2辐射度与光度学基础.pptx

中原工学院理学院 曾灏宪中原工学院1.2 辐射度与光度学基础1. 电磁辐射的范围2. 3个互补的特性l直线性l波动性l量子性1. 可见光辐射的范围300nm780nm1. 3个互补的特性l波动性传播时l粒子性与物质作用时波长：104m频率：105Hz波长：1014Hz辐射度学与光度学辐射度学radiometry也称辐射测量，是测量电磁波所传递的能量（电磁辐射能）或测量与此相关的其它物理量的科学技术使用的参量为辐射度学量如辐射能、辐射通量、辐射强度等光度学 photometry适用于可见光范围内的辐射测量的科学技术，以人的视觉习惯为基础建立使用的参量为光度学量如发光强度、光通量、光照度等这这两种量之间间有什么关系？辐射度学的基本概念辐射能传播的直线性辐射的非相干性辐射能的量子性衍射角相干性是波动现象一、辐射度的基本物理量名称符号定义方程单位符号辐射能Qe焦耳J辐射能密度焦耳/立方米J/m3辐射通量（辐射功率）瓦W辐射强度e瓦/球面度W/sr辐射亮度e 瓦/球面度平方米W/m2 sr辐射出射度e瓦/平方米W/m2辐射照度e瓦/平方米W/m21、辐射强度def：点光源在给定方向上通过单位立体角的辐射能通量空间所有方向均匀时实际上， 随方向而变化，即于是2、辐射亮度def：扩展源表面一点处的面元 dS在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射能通量即，辐射表面定向发射的辐射强度，决定于单位面积的辐射表面所发射的通量的空间分布注意： dS的位置在光源表面3、光谱辐射通量又称为辐射通量的光谱密度，即按照波长（或频率）的分布def：辐射源发出的辐射在波长 处的单位波长间隔内的辐射通量也即太阳光谱辐射通量光谱辐射度量二、光度学基本物理量1、光谱光视效率（视见函数）人眼对不同波长的光的灵敏度是不一样的（人眼对黄绿色光最灵敏；对红色和紫色光较差；而对红外光和紫外光，则无视觉反应。

视觉强度相等时，所需的某一单色光的辐射通量愈小，则人眼对该单色光的视觉灵敏度愈高国际照明委员会（CIE）确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”光谱光视效率，即，视见函数设任一波长为的光和波长为555nm的光，产生相同亮暗视觉所需的辐射通量分别为和555，则其比值即为视见函数值 V()=555/明视觉视觉 亮度在1.0cd/m以上的环环境中人眼的视觉视觉暗视觉视觉 亮度在1.0cd/m以下的环环境中人眼的视觉视觉光谱光视效率（视见函数）曲线见书见书 上图图1-3p6光通量与辐射通量之间的换算式中 为明视觉的最大光谱光视效能函数，也称光功当量，按国际实用温标IPTS-68的理论计算值为 683（lm/W）一般光度量与辐射量之间的关系2、发光强度总总光通量表征光源的特性对对于指定的发发光体，光具组组不能增加总总光通量，光具组组的作用只是把光通量重新分配例如，使它比较较集中在某些选选定的方向上，而相应应地减小其它某些方向的发发光强度发光强度的单位 坎德拉在国际单际单 位制中的单单位为为坎德拉(Candela)，代号：坎(cd)1979年第16届国际计际计 量大会(决议议3)规规定坎德拉的定义为义为 ：“坎德拉是一光源在给给定方向上的发发光强度，该该光源发发出频频率为为5.401014Hz的单单色辐辐射，而且在此方向上的辐辐射强度为为(1683)Wsr。

