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光电子技术光电子技术 Photoelectronic TechniquePhotoelectronic Technique 辐射度量与光度量辐射度量与光度量 主讲：主讲：周自刚周自刚 助教：助教：范宗学范宗学 辐射度量 光度量 两者关系 1 2 3 1.2 辐射度量和光度量 44 辐射度学与光度学 辐射度学(Radiometry )：研究各种电磁辐射强弱的学科的一门科学 光度学(Photometry )：研究可见光辐射强弱的学科辐射度学的一部分 光度学的研究基于两个基本假设： 光：沿光线方向进行的能量流，遵守能量守恒定律，即光束在单位时间 内通过任一截面的能量为常数 光源：既可以是一个实际的发光体，也可以是光源自身的像或者是一个 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（W）或者焦耳（J）。辐射度学 适用于整个电磁波段。（是客观物理量体系） 符号角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。 辐射度单位和光度单位两套不同的体系 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 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。（是主观生理反映量体系） 42 1 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 是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）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、 电能等 辐射能 40 单位：焦耳J 光源在单位体积内的辐射能称为光源的辐射能密度we we=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 用e表示，又称为辐射功率，是辐射能的时间变化率 是单位时间内发射、传播或接收的辐射能 辐射通量 39 单位：瓦特 （W）或焦耳每秒（J/s） 就是辐射体在单位面积内所辐射的通量，是反映物体辐射能力的物理 量辐射出射度（Me） 面光源A向半球面空间发射的总辐射通量 辐射出射度 38 单位：瓦特每平方米（W/m2） 是针对点辐射源而言定义的 在单位时间内、给定方向上、单位立体角内所辐射出的能量 点光源在有限立体角内发射的辐通量 S d de 辐射强度 单位：瓦特球面度-1（Wsr-1） 37 由辐射表面定向发射的辐射强度与该面元在垂直于该方向的平面 上的正投影面积的比值 S d dS d 辐射亮度 单位：瓦特/球面度米2（W/srm2） 36 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，与方向角无关。 余弦辐射体或朗伯体 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 35 投影在单位面积上的辐射通量，或照射在面元dA上的辐射通量与 该面元的面积之比。 注意：辐照度是指从物体表面接收辐射通量 辐出度是指从面光源表面发射辐射通量 辐射照度 单位：瓦特每平方米（W/m2） 34 光谱辐射度量 也叫辐射量的光谱密度，是辐射量波长的变化率。 单位波长间隔内对应的辐射度量光谱辐射度量 33 (1)光谱辐射通量:光源发出的光在每单位波长间隔内 的辐射通量，也称为光谱密度或单色辐射通量 = e/ 光谱辐射度量 32 在波长处的光谱辐射通量为 （）= de () /d 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M:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射 出射度（单位面积） M（）= dMe () /dMe M () (3)光谱辐射强度I:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射强 度（单位立体角） I（）= dIe () /dIe I () 光谱辐射度量 30 (4)光谱辐射亮度L:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射亮 度（垂直于该方向的平面上的正投影面积） L（）= dLe () /dLe L () (5)光谱辐射照度E:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射强 度（接受面） E（）= dEe () /dEeE () 29 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 参数量光度量来描述 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，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 一般而言，对绿光最灵敏，而对红光较差 国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值 的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，标准广 度观察者的光谱光视效率（简称视件函数 V（)） V()1 表 标准适光性视见函数值 辐射颜色/nmV辐射颜色 /nmV辐射颜色 /nmV 紫4000.0004绿5300.8620橙6500.1070 紫4100.0012绿5400.9540红6600.0610 紫4300.0116黄5551.0000红6800.0170 蓝4400.0230黄5600.9950红6900.0082 蓝4500.0380黄5700.9520红7000.0041 青4600.0600黄5800.8700红7100.0021 青4700.0910黄5900.7570红7200.00105 青4800.1390橙6000.6310红7300.00052 绿5000.3230橙6200.3810红7500.00012 绿5200.7100橙6400.1750 26 1.0 400505555750 /nm V() 人眼的视见函数曲线 视见函数 25 光通量 定义：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值 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 单位： lm（流明） 表达式：设dV为波长处d间隔的辐射能通量，相应波长光通量d： 总光通量： 24 点光源的发光强度I 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。 