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文檔簡介
1、關(guān)于輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ)第一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.1 引言光是電磁波,是一種傳播著的能量。 在研究光(輻射)的產(chǎn)生、傳輸和探測(cè)等光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí),需要對(duì)輻射量進(jìn)行度量和定量研究。 輻射度學(xué)就是一門研究電磁輻射能測(cè)量的科學(xué)與技術(shù),對(duì)整個(gè)電磁波譜范圍都適用。 在電磁波譜范圍內(nèi),不同的波段各有其特殊性質(zhì),有不同的測(cè)量方法與手段,我們現(xiàn)在限于討論光學(xué)波段(涵蓋紅外和紫外)的輻射能測(cè)量。第二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月 人類最先認(rèn)識(shí)的是可見光,創(chuàng)立了光能測(cè)量的技術(shù)光度學(xué)。光度學(xué)與輻射度學(xué):對(duì)光能進(jìn)行定量研究的科學(xué).光度學(xué):只限于可見光范圍,包含人眼特性
2、。輻射度學(xué):規(guī)律適用于從紫外到紅外波段(光能的大 小是客觀的).甚至適用于整個(gè)電磁波譜。屬于心理物理學(xué)方法純粹的物理學(xué)方法,輻射量是純粹的物理量第三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月輻射度學(xué)是建立在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上的:1,輻射按直線傳播,輻射的波動(dòng)性不會(huì)使輻射 能的空間分布偏離幾何光線所規(guī)定的光路;2,輻射能是不相干的,不考慮干涉效應(yīng)。 紅外物理學(xué)就是從光是一種能量出發(fā),定量地討論光的計(jì)算和測(cè)量問題(當(dāng)然可以擴(kuò)展到整個(gè)光學(xué)譜區(qū)).第四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.2 常用輻射量 任一光源發(fā)射的光能量都是輻射在它周圍的一定空間內(nèi)。因此,在進(jìn)行有關(guān)光輻射的討論和計(jì)算
3、時(shí),也將是一個(gè)立體空間問題。在光輻射測(cè)量中,常用的幾何量就是立體角。定義:一個(gè)任意形狀椎面所包含的空間稱為立體角。符號(hào): 單位:Sr (球面度)第五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月立體角的數(shù)值為部分球面面積A與球半徑平方之比: A是半徑為R的球面的一部分,A的邊緣各點(diǎn)對(duì)球心O連線所包圍的那部分空間叫立體角立體角 對(duì)于一個(gè)給定頂點(diǎn)O 和一個(gè)隨意方向的微小面積dS ,它們對(duì)應(yīng)的立體角為:圖2-1第六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月一,輻射能 以電磁波形式發(fā)射、傳輸或接收的能量稱為輻射能,用Q表示,單位為焦耳。一個(gè)光量子的輻射能為輻射能密度:輻射場(chǎng)內(nèi)單位體積中的輻射能。第
4、七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月二,輻射功率輻射通量:單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能。 因此,對(duì)同一表面: 輻射功率以及由它派生出來的幾個(gè)輻射度學(xué)中的物理量,屬于基本物理量。它們的量值都可以用專門的紅外輻射計(jì)在離開輻射源一定的距離上進(jìn)行測(cè)量。所以其他輻射量都是由輻射功率(或稱為輻射通量)定義的。單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射,傳輸或接收到的輻射能。單位:W(瓦)第八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月三,輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度是描述點(diǎn)輻射源特性的輻射量。 這是一個(gè)相對(duì)概念,輻射源與觀測(cè)點(diǎn)之間距離大于輻射源最大尺寸10倍時(shí),可當(dāng)做點(diǎn)源處理,否則稱為擴(kuò)展源(有一定面積).1,點(diǎn)輻射源與擴(kuò)展源