空气中波长为长为 555nm明视觉视觉 的视见视见 函数为为1的辐辐射对应对应 的频频率为为5.4000861014Hz略去尾数，则则坎德拉新定义义中的频频率实实际际上就是明视觉视觉 最灵敏谱线谱线 的频频率坎德拉是国际单际单 位制中七个基本单单位之一3、照度由此可见见，点光源所造成的照度反比于光源到受照面的距离的平方，而正比于光束的轴线轴线 方向与受照面法线间夹线间夹 角的余弦点光源所造成的照度反比于光源到受照面的距离的平方，而正比于光束的轴轴线线方向与受照面法线间夹线间夹 角的余弦照度的单单位称为为勒克斯(lux)，单单位代号：勒(lx) 它是1lm的光通量均匀分布在 1m2的表面上所产生的照度照度的另一单位辐透(ph)1ph=1lmcm2故1ph=104lx叠加原理：若干辐辐射（光）源在一面元上建立的照度等于各辐辐射（光）源单单独建立的照度之和一些实际实际 情况下的光照度值值(单单位：lx或lmm2)无月夜天光在地面上所产生的照度310-4接近天顶的满月在地面所产生的照度0.2办公室工作时所必须的照度20100晴朗的夏日在采光良好的室内的照度100500夏日太阳不直接射到露天地面的照度1,00010,0004、亮度点光源只是在发光体的线度远小光源到观察点距离，即发光体实际线度大小可以略去不计时，才有意义实际的扩展光源把它的表面分成无数面元同时分出这样的一个光束：它从某一面元dS出发，包围在一个立体角d内，这光束的轴线与dS的法线N成一个角度(如图)在光束轴线的方向上，面元的表观面积是dScos朗伯首先由实验发现对许多发光体(不是所有发光体)来说，在立体角d中发射出的光通量d正比于d和发光体表观面积dScos的大小(朗伯定律)比例系数和发光面的性质有关，与角无关这个系数用B表示(本教材中用 L来表示)，称为光源的亮度，它是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量，可以用单位面积的光源表面在法线方向的单位立体角内传送出的光通量数值来量度单位单单位为为lm(m2sr)或 lm(cm2sr)前者称为尼特 (nit)，单单位代号：尼特(nt)后者称为为熙提(stilb)，单单位代号：熙提(sb)熙提与尼特之间的换算关系为 1sb=104nt或一些发光体的亮度一些实际 光源光亮度的近似值单单位：cdcm2或sb与人眼最小灵敏度相对应对应 的物体10-10无月的夜空10-3满满月的表面0.25阳光照射下的洁净洁净 雪面3乙炔焰8钨丝钨丝 白炽炽灯5001,500超高压压球状汞灯120,000在地面上看到的太阳150,000总结辐射度量和光度量对照表p20例题：一发发光强度为为60cd的点光源O置于水平地板上方4m处处，而一直径为为3m的圆圆形平面镜镜水平放置，平面镜镜的圆圆心位于点光源正上方4m处处，若光投射于平面镜时镜时 ，将80%的光反射，试试求光源斜下方6m地板上P点处处的照度。

解：如图所示，平面镜在光源的镜象处形成一个附加的0.860cd发发光强度的镜镜象光源O，但它仅仅照明地板的有限范围围AB根据题意，所求点的照度应为实际光源O和镜象光源O共同贡献的，应用反平方定律且考虑到倾斜因子cos，即得我国推行的法定计量单位七个国际单位制的基本单位 量的名称单单位名称单单位符号长长度米m质质量千克（公斤）kg时间时间 秒s电电流安培A热热力学温度开尔文K物质质的量摩尔mol发发光强度坎德拉cd朗伯Lambert，JohannHeinrich 17281777德国数学家，天文学家，物理学家又译兰伯特1728年8月26日生于阿尔萨斯的米卢斯（原 属瑞士，今属法国），1777年9月25日卒于柏林自学成才1748年受聘为家庭教师他利用东家的显贵地位和丰富藏书，继续深造，并结识许多学者 1759年移居奥格斯堡，1764年接受腓特烈大帝的邀请，进入柏林科学院，成为 L.欧拉和J.-L.拉格朗日的同事朗伯研究的范围很广Lambert的成就1761年证明了和 e的无理性（1768年发表)1766年试图证明欧几里得几何中的平行公设，虽然没有成功，但对非欧几何的诞生起了一定的作用他首次系统地研究了双曲函数，对画法几何也有研究此外，在球面几何、热学、光学、气象学、天文学等方面也都有贡献1.2辐射度学与光度学中的基本定律0.热辐射的概念热辐射：由于物体中的分子、原子受到热激发而产生的辐射热激发的方式：加热、通电、光照、化学反应或核反应任何温度高于 0K的物体均有热辐射发射电磁波 不需要传输介质辐射电磁波的能量和波长（频率）与温度有关1. 基尔霍夫（Kirchhoff）定律德国物理学家G.R.基尔霍夫于1859年建立在任一给定温度的热平衡条件下，任何物体的辐射本领 与吸收本领 的比值与物体的性质无关，只是波长及温度T 的普适函数，且恒等于同温度下绝对黑体的辐射本领“发射大的物体必然吸收大”，或“善于发射的物体必善于接收”，反之亦然关于基尔霍夫定律的说明与物质本身的性质无关，基尔霍夫定律是平衡辐射定律，当然对黑体也适用吸收和辐射的多少应在同一温度下比较任何强烈的吸收必发出强烈的辐射，无论吸收是由物体表面性质决定的，还是由系统的构造决定的基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，与人眼的视觉特性和光度量无关 基尔霍夫定律只适用于温度辐射，对其它发光不成立灰体：单色吸收率与投射到该物体的辐射的波长无关黑体：在任何温度下对于任何波长的辐射能量的吸收率都等于1白体：在任何温度下对于任何波长的辐射能量的吸收率都等于0小知识2. 朗伯（）余弦定律漫辐射源：辐射亮度L与方向无关的辐射源。

