第二章光度与辐射度基础.优秀PPT.ppt

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1、 红外技术及应用红外技术及应用1其次章 光度与辐射度基础 红外技术及应用红外技术及应用2教学目的：在红外物理（技术）及其应用的科学实践和工教学目的：在红外物理（技术）及其应用的科学实践和工程设计中，常常会遇到各种形式的辐射源发出辐射的问题程设计中，常常会遇到各种形式的辐射源发出辐射的问题和测量问题。本章要学习有关辐射量和光度量的基本概念、和测量问题。本章要学习有关辐射量和光度量的基本概念、定义、单位及计算。定义、单位及计算。学时安排：学时安排：6 6重点、难点：驾驭辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐重点、难点：驾驭辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度的基本概念及计算。射照度的基本概念及计算

2、。红外技术及应用红外技术及应用3引言引言光 学探讨光的本质、特性、传播规律的科学。几何光学以光线在匀整媒质中直线传播的规定为 基础的探讨。(画点、画线)物理光学在证明光是一种电磁波后的探讨。(干涉、衍射等，光可以拐弯了)量子光学现代理论对光的本质所达到的相识。(粒 子性和波动性)说明光是一种能量。红外技术及应用红外技术及应用4光既然是一种传播着的能量，如何度量和定量探讨？光度学与辐射度学：对光能进行定量探讨的科学。光 度 学只限于可见光范围，包含人眼特性。辐射度学规律适用于从紫外到红外波段（光能的大小 是客观的）。有些规律适用于整个电磁波谱。红外物理就是从光是一种能量动身，定量地探讨光的计算和

3、测量问题。红外技术及应用红外技术及应用52-1 描述辐射场的基本物理量描述辐射场的基本物理量一、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。任一光源放射的光能量都是辐射在它四周的确定空间内。因此，在进行有关光辐射的探讨和计算时，也将是一个立体空间问题。与平面角度相像，我们可把整个空间以某一点为中心划分成若干立体角。红外技术及应用红外技术及应用6定义：一个随意形态锥面所包含的空间称为立体角。符号：（omega）单位：Sr（球面度）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

4、 红外技术及应用红外技术及应用7单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角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为dS 与投影面积 dS的夹角，R为O 到dS中心的距离。红外技术及应用红外技术及应用8例例1、球面所对应的立体角：依据定义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4空间.)同理，半球所对应的立体角为2空间。球冠所对应的立体角：当很小时，可用小平面代替球面，5以下时误差1%。红外技术及应用红外技术及应用9 2、球台侧面所对应的立体角：面积为大球面

5、积减去小球面积例例 红外技术及应用红外技术及应用10 3、用球坐标表示立体角例例 红外技术及应用红外技术及应用113、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，在确定范围内积分即可。例例 红外技术及应用红外技术及应用12二、辐射量通常，把以电磁波形式传播的能量称为辐射能，用Q表示，单位为焦耳。h是普朗克常数，是光的频率，与光速c、波长之间都是可换算的.辐射能即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。辐射功率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特地的红外辐射计在离开辐射源确定的距离上进行测量。所以

6、其他辐射量都是由辐射功率（或称为辐射通量）定义的。红外技术及应用红外技术及应用13辐射通量:单位时间内通过某一面积的光辐射能量 单位：W（瓦）Q是辐射能量。与功率意义相同。红外技术及应用红外技术及应用141.辐射强度：I（描述点光源）数学描述：若点辐射源在小立体角内的辐射功率为，则与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。红外技术及应用红外技术及应用15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（有确定面积）.重要：“辐射强

7、度是描述点源特性的辐射量”。红外技术及应用红外技术及应用162.辐射出射度：M（描述面光源，不同源位置）数学描述：若辐射源的微小面积A向半球空间的辐射功率为，则与A之比的极限值定义为辐射出射度.单位：w/物理描述：扩展源单位面积向半球空间放射的功率（或辐射通量）。扩展源总的辐射通量，等于辐射出射度对辐射表面积的积分：A为扩展源面积。红外技术及应用红外技术及应用173.辐射亮度：L（描述面光源，不同位置不同方向）物理描述：辐射源在给定方向上的辐射亮度，是在该方向上的投影面积上、单位立体角内发出的辐射功率。面积元A向小立体角内放射的辐射功率 是二阶小量()2；在方向看到的源面积是A的投影面积 AA

