辐射度量与光度量(1).ppt

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1、光电子技术PhotoelectronicTechniquePhotoelectronicTechnique 辐射度量与光度量辐射度量与光度量辐射度量与光度量辐射度量与光度量主讲：主讲：主讲：主讲：周自刚周自刚周自刚周自刚助教：助教：助教：助教：范宗学范宗学范宗学范宗学 辐射度量辐射度量光度量光度量两者关系两者关系1 12 23 31.2 辐射度量和光度量44辐射度学与光度学辐射度学辐射度学(Radiometry)：研究各种电磁辐射强弱的学科的一门科学：研究各种电磁辐射强弱的学科的一门科学光度学光度学(Photometry)：研究可见光辐射强弱的学科：研究可见光辐射强弱的学科辐射度学的一部分辐射

2、度学的一部分光度学的研究基于两个基本假设：光光：沿沿光光线线方方向向进进行行的的能能量量流流，遵遵守守能能量量守守恒恒定定律律，即即光光束束在在单单位位时时间间内通过任一截面的能量为常数内通过任一截面的能量为常数 光光源源：既既可可以以是是一一个个实实际际的的发发光光体体，也也可可以以是是光光源源自自身身的的像像或或者者是是一一个个自身并不发光，但被另一光源照明的物体表面自身并不发光，但被另一光源照明的物体表面43辐射度单位体系辐射度单位体系:辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（与辐射客体有关的量

3、。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（）或者焦耳（J）。辐射度学）。辐射度学适用于整个电磁波段。（适用于整个电磁波段。（是客观物理量体系是客观物理量体系）符符号号角角标标“e”表表示示辐辐射射度度物物理理量量，角角标标“v”表表示示光光度度物物理理量。量。辐射度单位和光度单位两套不同的体系光度单位体系光度单位体系:是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。光波段。（是主观生理反映量体系是主观生理反映量体

4、系）421辐射度量辐射能辐射通量辐射出射度 辐射强度辐射亮度辐射照度光谱辐射度量41是以辐射形式是以辐射形式发射发射或或传输传输的电磁波（的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射主要指紫外、可见光和红外辐射）能量能量。当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等电能等辐射能40单位：焦耳单位：焦耳J光源在光源在单位体积单位体积内的辐射能称为光源的内的辐射能称为光源的辐射能密度辐射能密度wewe=dQe/dV当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式

5、的能量，如热能、电能等用用 e表示，又称为辐射功率，是表示，又称为辐射功率，是辐射能的时间变化率辐射能的时间变化率是是单位时间单位时间内内发射发射、传播传播或或接收接收的辐射能的辐射能辐射通量39单位：瓦特单位：瓦特（W）或焦耳每秒（）或焦耳每秒（J/s）就是辐射体在就是辐射体在单位面积单位面积内所辐射的内所辐射的通量通量，是反映物体辐射能力的物理，是反映物体辐射能力的物理量量辐射出射度辐射出射度（Me）面光源面光源A向半球面空间发射的向半球面空间发射的总辐射通量总辐射通量辐射出射度 38单位：瓦特每平方米（单位：瓦特每平方米（W/m2）是针对是针对点辐射源点辐射源而言定义的而言定义的在在单位

6、时间内单位时间内、给定方向上、给定方向上、单位立体角单位立体角内所辐射出的能量内所辐射出的能量点光源在有限立体角点光源在有限立体角内发射的辐通量内发射的辐通量Sdde辐射强度单位：瓦特单位：瓦特球面度球面度-1（Wsr-1）37由辐射表面定向由辐射表面定向发射发射的辐射强度与该面元在垂直于该方向的平面的辐射强度与该面元在垂直于该方向的平面上的上的正投影面积正投影面积的比值的比值SddSd辐射亮度单位：瓦特单位：瓦特/球面度球面度米米2（W/srm2）36辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角余弦辐射体的辐射亮度是均匀的

7、，与方向角 无关。无关。余弦辐射体或朗伯体余弦辐射体的辐射亮度余弦辐射体的辐射亮度辐射亮度余弦辐射体的辐射出射度余弦辐射体的辐射出射度35投影在投影在单位面积单位面积上的上的辐射通量辐射通量，或照射在面元，或照射在面元dA上的辐射通量与上的辐射通量与该面元的面积之比。该面元的面积之比。注意：注意：辐照度辐照度是指从物体表面是指从物体表面接收接收辐射通量辐射通量辐出度辐出度是指从面光源表面是指从面光源表面发射发射辐射通量辐射通量辐射照度单位：瓦特每平方米（单位：瓦特每平方米（W/m2）34 光谱辐射度量也叫也叫辐射量的光谱密度辐射量的光谱密度，是辐射量波长的变化率。，是辐射量波长的变化率。单位波

