辐射度学与光度学基本知识

《光电子技术》PhotoelectronicTechnique辐射度学与光度学基本知识周自刚辐射度学的基本物理量光度学的基本物理量照度定律1231.2辐射度学和光度学基础33辐射度学与光度学辐射度学(Radiometry)：研究各种电磁辐射强弱的学科的一门科学光度学(Photometry)：研究可见光辐射强弱的学科—辐射度学的一部分光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量。光度学的研究基于两个基本假设：①光：沿光线方向进行的能量流，遵守能量守恒定律，即光束在单位时间内通过任一截面的能量为常数②光源：既可以是一个实际的发光体，也可以是光源自身的像或者是一个自身并不发光，但被另一光源照明的物体表面32 　辐射度单位体系:辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。符号角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。辐射度单位和光度单位两套不同的体系光度单位体系:是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。31§1辐射度学的基本物理量①辐射能②辐射通量③辐射出射度④辐射强度⑤辐射亮度⑥辐射照度⑦光谱辐射度量30　　辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。　　当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等。　　单位：焦耳J①辐射能29　　辐射通量e又称为辐射功率，是指以辐射形式发射、传播或接收的功率。　　单位时间内流过的辐射能量。　　单位：瓦特W②辐射通量28辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量。单位：瓦特每平方米（W/m2）面光源A向的半球面空间发射的总辐射通量③辐射出射度27点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量Sdde④辐射强度单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）26面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。SddSd⑤辐射亮度单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。25辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射体或朗伯体余弦辐射体的辐射亮度⑤辐射亮度余弦辐射体的辐射出射度24　　在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。⑥辐射照度单位：瓦特每平方米（W/m2）23⑦光谱辐射度量　　单位波长间隔内对应的辐射度量，称为光谱辐射度量，也叫辐射量的光谱密度，是辐射量波长的变化率。积分得光谱辐射度量与辐射度量之间满足22§2光度学的基本物理量①视见函数——V()②光通量③发光强度⑤光照度21④光亮度适光性视见函数和适暗性（微光）视见函数适光性视见函数：适暗性（微光）视见函数：定义：①视见函数——V()明亮环境中：λ0=555nm，黄绿光；黑暗环境中：λ0=505nm，蓝绿光。20表标准适光性视见函数值辐射颜色λ/nmV辐射颜色λ/nmV辐射颜色λ/nmV紫4000.0004绿5300.8620橙6500.1070紫4100.0012绿5400.9540红6600.0610紫4300.0116黄5551.0000红6800.0170蓝4400.0230黄5600.9950红6900.0082蓝4500.0380黄5700.9520红7000.0041青4600.0600黄5800.8700红7100.0021青4700.0910黄5900.7570红7200.00105青4800.1390橙6000.6310红7300.00052绿5000.3230橙6200.3810红7500.00012绿5200.7100橙6400.175019归一化视见函数曲线1.0400505555750λ/nmV(λ)人眼的视见函数曲线说明：暗环境中，人眼视见函数的极大值向短波方向移动。除眼睛外，其它光探测器，如硅光电池、光电二极管、光电倍增管、感光乳剂等，也同样具有相应的光谱响应曲线，表征了相应光探测器的感光灵敏度。Vλ0=1时的视见函数曲线①视见函数——V()18②光通量定义：光源发出的客观辐射通量所能引起人眼的主观视觉强度意义：表征光源发出的客观辐射能通量所能引起人眼的主观视觉强度大小单位：lm（流明）数学表示：设dVλ为波长λ处dλ间隔的辐射能通量，相应波长光通量dΦλ：总光通量：17点光源的发光强度——I点光源：理想光源，其几何线度远小于光源到观察点之距离，因而可以忽略。