第12章輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)

1、大學(xué)物理1大學(xué)物理2大學(xué)物理312-1 輻射度學(xué)的基本物理量輻射度學(xué)的基本物理量 12-2 光度學(xué)的基本物理量光度學(xué)的基本物理量12-3 照度定律照度定律大學(xué)物理4輻射度學(xué)與光度學(xué)輻射度學(xué)輻射度學(xué)(Radiometry )是研究電磁輻射能測(cè)量的一是研究電磁輻射能測(cè)量的一門(mén)科學(xué)門(mén)科學(xué). .輻射度量輻射度量是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量. .光度學(xué)光度學(xué)(Photometry )是研究光度測(cè)量的一門(mén)科學(xué)是研究光度測(cè)量的一門(mén)科學(xué). .光度量光度量是光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺(jué)刺是光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺(jué)刺激大小的度量激大小的度量. .大學(xué)物理

2、5光輻射光輻射 以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能量，以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能量，它們可以用光學(xué)元件反射、成像或色散，這種能量它們可以用光學(xué)元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過(guò)程稱為光輻射。一般認(rèn)為其波長(zhǎng)在及其傳播過(guò)程稱為光輻射。一般認(rèn)為其波長(zhǎng)在10nm 1mm，或頻率在，或頻率在3 1016Hz3 1011Hz范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。一般按輻射波長(zhǎng)及人眼的生理視覺(jué)效應(yīng)將光輻射分一般按輻射波長(zhǎng)及人眼的生理視覺(jué)效應(yīng)將光輻射分成三部分：紫外輻射、可見(jiàn)光和紅外輻射。一般在成三部分：紫外輻射、可見(jiàn)光和紅外輻射。一般在可見(jiàn)到紫外波段波長(zhǎng)用可見(jiàn)到紫外波段波長(zhǎng)用nm、在紅外波段波長(zhǎng)用、在紅外波

3、段波長(zhǎng)用 m表示。波數(shù)的單位習(xí)慣用表示。波數(shù)的單位習(xí)慣用cm-1。 大學(xué)物理6輻射度單位輻射度單位和和光度單位光度單位兩套不同的體系。兩套不同的體系。 輻射度單位體系中輻射度單位體系中，輻通量（又稱為輻射功率）或，輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特（本單位是瓦特（W）或者焦耳（）或者焦耳（J）。輻射度學(xué)適用于）。輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。整個(gè)電磁波段。 光度單位體系光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，量單位，被選

4、作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見(jiàn)光波段。其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見(jiàn)光波段。 物理量符號(hào)標(biāo)角標(biāo)物理量符號(hào)標(biāo)角標(biāo)“e”表示輻射度物理量，表示輻射度物理量，角標(biāo)角標(biāo)“v”表示光度物理量。表示光度物理量。大學(xué)物理712-1 輻射度學(xué)的基本物理量大學(xué)物理8一一 輻射能輻射能輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪ㄝ椛淠苁且暂椛湫问桨l(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪ǎㄖ饕缸贤?、可?jiàn)光和紅外輻射）（主要指紫外、可見(jiàn)光和紅外輻射）能量能量。當(dāng)輻射能被其它物質(zhì)吸收時(shí)，可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠洚?dāng)輻射能被其它物質(zhì)吸收時(shí)，可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚鐭崮?、電能等。它形式的能量，如熱能、電能等。?/p>

5、位：焦耳單位：焦耳JhQe大學(xué)物理9二 輻射通量輻射通量輻射通量 e又稱為輻射功率，是指以輻射形又稱為輻射功率，是指以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率。式發(fā)射、傳播或接收的功率。單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射能量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射能量。 單位：瓦特單位：瓦特 WdtdQee大學(xué)物理10三 輻射出射度 輻射出射度輻射出射度Me是用來(lái)反映物體輻射能力的物理量。是用來(lái)反映物體輻射能力的物理量。輻射體單位面積向半球面空間發(fā)射的輻射通量。輻射體單位面積向半球面空間發(fā)射的輻射通量。 單位：瓦特每平方米（單位：瓦特每平方米（W/m2）eedMdA面光源面光源A A向的半球面空間發(fā)射的向的半球面空間發(fā)射的總輻射通量總輻

6、射通量 dAMAee大學(xué)物理11四 輻射強(qiáng)度點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量。內(nèi)的輻射通量。單位：瓦特單位：瓦特球面度球面度-1（Wsr-1） ddIee點(diǎn)光源在有限立體角點(diǎn)光源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻通量?jī)?nèi)發(fā)射的輻通量 dIeeSdde大學(xué)物理12五 輻射亮度面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。單位：瓦特單位：瓦特/球面度球面度米米2（W/srm2）。）。 SddSdcoscos2dAdddAdILeee大學(xué)物理13有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上的分布滿足有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上的分布滿足co

