第二章輻射度光度基礎(chǔ)

1、呂勇呂勇 What is radiation? Radiation is energy that travels in the form of waves or particles. 1 紫外紫外 可見可見近紅外 近紅外 短波短波 紅外紅外 中波中波 紅外紅外 長波長波 紅外紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外 ( m) 電磁波譜電磁波譜 0.01nm1nm 0.1 m10 m0.1cm10cm10m1km100km 射線射線 光學(xué)譜段光學(xué)譜段 紫外線紫外線 x射線射線 可見光可見光 紅外紅外 微波微波無線電波無線電波 EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF 光度學(xué) 色度學(xué) 立體角立體角 是描述

2、輻射能向空間發(fā)射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、傳輸或被某一表面接收時的發(fā)散或 會聚的角度，定義為：會聚的角度，定義為： ds r d d d o 2 22 dsindd dsindd Sr rr sindd )2(sin4 )cos1 (2sin 2 2 00 dd dQ w dv dQ dt (4) 點(diǎn)輻射源在給定點(diǎn)輻射源在給定方向上單位立方向上單位立 體角內(nèi)的輻射通量，單位為體角內(nèi)的輻射通量，單位為W/Sr ( (瓦每球面度瓦每球面度) ) 。 對于各向異性的輻射源有對于各向異性的輻射源有 d I d 對點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度描述對點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度描述 e e I I

3、eIe 4 , 2 00 )( dsin)(dd ),( 均均勻勻點(diǎn)點(diǎn)光光源源 d V IV (5) 光源在垂直其輻射光源在垂直其輻射方向上方向上 。 光源微面元輻強(qiáng)度特性光源微面元輻強(qiáng)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、燈絲之燈絲、燈絲之 間的空隙間的空隙)的發(fā)射特性常常是沒有實(shí)用意義的，而把它作為一個的發(fā)射特性常常是沒有實(shí)用意義的，而把它作為一個 整體，即一個點(diǎn)光源，描述在給定觀測方向上的輻射強(qiáng)度；而整體，即一個點(diǎn)光源

4、，描述在給定觀測方向上的輻射強(qiáng)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。輻亮度可描述天空各部分輻亮度分布的特性。 2 coscos ddI L ddAdA 即即 在單位面元上的輻射通量。即在單位面元上的輻射通量。即 d M dA d E dA (8) 吸收比吸收比(率率)、反射比、透射比、反射比、透射比 isra 1 / , / , / isiria i r s a 人眼的視網(wǎng)膜人眼的視網(wǎng)膜(Retina)(Retina)上布滿了大量的感官細(xì)胞，即桿狀細(xì)上布滿了大量的感官細(xì)胞，即

5、桿狀細(xì) 胞胞(rods)(rods)和錐狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞(cones)(cones)。 靈敏度高，它能感受微弱光刺激；靈敏度高，它能感受微弱光刺激；感光靈感光靈 敏度低，但能很好的區(qū)別顏色和辨別被視物的細(xì)節(jié)。敏度低，但能很好的區(qū)別顏色和辨別被視物的細(xì)節(jié)。 視覺神經(jīng)對不同波長光的感光視覺神經(jīng)對不同波長光的感光 靈敏度是不一樣的，對綠光最靈敏度是不一樣的，對綠光最 靈敏，而對紅、藍(lán)光最低。靈敏，而對紅、藍(lán)光最低。 l0.29R+0.6G+0.11B 310-5cd/m2 3cd/m2 3105cd/m2 暗視覺暗視覺 明視覺明視覺 中介視覺中介視覺 )dV()( 780 380 emV K 例題？

6、例題？ 人眼的光視效能人眼的光視效能K （lm/W） m KKV/ )()( 0 0 ( )( ) ( ) me V m e e KVd KK V d 視見函數(shù)，光視效率視見函數(shù)，光視效率 V( )是是(或稱視見函數(shù)或稱視見函數(shù)) 。對于。對于 明視覺，對應(yīng)為輻射通量明視覺，對應(yīng)為輻射通量 e(555nm)與某波長與某波長 能對平均人眼產(chǎn)能對平均人眼產(chǎn) 生相同光視刺激的輻射通量生相同光視刺激的輻射通量 e( )的比值。的比值。Km是最大光譜光視效是最大光譜光視效 能能(常數(shù)常數(shù))，按照國際實(shí)用溫標(biāo)，按照國際實(shí)用溫標(biāo)IPTS68的理論計算，對于明視的理論計算，對于明視 覺，覺，Km=683 lm

7、/W。對暗視覺，。對暗視覺，K m=1725 lm/W。 )dV()( 780 380 emV XKX ： 常見光源的光視效能常見光源的光視效能 dv dQ w v v dt dQ v v d I d 2 /cos/cosLdddAdI dA ds dQ M v v ds dQ E v v 的單位坎德拉的單位坎德拉(Candela, cd) cd是國際單位制的七個基本單位之一是國際單位制的七個基本單位之一 定義：當(dāng)頻率為定義：當(dāng)頻率為 5401012Hz (=555nm in air)的的 單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683Wsr-1 時，則在該方向