发光强度：点光源向空间一定方向单位立体角内辐射的光通量。单位：坎德拉（cd），或lm/sr（球面度），[1cd=1lm/sr]③发光强度点光源的发光强度dΩ'S16①点光源向空间某一立体角元dΩ'内辐射的光通量dΦ正比于该立体角元的大小，其比例系数即该点光源的发光强度。说明：②点光源向整个空间辐射的总光通量若I与方向有关，即I=I(θ,φ)，则若I与方向无关，即I=常数，则15面光源的光亮度——B面光源（扩展光源）：具有一定空间发光面积，且在观察区域内其几何线度不可忽略。光亮度：单位面积的光源表面向法线方向单位立体角内辐射的光通量。意义：元面积dS向空间与法线夹角为θ的r方向上的立体角元dΩ'内辐射的光通量dΦ，正比于dΩ'和dS在r方向的投影dScosθ，其比例系数B定义扩展光源的光亮度单位：lm/(m2·sr)（流明每平方米球面度），或lm/(cm2·sr)即sb（熙提）扩展光源的亮度dSθdΩ'rn14④光亮度说明:②发光强度和光亮度均针对可见光而言，并带有探测器的主观因素。在辐射度学中，只要将光通量以辐射能通量代替，流明以瓦特代替，则发光强度即辐射强度，光亮度即辐射亮度。辐射强度和辐射亮度仅仅反应光源自身的辐射特征，与探测器无关。①光亮度反映扩展光源在与面法线成θ角度方向单位投影面积上的发光强度13定义：受照面单位面积上接收到的或投射到受照面单位面积上的光通量。单位：lx（勒克斯）、ph（辐透）。其中：1lx=1lm/m2，1ph=1lm/cm2。说明：E表征受照面的明亮程度。E还可以表示辐照度或辐射能流密度。数学表述：对于给定的受照面面元dS'，其上所接收到的或投射到其上的光通量dΦ'，与该面元大小成正比，相应的比例系数正是该面元上的光照度，即⑤光照度12点光源产生的光照度点光源向受照面元dS'对其所张立体角元dΩ'内辐射的光通量：点光源在受照面元dS'上的光照度:结论：点光源所产生的光照度E，正比于光源的发光强度I和光束方向角的余弦cosθ'，反比于光源点到受照面距离r的平方。平方反比律：点光源位于受照面法线上时，光照度仅与距离平方成反比，即dS'dW'Sn'θ'点光源引起的光照度r11面光源产生的光照度面光源元面积dS发出的到达受照面元面积dS'上的光通量：θ和θ'：面元dS和dS'的连线与各自面法线的夹角。dS引起的光照度：总的光照度：说明：光源面与受照面具有对称性。若以受照面为光源面，且亮度仍为B，则在原光源面上将产生同样大小的光通量。面光源引起的光照度dS'dW'Sn'rq'dWnqdS10辐射度量光度量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐射照度QeeMeIeLeEee＝dQe/dtMe=dedSIe=de/dLe=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2·srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=vdtv=IvdMv=dv/dSIv=dv/dLv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlm·slmlm/m2cdcd/m2lx两套体系对应表9SddedSdSn①朗伯定律在θ方向上：在法线方向上：　　如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有:②朗伯光源只有绝对黑体才是朗伯光源遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源。§3照度定律8余弦定律同理可用于光照度上dSndS7③平方反比定律SddedSdSn面积元dS对点光源所张的立体角内的光通量dS面上的光照度　　描述点辐射源产生照度的规律，是来自均匀点光源向空间发射球面波的特性。6例　一氦氖激光器发出10mW的波长为632.8nm的激光束，发散角为1mrad，发散角与立体角的关系为　　　，若波长632.8nm光波的光谱光效率＝0.24，试求：(1)此激光束的光通量和发光强度；(2)若此激光输出光束的截面的直径为1mm,求其光亮度；(3)以这样的激光束照射在10m处的白色屏幕上的光照度。q5解：(1)光通量相应的立体角为发光强度4解：（2）由于激光束的方向与光束输出截面dA的法线相一致.3解：（3）激光在屏幕上照射的面积2思考题：2012年8月10-12日第三届全国大学生光电设计竞赛在福建师范大学旗山校区隆重举行。本届竞赛的主题是“光与信息”。其中”基于光电导航的无人驾驶智能车”题目会用到哪些光度学和辐射度学中的基本知识？请查网站http://opt.zju.edu.cn/gdjs/1问题解答?