5、如果觀測(cè)中使用了光學(xué)系統(tǒng),當(dāng)源的像小于探測(cè)器,就可以看成是點(diǎn)源。第九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月物理描述: 點(diǎn)輻射源在某一方向上的輻射強(qiáng)度,是指輻射源在包含該方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的輻射通量。數(shù)學(xué)描述: 點(diǎn)輻射源在小立體角內(nèi)的輻射功率為P,則P與之比的極限值定義為輻射強(qiáng)度.單位:W/Sr (瓦/球面度)2,輻射強(qiáng)度圖2-2第十張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月點(diǎn)源是向全空間輻射能量的,點(diǎn)源的輻射功率:對(duì)于各向同性的輻射源,輻射強(qiáng)度為常數(shù):第十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月四,輻射出射度(輻出度)輻射出射度是描述擴(kuò)展源輻射特性的輻射量。物理描述:
6、 擴(kuò)展源單位面積向半球空間發(fā)射的功率(或輻射通量)。數(shù)學(xué)描述: 若輻射源的x處微小面積元A向半球空間的輻射功率為P,則P與A之比的極限值定義為x處的輻射出射度.單位:w/ (瓦/米2)圖2-3第十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月如果擴(kuò)展源表面的發(fā)射不是均勻的:擴(kuò)展源的輻射功率:如果擴(kuò)展源表面的發(fā)射是均勻的: 輻射出射度描述了擴(kuò)展源輻射功率在源表面的分布特性。第十三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月五,輻射亮度(輻亮度)輻射亮度L:描述擴(kuò)展源表面不同位置沿空間不同方向的輻射功率分布特性物理描述: 輻射源在給定方向上的輻射亮度,是源在該方向單位投影面積上、單位立體角內(nèi)發(fā)
7、出的輻射功率。數(shù)學(xué)描述: 面積元A向小立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率是二階小量(P)2P;圖2-4第十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月在方向看到的源面積是A的投影面積 AAcos在方向上觀測(cè)到的源表面上該位置的輻亮度就定義為2P與A及之比的極限值單位:w/(Sr) 瓦/(平方米球面度)第十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月輻出度M和輻亮度L的關(guān)系小面源(面積A)可以近似看作點(diǎn)源,也可以用輻射強(qiáng)度描述:第十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月 由于A很小,一般不考慮輻射亮度L在A中不同位置上的變化,小面源的輻射強(qiáng)度等于該面源的輻射亮度乘以小面源在該方向上的投影面
8、積:上述結(jié)論對(duì)擴(kuò)展源上的小面積元同樣適用。擴(kuò)展源擋光板小面積元圖2-5第十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月六,輻射照度單位:w/ (瓦/米2) 受照物體表面的單位面積上接收到的輻射功率稱輻射照度.和輻射出射度的表達(dá)式相同,但物理意義完全不同。輻射照度E,可以是多個(gè)輻射源輻照的結(jié)果,也可以是特定方向的一個(gè)立體角中投射的輻射功率。圖2-6第十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.3 光譜輻射量與光子輻射量 第一節(jié)介紹的六個(gè)基本輻射量反映了輻射功率的幾何分布特性:表面密度分布和空間角分布。 任何輻射均有一定的波長分布范圍:輻射的光譜特性。那么,基本輻射量都應(yīng)該有相應(yīng)的光
9、譜輻射量。一,光譜輻射量 任一基本輻射量X,它包含了波長范圍0的全部輻射量,因此也叫全輻射量。 對(duì)于基本輻射量X在波長范圍+內(nèi)相應(yīng)的輻射量為 X,第十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月定義光譜輻射量(也叫單色輻射量):(全)輻射量:光譜帶輻射量:圖2-7第二十張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月單位:W/m (瓦/微米) 輻射源在+波長間隔內(nèi)發(fā)出的輻射功率,稱為在波長處的光譜輻射功率(或單色輻射功率)光譜帶輻射功率:全輻射功率:1,光譜輻射功率(光譜輻射通量)第二十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2,光譜輻射強(qiáng)度單位:W/Srm (瓦/球面度微米)3,光
10、譜輻射出射度單位:W/mm (瓦/米微米)第二十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月4,光譜輻射亮度 單位:W/mSrm (瓦/米球面度微米)5,光譜輻射照度單位:W/mm (瓦/米微米)第二十三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月二,光子輻射量 在紅外輻射的探測(cè)與測(cè)量時(shí),常用的探測(cè)器很重要的一類是光子探測(cè)器,它們對(duì)于入射輻射的響應(yīng)是和入射的光子數(shù)相關(guān)的。 光子輻射量是單位時(shí)間間隔內(nèi)傳輸、發(fā)送或接收的光子數(shù)。1,光子數(shù)是用頻率表示的單色輻射能.頻率為的光子數(shù):第二十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月光子數(shù):2,光子通量單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)墓庾訑?shù)。單位:1/S (
