辐射度学与光度学课件.ppt

《辐射度学与光度学课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《辐射度学与光度学课件.ppt（28页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、辐射度学与光度学第1页，此课件共28页哦-光学波段光学波段-紫外可见光10156182191210101010101010324X射线射线红外电磁波谱电磁波谱1-1-3 辐射度学与光度学辐射度学与光度学可见光波段红外紫外照明照明显示显示与人的眼睛有关！与人的眼睛有关！光电探测：本质上说，定量地测量光辐射信号的强度。光电探测：本质上说，定量地测量光辐射信号的强度。无线电波无线电波微波微波第2页，此课件共28页哦辐射度学辐射度学与光度学与光度学在光在光辐射辐射探测中，定量地描述辐射能强度的量有两类：探测中，定量地描述辐射能强度的量有两类：一类是物理的一类是物理的辐射度学辐射度学量，量，电磁辐射量能

2、量度来描述光辐射，客观物理量；电磁辐射量能量度来描述光辐射，客观物理量；另一类是生理的另一类是生理的光度学光度学量，量，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度小的强度 即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。射量的度量。因此，因此，辐射度量辐射度量和和光度量光度量两者在研究方法和概念上非常类似，两者在研究方法和概念上非常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。它们的基本物理量也是一一对应的。第3页，此课件共28页哦立体角的概念立体角的概念l在光辐射测量中，经常用到一个在光

3、辐射测量中，经常用到一个 涉及到空间的几何量涉及到空间的几何量立体角。立体角。l任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的一定空间内。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。立体空间问题。l与平面角度相似，把整个空间以某一点为中心划分成若干与平面角度相似，把整个空间以某一点为中心划分成若干立体角。立体角。第4页，此课件共28页哦定义定义:一个任意形状椎面所包含的一个任意形状椎面所包含的空间空间称为立体称为立体角。符号：角。符号：或或 单位：单位：Sr （球面度）（球面度）l A是

4、半径为是半径为R的球面的一的球面的一部分，部分，RAO先以球面为例：先以球面为例：Al其边缘各点对球心其边缘各点对球心O连线所连线所包围的那部分包围的那部分空间，空间，立体角。立体角。第5页，此课件共28页哦l单位立体角单位立体角：在以在以O为球心、为球心、R为半径的球上，若立体角为半径的球上，若立体角截出的球面部分的面积为截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对，则此球面部分所对应的立体角称为单位立体角，或一球面度。应的立体角称为单位立体角，或一球面度。dS立体角的数值：立体角的数值：部分球面面积部分球面面积A与球半径与球半径R平方之比，即平方之比，即:第6页，此课件共28页哦 一般情况

5、：一般情况：l对于一个给定顶点对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积和一个随意方向的微小面积dS，它们对应的立体角为，它们对应的立体角为为为dS 与投影面积与投影面积 dA的夹角，的夹角，R为为O 到到dS中心的距离。中心的距离。RdSdAo第7页，此课件共28页哦特例：特例：l整个球面所对应的立体角：整个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(全球所对应的立体角是整个空间，又称为全球所对应的立体角是整个空间，又称为4空间空间.)l同理，半球所对应的立体角为同理，半球所对应的立体角为2空间。空间。第8页，此课件共28页哦一、辐射度学的基本物理量一、辐射度学的基本物理量

6、1辐射能辐射能Q Q 能量的概念能量的概念 辐辐射射能能是是一一种种以以电电磁磁波波的的形形式式发发射射、传传播播或或接接收收的的能能量量，单单位位为为J(焦耳焦耳)。当当辐辐射射能能被被物物质质吸吸收收时时，可可以以转转换换成成其其它它形形式式的的能能量量，如如热热能能、电能等。电能等。2 2辐射通量辐射通量功率的的概念功率的的概念 辐射通量又称辐射功率辐射通量又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率，是辐射能的时间变化率 单位为单位为W(瓦瓦)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能，第9页，此课件共28页哦3辐射强度辐射强度 I I 点点辐辐射射源源在在给

7、给定定方方向向上上单单位位立体角内的辐射通量立体角内的辐射通量.单位：单位：Wsr (瓦每球面度瓦每球面度)I=d d 在所有方向上辐射强度在所有方向上辐射强度I都相同的都相同的点点辐射源（均匀辐射源）在有限立体辐射源（均匀辐射源）在有限立体角角内发射的辐射通量为内发射的辐射通量为:=I 在空间所有方向在空间所有方向(4)上发射的辐射通量为：上发射的辐射通量为：=4I xyz为总的辐射功率为总的辐射功率 第10页，此课件共28页哦4 4辐射出射度辐射出射度M M 辐出度辐出度 扩展辐射源单位面积所辐射的通量 即：M=单位为W(瓦每平方米)d是扩展源表面dS在各方向上，通常为半空间即2立体角所

8、发出的总的辐射通量，dsddS第11页，此课件共28页哦辐照度E和辐出度M的比较：相同：单位相同，区别：辐照度E是描述辐射接收面（探测器）所接收的 辐射特性 辐出度M则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。5 5辐射照度辐射照度E E 辐照度辐照度 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，即：即：E 单位：单位：Wm2(瓦每平方米瓦每平方米)dA是投射辐射通量是投射辐射通量d的元面积的元面积 dd A A第12页，此课件共28页哦6辐射亮度辐射亮度 Ll辐射亮度定义为扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量：扩展辐射源扩展辐射

