應用光學輻射度學和光度學基礎

應用光學輻射度學和光度學基礎1第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光體實際上為一個電磁波輻射源；研究電磁波輻射的測試、計量和計算的學科稱為“輻射度學”波長為400~760nm范圍內的電磁波稱為“可見光”描述電磁輻射的物理量，稱為輻射量2第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射度學通過電磁光譜來進行輻射能的測量。輻射度學主要研究頻率為3×1011～3×1016Hz的光輻射，對應于0.01~1000μm的波長。波段范圍包括紅外、可見光、紫外線。3第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月研究可見光的測試、計量和計算的學科稱為“光度學”也可用視覺受到刺激的程度，即視覺感受來度量可見光。另一方面，可見光是能對人的視覺形成刺激并能被人感受的電磁波。按照視覺響應原則建立的表征可見光的量稱為光學量。4第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月光度學與輻射度學類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光，波長范圍為380～780nm納米。波長450nm對應于藍色，540nm對應于綠色，659nm對應于紅色。5第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月將可見光作為純物理現(xiàn)象來研究時，應采用輻射量值系統(tǒng)。研究與人的視覺有關的問題時，采用光學量值系統(tǒng)。6第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月把整個空間以某一點為中心，劃分成若干立體角。立體角的定義：一個任意形狀的封閉錐面所包含的空間稱為立體角，用Ω表示。第一節(jié)立體角的意義和它在光度學中的應用Ω7第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖所示，以錐體頂點為球心，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8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

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“球面度”（sr）。整個球面的面積為4πr2,對于整個空間有即整個空間等于4π球面度。9第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空間，2π角度覆蓋整個單位圓。在三維空間，4π的球面度立體角覆蓋整個單位球面。10第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)輻射度學中的基本量（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11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月單位時間內發(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12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

用輻射通量的光譜密集度Φeλ來表示輻射體的輻射通量按波長分布的特性。ΦeλΔλλ

輻射體總輻射通量即輻射體的總輻射功率為13第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月點輻射源向各方向發(fā)出輻射，在某一個方向，在一個圓錐立體角dΩ內發(fā)出的輻射通量。即單位時間、單位球面度上發(fā)出的能量。輻射強度的單位：W/sr（3）輻射強度Ie表示了輻射體在不同方向上的輻射特性。dΦedΩ14第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射通量，也就是輻射源單位時間內單位面積發(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15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月單位受照面積上接收的輻射通量，也就是單位時間內單位面積接收的輻射能量。與輻出度相同，一個是發(fā)出，一個是接受。（5）輻照度Ee輻照度的單位：W/m2AdΦedS16第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月表示單位面積在與法線成α角的立體圓錐角內的輻射通量。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17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月可見光：輻射能中能引起人眼的視覺效應的區(qū)域。

這個區(qū)域從400納米到760納米。人眼觀察輻射體時，其視覺強弱與輻射波長和輻射強度（某一方向）有關。在可見光中不同波長的光所引起的視覺效應的靈敏度是不相同的。在光度學中，為了表示這種差別，定義V(λ)為“視見函數(shù)”（光譜光視效率）。第三節(jié)人眼的視見函數(shù)18第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月視見函數(shù)把人眼對黃光的視覺靈敏度作為基準，其它色光的視覺靈敏度與黃光的視覺靈敏度相比，得出各種色光的相對視覺靈敏度，稱為視見函數(shù)，用V(λ)表示。把人眼最靈敏波長（λ=555nm）的視見函數(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函數(shù)略有差別。19第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月/nmV()如果以同樣功率的不同波長的輻射通量射入人眼，波長λ=555nm的光人眼感覺最亮。紫紅20第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月如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5萬倍。但是波長在380nm，780nm以外區(qū)域的輻射能，不管有多大功率的輻射通量進入人眼，將是感覺不到的。

21第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)光度學中的基本量

（1）光通量(Φ

)標度可見光對人眼的視覺刺激程度的量。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波長的光，如果功率為1W，則其光通量為683lm22第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）發(fā)光強度(I