11、1/秒)頻率范圍內(nèi)的光子數(shù)為第二十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月3,光子輻射強(qiáng)度 光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射的光子通量,或單位時(shí)間向給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)。單位:1/sSr (1/秒球面度)4,光子輻射亮度 輻射源在給定方向上的輻射亮度,是源在該方向單位投影面積上、單位立體角內(nèi)發(fā)射的光子通量。單位:1/sSr (1/平方米秒球面度)第二十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月5,光子輻射出射度 光源單位面積向半球空間(2)內(nèi)發(fā)射的光子通量。單位:1/s (1/平方米秒)6,光子輻射照度受照物體單位面積接收到的光子通量單位:1/s (1/平方米秒)第
12、二十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.4,光度量 光度學(xué)考慮的是人的視覺對(duì)輻射的反應(yīng),光度量是輻射量對(duì)人眼視覺的刺激值。它是人對(duì)輻射的主觀感受,不同的人視覺特性會(huì)有差異,因此需要一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)人眼”。 光度量是具有“標(biāo)準(zhǔn)人眼”視覺響應(yīng)特性的人眼對(duì)所接收到的輻射量的度量(視覺刺激值)。 人眼對(duì)不同波長的光的光能視覺響應(yīng)(刺激值)是不同的。光譜光視效能是評(píng)定該刺激值的參數(shù)。第二十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月一,光視效能和光譜光視效能如果輻射通量e 使人眼產(chǎn)生光通量的刺激值,1,光視效能:( 單位:lm,流明)即人眼對(duì)輻射產(chǎn)生光感覺的效率。 人眼對(duì)不同波長的光的視覺
13、響應(yīng)是不同的,說明即使輻射通量e不變,光通量v也隨著波長不同而變化,K是個(gè)比例,但不是常數(shù),是隨波長變化的。2,光譜光視效能:在波長處的光譜光通量e 在波長處的光譜輻射通量第二十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)人眼, 的極大值位于 處。規(guī)定:當(dāng) 時(shí)3,光視效能和光譜光視效能的關(guān)系注意!第三十張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月二,光視效率和光譜光視效率 把光視效能最大值( , )作為基準(zhǔn)來衡量在其它波長處引起的視覺。1,光視效率 具體某個(gè)波長上的光視效率稱為光譜光視效率,也叫視覺函數(shù)2,光譜光視效率第三十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月視覺函數(shù)
14、3,光視效率和光譜光視效率的關(guān)系注意!圖2-8第三十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月4,明視覺和暗視覺視網(wǎng)膜有兩種感光細(xì)胞錐體細(xì)胞桿體細(xì)胞明視覺暗視覺視覺函數(shù)暗視覺極值位置:圖2-9第三十三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月5,光度量與輻射量之間的關(guān)系 某一光譜輻射量 引起的視覺刺激值光譜光度量為光度量:第三十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月三,光通量明視覺暗視覺對(duì)于線光譜:單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的光能量(功率)。單位:Lm (流明)第三十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月四,發(fā)光強(qiáng)度點(diǎn)光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。單位:c