8、长间隔内单位波长间隔内对应的辐射度量对应的辐射度量光谱辐射度量光谱辐射度量33(1)光谱辐射通量光谱辐射通量:光源发出的光在光源发出的光在每单位波长间隔内每单位波长间隔内的辐射通量，也称为的辐射通量，也称为光谱密度光谱密度或或单色辐射通量单色辐射通量=e/光谱辐射度量32在波长在波长处的光谱辐射通量为处的光谱辐射通量为（）=de()/d在整个光谱内，总的辐射通量为在整个光谱内，总的辐射通量为e ()光谱辐射度量31(2)光谱辐射出射度光谱辐射出射度M:光源发出的光在光源发出的光在每单位波长间隔内每单位波长间隔内的辐射的辐射出射度（单位面积）出射度（单位面积）M（）=dMe()/dMeM ()(

9、3)光谱辐射强度光谱辐射强度I:光源发出的光在光源发出的光在每单位波长间隔内每单位波长间隔内的辐射强的辐射强度（单位立体角）度（单位立体角）I（）=dIe()/dIeI ()光谱辐射度量30(4)光谱辐射亮度光谱辐射亮度L:光源发出的光在光源发出的光在每单位波长间隔内每单位波长间隔内的辐射亮的辐射亮度（度（垂直于该方向的平面上的正投影面积垂直于该方向的平面上的正投影面积）L（）=dLe()/dLeL ()(5)光谱辐射照度光谱辐射照度E:光源发出的光在光源发出的光在每单位波长间隔内每单位波长间隔内的辐射强的辐射强度（度（接受面接受面）E（）=dEe()/dEeE ()29由于大部分光源是作为照

10、明用的，而且照明的效果最终是以人眼由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最终是以人眼来评定的，因此，照明光源的光学特性必须用于基于人眼视觉的光学来评定的，因此，照明光源的光学特性必须用于基于人眼视觉的光学参数量参数量光度量光度量来描述来描述光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相同而波长不同的光能量相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不同的。，对人眼引起的视觉强度是不同的。2光度量视见函数光通量发光强度光照度28光出射度光亮度视见函数27人眼对各种波长的光的感觉灵敏度是不一样的人眼对各种波长的光的感觉灵敏度是不一样的一般而言，对一般而言

11、，对绿光最灵敏绿光最灵敏，而对，而对红光较差红光较差国国际际照照明明委委员员会会（CIE）根根据据对对许许多多人人的的大大量量观观察察结结果果，用用平平均均值值的的方方法法，确确定定了了人人眼眼对对各各种种波波长长的的光光的的平平均均相相对对灵灵敏敏度度，标标准准广广度观察者的光谱光视效率（简称度观察者的光谱光视效率（简称视件函数视件函数V（)）V()1)1表表标准适光性视见函数值标准适光性视见函数值辐射颜色辐射颜色/nmV辐射颜色辐射颜色/nmV辐射颜色辐射颜色/nmV紫紫4000.0004绿绿5300.8620橙橙6500.1070紫紫4100.0012绿绿5400.9540红红6600.

12、0610紫紫4300.0116黄黄5551.0000红红6800.0170蓝蓝4400.0230黄黄5600.9950红红6900.0082蓝蓝4500.0380黄黄5700.9520红红7000.0041青青4600.0600黄黄5800.8700红红7100.0021青青4700.0910黄黄5900.7570红红7200.00105青青4800.1390橙橙6000.6310红红7300.00052绿绿5000.3230橙橙6200.3810红红7500.00012绿绿5200.7100橙橙6400.1750261.0400505555750/nmV()人眼的视见函数曲线人眼的视见函数曲

13、线视见函数25光通量定义定义：光辐射通量对人眼所引起的：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值视觉强度值意义意义：表征光源发出的客观辐射能通量所能引起人眼的主观视觉强度大小：表征光源发出的客观辐射能通量所能引起人眼的主观视觉强度大小 单位单位：lm（流明）流明）表达式表达式：设：设dV为波长为波长处处d间隔的辐射能通量，相应波长光通量间隔的辐射能通量，相应波长光通量d：总光通量：总光通量：24点光源的发光强度I点光源点光源：理想光源，其几何线度远小于光源到观察点之距离，因而可以忽略。理想光源，其几何线度远小于光源到观察点之距离，因而可以忽略。发光强度发光强度：点光源在给定方向上，单位立体角内所发出

