2.1辐射度学与光度学基础解析.ppt

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1、第二章第二章 光电测量的光学基础光电测量的光学基础制作人：郭婧第一节第一节 光度学基本知识光度学基本知识光学发展的概况光学发展的概况 人类感官接收到外部世界的总信人类感官接收到外部世界的总信息量中至少有息量中至少有9090以上通过眼睛以上通过眼睛 光学是一门古老的学科，又是一门光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年轻学科新兴的年轻学科 激光器诞生后，光学开始了迅猛发激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科展，成为科研前沿极为活跃的学科 五五 个个 时时 期期（一）、萌芽时期（一）、萌芽时期 公元前公元前500500年年-公元公元15001500年经历大约年经历大约20002

2、000年年 面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现15001500-18001800，大约，大约300300年年1 1、建立了光的反射定律和折射定律，、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础奠定了几何光学的基础2 2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器3 3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位4 4、对折射定律的解释是、对折射定律的解释是错误错误的的（二）、几何光学时期（二）、几何光学时期1800190018001900，近，近100100年年1 1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象

3、、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象2 2、惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的、惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象衍射现象3 3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象4 4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波5 5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小、傅科的实验证实光在水中传播的速度小于在空气中的传播速度于在空气中的传播速度6 6、波动光学的理论体系已经形成，光的波、波动光学的理论体系已经形成，光的波动说战胜了光的微粒说动说战胜了光的微粒说（三）、波动光学时期（三）、波动光学时期 1900195019001950，近，近50

4、50年年1 1、19001900年普朗克提出了量子假说，成功地解年普朗克提出了量子假说，成功地解释了黑体辐射问题释了黑体辐射问题2 2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了光电效应问题光电效应问题3 3、光的某些行为象经典的、光的某些行为象经典的“波动波动”4 4、另一些行为却象经典的、另一些行为却象经典的“粒子粒子”5 5、光是一种几率波，又具有可分割性，光具、光是一种几率波，又具有可分割性，光具有有“波粒二象性波粒二象性”（四）、量子光学时期（四）、量子光学时期（五）、现代光学时期（五）、现代光学时期 从从19501950年至今年至今 1 1、全息术、

5、光学传递函数和激光的问世是经、全息术、光学传递函数和激光的问世是经典光学向现代光学过渡的标志典光学向现代光学过渡的标志2 2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度飞、光学焕发了青春，以空前的规模和速度飞速发展速发展 1 1）智能光学仪器）智能光学仪器 2 2）全息术）全息术 3 3）光纤通信）光纤通信 4 4）光计算机）光计算机 5 5）激光光谱学的实验方法）激光光谱学的实验方法一、光的基本性质一、光的基本性质n牛顿牛顿微粒说微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振振n

6、波动理论波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波光的基本性质光的基本性质n光量子说光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性光具有波粒二象性光谱光谱光波光波：波长为：波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：

7、紫外线：波长波长10380nm，波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红）以下的称近红外线外线 波长超过波长超过3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。远远紫紫外外近近紫紫外外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长波长/mm波数波数/cm m-1-1频率频率/Hz光子能量光子能量/eV106105

8、1041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018光光的的波波长长与与频频率率的的关关系系由由光光速速确确定定，真真空空中中的的光光速速c=2.997931010cm/s，通通常常c31010cm/s。光光的的波波长长和频率和频率的关系为的关系为 的单位为的单位为Hz，的单位为的单位为cm。=31010cm/s光谱学南京工程学院自动化学院 辐射度学：物理现象辐射度学：物理现象 光度学：视觉问题光度学：视觉问题视见函数视见函数南京工程学院自动化学院1.1立体角的意义及其在光度学立体角的意义及其在光度学 中的应用中的应用定义

9、：一个任意形状的封闭锥面内所包含的定义：一个任意形状的封闭锥面内所包含的 空间称为立体角。空间称为立体角。单位：球面度（单位：球面度（Sr）南京工程学院自动化学院重要结论：重要结论：假定一个圆锥面的半假定一个圆锥面的半顶角为顶角为，则该圆锥面，则该圆锥面所包含的立体角的大所包含的立体角的大小为小为 南京工程学院自动化学院推论：推论：假定离假定离A点点 l l处有一个微面处有一个微面ds，ds的法线的法线ON与与AO的夹角为的夹角为，那么微面对，那么微面对A点所张立体角点所张立体角为为南京工程学院自动化学院1.2 辐射度学基本量（辐射量）辐射度学基本量（辐射量）1、辐射能、辐射能 单位：单位：J

