輻射度量與光度量課件

關(guān)于輻射度量與光度量第1頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)輻射度量與光度量一、光的本質(zhì)二、光輻射度量三、光譜輻射度量四、光度量第2頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三一、光的本質(zhì)光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光子流。歷史上的重要人物惠更斯（1629-1695）、牛頓（1643-1727）托馬斯·楊（1773-1829）、費涅耳（1778-1827）麥克斯韋（1831-1879）普朗克（1858-1947）愛因斯坦（1879-1955）、波爾（1885-1962）第3頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三一張凝結(jié)了20世紀(jì)全人類三分之一智慧的照片

第4頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三牛頓-微粒說光是直線傳播的微粒流。17世紀(jì)--兩種對立的學(xué)說。三：發(fā)現(xiàn)了“牛頓環(huán)”“微粒說：微粒從光源飛出，質(zhì)量極小，忽略重力作用，在真空或均勻媒質(zhì)中做慣性運動，并且走的是最快速的直線運動路徑。二：公元1668年，他制成了第一架反射望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)三大貢獻(xiàn):一：發(fā)現(xiàn)了白光是由各種不同顏色的光組成的第5頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三惠更斯：波動說,光是在以太中傳播的波動。

波動學(xué)說，打破了當(dāng)時流行的光的微粒學(xué)說，提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理。

惠更斯設(shè)想傳播光的以太粒子非常之硬，有極好的彈性，光的傳播就像振動沿著一排互相銜接的鋼球傳遞一樣，當(dāng)?shù)谝粋€球受到碰撞，碰撞運動就會以極快的速度傳到最后一個球。

提出光是發(fā)光體中微小粒子的振動在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過程。光的傳播方式與聲音類似，不是微粒說所設(shè)想的像子彈或箭那樣的運動。第6頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

微粒說在解釋光線從空氣進(jìn)入水中的折射現(xiàn)象時，需要假設(shè)；C水>C空氣

這兩種學(xué)說都可以解釋一定的光學(xué)現(xiàn)象（光的反射和折射）。

而波動說需要假設(shè)

C水<C空氣

當(dāng)時，人們還不能準(zhǔn)確地用實驗方法測定光速，因而無法根據(jù)折射現(xiàn)象去判斷它們的優(yōu)劣。第7頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

19世紀(jì)，光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，

與微粒說格格不入，增透膜薄膜干涉鏡面檢測圓屏衍射圓孔衍射鋼針的衍射光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光確實是一種波第8頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三惠更斯的波動說發(fā)展了波動理論。但是由于他把光看成像聲波一類的縱波，因此不能解釋偏振現(xiàn)象、干涉和衍射現(xiàn)象。

麥克斯韋電磁理論的發(fā)展確認(rèn)光是一種電磁波，不是惠更斯的機(jī)械波。19世紀(jì)中葉，光的波動說已經(jīng)得到了公認(rèn)，但是光波的本質(zhì)到底是什么，是像水波？還是像聲波呢？第9頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

熱輻射是十九世紀(jì)發(fā)展起來的一個物理學(xué)新領(lǐng)域，它的研究得到了熱力學(xué)和光譜學(xué)的支持。十九世紀(jì)末，物理學(xué)正是從這個領(lǐng)域打開了一個缺口，導(dǎo)致了量子論的誕生。

在熱輻射的研究中，熱輻射的輻射能量，特別是這一輻射的能量隨波長分布的特性，往往是物理學(xué)家研究的重點。第10頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

19世紀(jì)末，人們用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻射實驗的時候，出現(xiàn)了所謂的“紫外災(zāi)難”。瑞利、金斯和維恩分別提出了兩個公式，但是和實驗相比，瑞利—金斯公式只在低頻范圍符合，而維恩公式只在高頻范圍符合。1900年，普朗克使用插值法將兩個公式合二為一提出了普朗克公式。為了與實驗相符，必須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數(shù)值E=hν

。普朗克當(dāng)時把它叫做基本作用量子，h普朗克常數(shù)。1918年諾貝爾物理學(xué)獎授予普朗克，以承認(rèn)由于他發(fā)現(xiàn)能量子對物理學(xué)的進(jìn)展所作的貢獻(xiàn)。第11頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三愛因斯坦康普頓光電效應(yīng)以及康普頓效應(yīng)等無可辯駁的證實了光是一種粒子．第12頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