太阳、荧光屏等）漫辐射：漫辐射源发出的辐射 漫反射：与漫辐射具有相同特性的反射（电影屏幕等）理想漫反射源单位表面积向空间指定方向单位立体角内发射（或反射）的辐射通量(功率)和该指定方向与表面法线夹角的余弦成正比朗伯余弦定律例：很光滑的反射（镜镜）面，当有一束光入射其上时时，具有很好的（反射）方向性；表面粗糙的反射器，在很大的空间间内都有反射，没有强弱之分朗伯（）余弦定律描述这种辐射的空间分布的特性公式为由辐射亮度的定义知：凡辐射亮度分布遵从朗伯余弦定律的辐射面称为朗伯辐射源（或朗伯面）式中 B常数 辐射法线与观察方向夹角 S辐射源面积 辐射立体角与上式相比较，则朗伯（）余弦定律的另一种形式因为漫辐射源各方向亮度相等，即L=L，（上二式相等），则 I=I0cos各个方向上辐射亮度相等的发射表面，其辐射强度按余弦规律变化（物理意义）亮度强度于是从而法向亮度方向亮度漫辐射源的辐射特性1、辐射亮度2、辐射强度 注意：虽各方向亮度相同，但辐射强度不同 I=I0cos =90时时，I=03、辐射出射度为辐射亮度的倍，即M =L试证明之！（作业）3. 距离平方反比定律点光源在传输方向上的某点辐照度和该点到点光源的距离平方成反比证明如下：设：点辐射源的辐射强度为I；源到被照表面P点的距离为d（P点为小面元dA）;小面元dA的法线与到辐射源之间连线的夹角为求：点辐射源在P点产生的照度由辐射强度的定义知由立体角的定义则由照度的定义如=0（垂直照射），则朗伯余弦定律参见照度定义4.普朗克（Planck）公式黑体辐射公式在研究目标的辐射特性时，为了便于计算，常将其简化为其中黑体的最大辐出度Wien公式适用于短波段(高频频)Rayleigh-Jeans公式适用于长长波段(低频频)Planck公式正确反映了黑体辐辐射规规律5.斯蒂芬-玻尔兹曼（Stephan-Boltzmann）定律6.维恩（Wien）位移定律是Wien常数是常数作业：P47 第6题1.2辐射度学与光度学中的基本定律试证明：朗伯辐射源的辐射度为辐亮度的倍由和（朗伯余弦定律） 有由定义M =/S=LS/S=L 1.1辐射度学量与光度学量照度由此可见见，点光源所造成的照度反比于光源到受照面的距离的平方，而正比于光束的轴线轴线 方向与受照面法线间夹线间夹 角的余弦1.3 辐射能的传输基础辐射能的传输包括从辐射源到探测器的全部传输过程，在传输过程中，媒质会吸收、反射和散射一部分辐射能描述这一过程需要大量的物理概念，这些概念构成了辐射度学的基础主要内容：介绍辐射能传输的几何光学基础辐射能在传输中的损失辐射在大气中的传输（简介）1辐射能传输的几何光学基础1.辐亮度传输因为在均匀、各向同性的无损介质中，辐射能传输时辐亮度是守恒的，故可以用来定义辐射能流的大小，简单证明如下：辐亮度是遥感传感器的辐射度学计算中一个极重要的参数特征不变量如果面元1与面元2在不同介质中定义：基本辐射亮度在不同介质中，传播光束的基本辐射亮度守恒光学系统将改变传输光束的发散或会聚状态，像面辐射亮度 与物面辐射亮度 之。