14、的光通量：点光源在给定方向上，单位立体角内所发出的光通量单位单位：坎德拉（：坎德拉（cd），或），或lm/sr（球面度），（球面度），1cd=1lm/sr发光强度点光源的发光强度点光源的发光强度dS23点点光光源源向向空空间间某某一一立立体体角角元元d内内辐辐射射的的光光通通量量d正正比比于于该该立立体体角角元的大小，其比例系数即该点光源的发光强度元的大小，其比例系数即该点光源的发光强度 说明：点光源向整个空间辐射的总光通量点光源向整个空间辐射的总光通量若若I与方向有关，即与方向有关，即I=I(,)，则，则 若若I与方向无关，即与方向无关，即I=常数，则常数，则22定义：光源表面给定点处单位面

15、积内所发出的光通量定义：光源表面给定点处单位面积内所发出的光通量21光出射度M=d/dA光照度定义：被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量定义：被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量E=d/dA面光源的光亮度B面面光光源源（扩扩展展光光源源）：具具有有一一定定空空间间发发光光面面积积，且在观察区域内其几何线度不可忽略。且在观察区域内其几何线度不可忽略。光亮度光亮度：单位面积的光源表面向法线方向单位立体：单位面积的光源表面向法线方向单位立体角内辐射的光通量。角内辐射的光通量。意意义义：元元面面积积dS向向空空间间与与法法线线夹夹角角为为的的r方方向向上上的的立立体体角角元元d内内辐辐射射的的

16、光光通通量量d，正比于正比于d和和dS在在r方向的投影方向的投影dScos，其比例系数，其比例系数B定义扩展光源的光亮度定义扩展光源的光亮度 单位单位：lm/(m2sr)（流明（流明每平方米每平方米球面度），或球面度），或lm/(cm2sr)即即sb（熙提）（熙提）扩展光源的亮度扩展光源的亮度dSdrn20光亮度说明:发发光光强强度度和和光光亮亮度度均均针针对对可可见见光光而而言言，并并带带有有探探测测器器的的主主观观因因素素。在在辐辐射射度度学学中中，只只要要将将光光通通量量以以辐辐射射能能通通量量代代替替，流流明明以以瓦瓦特特代代替替，则则发发光光强强度度即即辐辐射射强强度度，光光亮亮度度

17、即即辐辐射射亮亮度度。辐辐射射强强度度和和辐辐射射亮亮度度仅仅反应光源自身的辐射特征，与探测器无关。仅仅反应光源自身的辐射特征，与探测器无关。光光亮亮度度反反映映扩扩展展光光源源在在与与面面法法线线成成角角度度方方向向单单位位投投影影面面积积上上的的发发光强度光强度19定义定义：受照面单位面积上接收到的或投射到受照面单位面积上的光通量。：受照面单位面积上接收到的或投射到受照面单位面积上的光通量。单位单位：lx（勒克斯）、（勒克斯）、ph（辐透）。其中：（辐透）。其中：1lx=1lm/m2，1ph=1lm/cm2。说明说明：E表征受照面的明亮程度。表征受照面的明亮程度。E还可以表示辐照度或辐射能

18、流密度。还可以表示辐照度或辐射能流密度。表表述述：对对于于给给定定的的受受照照面面面面元元dS，其其上上所所接接收收到到的的或或投投射射到到其其上上的的光光通通量量d，与该面元大小成正比，相应的比例系数正是该面元上的光照度，即，与该面元大小成正比，相应的比例系数正是该面元上的光照度，即光照度18点光源产生的光照度点光源向受照面元点光源向受照面元dS对其所张立体角元对其所张立体角元d内辐射的光通量内辐射的光通量：点光源在受照面元点光源在受照面元dS上的光照度上的光照度:结结论论：点点光光源源所所产产生生的的光光照照度度E，正正比比于于光光源源的的发发光光强强度度I和和光光束束方方向向角角的的余余