发光强度：点光源在给定方向上，单位立体角内所发出的光通量 单位：坎德拉（cd），或lm/sr（球面度），1cd=1lm/sr 发光强度 点光源的发光强度 dS 23 点光源向空间某一立体角元d 内辐射的光通量d正比于该立体角 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 若I与方向有关，即I=I(, )，则 若I与方向无关，即I=常数，则 22 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 E= d /dA 面光源的光亮度B 面光源（扩展光源）：具有一定空间发光面积， 且在观察区域内其几何线度不可忽略。 光亮度：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。 意义：元面积dS向空间与法线夹角为的r方向上的立体角元d内辐射的光通量d， 正比于d和dS在r方向的投影dScos，其比例系数B定义扩展光源的光亮度 单位：lm/(m2sr)（流明每平方米球面度），或lm/(cm2sr) 即sb（熙提） 扩展光源的亮度 dS d r n 20 光亮度 说 明: 发光强度和光亮度均针对可见光而言，并带有探测器的主观因素。在 辐射度学中，只要将光通量以辐射能通量代替，流明以瓦特代替， 则发光强度即辐射强度，光亮度即辐射亮度。辐射强度和辐射亮度 仅仅反应光源自身的辐射特征，与探测器无关。 光亮度反映扩展光源在与面法线成角度方向单位投影面积上的发 光强度 19 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。 单位： lx（勒克斯）、 ph（辐透）。其中：1lx=1lm/m2，1ph=1lm/cm2 。 说明： E表征受照面的明亮程度。E还可以表示辐照度或辐射能流密度。 表述：对于给定的受照面面元dS，其上所接收到的或投射到其上的光通量 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 光照度 18 点光源产生的光照度 点光源向受照面元dS对其所张立体角元d内辐射的光通量： 点光源在受照面元dS上的光照度: 结论：点光源所产生的光照度E，正比于光源的发光强度I和光束方向角的余弦 cos，反比于光源点到受照面距离r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 dS dW S n 点光源引起的光照度 r 17 面光源产生的光照度 面光源元面积dS发出的到达受照面元面积 dS上的光通量： 和 ：面元dS 和dS的连线与各自面法线的夹角。 dS引起的光照度： 总的光照度： 说明：光源面与受照面具有对称性。若以受照面为光源面，且亮度仍为B，则在原光 源面上将产生同样大小的光通量。 面光源引起的光照度 dS dW S n r q dW n q dS 16 辐射度量光度量 物理量名称 符号定义或定义式单位物理量名称 符号定义或定义式单位 辐射能 辐射通量 辐射出射度 辐射强度 辐射亮度 辐射照度 Qe e Me Ie Le Ee edQe/dt Me=dedS Ie=de/d Le=dIe/(dScos) Ee=de/dA J W W/m2 W/sr W/m2sr W/m2 光量 光通量 光出射度 发光强度 (光)亮度 (光)照度 Qv v Mv Iv Lv Ev Qv=v dt v=Iv d Mv=dv/dS Iv=dv/d Lv=dIv/(dScos) Ev=dv/dA lms lm lm/m2 cd cd/m2 lx 15 3 两者关系 S d de dS dS n 朗伯定律 在方向上： 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: 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。 14 3 两者关系 余弦定律同理可用于光照度上 dS n dS 13 3 两者关系 平方反比定律 S d de dS dS n 面积元dS对点光源所张的立体角 内的光通量 dS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 波的特性。 12 例 一氦氖激光器发出10mW的波长为632.8nm的激光束，发散角 为1mrad，发散角 与立体角的关系为 ，若波长632.8nm光 波的光谱光效率 0.24，试求： (1)此激光束的光通量和发光强度； (2)若此激光输出光束的截面的直径为1mm,求其光亮度； (3)以这样的激光束照射在10m处的白色屏幕上的光照度。 11 解：(1)光通量 相应的立体角为 发光强度 10 解：（2）由于激光束的方向与光束输出截面dA的法线相一致 9 解：（3）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8月10-12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 赛的主题是“光与信息”。其中”基于光电导航的无 人驾驶智能车”题目会用到哪些光度学和辐射度学 中的基本知识？ 详情查询网站/gdjs/ 7 课后作业： 1、右图是光源A、B的配置图，在P点由 于光源A产生的法线照度是100lx，光源B产生 的法线照度是80lx。求两光源在P 点产生的水 平照度是多少？ 6 提示： 法线照度：与入射光线垂直面上的照度 水平面照度：对某一点P而言，其水平面的照度 两者关系： 水平面照度=法线照度cos 课后作业： 5 2、有房间宽度是15米，进深12米的教室。在屋顶安装40瓦日光灯的双灯灯具30套， 地面的平均照度是多少？（假设每根日光灯管的光通量是2400流明，照度率