8、cos，红外技术及应用红外技术及应用18因此，在方向上观测到的源表面上该位置的辐亮度就定义为2与A及之比的极限值 单位：w/(Sr)瓦/（平方米球面度）红外技术及应用红外技术及应用194.辐射照度：E（描述受照表面）被照表面积的单位面积上接收到的辐射功率称辐射照度.单位：w/（瓦/米2）红外技术及应用红外技术及应用202.2 光谱辐射量与光子辐射量光谱辐射量与光子辐射量光谱辐射通量：辐射源在+波长间隔内发出的辐射功率，称为在波长处的光谱辐射功率（或单色辐射功率）单位：W/m（瓦/米）严格地讲，单色辐射通量和光谱辐射通量不同，其区分在于“单色辐射通量”比“光谱辐射通量”的波长范围更小一些。红外技

9、术及应用红外技术及应用21留意单位（W/m），光谱辐射通量不是辐射通量的单位W/m2，而是辐射通量与波长的比值，描述的是某一波长或波段的辐射特性。光谱辐射强度 光谱辐射出射度 光谱辐射亮度 光谱辐射照度 红外技术及应用红外技术及应用22二、光子辐射量光子辐射量是单位时间间隔内传输的光子数,(发送或接收).光子数量：NP（无量纲，是纯数字）Q是用频率表示的辐射能。h是一个光子的能量。光子数=总的能量除一个光子的能量 又：=c =c/所以有其次个等号 即 波长 频率 h普朗克常数 c光速所以 或 红外技术及应用红外技术及应用23光子通量：单位时间内传输的光子数 单位：1/S（1/秒）于是有（用光子

10、通量表示的光子辐射量）：光子强度 光子亮度 光子辐射度 光子照度 红外技术及应用红外技术及应用242.3光度量光度量 光度量：辐射量对人眼视觉的刺激值。是主观的，不管辐射量大小，以看到为准。光谱光视效能是评定该刺激值的参数。红外技术及应用红外技术及应用251、光谱光视效能和光谱光视效率 光视效能:光通量 e辐射通量（e物理光能量）即人眼对不同波长的辐射产生光感觉的效率。说明即使辐射通量e不变，光通量v也随着波长不同而变更，K是个比例,但不是常数，是随波长变更的。于是人们又定义了光谱光视效率。光谱光视效率:在波长处的光通量 e 在波长处的辐射通量 红外技术及应用红外技术及应用26光视效率:（物理

11、意义：以光视效能最大处的波长为基准来衡量其他波特长引起的视觉。）在相同的辐射能量下，看到的亮度不同。具体某个波长上的光视效率称为光谱光视效率：红外技术及应用红外技术及应用27几点说明：1.对于相同的辐射能量，光视效率不同。2.“光视效率的最大值在=555nm处”是试验证明。3.绝大部分人眼符合此规律，略有小差异（尤其在可见光波段两端）。4.通过这个结论，可知辐射量与光度量的换算关系 X光度量；Xe辐射量；Km是常数；V()查表。5.明视觉和暗视觉：人眼在环境亮度不同时对颜色的视觉效率不同。明视觉：光亮度大于几个cd/m2；暗视觉：光亮度小于0.01cd/m2。红外技术及应用红外技术及应用28

12、红外技术及应用红外技术及应用292、光通量 单位时间内通过某一面积的光能量（功率）。单位：Lm(流明)对于明视觉：对于暗视觉：红外技术及应用红外技术及应用303、发光强度：点光源在单位立体角内发出的光通量。单位：cd(坎德拉)国际单位制中，candela(坎德拉)的定义是在1979年才更新的。4、光出射度：扩展源单位面积向2空间发出的全部光 通量。单位：Lm/m2(流明)A为扩展源面积 2空间：（半球空间）因扩展源有面积，不同于点光 源，不能向下或向内辐射。红外技术及应用红外技术及应用315、光亮度光源在给定方向上的光亮度L，是在该方向上的单位投影面积上、单位立体角内发出的光通量。单位：cd/