)發(fā)光強度是光度學中最基本量之一。發(fā)光強度與輻射強度相對應。它表示在指定方向上光源發(fā)光的強弱，即單位立體角內發(fā)出的光通量。發(fā)光強度的單位為坎（德拉）（cd）23第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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（波長為555nm），且在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr。1lm（流明）表示在某一方向上的發(fā)光強度為1cd的發(fā)光體在單位立體角內的通光量，即坎德拉是光度學中最基本的單位，也是國際基本計量單位之一。24第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）光出射度(M)指發(fā)光表面單位面積內所發(fā)出的光通量，它與輻射度學中輻（射）出射度相對應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25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）光照度(E)當某一表面被發(fā)光體照明，用光照度E來表示被照明表面A處的照明強弱光照度表示被照明的表面單位面積上所接收的光通量。它與輻射度學中的輻（射）照度相對應。它們的單位為勒克斯（lx）。26第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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)光強度。（5）光亮度（L)27第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月L表示發(fā)光面上A點處在AO方向上的發(fā)光特性光亮度等于發(fā)光表面上某點周圍的微面在給定方向上的發(fā)光強度除以該微面在垂直于給定方向的投影面積光亮度L與輻射度學中的輻亮度相對應。光亮度的單位為坎（德拉）/米2（cd/m2）28第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律一、光照度公式AldΩIdSNOαdΦ這是實際應用的光照度公式應用計算時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29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月二、發(fā)光強度余弦定律當發(fā)光體在各方向的光亮度相同時，不同方向上的發(fā)光強度變化規(guī)律如何？設發(fā)光體在各方向上的光亮度一致則有此式為發(fā)光強度余弦定律，又稱“朗伯定律”符合余弦定律的發(fā)光體被稱為“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”dSNI0αIαdSI030第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月在一個余弦輻射體上任意一點O向四周發(fā)出光時，但在各個方向上的發(fā)光強度是不等的。對于余弦輻射體，在法線方向的發(fā)光強度最大，其它方向上的發(fā)光強度是按余弦規(guī)律變小。如圖所示，在輻射體的表面上O點的法線上取一線段OA，使OA比例于I0，以OA為直徑作一球體切于輻射體。過O點作一射線，使該射線與法線之間的夾角為θ，射線與球面相交于B點，則OB的長度就比例于該方向的發(fā)光強度。I0IOAB31第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)光源與光度學基礎知識一、光源自然光源：人工光源日光，月光，星光人工光源：（1）白熾燈：鎢絲達到白熾狀態(tài)，內充惰性氣體。燈絲：單螺旋、雙螺旋接口：螺口、卡口32第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）鹵鎢燈：燈泡內加入碘、溴等鹵素。鎢蒸發(fā)與碘、溴等結合在燈絲附近分解鎢回到燈絲上（3）氣體放電燈：電流通過氣體（或者金屬蒸汽）而發(fā)光。日光燈，霓虹燈等。33第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（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34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月一般白熾燈：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所看到的顏色，稱為光源的色表。2、光源照射到物體上所產生的客觀效果，稱為光源的顯色性。三、光源的色表和顯色性35第35頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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、光的接收器設計一個光學系統(tǒng)，其最終的目的是使接收器接受到所需的信號。很多現(xiàn)代光學儀器采用光電探測器作為接收器，將光信號轉換為電信號。人眼是光學系統(tǒng)最重要的接收器。36第36頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的接收器（一）、感光膠片重要指標：感光速度黑白彩色在傳統(tǒng)膠卷相機上ISO代表感光速度的標準，在數(shù)碼相機中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)值越高就說明該感光材料的感光能力越強。感光度越高，對曝光量的要求就越少。ISO200的膠卷的感光速度是ISO100的兩倍，換句話說在其他條件相同的情況下，ISO200膠卷所需要的曝光時間是ISO100膠卷的一半。37第37頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、硅光電池即常說的太陽能電池。（三）、硅光二極管利用P－N結單向導電的結型光電器件。當有光照時，會產生電流。其特點是