15、d (坎德拉)五、光出射度擴(kuò)展源單位面積向2空間發(fā)出的全部光通量。單位:Lm/m2 (流明每平方米) 第三十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月六,光亮度 光源在給定方向上的光亮度L,是在該方向上的單位投影面積上向單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。單位: cd/m2 (坎德拉/平方米) 在給定方向上的光亮度也就是該方向上單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度。第三十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月七,光照度 被照物體表面上的單位面積接收到的光通量稱為光照度.單位:Lx (勒克斯)上述所有光度量都可以定義相應(yīng)的光譜光度量:第三十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月輻射場(chǎng)的基本物
16、理量總結(jié)照度 出射度 亮度 強(qiáng)度 通量 (功率)光度量 光子輻射量 光譜輻射量 輻射量 下角標(biāo)e : 單獨(dú)使用時(shí)不標(biāo)。e :光譜輻射量P 光子輻射量;P :光譜光子輻射量。V:光度量;V:光譜光度量。第三十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.5 朗伯余弦定律一、漫反射與理想漫反射體理想漫反射體:反射亮度在空間各方向上沒有 差別。 鏡面反射與漫反射二、朗伯余弦定律 理想漫反射體單位表面積向空間指定方向單位立體角內(nèi)發(fā)射(或反射)的輻射功率和該指定方向與表面法線夾角的余弦成正比。第四十張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月 描述這種反射的空間分布的特性公式為: B常數(shù) 輻(反
17、)射法線與觀察方向夾角A輻(反)射源面積 輻(反)射立體角朗伯面:凡遵守朗伯余弦定律的輻射表面。朗伯源(漫輻射源):遵從朗伯余弦定律的輻射源。圖2-10第四十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月 朗伯輻射源的輻射亮度與觀測(cè)方向無關(guān)。 朗伯余弦定律是理想情形。朗伯源是輻射源的一種理想模型。實(shí)際輻射源的輻射大多數(shù)在一定的范圍內(nèi)十分接近朗伯余弦定律。大多數(shù)絕緣材料:當(dāng) 時(shí),服從朗伯余弦定律;絕緣材料:當(dāng) 時(shí),基本適用朗伯余弦定律。三,朗伯輻射源的輻射亮度朗伯輻射源:第四十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月 朗伯輻射源的輻射亮度與觀測(cè)方向無關(guān)圖解觀測(cè)方向觀測(cè)方向圖2-11圖2
18、-12第四十三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月四,朗伯輻射源的特征法向亮度:方向亮度:對(duì)于面積 很小的小面朗伯源:朗伯源L是常數(shù):朗伯源各方向亮度相等:(朗伯余弦定律的原始形式)圖2-13第四十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月五,朗伯輻射源的L與M的關(guān)系L與M的普遍關(guān)系式:朗伯源各方向L=L為常數(shù)圖2-14第四十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月六,朗伯小面源的I、L、M的相互關(guān)系聯(lián)系單位立體角內(nèi)單位投影面積2半球空間 單位立體角內(nèi)描述輻射特點(diǎn)面源面源點(diǎn)源 、小面源源特點(diǎn)輻射亮度L輻射出射度 M輻射強(qiáng)度I第四十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于202
19、2年6月【例】1小面源的輻射功率輻射亮度為 的小面源 的輻射功率另:第四十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.6 輻射度量中的基本規(guī)律一、距離平方反比定律描述點(diǎn)輻射源(或小面源)產(chǎn)生的照度的規(guī)律。 點(diǎn)輻射源的輻射強(qiáng)度為 I ,求:點(diǎn)輻射源在點(diǎn)x處產(chǎn)生的照度輻射強(qiáng)度:輻射照度:圖2-15第四十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月如 (垂直照射),則如距離平方反比定律: 點(diǎn)輻射源在距離l處所產(chǎn)生的照度,與輻射源的輻射強(qiáng)度I成正比,與距離的平方成反比。照度的余弦法則第四十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月二,立體角投影定理 點(diǎn)輻射源產(chǎn)生的照度由距離平方反比定
