輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ)課件

14三月2024輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ)光電探測：本質(zhì)上說，就是要定量地測量光輻射的強度。首先要解決光輻射的描述問題紅外紫外可見光10156182191210101010101010324f/HzX射線Γ射線近紅外遠紅外電磁波輻射度學(xué)與光度學(xué)可見光紅外紫外可見光照明顯示與人的眼睛有關(guān)！在光探測中，定量地描述輻射能強度的量有兩類：一類是物理的——輻射度學(xué)量，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；另一類是生理的——光度學(xué)量，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度．即光度量是具有標準人眼視覺特性的人眼所接收到輻射量的度量。因此，輻射度量和光度量兩者在研究方法和概念上非常類似，它們的基本物理量也是一一對應(yīng)的。

立體角的概念在光輻射測量中，經(jīng)常用到一個涉及到空間的幾何量——立體角。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，在進行有關(guān)光輻射的討論和計算時，也將是一個立體空間問題。與平面角度相似，我們可把整個空間以某一點為中心劃分成若干立體角。定義:一個任意形狀椎面所包含的空間稱為立體角。符號：Ω或ω單位：Sr（球面度）如圖所示，△A是半徑為R的球面的一部分，其邊緣各點對球心O連線所包圍的那部分空間，叫立體角。立體角的數(shù)值：部分球面面積△A與球半徑平方之比，即:RΔAO單位立體角：在以O(shè)為球心、R為半徑的球上，若立體角Ω截出的球面部分的面積為R2，則此球面部分所對應(yīng)的立體角稱為單位立體角，或一球面度。對于一個給定頂點O和一個隨意方向的微小面積dS，它們對應(yīng)的立體角為

θ為dS與投影面積dA的夾角，R為O到dS中心的距離。RdSdAo特例：整個球面所對應(yīng)的立體角：全球所對應(yīng)的立體角(全球所對應(yīng)的立體角是整個空間，又稱為4π空間.)同理，半球所對應(yīng)的立體角為2π空間。一、輻射度學(xué)的基本物理量

1．輻射能Q

輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J(焦耳)。當(dāng)輻射能被物質(zhì)吸收時，可以轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，如熱能、電能等。2．輻射通量Φ——功率的概念

輻射通量又稱輻射功率P，是輻射能的時間變化率．單位為W(瓦)，是單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能，

(J／s，焦耳每秒)

3．輻射強度I

點輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量.單位：W／sr(瓦每球面度)

I=dΦdω在所有方向上輻射強度I都相同的點輻射源（均勻輻射源）在有限立體角ω內(nèi)發(fā)射的輻射通量為:

Φ=Iω在空間所有方向(ω＝4π)上發(fā)射的輻射通量為：Φ=4πIxyz總的輻射功率4．輻射出射度M——輻出度輻射出射度為擴展輻射源單位面積所輻射的通量，即：M=單位為W／㎡(瓦每平方米)

dΦ是擴展源表面dS在各方向上，通常為半空間即2π立體角所發(fā)出的總的輻射通量，

dsdΦdS輻照度E和輻出度M的比較：相同：單位相同，區(qū)別：輻照度E是描述輻射接收面（探測器）所接收的輻射特性．輻出度M則為描述擴展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。

5．輻射照度E——輻照度輻射照度為投射在單位面積上的輻射通量，即：E＝單位：W／m2(瓦每平方米)

dA是投射輻射通量dΦ的元面積dΦdA6．輻射亮度L輻射亮度定義為擴展源表面一點處的面元在給定方向上單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量：

擴展輻射源7．光譜輻射量輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長的單色輻射所組成。為了研究各種波長的輻射通量，需要對某一波長的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射量是輻射量隨波長的變化率。光譜輻射量也叫輻射量的光譜密度。光譜輻射通量Ф（λ）輻射源發(fā)出的光在波長λ處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。輻射通量與波長的關(guān)系如圖。其關(guān)系式為：單位：W／μm(瓦每微米)，或W／nm(瓦每納米)。輻射源的總輻射通量：前面介紹的幾個重要的輻射量，都有與光譜輻射量相對應(yīng)的關(guān)系：光譜輻照度：光譜輻射出射度：光譜輻射亮度：二、光度學(xué)的基本物理量1．光譜光視效率