10、2、辐射通量辐射通量 单位：单位：W3、辐射强度辐射强度 单位单位南京工程学院自动化学院4、辐射出射度辐射出射度 单位：单位：5、辐射照度辐射照度 单位：单位：6、辐射亮度辐射亮度 单位：单位：南京工程学院自动化学院辐射通量：辐射通量：定义：单位时间、单位面积元上辐射的定义：单位时间、单位面积元上辐射的所有波长所有波长的的 能量，即：光源表面上单位面积的能量，即：光源表面上单位面积的辐射功率辐射功率。意义：描述光源发射辐射的能力。单位：意义：描述光源发射辐射的能力。单位：W W大部分辐射体的电磁波辐射，都有一定的波长范围，大部分辐射体的电磁波辐射，都有一定的波长范围，通常用下图所示的光谱密度曲

11、线来表示辐射体的辐通常用下图所示的光谱密度曲线来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性射通量按波长分布的特性 光谱密度曲线光谱密度曲线backback南京工程学院自动化学院辐射强度：辐射强度：单位立体角内辐射通量的大小。单位立体角内辐射通量的大小。表征辐射体在不同方向上的辐射特性表征辐射体在不同方向上的辐射特性backback南京工程学院自动化学院辐射出射度：辐射出射度：单位面积辐射通量的大小单位面积辐射通量的大小 表征辐射体表面不同位置的辐射特性表征辐射体表面不同位置的辐射特性backback南京工程学院自动化学院辐射照度：辐射照度：单位面积接收辐射通量的大小单位面积接收辐射通量的大小 表征辐

12、射体表面不同位置的接收辐射特性表征辐射体表面不同位置的接收辐射特性backback南京工程学院自动化学院辐射亮度：辐射亮度：单位面积单位立体角内的辐射通量单位面积单位立体角内的辐射通量 表征了辐射体表面不同位置不同方向上表征了辐射体表面不同位置不同方向上 的辐射特性的辐射特性backback南京工程学院自动化学院1.3 人眼的视见函数人眼的视见函数光度学中为了表示人眼对不同波长辐射的敏感度光度学中为了表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义一个函数差别，定义一个函数 ，称为视见函数。，称为视见函数。对人眼最灵敏的波长对人眼最灵敏的波长555nm的的视见视见函数函数规规定定为为1，即，即V（55

13、5）1。假定人眼同假定人眼同时观时观察两个位在相同距离上的察两个位在相同距离上的辐辐射体射体A和和B，这这两个两个辐辐射体在射体在观观察方向上的察方向上的辐辐射射强强度相度相等，等，A辐辐射的射的电电磁波波磁波波长为长为，B辐辐射的波射的波长为长为555nm，人眼，人眼对对A的的视觉视觉强强度与人眼度与人眼对对B的的视觉视觉强强度之比，作度之比，作为为波波长长的的视见视见函数函数V()南京工程学院自动化学院光线颜色光线颜色波长（波长（nm）V（）光线颜色光线颜色波长（波长（nm）V（）紫紫4000.0004黄黄5800.8700紫紫4100.0012黄黄5900.7570靛靛4200.0040

14、橙橙6000.6310靛靛4300.0116橙橙6100.5030靛靛4400.0230橙橙6200.3810蓝蓝4500.0380橙橙6300.2650蓝蓝4600.0600橙橙6400.1750蓝蓝4700.0910橙橙6500.1070蓝蓝4800.1390红红6600.0610蓝蓝4900.2080红红6700.0320绿绿5000.3230红红6800.0170绿绿5100.5030红红6900.0082绿绿5200.7100红红7000.0041绿绿5300.8620红红7100.0021黄黄5400.9540红红7200.00105黄黄5500.9950红红7300.00052黄

15、黄5551.0000红红7400.00025黄黄5600.9950红红7500.00012黄黄5700.9520红红7600.00006明视觉明视觉视见函数标准视见函数标准南京工程学院自动化学院4005006007901700暗视觉555明视觉一般的视觉敏感范围：一般的视觉敏感范围：380760nm光照充足对光照充足对555nm最敏感；光照弱对最敏感；光照弱对507nm敏感敏感 南京工程学院自动化学院1.4 光度学中的基本量光度学中的基本量1、光通量：光通量：可可见见光光对对人眼的人眼的视觉视觉刺激程度刺激程度 单位：单位：lm 2、光强度：光强度：单位：单位：cd南京工程学院自动化学院3、光