20、律決定:而小面源也可以有輻射強(qiáng)度. 小面源的輻射強(qiáng)度等于該面源的輻射亮度乘以小面源在該方向上的投影面積:圖2-15第五十張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月立體角投影定理:小面源在x處所產(chǎn)生的輻射照度,等于源的輻射亮度與源對(duì)x所張開的立體角以及被照面法線和照射方向的夾角的余弦三者的乘積。圖2-16第五十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月立體角投影定理圖解圖2-17圖2-18第五十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月 在相同的輻照方向上,相同的立體角產(chǎn)生相同的輻射照度,和 的形狀無關(guān).圖2-19第五十三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月三,Sump
21、ner定理Sumpner定理:球形腔內(nèi),內(nèi)壁上某一面積元輻射的能量均勻地照射在整個(gè)球形腔內(nèi)壁上。 腔內(nèi)壁面積元 從另一面積元 接收的輻射功率與 在球面上的位置無關(guān)。 從 接收的輻射功率:圖2-20第五十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月和 的位置無關(guān).對(duì)朗伯面腔壁面積在腔壁上產(chǎn)生的輻射照度: 球形腔內(nèi),內(nèi)壁上某一面積元輻射的能量均勻地照射在整個(gè)球形腔內(nèi)壁上。圖2-21第五十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月四,互易定理和 是兩個(gè)均勻朗伯輻射面從 接收到的輻射功率為圖2-22圖2-23第五十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月從 接收到的輻射功率為對(duì) 和
22、對(duì) 和 互易定理:兩朗伯輻射面之間傳遞的輻射功率之比等于兩輻射面的輻射亮度之比。第五十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月五,角系數(shù)的基本概念1,微面源的角系數(shù)根據(jù)前面的討論:第五十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月對(duì)于朗伯源:微面源 發(fā)出的總功率微面源 發(fā)出的總功率第五十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月定義角系數(shù):從一個(gè)微面源發(fā)出,被另一微面源接收的輻射功率與該微面源發(fā)射的總輻射功率的比值。微面源1對(duì)2的角系數(shù):微面源2對(duì)1的角系數(shù):微面源對(duì)微面源的角系數(shù)互換性關(guān)系式第六十張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2,有限朗伯面的角系數(shù)對(duì)于有限朗
23、伯輻射面 和微面源:第六十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月有限朗伯輻射面的角系數(shù)互換性關(guān)系式:3,相同的立體角有相同的角系數(shù)第六十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月例:平行圓盤間的角系數(shù)的亮度為 ,求 上的輻射照度(很?。┑诹龔垼琍PT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月1對(duì)2的角系數(shù):第六十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2 對(duì)1的角系數(shù): 接收 的輻射功率:(很小) 上的輻射照度:第六十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.7、輻射量計(jì)算舉例1、 圓盤的輻射強(qiáng)度和輻射功率設(shè)圓盤的輻射亮度為L,面積為A,如圖所示。圓盤在與其法線
24、成角的方向上的輻射強(qiáng)度為:式中I0=LA,為圓盤在其法線方向上的輻射強(qiáng)度。 圓盤向半球空間發(fā)射的輻射功率為P,按輻射亮度的定義有第六十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)輻射強(qiáng)度的定義:朗伯源的輻射規(guī)律M =L,同樣可得:第六十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月二、球面的輻射功率和輻射強(qiáng)度設(shè)球面的輻射亮度為L,球半徑為R,球面積為A,球面上的小面元:小面元在 的方向上的輻射強(qiáng)度:整個(gè)球面在 方向上的輻射強(qiáng)度:第六十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月球面在各方向上的輻射強(qiáng)度相等:球面向整個(gè)空間發(fā)射的輻射功率為:第六十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2