13、m2（坎德拉/平方米）发光强度 光亮度又可表示为 即在给定方向上的光亮度也就是该方向上单位投影面积上的发光强度。红外技术及应用红外技术及应用326、光照度 定义：被照表面积的单位面积上接收到的光通量 称为光照度.单位：Lux（勒克斯）A为被照面积 红外技术及应用红外技术及应用33描述辐射场的基本物理量小节：辐射量 光谱辐射量 光子辐射量 光度量 通量 强度 亮度 出射度 照度 红外技术及应用红外技术及应用34注:1.光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，“辐射”“光”。2.下角标有e、p、，辐射量在与其它量同用时标e。3.从表达式可干脆说出定义及物理意义4.从表达式可干脆说出单位5.出射度和

14、照度的表达式相同、单位也相同，留意一个是放射，一个是接收。红外技术及应用红外技术及应用35三个放射量的区分和关系辐射强度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 红外技术及应用红外技术及应用362-4 朗伯余弦定律和漫辐射源的辐射特性朗伯余弦定律和漫辐射源的辐射特性 一、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）红外技术及应用红外技术及应用37举例：很光滑的反射（镜）面，当有一束光入射其上时，具有很好的（反射）方向性；表面粗糙的反射器，在很大的空间内都

15、有反射，没有强弱之分。描述这种辐射的空间分布的特性公式为 式中 B常数 辐射法线与视察方向夹角 A辐射源面积 辐射立体角即：“志向漫反射源单位表面积向空间指定方向单位立体角 内放射（或反射）的辐射功率和该指定方向与表面法线夹角的余弦成正比。”这就是朗伯余弦定律。具有这种特性的放射体（或反射体）称为余弦放射体（或余弦反射体）。红外技术及应用红外技术及应用38 由辐射亮度的定义知：与上式相比较，则 （常数）红外技术及应用红外技术及应用39“朗伯余弦定律”为另一种形式亮度 法向亮度 方向亮度 因为漫辐射源各方向亮度相等，即L=L，（上二式相等），则I=I0cos该式是朗伯余弦定律的另一种形式，叙述为

16、“各个方向上辐射亮度相等的放射表面，其辐射强度按余弦规律变更”。（物理意义）红外技术及应用红外技术及应用40关于I 与L的一些说明首先I 是针对点光源的定义，而L是针对面光源的定义。“小面元”的辐射元也可以当做点辐射源来看待。红外技术及应用红外技术及应用41二、漫辐射源的辐射特性1、朗伯辐射源的辐射亮度 =B（常数）2、朗伯辐射源的辐射强度 留意：虽各方向亮度相同，但辐射强度不同。I=I0cos =90时，I=0 红外技术及应用红外技术及应用423、辐射出射度为辐射亮度的倍，即M=L小面元在一小立体角内放射的辐射功率为：所以向半球空间放射的功率为：依据M的定义：对朗伯辐射源，L为常量：用球坐标

17、表示 红外技术及应用红外技术及应用432-5 辐射量的基本规律及计算辐射量的基本规律及计算一、距离平方反比定律:描述点辐射源产生的照度的规律。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 此乃距离平方反比定律，是描述点辐射源在某点产生的照度的规律。红外技术及应用红外技术及应用44描述：点辐射源在距离d处所产生的照度，与辐射源的辐射强度I成正比，与距离的平方成反比。但必需留意，被照的平面确定要垂直于辐射投射的方向，假如有

18、确定的角度，则状况如下图所示 此时的照度为 该式也被称为照度的余弦法则。从图中可见，CD=ABcos，即垂直照射时落在CD上的光通量被分散开来落到较大的面积AB上，所以照度就减小了。源越倾斜，照射面积越大，照度就越小。从照度的定义也可看出，在通量不变的状况下，被照面积越大照度越小。红外技术及应用红外技术及应用45二、立体角投影定律：描述面源所产生的照度的定律 （描述一个微小的面辐射源在所辐照平面上某点产生的照度）已知条件如图：小面源尺寸dA ，小面源亮度L，被照表面积为dA，两者距离d，和分别为dA 和dA的法线与d的夹角，并设辐射源为朗伯体。求：一个小面源在平面dA产生的照度。红外技术及应用