16、出射度光出射度4、光照度光照度5、光亮度光亮度南京工程学院自动化学院光通量：光通量：就是按人眼的视觉强度来度量的辐射通就是按人眼的视觉强度来度量的辐射通量。量。根据定义，人眼产生的视觉强度与辐射通量 和视见函数V()成正比。单位：流明（lm）C为单位换算常数backback南京工程学院自动化学院光强度：光强度：我们把人眼接收到的光通量我们把人眼接收到的光通量d与与辐辐射射体体对对人眼所人眼所张张的立体角的立体角d之比称之比称为为光光强强度度 光强度表示在指定方向上的光源发光光强度表示在指定方向上的光源发光的强弱。的强弱。点光源点光源南京工程学院自动化学院坎（德拉）：坎（德拉）：光强度的单位光强

17、度的单位 为光度学中最基本的单位为光度学中最基本的单位定义：定义：如果发光体发出的电磁波频率如果发光体发出的电磁波频率 5401012Hz的单色辐射的单色辐射 （555nm），且在此方向），且在此方向 上的上的辐辐射射强强度度为为（1/683）W/sr。则该发则该发光体在光体在该该方向上的方向上的发发光光强强度度 为为1cd（坎德拉）（坎德拉）南京工程学院自动化学院C：单位换算常数：单位换算常数式中：式中：V（555）1，Ie=(1/683)W/sr，I1cd所以：所以：C=683(cdsr)/W 1lm=1cdsr南京工程学院自动化学院光谱光视效能：光谱光视效能：表征了波长表征了波长的的辐辐

18、射通量射通量对对眼睛眼睛产产生生 光通量的能力光通量的能力辐射通量与光通量的关系：辐射通量与光通量的关系：南京工程学院自动化学院光视效能：光视效能：单位为：单位为：lm/W表示辐射体消耗表示辐射体消耗1W功率所发出的流明数功率所发出的流明数南京工程学院自动化学院光源种类光源种类光视效能光视效能(lm/W)光源种类光源种类光视效能光视效能(lm/W)钨丝灯（真空）钨丝灯（真空）89.2日光灯日光灯2741钨丝灯（充气）钨丝灯（充气）9.2-21高压水银灯高压水银灯3445石英卤钨灯石英卤钨灯30超高压水银灯超高压水银灯4047.5气体放电管气体放电管16-30钠光灯钠光灯60常用光源光视效能常用

19、光源光视效能南京工程学院自动化学院例例1：一个功率为：一个功率为60W的钨丝充气灯泡，假定的钨丝充气灯泡，假定它在各个方向上均匀发光，求它的发光强度。它在各个方向上均匀发光，求它的发光强度。解：根据上表，钨丝灯泡的光视效能为解：根据上表，钨丝灯泡的光视效能为9.2-21lm/W,假假定取它的平均值等于定取它的平均值等于15lm/W，则该灯泡的总光通量，则该灯泡的总光通量为为 由于假定光源向各个方向均匀发光，根据发光强度由于假定光源向各个方向均匀发光，根据发光强度的定义：的定义：南京工程学院自动化学院例例2、已知光源同时辐射两种光源的光，第一、已知光源同时辐射两种光源的光，第一种波长为种波长为1

20、480nm，辐辐射通量射通量30W，第二，第二种波种波长为长为2580nm，辐辐射通量射通量20W试试求：求：1 和和2的光的光谱谱光光视视效能及光通量效能及光通量 该该光源的光光源的光视视效能效能backback南京工程学院自动化学院解：解：1 1、2 2、南京工程学院自动化学院例例3、射入屏幕的光为波长为、射入屏幕的光为波长为600nm的红光，的红光，其光通量为其光通量为1000lm试求：试求：600nm的光的光谱谱光光视视效能效能 屏幕在一分屏幕在一分钟钟内接收的内接收的辐辐射能量射能量backback南京工程学院自动化学院解：解：1 1、2 2、南京工程学院自动化学院光出射度（单位：光

21、出射度（单位：lx）：表征发光表面单位面积发出的光通量表征发光表面单位面积发出的光通量 backback南京工程学院自动化学院光照度（单位光照度（单位lx）：）：表示被照明表面单位面积上接收的光通量。表示被照明表面单位面积上接收的光通量。晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0