8、上的發(fā)光強(qiáng)度為時，則在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd。 的單位是的單位是，它是發(fā)光強(qiáng)度為，它是發(fā)光強(qiáng)度為1cd的的 均勻點(diǎn)光源在單位立體角均勻點(diǎn)光源在單位立體角(1sr)內(nèi)的發(fā)出的光通量。內(nèi)的發(fā)出的光通量。 - 投影儀投影儀- 的單位是的單位是，它相當(dāng)于，它相當(dāng)于1lm的光通量的光通量 均勻地照在均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。面積上所產(chǎn)生的光照度。 ：某一物體某一物體( (或發(fā)光體或發(fā)光體) )的表面亮度是該物體單位面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(qiáng)度。亮度用符號積向視線方向發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度。亮度用符號LvLv表示，其表示，其 單位為單位為坎德拉坎德拉/ /每平方米每平方米

9、(cd/m(cd/m2 2) )。 由于物體在各個方向的亮度不一定相同，因此常在符號由于物體在各個方向的亮度不一定相同，因此常在符號L L 的右下角注明角度，用以表示與物體表面法線成的右下角注明角度，用以表示與物體表面法線成角方角方 向的亮度。向的亮度。 物體的亮度越高，人們就會感到它越亮。物體的亮度越高，人們就會感到它越亮。 cosS I L va Va (1) e e (W/m ； ；W/nm ) 輻射源發(fā)出的光在波長輻射源發(fā)出的光在波長 處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量 e(e() )de e /d (2) Ie ( () ) =dIe /d (3) Ee ( (

10、) ) =dEe /d (4) Me ( ( ) ) =dMe /d (5) Le ( () ) =dLe /d (6)d)( 0 )(線狀或帶狀譜光源線狀或帶狀譜光源 連續(xù)譜光源連續(xù)譜光源 朗伯余弦定律朗伯余弦定律 消光與大氣窗口消光與大氣窗口 cos 0 II 按照按照coscos 規(guī)律發(fā)射光通量的規(guī)規(guī)律發(fā)射光通量的規(guī) 律，叫朗伯定律；律，叫朗伯定律； 余弦輻射體可以是自發(fā)光面，余弦輻射體可以是自發(fā)光面， 也可以是透射或反射體；也可以是透射或反射體； 黑體，太陽和平面燈絲鎢絲等黑體，太陽和平面燈絲鎢絲等 可視為余弦輻射體；可視為余弦輻射體； 一個均勻的球形余弦發(fā)射體，一個均勻的球形余弦發(fā)射

11、體， 從遠(yuǎn)處的觀察者看來，與同樣從遠(yuǎn)處的觀察者看來，與同樣 半徑同樣亮度的圓盤無疑。半徑同樣亮度的圓盤無疑。 dS* dS LN cL S I S I S I dSd L N NN dcosd cosd ),(d cos cos L S M SL SLSL SL d d d dcossindddcosd ddcosd 2 0 2 0 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，且等于亮度，且等于M/。 )( blackbody L L 實(shí)際中有相當(dāng)一大類發(fā)射體，它們發(fā)出的光束集中實(shí)際中有相當(dāng)一大類發(fā)射體，它們發(fā)出的光束集中

12、 在一定的立體角內(nèi)，即亮度有一定的方向性，成像在一定的立體角內(nèi)，即亮度有一定的方向性，成像 光學(xué)儀器發(fā)出的光束都有這樣的特征。光學(xué)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。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。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。從而用不大的輻射功率就可獲得很大的輻射亮度。 22 22 1cos d d dcos dd cos d d.dd d d dd I A E d AI I d dA OdAI A E 所張的立體角。所張的立體角。對點(diǎn)源對

13、點(diǎn)源為為 cosdA O dA 面面上上形形成成的的照照度度為為在在角角。點(diǎn)點(diǎn)光光源源方方向向成成其其法法線線與與 處處有有一一面面積積元元，在在距距離離光光源源為為的的發(fā)發(fā)光光強(qiáng)強(qiáng)度度為為設(shè)設(shè)點(diǎn)點(diǎn)光光源源 AOr AdIO d ,d 2 1 1 11111 coscos dId L dAdAd 2 2 222 cos d L dAd 而而 22 1 2 cosdA d r 11 2 2 cosdA d r 2 dA2 d1 1 d2 r ， dA1 2 2 n1 1 1 n2 dA L2 L1 2211 sinsin nn ddsind ,ddsind cosddcosddd 2211 22

14、211112 2 而而 ALAL 2 1 2 2 1 1 2 22 11 22 11 sind sind dcossin dcossin cosd cosd n n n n 2 2 2 2 1 1 n L n L 1 2 0 1 2 L n n L 在干潔大氣中，大氣消光取在干潔大氣中，大氣消光取 決于空氣密度和輻射通過的決于空氣密度和輻射通過的 大氣層厚度。大氣層厚度。 大氣中有氣溶膠粒子及云霧大氣中有氣溶膠粒子及云霧 粒子群時其消光作用增強(qiáng)；粒子群時其消光作用增強(qiáng)； 在地面基本觀測不到波長在地面基本觀測不到波長 0.30.3 m m的短波太陽紫外輻射的短波太陽紫外輻射 ； 地面觀測到的太陽光譜中有地面觀測到的太陽光譜中有 明顯的吸收帶。明顯的吸收帶。 n大氣消光大氣消光：大氣對輻射強(qiáng)度的衰減。其基本特點(diǎn)如下：大氣對輻射強(qiáng)度的衰減。其基本特點(diǎn)如下： 大氣散射：大氣散射： 大氣吸收大氣吸收: 。 0 ( , )( , )( , ) ( ) ( , ) ( , ) ( ) ( , ) ln( , )( , ) ( ) s dsksss ds ds kss ds s skss ds s dsssks 0 )(),(exp)0 ,(),( )(exp),( )(exp),( )(exp),(),( l k sks 0 0 0 0 ( , ) ( ,