19、红外技术及应用46将小面元看成点光源，依据距离平方反比定律，小面源在平面dA产生的照度由亮度的定义 红外技术及应用红外技术及应用47三、朗伯余弦定律（前面已讲）四、组合定律 多个辐射源照射同一点时，照度相加。假如有N个辐射源，I相同，则被照点处的总照度 红外技术及应用红外技术及应用48五、塔尔伯特定律描述辐射通过调制盘后辐射量的减小。调制盘：把恒定的辐射通量变为断续的辐射通量。X 通过调制盘某辐射量 t 辐射量通过调制盘开口的时间 t总 总的时间 X0 原来的辐射量 XX0 （因子）为总开口的角度。每转一周360。调幅式调制盘 红外技术及应用红外技术及应用49调制盘的作用：直流信号变沟通信号确

20、定目标在空间的方位用调制盘进行空间滤波，削减背景干扰提高红外系统的检测性能 红外技术及应用红外技术及应用50傅立叶红外光谱仪：傅立叶红外光谱仪：它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。仪器组成为仪器组成为红外光源摆动的凹面镜摆动的凹面镜迈克尔逊干扰仪检测器样品池参比池同步摆动干涉图谱计算机解析红外谱图还原M1BSIIIM2D Fourier变换红外光谱变换红外光谱仪的特点：仪的特点：（1）扫描速度极快，）扫描速度极快，多次累加可有效地降低多次累加可有效地降低噪声噪声（2）具有很高的辨别）具有很高的辨别率率 通常通常Fourier变

21、换变换 红外光谱仪辨别率达红外光谱仪辨别率达0.1 0.005 cm-1。（3）灵敏度高）灵敏度高 可检测可检测10-8g数数量级的样品。除此之外，量级的样品。除此之外，还有光谱范围宽还有光谱范围宽（100010 cm-1）；）；测量精度高，重复性可测量精度高，重复性可达达0.1%；杂散光干扰；杂散光干扰小；样品不受因红外聚小；样品不受因红外聚焦而产生的热效应的影焦而产生的热效应的影响。响。红外技术及应用红外技术及应用512-6辐射的反射、吸取和透射辐射的反射、吸取和透射 投射到某介质表面上的辐射功率i分为三部分被表面反射，被介质吸取，从介质中透射过去。依据能量守恒定律有 或写为 其中反射率、

22、吸取率和透射率的定义如下：反射率为 吸取率为 透射率为 （三参数亦称比辐射量）与上式比较，有 红外技术及应用红外技术及应用52 光谱比辐射量：在+波长间隔内的、：光谱反射率为 光谱吸取率为 光谱透射率为 ()、()和()都是波长的函数，它们也满足:红外技术及应用红外技术及应用53在1+2波长间隔内的、红外技术及应用红外技术及应用542、朗伯定律和朗伯-比耳定律 1.朗伯定律 假设介质对辐射只有吸取作用，我们来探讨辐射的传播定律。有一平行辐射束在匀整(即不考虑散射)的吸取介质内传播距离为dx路程之后，其辐射功率削减d。试验证明，被介质吸取掉的辐射功率的相对值d/与通过的路程dx成正比，即 式中称

23、为介质的吸取系数，负号表示d是从中削减的数量。将上式从0到x积分，得到在x点处的辐射功率为 式中(0)x=0处的辐射功率 (x)x处的辐射功率 红外技术及应用红外技术及应用55上式就是吸取定律，它表明，辐射功率在传播过程中，由于介质的吸取，数值随传播距离增加作指数衰减。吸取率和吸取系数是两个不同意义的概念（结果与过程）。介质的吸取系数一般与辐射的波长有关。对于光谱辐射功率，可以把吸取定律表示为 式中()为光谱吸取系数.红外技术及应用红外技术及应用56具有两个表面的介质的透射情形 设介质表面(1)的透射率为1()，表面(2)的透射率为2()。对表面(1)有(0)=1()i。若表面(1)和(2)的

24、反射率比较小，且只考虑在表面(2)上的第一次透射(即不考虑在表面(2)与表面(1)之间来回反射所产生的各项透射)，则有=2()(x)。于是，利用以上两式，得到介质的透射率为由上式可以看出，一介质的透射率()等于两个表面的透射率1()、2()和内透射率i()的乘积。辐射在两个表面的介质中传播(1)(2)0 xi(0)(x)红外技术及应用红外技术及应用57设有一功率为的平行单色辐射束，入射到包含很多微粒的非匀整介质上。由于介质中微粒的散射作用，使一部分辐射偏离原来的传播方向，因此，在介质内传播距离dx路程后，接着在原来方向上传播的辐射功率(即通过dx之后透射的辐射功率)，比原来入射功率衰削减了d，