19、弦弦cos，反比于光源点到受照面距离，反比于光源点到受照面距离r的平方。的平方。平方反比律：点光源位于受照面法线上时，光照度仅与距离平方成反比，即平方反比律：点光源位于受照面法线上时，光照度仅与距离平方成反比，即dSdW Sn 点光源引起的光照度点光源引起的光照度r17面光源产生的光照度面面光光源源元元面面积积dS发发出出的的到到达达受受照照面面元元面面积积dS上的光通量：上的光通量：和和：面元：面元dS 和和dS的连线与各自面法线的夹角。的连线与各自面法线的夹角。dS引起的光照度：引起的光照度：总的光照度：总的光照度：说说明明：光光源源面面与与受受照照面面具具有有对对称称性性。若若以以受受照

20、照面面为为光光源源面面，且且亮亮度度仍仍为为B，则则在在原原光光源面上将产生同样大小的光通量。源面上将产生同样大小的光通量。面光源引起的光照度面光源引起的光照度dSdW Snrq dWnqdS16辐射度量辐射度量光度量光度量物理量名称物理量名称 符号符号定义或定义式定义或定义式单位单位物理量名称物理量名称 符号符号定义或定义式定义或定义式单位单位辐射能辐射能辐射通量辐射通量辐射出射度辐射出射度辐射强度辐射强度辐射亮度辐射亮度辐射照度辐射照度Qe eMeIeLeEe edQe/dtMe=d edSIe=d e/d Le=dIe/(dScos)Ee=d e/dAJWW/m2W/srW/m2srW/

21、m2光量光量光通量光通量光出射度光出射度发光强度发光强度(光光)亮度亮度(光光)照度照度Qv vMvIvLvEvQv=v dt v=Iv d Mv=d v/dSIv=d v/d Lv=dIv/(dScos)Ev=d v/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx153两者关系SddedS dSn朗伯定律在在方向上：方向上：在法线方向上：在法线方向上：如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有:朗伯光源只有绝对黑体才是朗伯光源只有绝对黑体才是朗伯光源遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源。遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源。143两者关系余弦定律同理可用于余弦定

22、律同理可用于光照度光照度上上dSndS 133两者关系平方反比定律Sd d edS dS n面积元面积元dS对点光源所张的立体角对点光源所张的立体角内的光通量内的光通量dS面上的光照度面上的光照度描述点辐射源产生照度的规律，是来自均匀点光源向空间发射球面描述点辐射源产生照度的规律，是来自均匀点光源向空间发射球面波的特性。波的特性。12例例例例一氦氖激光器发出一氦氖激光器发出一氦氖激光器发出一氦氖激光器发出10mW10mW的波长为的波长为的波长为的波长为632.8nm632.8nm的激光束，发散角的激光束，发散角的激光束，发散角的激光束，发散角为为为为1mrad1mrad，发散角，发散角，发散角

23、，发散角 与立体角的关系为与立体角的关系为与立体角的关系为与立体角的关系为，若波长，若波长，若波长，若波长632.8nm632.8nm光波的光谱光效率光波的光谱光效率光波的光谱光效率光波的光谱光效率0.240.24，试求：，试求：，试求：，试求：(1)(1)此激光束的光通量和发光强度；此激光束的光通量和发光强度；此激光束的光通量和发光强度；此激光束的光通量和发光强度；(2)(2)若此激光输出光束的截面的直径为若此激光输出光束的截面的直径为若此激光输出光束的截面的直径为若此激光输出光束的截面的直径为1mm,1mm,求其光亮度；求其光亮度；求其光亮度；求其光亮度；(3)(3)以这样的激光束照射在以

24、这样的激光束照射在以这样的激光束照射在以这样的激光束照射在10m10m处的白色屏幕上的光照度。处的白色屏幕上的光照度。处的白色屏幕上的光照度。处的白色屏幕上的光照度。11解：解：(1)光通量光通量相应的立体角为相应的立体角为发光强度发光强度10解：解：（2）由于激光束的方向与光束输出截面）由于激光束的方向与光束输出截面dA的法线相一致的法线相一致9解：（解：（3）激光在屏幕上照射的面积）激光在屏幕上照射的面积8思考题：光照度复杂工程问题案例2012年年8月月10-12日第三届全国大学生光电设计日第三届全国大学生光电设计竞赛在福建师范大学旗山校区隆重举行。本届竞竞赛在福建师范大学旗山校区隆重举行。本届竞赛的主题是赛的主题是“光与信息光与信息”。其中。其中”基于光电导航的基于光电导航的无人驾驶智能车无人驾驶智能车”题目会用到哪些光度学和辐射度题目会用到哪些光度学和辐射度学中的基本知识？学中的基本知识？详情查询网站详情查询网站http:/