第四节辐射度学与光度学.ppt

第四节 辐射度学与光度学 光是一种以速度V传播的电磁波，所具有的能量也沿传播方向向外传播。为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度学和光度学两套不同的体系。 辐射度学 通过电磁光谱来处理辐射能的测量。辐射通量是基本量。 辐射度学适用于整个电磁波段，但主要研究频率为3×1011～ 3×1016Hz的光辐射，对应于0.01~1000μm微米的波长。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。是一套反映视觉亮暗特性的光辐射。发光强度是其基本单位。 波长450nm对应于蓝色，540nm对应于绿色，659nm对应于红色。 色度学不处理颜色的感知本身，而是研究各种波长的感知强度。例如，绿光比红光和篮光亮。 定义:一个任意形状椎面所包含的空间称为立体角。符号：Ω 单位：Sr （球面度） 一、立体角 在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角。立体角涉及到的是空间问题。任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的一定空间内。因此，在进行有关光辐射的讨论和计算时，也将是一个立体空间问题。与平面角度相似，我们可把整个空间以某一点为中心划分成若干立体角。 如图所示，△A是半径为R的球面的一部分，△A的边缘各点对球心O连线所包围的那部分空间叫立体角。 立体角的数值为部分球面面积△A与球半径平方之比，即 单位立体角：以O为球心、R为半径 作球，若立体角Ω截出的球面部分的 面积为R2，则此球面部分所对应的立 体角称为一个单位立体角，或一球面度。 对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积dS ，它们对应的立体角为 其中θ为dS 与投影面积 dA的夹角，R为O 到dS中心的距离。 根据定义知球面所对应的立体角： 全球所对应的立体角 (全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空间.) 同理，半球所对应的立体角为2π空间。 用球坐标表示立体角 微小面积 则dS对应的立体角为 计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可。 二、辐射量 通常，把以电磁波形式传播的能量称为辐射能，用Qe表示，单位为焦耳。 h是普朗克常数，h= 6.62620×10-34焦耳秒，ν是光的频率，ν与光速c、波长λ之间都是可换算的。 辐射能既可以表示辐射源发出的电磁波的能量，也可以表示被辐射表面接收到的电磁波的能量。 辐射通量（Φ）:单位时间内通过某一面积的光辐射能量。 单位：W（瓦）或J/s（焦耳/秒） Q是辐射能量。Φ与功率意义相同。 辐射通量以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量，属于基本物理量。它们的量值都可以用专门的辐射计在离开辐射源一定的距离上进行测量。所以其他辐射量都是由辐射通量（或称为辐射功率）定义的。 辐射出射度（M）：辐射体单位面积向半球空间发射的功率（或辐射通量）。反映物体的辐射能力。 单位：w/㎡ 辐射体总的辐射通量，等于辐射出射度对辐射表面积的积分： A为辐射源面积。 辐射强度（I）：若点辐射源在小立体角△Ω内的辐射功率为△Qe ，则△Qe与△Ω之比的极限值定义为辐射强度. 单位：W/Sr （瓦/球面度） 物理描述：点辐射源在某一方向上的辐射强度，是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出的辐射通量。 点辐射源： （相对概念）辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）. 辐射强度是描述点源特性的辐射量。 如果将点辐射源置于各向同性、均匀介质中，该辐射体向所有放心发射的总辐射通量为Qe ，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有 辐射亮度（L）：辐射体在某一给定方向上的辐射亮度，是辐射体在该方向上的投影面积上、单位立体角内发出的辐射通量。 在θ方向看到的源面积是△A的投影面积 △Aθ＝△Acosθ ， 因此，在θ，φ方向上观测到的辐射体表面上该位置的辐射亮度为 单位：W/(㎡·Sr) 、 瓦/（平方米·球面度） 通常扩展光