25、022年6月三、半球面的輻射功率和輻射強(qiáng)度半球球面在各方向上的輻射強(qiáng)度是不同的。第七十張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月四、點(diǎn)源產(chǎn)生的輻射照度就是距離平方反比定律:半球球面向整個(gè)空間發(fā)射的輻射功率:第七十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月例 圓盤的半徑為 R,在圓盤的中心法線上,距離為 的地方有一輻射強(qiáng)度為 I 的點(diǎn)源,試計(jì)算圓盤截取的輻射功率。 第七十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月第七十三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月五、小面源產(chǎn)生的輻射照度小面源產(chǎn)生的輻射照度可以參照點(diǎn)源:小面源的輻射強(qiáng)度:輻射照度:也可以根據(jù)立體角投影定理:第七
26、十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月六、大面積朗伯源產(chǎn)生的輻射照度相當(dāng)于圓盤對(duì)圓盤:探測(cè)器半視場(chǎng)角: 探測(cè)器面積:視場(chǎng)范圍(輻射源面積):第七十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月輻射源 輻射的總功率:輻射源 輻射并被探測(cè)器 接收的功率:大面積朗伯源在探測(cè)器表面產(chǎn)生的輻射照度:第七十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月擴(kuò)展源當(dāng)作小面源的誤差小面源產(chǎn)生的輻射照度:大面積朗伯源產(chǎn)生的輻射照度:當(dāng) 時(shí)第七十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月七、線狀源產(chǎn)生的輻射照度1,線狀源垂直方向的輻射強(qiáng)度線狀源:圓柱型輻射源的直徑遠(yuǎn)小于其長度,且輻 射亮度均勻、
27、各方向相同。線狀源的長度為 ,半徑為 ,輻射亮度為第七十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2,線狀源任意方向的輻射強(qiáng)度線狀源單位長度法向輻射強(qiáng)度:在法向的輻射強(qiáng)度:或者:某一方向 :第七十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月3,線狀源的輻射功率線狀源表面積:4,線狀源的輻射照度在 P 點(diǎn)產(chǎn)生的照度其中第八十張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月在 P 點(diǎn)總的照度第八十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月當(dāng) 時(shí)當(dāng) 時(shí)可以看成點(diǎn)源當(dāng) 時(shí)第八十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月八、簡單幾何形狀輻射源的輻射特性半球面的輻射強(qiáng)度:半球球面向整個(gè)
28、空間發(fā)射的輻射功率:有球面頂(底)圓柱的輻射特性第八十三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月圓柱面的輻射強(qiáng)度:圓柱面的輻射功率:有球面頂(底)圓柱的輻射強(qiáng)度:有球面頂(底)圓柱的輻射功率:第八十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.8、輻射傳輸中的相關(guān)定律一、總功率定律介質(zhì)投射到介質(zhì)的輻射功率:介質(zhì)表面反射的輻射功率:介質(zhì)吸收的輻射功率:從介質(zhì)透射的輻射功率:1,總功率定律第八十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月反射率(比): 吸收率(比): 透射率(比):比輻射量: 和材料的性質(zhì)、溫度、入射波長有關(guān)。2,比輻射量第八十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2
29、022年6月3,光譜比輻射量如果入射的是單色輻射,波長在 間隔內(nèi)光譜透射率:光譜反射率:光譜吸收率:第八十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月4,比輻射量和光譜比輻射量的關(guān)系如果入射的是全輻射,波長在 范圍內(nèi)全反射率(比):全吸收率(比):全透射率(比):第八十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月如果是光譜帶輻射,波長在 范圍內(nèi)光譜帶輻射功率反射的輻射功率光譜帶反射率第八十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月二、朗伯定律和朗伯比耳定律1,吸收定律輻射在介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)產(chǎn)生衰減的主要原因: 吸收和散射吸收定律假設(shè)介質(zhì)對(duì)輻射只有吸收作用,實(shí)驗(yàn)證明:介質(zhì)吸收系數(shù)第九十