9、源第13页，此课件共28页哦7 7光谱辐射量光谱辐射量辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。第14页，此课件共28页哦光谱辐射通量光谱辐射通量（）辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。其关系式为：单位：Wm(瓦每微米)，或Wnm(瓦每纳米)。辐射源的总辐射通量：第15页，此课件共28页哦前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：谱辐射量相对应的关系：

10、光谱辐照度：光谱辐射出射度：光谱辐射亮度：第16页，此课件共28页哦二、光度学的基本物理量二、光度学的基本物理量人眼的结构：第17页，此课件共28页哦1光谱光视效率光谱光视效率 现现象象：人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。由于受视觉生理和心理作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。国国际际照照明明委委员员会会（CIE）根根据据对对不不同同的的人人的的大大量量观观察察结结果果，确确定定了了人人眼眼对对各各种种波波长长光光的的平平均均相相对对灵灵敏敏度度，称称之之为为“标标准准光光度度观观察察者者”光谱光视效率，或称之为视见函数光谱光视效

11、率，或称之为视见函数。第18页，此课件共28页哦人眼的光谱光视效率的数值人眼的光谱光视效率的数值波长（波长（nm）波长（波长（nm）明视觉明视觉 明视觉明视觉 暗视觉暗视觉 暗视觉暗视觉第19页，此课件共28页哦暗视觉光谱光视效率暗视觉光谱光视效率虚虚线线：亮度小于0.001cd/时的暗视觉光谱光视效率，用V()表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的；最大值：507nmV()V()明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率实实线线：亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V()表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的，最大值在555nm处。第20页，

12、此课件共28页哦2 2光度学的基本物理量光度学的基本物理量 在辐射度量学中介绍的各个基本量、M、I、L和E对整个电磁波谱都适用；而在光度学中光度量和辐射度量的定义是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波段(380nm780nm)才有意义。为避免混淆，在光度量符号上加下标“v”。l光度学中相应量：V、MV、IV、LV和 EVl与辐射度量：、M、I、L和E之间的对应关系由表给出。第21页，此课件共28页哦辐射度量 符号 单位 光度量符号单位辐射能 QJ(焦)光 量 QV lms辐射通量W（瓦）光通量Vlm（流明）辐照度EWm2光照度EVlx=lm/m2辐出度MWm2光出射度MV lm/m2 辐射强

13、度IWsr-1发光强度IVcd=lm/sr（坎德拉）辐射亮度LWsr-1m2光亮度LV lm/(m2.sr)辐射度量和光度量的对照表辐射度量和光度量的对照表第22页，此课件共28页哦l由于人眼对相同能量、不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，l因而按人眼的视觉特性V()来评价的辐射通量即为光通量V，这两者的关系为：式中，Km为最大光谱光视效率，亦称为光功当量例如：光通量例如：光通量V的定义的定义第23页，此课件共28页哦Km表示人眼对波长为555nmV(555)=1光辐射产生光感觉的效能。按国际实用温标IPTS68的理论计算值为 Km683(lm/W)Km确定之后，即可对光度量和辐射度

14、量之间进行准确的换算。由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。同理，其它光度量与辐射量之间的关系：第24页，此课件共28页哦光度量中的单位光度量中的单位1.最基本的是最基本的是发光强度发光强度单位：坎德拉单位：坎德拉(Candela)cd；国际单位制中七个基本单位之一。定 义：频 率 为5401012Hz(对 应 在 空 气 中555nm波 长)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1683W/sr时，在该方向上的发光强度为1cd。2.光通量光通量的单位是流明的单位是流明(lm)1lm它是发光强度为1cd的点光源在单位立体角内1sr发出的光通量。3.3.光照度光照度的单位：勒克斯的单位：勒克斯(

15、lx)1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1面积上所产生的光照度。第25页，此课件共28页哦4.4.光光亮度的单位：亮度的单位：lm/(m2.sr)cd/m2 常用：熙提(sb)Sb=lm/(cm2.sr)常见光源常见光源亮度：亮度：晴天晴天：10000 cd/m2 晴天日落后晴天日落后：1 cd/m2 蜡烛火焰：约蜡烛火焰：约0.5sb 钨丝灯泡：约钨丝灯泡：约500sb 典型照度：典型照度：办公室工作：办公室工作：20100 lx 满月的地面：满月的地面：0.2 lx 晴朗夏日采光良好的室内：晴朗夏日采光良好的室内：100 500 lx第26页，此课件共28页哦左边是光通量，其单位是流明

16、(lm)：右边的()d是光谱辐射通量，单位是瓦(w/nm），V()是光视效率，所以等号右边引进一个系数Km，从而使两边的单位一致。l显然Km的单位为流明瓦(lm/W)称为最大光谱光视效能 Km683 lmW表示在人眼光谱光视效率最大(555nm)处，1W的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句话说，此时1lm相当于1683W。第27页，此课件共28页哦三、辐射度与光度中的基本定律三、辐射度与光度中的基本定律余弦定律余弦定律sS0S和S对O点所张的立体角是相同的，对于两个面来讲其辐射通量是相同的，两个面的辐照度分别为：由于所以任一表面上的辐照度随该表面法任一表面上的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间夹角的线和辐射能传输方向之间夹角的余弦而变化。余弦而变化。第28页，此课件共28页哦