光不僅在發(fā)射中，而且在傳播過程中以及在與物質(zhì)的相互作用中，都可以看成能量子。愛因斯坦稱之為光量子，也就是后來所謂的光子(photon)。

光子是人類繼電子后認(rèn)識到的第二個基本粒子，不帶電，呈中性。因為電磁場是一種恒以光速c運動的物質(zhì)，它的靜止質(zhì)量為零。第13頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

實物具有微粒結(jié)構(gòu)，電磁場也具有微粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電磁場的基本粒子就是光子。

電磁場可以被看做是波動性和粒子性矛盾的統(tǒng)一體。它是一系列的波，同時又是光子的集合。

體現(xiàn)其粒子性的能量和動量，與體現(xiàn)其波動性的頻率和波長不可分割地聯(lián)系在一起。結(jié)論：

愛因斯坦的光子論非牛頓微粒說的復(fù)舊，而是人類對于光和電磁場這類物質(zhì)認(rèn)識上的一個飛躍。第14頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

在反射、折射、干涉、衍射、色散等現(xiàn)象中，波動性往往成為主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像波。

在黑體輻射、光致發(fā)光、光電效應(yīng)，以及其他一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象中，粒子性往往成為主要矛盾方面，光便表現(xiàn)出像粒子。不同條件下主要矛盾方面會發(fā)生轉(zhuǎn)化第15頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

人類關(guān)于波粒二象性的認(rèn)識并沒有停留于此，1924年愛因斯坦提出光子概念后不到20年，年輕的法國物理學(xué)家德布羅意提出了“物質(zhì)波”概念。論證了微觀粒子也具有波動性。正是人們認(rèn)識到了微觀粒子所具有的波粒二象性的特征，才建立起了描述其運動狀態(tài)變化規(guī)律的量子力學(xué)理論。他的觀點得到電子衍射等實驗的證實。他認(rèn)為不僅光具有波粒二象性，所有的實物粒子，都具有波粒二象性。第16頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三波動理論：光是頻率為ν的電磁波；

量子理論：一定頻率的光對應(yīng)一定能量的光子；

光的波、粒二重性,統(tǒng)一起來。E=hν之間的關(guān)系；第17頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三完全徹底的認(rèn)識了?

γ射線的光子可以變成兩個帶相反電荷的電子和陽電子，表明光子與電子之間存在著某種聯(lián)系?否定

光子是否像原子和分子那樣，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)?

對光的本質(zhì)的認(rèn)識，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完結(jié)。從涌現(xiàn)出來的新現(xiàn)象和規(guī)律的研究中，逐步深化對光的本質(zhì)的認(rèn)識。

光子是否真的沒有靜質(zhì)量?

第18頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

可以認(rèn)為，光電系統(tǒng)是工作于電磁波波譜圖上最后一個波段—光頻段的電子系統(tǒng)。

第19頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三二、光輻射度量

任何固體或液體在高于0K以上任何溫度下都向外輻射電磁波,這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而產(chǎn)生的輻射稱為熱輻射。

1400K800K1000K1200K

將一塊鐵加熱物體的顏色從暗淡的，后來漸漸變成暗紅到發(fā)黃再到亮得耀眼。第20頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三光輻射度量的對象光電檢測技術(shù)的任務(wù)是將光輻射轉(zhuǎn)換成為電能，從而獲得光輻射特征信息，為此需要了解輻射特征的定義。輻射能量特征的研究即為輻射度量學(xué)Radiometry。第21頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

1869年，基爾霍夫從理論上提出了關(guān)于輻射傳播過程的重要定律：在同樣的溫度下，任何物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。即基爾霍夫輻射定律式中：Mb（λ，T）為黑體的單色輻射出射度。第22頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

這一定律指出了物體的輻射出射度和吸收比之間的內(nèi)在聯(lián)系，表明：（1）一個好的吸收體也是一個好的輻射體；（2）任何物體的輻射出射度都小于同溫度、同波長的黑體的輻射出射度；（3）黑體的輻射出射度擺脫了對具體物體的依賴關(guān)系，顯然是最簡單的，也更便于研究。

這樣，只要知道黑體的輻射出射度，便能了解一般物體的輻射性質(zhì)。因此，黑體輻射理論的探索，是熱輻射領(lǐng)域的中心問題。第23頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三輻射度學(xué)物理量

1.輻射能以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪芰?。輻射能一般用符號Q表示，其單位是焦耳(J)。