22、.2lx黑夜0.001lx南京工程学院自动化学院光亮度：光亮度：表示发光表面不同位置不同方向的发光特性表示发光表面不同位置不同方向的发光特性注意：照度是接收的概念，注意：照度是接收的概念，发光强度和亮度是发射的概念。发光强度和亮度是发射的概念。南京工程学院自动化学院例例5：有一均匀磨沙球形灯，它的直径为：有一均匀磨沙球形灯，它的直径为17cm，光通量，光通量为为200lm，求，求该该球形灯的光亮度球形灯的光亮度解：解：南京工程学院自动化学院辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义式单位物理量名称符号定义式单位辐射能QeJ光量QvQv=vdtlms辐射通量e=dQ/dtW光通量vv=Ivdlm

23、辐射出射度MeM=d/dSW/m2光出射度MvMv=d v/dSlm/m2辐射强度IeI=d/dW/sr发光强度Iv基本量cd辐射亮度BeL=dI/(dScos)W/m2sr(光)亮度BvLv=dIv/(dScos)cd/m2辐射照度LeE=d/dAW/m2(光)照度LvMv=d v/dAlx南京工程学院自动化学院辐射强度I 辐射出射度 M辐射亮度L 源特点 点源 面源 面源辐射特点 立体角内 2空间 立体角内 南京工程学院自动化学院1.5 光照度公式和发光强度余弦定律光照度公式和发光强度余弦定律一、光照度公式一、光照度公式 被照明物体表面的光照度和光源在照明方向上的发光强度被照明物体表面的光

24、照度和光源在照明方向上的发光强度I及被照明表面的倾斜角及被照明表面的倾斜角的余弦成正比与距离的平方成反的余弦成正比与距离的平方成反比比南京工程学院自动化学院二、发光强度余弦定律二、发光强度余弦定律 表示发光体在表示发光体在各方向上亮度相同各方向上亮度相同时，不同方向时，不同方向上的发光强度变化规律。上的发光强度变化规律。南京工程学院自动化学院假定发光面光亮度为假定发光面光亮度为L，则它在半顶角，则它在半顶角u内辐射的内辐射的总光通量为总光通量为 南京工程学院自动化学院若发光面单面发光则：若发光面单面发光则：若发光面双面发光则：若发光面双面发光则：南京工程学院自动化学院例例1、直径、直径20mm

25、的的标标准白板，在与板面法准白板，在与板面法线线方向成方向成30o方向方向测测得的得的发发光光强强度度为为1cd，求：求：1、标标准白板在与法准白板在与法线线成成60方向上的方向上的发发光光 强强度度 2、白板的光亮度、白板的光亮度 3、白板在半、白板在半顶顶角角u15的的圆锥圆锥内内辐辐射的射的 光通量光通量 4、白板、白板辐辐射的射的总总光通量光通量南京工程学院自动化学院解：解：1 1、2 2、3 3、4 4、南京工程学院自动化学院例例2、一只功率为、一只功率为5mw的氦氖激光器，光源的氦氖激光器，光源光视效能为光视效能为152lm/W，发光面直径为，发光面直径为1mm发发散角（光束半散角

26、（光束半顶顶角）角）为为1mrad，求求 1、激光器的、激光器的总总光通量光通量 2、发发光光强强度度 3、激光器、激光器发发光面的光亮度光面的光亮度 4、激光束在、激光束在5m远远的屏幕上的屏幕上产产生的光照度生的光照度南京工程学院自动化学院解：解：1 1、2 2、3 3、4 4、南京工程学院自动化学院1.6 全扩散表面的光亮度全扩散表面的光亮度定义：如果被照明表面在各个方向上的光定义：如果被照明表面在各个方向上的光亮度是相同的，称这样的表面为全扩散亮度是相同的，称这样的表面为全扩散表面。表面。设一个全扩散表面的光照度为设一个全扩散表面的光照度为E，该表面，该表面的漫反射系数为的漫反射系数为

27、，则该表面的光亮度，则该表面的光亮度为：为：南京工程学院自动化学院照明表面照明表面漫反射系数漫反射系数照明表面照明表面漫反射系数漫反射系数氧化镁氧化镁96粘土粘土16石灰石灰91月亮月亮1020雪雪78黑土黑土510白纸白纸7080黑呢绒黑呢绒14白沙白沙25黑丝绒黑丝绒0.21物体表面的漫反射系数物体表面的漫反射系数南京工程学院自动化学院例例1、发光强度为、发光强度为100cd的白炽灯泡照射在墙壁上，的白炽灯泡照射在墙壁上，墙壁和光线照射方向的距离为墙壁和光线照射方向的距离为3m，墙壁的漫反射，墙壁的漫反射系数为系数为0.7，求与光线照射方向相垂直的墙面上的，求与光线照射方向相垂直的墙面上的