30、張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月介質(zhì)吸收系數(shù)吸收率兩個(gè)概念2,內(nèi)透射率如果入射的是單色輻射,可以定義光譜吸收系數(shù): 內(nèi)透射率表征在介質(zhì)內(nèi)傳播一段距離以后,透射的輻射功率占原輻射功率的百分?jǐn)?shù)。第九十一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月輻射通過兩個(gè)表面的介質(zhì)的透射情形介質(zhì)的總透射率:第九十二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月3,散射定律假設(shè)介質(zhì)對(duì)輻射只有散射作用,實(shí)驗(yàn)證明:散射定律:散射系數(shù)內(nèi)透射率(只考慮散射)第九十三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月4,朗伯定律只有吸收時(shí)的內(nèi)透射率:只有散射時(shí)的內(nèi)透射率: 介質(zhì)同時(shí)具有吸收和散射,假設(shè)吸收和散射
31、彼此無關(guān),介質(zhì)總的內(nèi)透射率:介質(zhì)的消光系數(shù)朗伯定律第九十四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月5,比耳定律 吸收和散射實(shí)際上是由一個(gè)個(gè)吸收單元或散射單元實(shí)現(xiàn)的。 假設(shè)每個(gè)單元的吸收不依賴于吸收元的濃度。則吸收系數(shù)就正比于單位程長上所遇到的吸收元的數(shù)目,吸收單元的濃度單位濃度的吸收系數(shù)比耳定律 假設(shè)每個(gè)單元的散射不依賴于散射元的濃度。則散射系數(shù)就正比于單位程長上所遇到的散射元的數(shù)目,散射單元的濃度單位濃度的散射系數(shù)比耳定律第九十五張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月6,朗伯比耳定律朗伯定律朗伯比耳定律 在介質(zhì)內(nèi)運(yùn)行一定距離后,透射的輻射功率將隨介質(zhì)內(nèi)的吸收元和散射元的濃度的增
32、加而以指數(shù)規(guī)律衰減。 朗伯比耳定律的重要應(yīng)用之一是用紅外吸收法做混合氣體組分的定量分析。第九十六張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月三、阿貝定律1,輻射亮度定理輻射在均勻無損耗介質(zhì)中傳播時(shí)輻射亮度不變。第九十七張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月 從 接收的輻射功率 將以 的立體角繼續(xù)向前傳播,那么 的輻射亮度:結(jié)論:輻射在均勻無損耗介質(zhì)中傳播時(shí)輻射亮度不變。第九十八張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2,阿貝定律(推廣的輻射亮度定理) 阿貝定律討論的是輻射無損耗地通過兩種介質(zhì)的交界面時(shí)輻射亮度的變化。定義輻射束的基本亮度:介質(zhì)的折射率輻射亮度為 的輻射束入射到
33、上,接收到的輻射功率為:再以 的立體角繼續(xù)在 的介質(zhì)里傳播。第九十九張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月折射后的輻射亮度:第一百張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月阿貝定律:輻射束在通過任意無損耗光學(xué)系統(tǒng)時(shí), 輻射束的基本亮度不變。根據(jù)折射定律:第一百零一張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月如果考慮界面有反射折射后的輻射功率:折射后的輻射亮度:第一百零二張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月2.9、光學(xué)系統(tǒng)中的輻射量計(jì)算一,像的輻射亮度和輻射強(qiáng)度1、反射系統(tǒng)的輻射亮度 從反射光方向回觀像的輻射亮度,其實(shí)是凸面鏡上反射點(diǎn) x 處的輻射亮度。光源 C 的輻射亮度 L 經(jīng)凸面鏡成像于凸面鏡的反射率為第一百零三張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月在凸面鏡 x 處取面積元 dA光源 C 在 dA 上產(chǎn)生的輻射照度:光源 C 入射在 dA 上的輻射功率:反射光束的功率:反射光束處于立體角 內(nèi),根據(jù)反射定律:dA 在 方向的輻射亮度:第一百零四張,PPT共一百一十七頁,創(chuàng)作于2022年6月 光源像的輻射亮度就是鏡面反射點(diǎn)的輻射亮度;結(jié)論: 光源像的輻射亮度
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