2.輻射通量輻射通量P又稱為輻射功率，定義為單位時間內(nèi)流過某一定面積的輻射能，即輻射通量的單位是瓦特(W)或焦耳/秒(J/s)輻射度量以下標(biāo)e表示第24頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三3.輻射出射度輻射出射度M是用來反映面輻射源物體輻射能力的物理量。定義為輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量，即單位是W/m2。dSθrdP.dA

源面積發(fā)射不一定均勻，面上各點附近單位面積發(fā)射的功率也不一樣，故M通常是源上位置的函數(shù)。第25頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三4.輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度I定義為：點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，用I表示，即輻射強(qiáng)度的單位是瓦特/球面度(W/sr)第26頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三如果一個置于各向同性、均勻介質(zhì)中的點輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是P，則該點輻射體在各個方向的輻射強(qiáng)度I是常量，有

由輻射通量和輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系式我們知道，一個輻射強(qiáng)度為1W/sr的點光源，總輻射通量等于4πW。

第27頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三5.輻射亮度輻射亮度L定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射強(qiáng)度，如圖所示。式中θ是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。輻射亮度的單位是瓦特/球面度·米2(W/sr·m2)。θdP

由輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度，與輻射體表面所發(fā)射通量的空間分布有關(guān)。第28頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三余弦輻射體（朗伯體\均勻漫反射體）：輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上的分布滿足：I0是輻射體面元dS沿其法線方向的輻射強(qiáng)度。余弦輻射體的輻射亮度為可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角θ無關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為第29頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三6.輻射照度為了評定輻射體對裝置的作用，在輻射接收面上的輻射照度E定義為照射在面元上的輻射通量dP與該面元的面積dA之比。即

單位是W/m2。第30頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三照度與距離平方反比定理

設(shè)點源的輻射強(qiáng)度為I，它與被照面上x點處面積元dA的距離為R，dA的法線與I的夾角為，則投射到dA上的輻射功率為:所以，點光源在被照面上點處的輻射照度為：

第31頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三基本輻射度量的名稱、符號和定義方程第32頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三光譜輻射度量給定波長λo處極小波長間隔dλ內(nèi)的輻射通量dΦe(λ)稱為單色輻射通量。Φλ(λ)=dΦe(λ)/dλ，Φλ(λ)稱為光譜輻射通量?？傒椛渫浚嚎梢杂妙l率表示光譜分布?？梢灶愅破溆嗟墓庾V輻射度量。第33頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三光譜光輻射的名稱、符號及單位第34頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三四、光度量由于人眼的視覺細(xì)胞對不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，對綠光最靈敏，對紅光靈敏度最低，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反映人的亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位。在光頻區(qū)域光度學(xué)物理量Q，P，I，M，L，E相對應(yīng)的Qv，Pv，Iv，Mv，Lv，Ev來表示，其定義完全一一對應(yīng)，其關(guān)系如表2所示。第35頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三表2常用輻度量和光度量之間的對應(yīng)關(guān)系第36頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三光度量的單位是國際計量委員會(CIPM)規(guī)定的。在光度單位體系中，被選作基本單位的不是相應(yīng)的光量或光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其單位是坎德拉?？驳吕粌H是光度體系的基本單位，而且也是國際單位制(SI)的七個基本單位之一。它的定義是“一個光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，若在一給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683(W/sr)，則該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd”。第37頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

人眼對不同波長的單色光，產(chǎn)生相同的視覺響應(yīng)，要有不同的輻射功率。在引起相同的視覺響應(yīng)條件下，若在λ附近所需要的光譜輻射功率為dPλ，而對λ=555nm所需要的光譜輻射功率為dP555，則定義

Vλ=dP555/dPλ

光譜光視效率第38頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

人眼對波長為555nm的光的視見函數(shù)為1，其它波長的視見函數(shù)值都小于1，不可見區(qū)的視見函數(shù)值都等于零。第39頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三

白晝視覺指人眼在明亮環(huán)境(＞3坎德拉／米2的亮度)中，對不同波長可見光的視覺。白晝視覺和黃昏視覺

黃昏視覺指人眼在黑暗環(huán)境(＜3×10—5坎德拉／米2的亮度中，對不同波長可見光的視覺。第40頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三黃昏視覺Vλ-λ曲線的最大值相對白晝視覺向短波長方向移動了50nm。黃昏視覺白晝視覺所有光度計量均以明視覺的V(λ)為基礎(chǔ)。

第41頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三光度量的最基本單位

光通量Φv：光通量對人眼所引起的視覺強(qiáng)度值。光譜光視效能Kλ定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比值，即單位是