻射度學和光度學的理論計算和實驗測量中應用廣泛；“光學遙感儀器的光譜輻亮度標定”是現(xiàn)代光學和儀器科學經(jīng)常遇到的一個問題。光學遙感儀器的光譜輻亮度標定有多種方法，在紫外波段可采用漫反射板來標定光譜輻亮度,如上圖所示。朗伯定律是熱輻射度學的基本定理之一，它是現(xiàn)代光輻射研究與應用的基礎(chǔ)。第28頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三幾種材料的方向發(fā)射率對不光滑物體，朗伯定律可在=0～60?的情況下使用。對于金屬材料,從θ=0開始，在一定范圍內(nèi)的方向發(fā)射率是常數(shù)；然后隨θ增加而增加，在θ=90的極小角度范圍內(nèi)εθ又有減小。對非金屬材料而言，在上述范圍內(nèi)，ε變化不大；當θ>60?后，εθ就明顯的減小了。第29頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三定向發(fā)射體實際中有相當一大類發(fā)射體，它們發(fā)出的光束集中在一定的立體角內(nèi)，即亮度有一定的方向性，成像光學儀器發(fā)出的光束都有這樣的特征。在亮度具有方向性方面最突出的例子是激光器。激光器發(fā)出的光束通常是截面很小，且高度平行。從而用不大的輻射功率就可獲得很大的輻射亮度。第30頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三距離平方反比定律

cosθdAθΩOdA當均勻點光源向空間發(fā)射球面波，則點光源在傳輸方向上某點的照度與該點到點光源距離的平方成反比。第31頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三亮度守恒定律當光束在同一種介質(zhì)中傳輸時，沿其傳輸路徑任取二個面元dA1和dA2，并使通過面元dA1的光束也都通過面元dA2，它們之間的距離是r，面元法線與光傳輸方向夾角分別為1和2，則面元dA1的輻射亮度亮度守恒關(guān)系面元dA2的輻射亮度而將dΩ1和dΩ2分別代入，可得L1=L2

θ2dA2dΩ1θ1dΩ2r，dA1第32頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三光在不同介質(zhì)中傳輸?shù)牧炼仁睾汴P(guān)系若光從一種介質(zhì)傳輸?shù)搅硪环N介質(zhì)，即所取二個面元分別處于不同介質(zhì)中，并認為光在介質(zhì)表面無反射和吸收損失，于是有θ2Ω2n1Ω1θ1n2dAL2L1再考慮折射定律則于是有第33頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三光在不同介質(zhì)中傳輸?shù)牧炼仁睾汴P(guān)系若光傳輸過程中存在光學系統(tǒng)，因光學系統(tǒng)會使光束會聚或發(fā)散，因而像面亮度與物面亮度存在下列關(guān)系一般情況下，成像系統(tǒng)的n1=n0，且τ小于1，因而有L2<L1，所以，像的輻射亮度不可能大于物的輻射亮度，故光學系統(tǒng)無助于亮度的增加。ds0ds1u0u1L0EflDDn1n0l第34頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三疊加原理若干輻射（光）源在一面元上建立的照度等于各輻射（光）源單獨建立的照度之和。均勻漫射面及其特性均勻漫射面（包括漫反射、漫透射及自身發(fā)光的漫射面）在任何方向都具有相等的亮度，因而在與面的法線成θ角的方向上的輻射強度或發(fā)光強度Iθ=I0cosθ，I0為漫射面在法線方向的輻射強度或發(fā)光強度。第35頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三大氣消光和大氣窗口在干潔大氣中，大氣消光取決于空氣密度和輻射通過的大氣層厚度。大氣中有氣溶膠粒子及云霧粒子群時其消光作用增強；在地面基本觀測不到波長λ<0.3μm的短波太陽紫外輻射；地面觀測到的太陽光譜中有明顯的吸收帶。大氣消光：大氣對輻射強度的衰減。其基本特點如下：由多種成分組成的大氣是復雜的光學介質(zhì)。輻射在這種介質(zhì)中傳輸時，將產(chǎn)生折射，吸收和散射等物理過程而導致輻射的衰減。這使光電成像系統(tǒng)對目標的探測產(chǎn)生直接的影響。同時這些現(xiàn)象也反映了大氣的狀態(tài)，為大氣遙感提供了依據(jù)。

第36頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三第37頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三大氣散射：①分子散射(瑞利散射):輻射波長比散射粒子的尺寸大得多，散射系數(shù)與波長的4次方成反比。如天空呈藍色。②氣溶膠散射(米氏（Mie）散射):波長與散射粒子的大小差不多。散射粒子如塵埃、煙霧、霾等，使云、霧呈白色；③非選擇性散射:散射粒子的粒徑比輻射波長大得多，散射系數(shù)與波長無關(guān)。嚴重衰減。大氣吸收:大氣中的水汽、二氧化碳和臭氧，在某些波段會產(chǎn)生強烈的吸收帶，削弱了大氣對電磁波輻射的透明度，并造成了電磁波在大氣傳輸中的一些不連續(xù)的“大氣窗口”。第38頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三大氣消光的成因：輻射在傳輸過程中，與氣體分子和氣溶膠粒子相互作用，造成氣體分子及氣溶膠粒子對輻射的吸收和散射。

從經(jīng)典電子論看，構(gòu)成物質(zhì)的原子與分子內(nèi)的帶電粒子被準彈性力保持在其平衡位置上，并具有一定的固有振動頻率。在入射輻射作用下，原子或分子產(chǎn)生極化并依入射光頻率作強迫振動，可能產(chǎn)生兩種能量交換：入射輻射轉(zhuǎn)換為原子或分子的次波輻射能。對于非均勻介質(zhì)中，這種次波輻射無法相干抵消，故產(chǎn)生向各個方向的散射，沿固有方向傳播的輻射能減少。－散射入射輻射能轉(zhuǎn)換為原子碰撞的平均動能即熱能。－吸收第39頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三波蓋耳(Bouggner)定律：輻射通過介質(zhì)的消光作用與入射輻射能量Φ(λ,s)、衰減介質(zhì)密度ρ(s)(g/m3)以及所經(jīng)過的路徑ds成正比，右式中k(λ,s)為光譜質(zhì)量消光系數(shù)。積分獲得輻射衰減規(guī)律：Φ(λ,0)為s=0時的初始光譜輻射通量。若介質(zhì)有均勻的光學性質(zhì)ρ(s)=ρ，k(λ,s)=k(λ)則可以簡化得到波蓋耳(Bouggner)定律，其中ω＝ρs為光程上單位截面的介質(zhì)質(zhì)量；l(λ)＝k(λ)ρs為介質(zhì)的光學厚度。第40頁，講稿共44頁，2023年5月2日，星期三大氣光譜透射比τ(λ,s)：用于描述輻射通過大氣時的透射特性；平均透射比τ(s)