25、试验证明，辐射衰减的相对值d/与在介质中通过的距离dx成正比，即 其中，称()为散射系数。式中的负号表示d是削减的量。散射系数与介质内微粒(或称散射元)的大小和数目以及散射介质的性质有关。散射系数散射系数 红外技术及应用红外技术及应用58假如把上式从0到x积分，则得 式中，(0)是在x=0处的辐射功率，(x)是在只有散射的介质内通过距离x后的辐射功率。介质的散射作用，也使辐射功率按指数规律随传播距离增加而削减。以上我们分别探讨了介质只有吸取或只有散射作用时，辐射功率的传播规律。只考虑吸取的内透射率i()和只考虑散射的内透射率i()的表示式为 红外技术及应用红外技术及应用59假如在介质内同时存在

26、吸取和散射作用，并且认为这两种衰减机理彼此无关。那么，总的内透射率应当是 于是，我们可以写出，在同时存在吸取和散射的介质内，功率的i 辐射束传播距离为x的路程后，透射的辐射功率为 式中，()=()+()称为介质的消光系数。这就叫朗伯定律。红外技术及应用红外技术及应用602.朗伯-比耳定律假设在确定的条件下，每个单元的吸取不依靠于吸取元的浓度。则吸取系数就正比于单位程长上所遇到的吸取元的数目，即正比于这些单元的浓度n，可以写为 式中()(通常是波长的函数)是单位浓度的吸取系数。上式叫做比耳定律。但在某些状况下，以上说法不适用，例如浓度的变更能变更吸取分子的本质或引起吸取分子间的相互作用。红外技术

27、及应用红外技术及应用61散射系数可以写为 式中，n是散射元的浓度，()是单元浓度的散射系数。因为()和()具有面积的量纲，所以又称为吸取截面和散射截面。（可以理解为几率）我们就可以把朗伯定律写为 上式称为朗伯-比耳定律。红外技术及应用红外技术及应用62该定律表明：在距离表面为x的介质内透射的辐射功率将随介质内的吸取元和散射元的浓度的增加而以指数规律衰减。这个定律的重要应用之一是用红外吸取法做混合气体组分的定量分析。常用的红外气体分析仪就是按此原理工作的。红外技术及应用红外技术及应用63红外线气体分析仪 红外技术及应用红外技术及应用64辐射量的计算举例 1、圆盘的辐射强度和辐射功率 设圆盘的辐射

28、亮度为L，面积为A，如图所示。圆盘在与其法线成角的方向上的辐射强度为 式中I0=LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度。圆盘向半球空间放射的辐射功率为，按辐射亮度的定义有 圆盘辐射照度圆盘辐射照度 红外技术及应用红外技术及应用65因为球坐标的d=sindd，则 也可按辐射强度的定义，求得 或按朗伯源的辐射规律M=L，同样可得 红外技术及应用红外技术及应用662、球面的辐射强度和辐射功率设球面的辐射亮度为L，球半径为R，球面积为A，若球面在=0方向上的辐射强度为I0，则在球面上所取得的小面源 dA=R2sindd在=0方向上的辐射强度为 dI0=LdAcos=LR2sincosdd，则 红外技术及

29、应用红外技术及应用67同样的计算可以求得球面在方向的辐射强度I=I0=LR2。可见球面在各方向上的辐射强度相等。球面对整个空间放射的辐射功率为 式中I0=LR2，为球面的辐射强度。红外技术及应用红外技术及应用683、半球面的辐射强度和辐射功率、半球面的辐射强度和辐射功率设半球球面的辐射亮度为L，球半径为R，如图所示，若球面在=0方向上的辐射强度为I0，则有 半球球面在方向的辐射强度为 可见半球球面在各方向上的辐射强度是不相等的。半球面辐射照度 红外技术及应用红外技术及应用69半球球面对整个空间放射的辐射功率为 以上的计算都是辐射亮度为常数的朗伯源的状况。对于非朗伯源，辐射亮度不为常数，而与方向有关。红外技术及应用红外技术及应用70