現(xiàn)象：人的視神經(jīng)對各種不同波長光的感光靈敏度是不一樣的。對綠光最靈敏，對紅、藍光靈敏度較低。由于受視覺生理和心理作用，不同的人對各種波長光的感光靈敏度也有差異。

國際照明委員會（CIE）根據(jù)對不同的人的大量觀察結(jié)果，確定了人眼對各種波長光的平均相對靈敏度，稱之為“標準光度觀察者”光譜光視效率，或稱之為視見函數(shù)。人眼的光譜光視效率的數(shù)值波長（nm）波長（nm）明視覺明視覺暗視覺暗視覺暗視覺光譜光視效率虛線：亮度小于0.001cd/㎡時的暗視覺光譜光視效率，用Vˊ(λ)表示，此時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的桿狀細胞刺激所引起的；最大值：507nmVˊ(λ)V(λ)明視覺光譜光視效率實線：亮度大于3cd/m2時的明視覺光譜光視效率，用V(λ)表示，此時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的錐體細胞的刺激所引起的，最大值在555nm處。2．光度學(xué)的基本物理量在輻射度量學(xué)中介紹的各個基本量Φ、M、I、L和E對整個電磁波譜都適用；而在光度學(xué)中光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的，只是光度量只在光譜的可見波段(380nm—780nm)才有意義。為避免混淆，在光度量符號上加下標“

v”。光度學(xué)中相應(yīng)量：ΦV、MV、IV、LV和EV與輻射度量：Φ、M、I、L和E之間的對應(yīng)關(guān)系由表給出。輻射度量符號單位光度量符號單位輻射能

QJ(焦)光量

QVlm·s輻射通量ΦW（瓦）光通量ΦVlm（流明）輻照度EW·m－2光照度EVlx=lm/m2輻出度MW·m－2光出射度MV

lm/m2

輻射強度IW·sr-1發(fā)光強度IVcd=lm/sr（坎德拉）輻射亮度LW·sr-1·m－2光亮度LV

lm/(m2.sr)輻射度量和光度量的對照表由于人眼對相同能量、不同波長的可見光輻射能所產(chǎn)生的光感覺是不同的，因而按人眼的視覺特性V(λ)來評價的輻射通量Φ即為光通量ΦV，這兩者的關(guān)系為：式中，Km為最大光譜光視效率，亦稱為光功當(dāng)量例如：光通量ΦV的定義Km表示人眼對波長為555nm[V(555)=1]光輻射產(chǎn)生光感覺的效能。按國際實用溫標IPTS—68的理論計算值為

Km＝683(lm/W)Km確定之后，即可對光度量和輻射度量之間進行準確的換算。由此可進一步探討輻射度和光度基準的統(tǒng)一。同理，其它光度量與輻射量之間的關(guān)系：光度量中的單位1.最基本的是發(fā)光強度單位：坎德拉(Candela)．cd；國際單位制中七個基本單位之一。定義：頻率為540×1012Hz(對應(yīng)在空氣中555nm波長)的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1／683W/sr時，在該方向上的發(fā)光強度為1cd。2.光通量的單位是流明(lm)1lm它是發(fā)光強度為1cd的點光源在單位立體角內(nèi)1sr發(fā)出的光通量。3.光照度的單位：勒克斯(lx)1lx它相當(dāng)于1lm的光通量均勻地照在1㎡面積上所產(chǎn)生的光照度。

4.光亮度的單位：lm/(m2.sr)cd/m2常用：熙提(sb)．Sb=lm/(cm2.sr)常見光源亮度：晴天：10000cd/m2晴天日落后：1cd/m2

蠟燭火焰：約0.5sb鎢絲燈泡：約500sb

典型照度：辦公室工作：20－100lx滿月的地面：0.2lx晴朗夏日采光良好的室內(nèi)：100－500lx左邊是光通量，其單位是流明(lm)：右邊的()d是光譜輻射通量，單位