7、s0eedIdI 00AeeedILLd0AeeedMLd 可見(jiàn)可見(jiàn): :余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角角 無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度余弦輻射體的輻射出射度沿其法線方向的輻射強(qiáng)度沿其法線方向的輻射強(qiáng)度余弦輻射體或朗伯體余弦輻射體或朗伯體余弦輻射體的輻射亮度余弦輻射體的輻射亮度大學(xué)物理14六 輻射照度在輻射在輻射接收面接收面上的輻照度定義為照射在面元上的輻照度定義為照射在面元dA上的輻射通量與該面元的面積之比。上的輻射通量與該面元的面積之比。 單位：瓦特每平方米（單位：瓦特每平方米（W/m2）dAdEee 不要把輻照度不要把輻照度Ee與輻出度與

8、輻出度Me混淆起來(lái)。雖然兩者單位混淆起來(lái)。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來(lái)定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的量的角度來(lái)定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來(lái)定義的角度來(lái)定義的大學(xué)物理15七 光譜輻射度量單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)的輻射度量，稱為光譜單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)的輻射度量，稱為光譜輻射度量，也叫輻射量的光譜密度，是輻射量波輻射度量，也叫輻射量的光譜密度，是輻射量波長(zhǎng)的變化率。長(zhǎng)的變化率。 ddXXee)(光譜輻射度量與輻射度量之間滿足光譜輻射度量與輻射度量之間滿足 dXXee)(0大學(xué)物理1612-2

9、光度學(xué)的基本物理量大學(xué)物理17光度量光度量 光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用 與輻度學(xué)的基本物理量對(duì)應(yīng)的來(lái)表示，其定義完全一與輻度學(xué)的基本物理量對(duì)應(yīng)的來(lái)表示，其定義完全一一對(duì)應(yīng)。一對(duì)應(yīng)。 與輻射度量體系不同，在光度單位體系中，被選與輻射度量體系不同，在光度單位體系中，被選作基本單位的不是光量或光通量，而是作基本單位的不是光量或光通量，而是發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度，其，其單位是單位是坎德拉坎德拉?？驳吕粌H是光度體系的基本單位，。坎德拉不僅是光度體系的基本單位，而且也是而且

10、也是國(guó)際單位制（國(guó)際單位制（SISI）的七個(gè)基本單位之一）的七個(gè)基本單位之一。 大學(xué)物理18光視效能：光視效能：光視效能描述某一波長(zhǎng)的單色光輻射通量光視效能描述某一波長(zhǎng)的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量?？梢援a(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量。 同一波長(zhǎng)下測(cè)得的光通量與輻射通量的比之，即同一波長(zhǎng)下測(cè)得的光通量與輻射通量的比之，即evKevmmKKKV1一 光譜光視效能和光譜光視效率 單位：流明單位：流明/ /瓦特（瓦特（lm/Wlm/W） 通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在輻射頻率通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在輻射頻率540540 1012Hz1012Hz（波長(zhǎng)（波長(zhǎng)555nm555nm）

11、處，）處，K K 有最大值，其數(shù)值為有最大值，其數(shù)值為Km=683lm/WKm=683lm/W。單色光視效率是單色光視效率是K K 用用KmKm歸一化的結(jié)果，定義為歸一化的結(jié)果，定義為 大學(xué)物理194005006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 長(zhǎng)(nm)光視 效 率大學(xué)物理20二常用輻度量和光度量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系輻射度物理量輻射度物理量對(duì)應(yīng)的光度量對(duì)應(yīng)的光度量物理量名稱物理量名稱 符號(hào)符號(hào) 定義或定義式定義或定義式單位單位物理量名物理量名稱稱符號(hào)符號(hào) 定義或定義式定義或定義式 單位單位輻射能輻射能輻射通量輻射通量輻射出射度輻射出射度輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度輻射亮度輻射亮度輻射

12、照度輻射照度Qe eMeIeLeEe edQe/dtMe=d edSIe=d e/d Le=dIe/(dScos )Ee=d e/dAJWW/m2W/srW/m2srW/m2光量光量光通量光通量光出射度光出射度發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度(光光)亮度亮度(光光)照度照度Qv vMvIvLvEvQv= v dt v= Iv d Mv=d v/dSIv=d v/d Lv=dIv/(dScos )Ev=d v/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx大學(xué)物理2112-3 照度定律大學(xué)物理22SddedS dSn一余弦定律.朗伯定律朗伯定律在在方向上：方向上：在法線方向上：在法線方向上：如果發(fā)光面或漫射面的亮度

