应用光学-辐射度学和光度学基础.ppt

超精密光电仪器工程研究所 第六章 辐射度学和光度学基础 辐射度学 通过电磁光谱来进行辐射能的测量。 辐射度学主要研究频率为3×1011～ 3×1016Hz的光辐射，对应于0.01~1000μm的波长。 波段范围包括红外、可见光、紫外线。 光度学 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为380～780nm纳米。 波长450nm对应于蓝色，540nm对应于绿色，659nm对应于红色。 立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2π角度覆盖整个单位圆。 在三维空间， 4π的球面度立体角覆盖整个单位球面。 第二节 辐射度学中的基本量 用辐射通量的光谱密集度Φeλ来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性。 第三节 人眼的视见函数 可见光：辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域。这个区域从400纳米到760纳米。 人眼观察辐射体时，其视觉强弱与辐射波长和辐射强度（某一方向）有关。 在可见光中不同波长的光所引起的视觉效应的灵敏度是不相同的。 在光度学中，为了表示这种差别，定义V (λ)为“视见函数”（光谱光视效率）。 视见函数 把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准，其它色光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得出各种色光的相对视觉灵敏度，称为视见函数，用V(λ)表示。 把人眼最灵敏波长（λ=555nm）的视见函数规定为1，即V(555)=1 V(λ)≤1 不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别。 第四节 光度学中的基本量 1cd（坎德拉）代表发光体发出的电磁波频率为540X1012Hz的单色辐射（波长为555nm），且在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr。 前面所讲的概念并不能表示发光面不同方向的发光特性。 用光亮度来表示发光表面不同位置和不同方向的发光特性。 在该方向上单位投影面积的发光强度。 第五节 光照度公式和发光强度的余弦定律 一、光照度公式 二、发光强度余弦定律 当发光体在各方向的光亮度相同时，不同方向上的发光强度变化规律如何？ 设发光体在各方向上的光亮度一致 则有 此式为发光强度余弦定律，又称“朗伯定律” 符合余弦定律的发光体被称为“余弦辐射体”或“朗伯辐射体” 在一个余弦辐射体上任意一点O向四周发出光时，但在各个方向上的发光强度是不等的。 对于余弦辐射体，在法线方向的发光强度最大，其它方向上的发光强度是按余弦规律变小。 如图所示，在辐射体的表面上O点的法线上取一线段OA，使OA比例于I0，以OA为直径作一球体切于辐射体。过O点作一射线，使该射线与法线之间的夹角为θ，射线与球面相交于B点，则OB的长度就比例于该方向的发光强度。 I0 I? ? O A B * 发光体实际上为一个电磁波辐射源； 研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为“辐射度学” 波长为400~760nm范围内的电磁波称为“可见光” 描述电磁辐射的物理量，称为辐射量 研究可见光的测试、计量和计算的学科称为“光度学” 也可用视觉受到刺激的程度，即视觉感受来度量可见光。 另一方面，可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人感受的电磁波。 按照视觉响应原则建立的表征可见光的量称为光学量。 将可见光作为纯物理现象来研究时，应采用辐射量值系统。 研究与人的视觉有关的问题时，采用光学量值系统。 把整个空间以某一点为中心，划分成若干立体角。 立体角的定义：一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角，用Ω表示。 第一节 立体角的意义和它在光度学中的应用 Ω 如图所示，以锥体顶点为球心，任意r为半径作一球面，此锥体在球面上的截面为S，则立体角表示为 立体角单位：以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，若锥面在园球上所截出的面积等于r2，则该立体角为一个“球面度”（sr）。 整个球面的面积为4πr2, 对于整个空间有 即整个空间等于4 π球面度。 （1）辐射能 Qe 光辐射是一种能量的传播形式。 度量辐射能的单位：焦耳（J） 单位时间内发射、传输或接收的辐射能。 度量辐通量的单位：瓦（W） （2）辐射通量 Φe Φeλ Δλ λ 辐射体总辐射通量即辐射体的总辐射功率为 点辐射源向各方向发出辐射，在某一个方向，在一个圆锥立体角dΩ内发出的辐射通量。即单位时间、单位球面度上发出的能量。 辐射强度的单位：W/sr （3）辐射强度 Ie 表示了辐射体在不同方向上的辐射特性。 dΦe dΩ 辐射源单位发射面积发出的辐射通量，也就是辐射源单位时间内单位面积发出的能量。 辐出射度的单位：W/m2 （4）辐出射度 Me 表示了辐射体在不同位置上的辐射特性 A dΦe dS 单位受照面积上接收的辐射通量，也就是单位时间内单位面积接收的辐射能量。 与辐出度相同，一个是发出，一个是接受。 （5）辐照度 Ee 辐照度的单位：W/m2