28、光照度及墙面的光亮度。光照度及墙面的光亮度。解：解：南京工程学院自动化学院结论：当被照明表面的光照度给定时，光结论：当被照明表面的光照度给定时，光亮度与漫反射系数成正比，墙面越白，漫亮度与漫反射系数成正比，墙面越白，漫反射系数值越大，屋子显得越亮反射系数值越大，屋子显得越亮南京工程学院自动化学院1.7 光学系统中光束的光亮度光学系统中光束光亮度的普通关系式为光学系统中光束光亮度的普通关系式为式中式中n n1 1、n2、nk为不同介质的折射率为不同介质的折射率，L1、L2、Lk为相应介质中光束的光亮度，为相应介质中光束的光亮度，L0称为折合光亮度。称为折合光亮度。结论：如果不考虑光能损失，则位于

29、同一条光线上结论：如果不考虑光能损失，则位于同一条光线上的所有各点，在该光线传播的方向上折合光亮度不的所有各点，在该光线传播的方向上折合光亮度不变变南京工程学院自动化学院几种不同情况讨论：n1=n2,L1=L2=L0.表示光在均匀介质中传播时，光亮度不变，实际光亮度等于折合光亮度。n1=-n2,L1=L2=L0.表示光束在两物质分界面反射，光亮度不变，实际光亮度等于折合光亮度。n1n2，表示光束从折射率为n1的 介质折射进入折射率为n2的介质中，折射光束的光亮度L2和入射光束的光亮度L1之间的关系。南京工程学院自动化学院 理想成像时，由物点理想成像时，由物点A发出的光线均通过像点发出的光线均通

30、过像点A，因此，物像光亮度，因此，物像光亮度L、L之间存在关系之间存在关系若计算光能损失，透过率为南京工程学院自动化学院1.8 人眼的主管光亮度主观光亮度：主观光亮度：外界物体通过眼睛成像在视网外界物体通过眼睛成像在视网膜上，刺激视神经细胞引起视觉，由于刺膜上，刺激视神经细胞引起视觉，由于刺激的强度不同，而产生亮暗的感觉，我们激的强度不同，而产生亮暗的感觉，我们把这种刺激强度称为主观光亮度。把这种刺激强度称为主观光亮度。根据视网膜上成像的情况，将外界的物体根据视网膜上成像的情况，将外界的物体分成分成2类：类：1、发光点发光点 2、发光面发光面南京工程学院自动化学院一、发光点定义：假定物体对眼睛

31、的视角很小，在网膜上所成的像小于一个视神经细胞的直径，这称为发光点。南京工程学院自动化学院由于发光点的像小于一个视神经细胞的直径，对该细胞刺激的强度取决于它所接收的光通量。结论：发光点的情况，主观光亮度和光源的发光强度结论：发光点的情况，主观光亮度和光源的发光强度I以及瞳孔以及瞳孔直径的平方成正比，与光源到眼睛的距离成反比直径的平方成正比，与光源到眼睛的距离成反比南京工程学院自动化学院二、发光面定义：物体较大在视网膜上所成的像有较大面积，这称为发光面。南京工程学院自动化学院 发光面在视网膜上所成的像具有一定的大小，发光面在视网膜上所成的像具有一定的大小，对于视神经细胞刺激的强度取决于网膜上单位

32、面积对于视神经细胞刺激的强度取决于网膜上单位面积所受的光通量，即光照度。所受的光通量，即光照度。像平面光照度公式：其中结论：同时观察结论：同时观察2个发光面，瞳孔的直径个发光面，瞳孔的直径a相同，不论相同，不论物体的距离如何，感觉明亮的发光面亮度一定大。物体的距离如何，感觉明亮的发光面亮度一定大。南京工程学院自动化学院例：有2个灯泡A和B，离人眼的距离分别为5m和10m，此时人眼感觉灯泡一样亮，问A、B的发光强度是否相等，二者发光强度应满足什么关系？解：南京工程学院自动化学院思考：我们晚上看天空的星星，有的亮有的暗，是否说明亮的星星光亮度大？为什么？当我们白天看到天空的白云比蓝天亮，这里所说的亮是指什么？答：不能说明星星的光亮度大，星星是点光源，点光源对人眼产生的主观光亮度是以进入人眼的光通量的多少有关系，而光通量的大小又与点光源与人眼之间的距离有关，与光亮度没有必然的联系；白天白云比蓝天要亮，这里的亮确实是指光亮度。