13、不隨方向而改變，則有如果發(fā)光面或漫射面的亮度不隨方向而改變，則有: :2. 朗伯光源朗伯光源只有絕對(duì)黑體才是朗伯光源只有絕對(duì)黑體才是朗伯光源dSdEeedSdEeecosdSdS coseeEE遵從朗伯定律的光源稱為朗伯光源遵從朗伯定律的光源稱為朗伯光源大學(xué)物理23余弦定律同理可用于余弦定律同理可用于光照度光照度上上 /cosvvvddEdSdSdSndS cosvE大學(xué)物理24二平方反比定律Sd d edS dS n2cosrdSd面積元面積元dSdS對(duì)點(diǎn)光源所張的立體角對(duì)點(diǎn)光源所張的立體角 d內(nèi)的光通量?jī)?nèi)的光通量2cosrdSIdIdvvvdSdS面上的光照度面上的光照度 2cosrIdS

14、dEvvv它描述了點(diǎn)輻射源產(chǎn)生的照度的規(guī)律，是它描述了點(diǎn)輻射源產(chǎn)生的照度的規(guī)律，是來(lái)自均勻點(diǎn)光源向空間發(fā)射球面波的特性。來(lái)自均勻點(diǎn)光源向空間發(fā)射球面波的特性。 大學(xué)物理25例例12-1一氦氖激光器發(fā)出一氦氖激光器發(fā)出10mW的波長(zhǎng)為的波長(zhǎng)為632.8nm的激的激光束，發(fā)散角為光束，發(fā)散角為1mrad，發(fā)散角與立體角的關(guān)系為，發(fā)散角與立體角的關(guān)系為，若波長(zhǎng)，若波長(zhǎng)632.8nm632.8nm光波的光譜光效率光波的光譜光效率 0.24,0.24,試求：試求：(1)(1)此激光束的光通量和發(fā)光強(qiáng)度；此激光束的光通量和發(fā)光強(qiáng)度；(2)(2)若此激光輸出光束的截面的直徑為若此激光輸出光束的截面的直徑為1

15、mm,1mm,求其光亮度；求其光亮度；(3)(3)以這樣的激光束照射在以這樣的激光束照射在10m10m處的白色屏幕上的光照度處的白色屏幕上的光照度. .2V解：解：(1)(1)光通量光通量 )()(emvVK683 0.24 0.011.63lm相應(yīng)的立體角為相應(yīng)的立體角為 Sr6221014. 3001. 014. 3cd561022. 51014. 363. 1I發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度 大學(xué)物理26例例12-1一氦氖激光器發(fā)出一氦氖激光器發(fā)出10mW的波長(zhǎng)為的波長(zhǎng)為632.8nm的激的激光束，發(fā)散角為光束，發(fā)散角為1mrad，發(fā)散角與立體角的關(guān)系為，發(fā)散角與立體角的關(guān)系為，若波長(zhǎng)，若波長(zhǎng)632.

16、8nm632.8nm光波的光譜光效率光波的光譜光效率 0.24,0.24,試求：試求：(1)(1)此激光束的光通量和發(fā)光強(qiáng)度；此激光束的光通量和發(fā)光強(qiáng)度；(2)(2)若此激光輸出光束的截面的直徑為若此激光輸出光束的截面的直徑為1mm,1mm,求其光亮度；求其光亮度；(3)(3)以這樣的激光束照射在以這樣的激光束照射在10m10m處的白色屏幕上的光照度處的白色屏幕上的光照度. .2VcosIdAdL 2Ir51123 25.22 106.64 103.14 (0.5 10 )cd m解：解：（2 2）由于激光束的方向與光束輸出截面）由于激光束的方向與光束輸出截面dAdA的法線的法線相一致相一致. .大學(xué)物理27例例12-1一氦氖激光器發(fā)出一氦氖激光器發(fā)出10mW的波長(zhǎng)為的波長(zhǎng)為632.8nm的激的激光束，發(fā)散角為光束，發(fā)散角為1mrad，發(fā)散角與立體角的關(guān)系為，發(fā)散角與立體角的關(guān)系為，若波長(zhǎng)，若波長(zhǎng)632.8nm632.8nm光波的光譜光效