大学物理下_第12章_辐射度学和光度学基础.pdf

大学物理1 大学物理2 12 1 辐射度学的基本物理量辐射度学的基本物理量 12 1 辐射度学的基本物理量辐射度学的基本物理量 12 2 光度学的基本物理量光度学的基本物理量 12 3 照度定律照度定律 大学物理3 大学物理 辐射度学与光度学 辐射度学辐射度学 Radiometry 是研究电磁辐射能测量的一是研究电磁辐射能测量的一 门科学 门科学 是用能量单位描述光辐射能的客观物理量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量 辐射度量辐射度量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量 光度学光度学 Photometry 是研究光度测量的一门科学 是研究光度测量的一门科学 光度量光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺 激大小的度量激大小的度量 激大小的度量激大小的度量 4 大学物理 光辐射光辐射 以电磁波形式或粒子以电磁波形式或粒子 光子光子 形式传播的能量形式传播的能量 以电磁波形式或粒子以电磁波形式或粒子 光子光子 形式传播的能量形式传播的能量 它们可以用光学元件反射 成像或色散 这种能量它们可以用光学元件反射 成像或色散 这种能量 及其传播过程称为光辐射 一般认为其波长在及其传播过程称为光辐射 一般认为其波长在 10nm1mm 或频率在或频率在3 1016Hz 3 1011Hz范围内范围内 10nm 1mm 或频率在或频率在3 1016Hz 3 1011Hz范围内范围内 一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分 成三部分 紫外辐射 可见光和红外辐射 一般在成三部分 紫外辐射 可见光和红外辐射 一般在 可见到紫外波段波长用可见到紫外波段波长用nm 在红外波段波长用在红外波段波长用 m可见到紫外波段波长用可见到紫外波段波长用nm 在红外波段波长用在红外波段波长用 m 表示 波数的单位习惯用表示 波数的单位习惯用cm 1 5 大学物理 辐射度单位辐射度单位和和光度单位光度单位两套不同的体系 两套不同的体系 辐射度单位体系中辐射度单位体系中 辐通量辐通量 又称为辐射功率又称为辐射功率 或或辐射度单位体系中辐射度单位体系中 辐通量辐通量 又称为辐射功率又称为辐射功率 或或 者辐射能是基本量 是只与辐射客体有关的量 其基者辐射能是基本量 是只与辐射客体有关的量 其基 本单位是瓦特本单位是瓦特 W 或者焦耳或者焦耳 J 辐射度学适用于辐射度学适用于本单位是瓦特本单位是瓦特 W 或者焦耳或者焦耳 J 辐射度学适用于辐射度学适用于 整个电磁波段 整个电磁波段 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 被选作基本量的不是光通量而是发光强度 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 其基本单位是坎德拉 光度学只适用于可见光波段 物理量符号标角标 物理量符号标角标 e 表示辐射度物理量 表示辐射度物理量 角标角标 v 表示光度物理量表示光度物理量 6 角标角标 表示光度物理量表示光度物理量 大学物理 12 1 辐射度学的基本物理量 7 大学物理 一一 辐射能辐射能辐射能辐射能 辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波辐射能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 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 可以转变为其当辐射能被其它物质吸收时 可以转变为其 它形式的能量它形式的能量 如热能如热能 电能等电能等 它形式的能量它形式的能量 如热能如热能 电能等电能等 单位 焦耳单位 焦耳J hQ hQe 8 大学物理 二 辐射通量 辐射通量辐射通量 e又称为辐射功率 是指以辐射形又称为辐射功率 是指以辐射形 式发射 传播或接收的功率 式发射 传播或接收的功率 单位时间内流过的辐射能量单位时间内流过的辐射能量 单位时间内流过的辐射能量单位时间内流过的辐射能量 单位单位 瓦特瓦特 W单位单位 瓦特瓦特 W dt dQe e dt 9 大学物理 三 辐射出射度 辐射出射度辐射出射度M 是用来反映物体辐射能力的物理量是用来反映物体辐射能力的物理量 辐射出射度辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量是用来反映物体辐射能力的物理量 辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量 辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量 单位 瓦特每平方米 单位 瓦特每平方米 W m2 e e d M dA e dA 面光源面光源A A向的半球面空间发射的向的半球面空间发射的总辐射通量总辐射通量面光源面光源A A向的半球面空间发射的向的半球面空间发射的总辐射通量总辐射通量 dAM 10 dAM A ee 大学物理 四 辐射强度 点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角 内的辐射通量内的辐射通量 内的辐射通量内的辐射通量 单位单位 瓦特瓦特 球面度球面度 1 W sr 1 单位单位 瓦特瓦特 球面度球面度 1 W sr 1 d S d e d d I e e d 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 dI ee 内发射的辐通量内发射的辐通量 d ee 11 大学物理 五 辐射亮度 面辐射源在某一给定方向上的辐射通量 面辐射源在某一给定方向上的辐射通量 单位 瓦特单位 瓦特 球面度球面度 米米2 W sr m2 d dS d S coscos 2 dAd d dA dI L ee e 12 coscosdAddA 大学物理 有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 cosdIdI 余弦辐射体或朗伯体余弦辐射体或朗伯体 cos 0ee dIdI 沿其法线方向的辐射强度沿其法线方向的辐射强度 余弦辐射体或朗伯体余弦辐射体或朗伯体 dI 沿其法线方向的辐射强度沿其法线方向的辐射强度 0 0 A e ee dI LL d 余弦辐射体的辐射亮度余弦辐射体的辐射亮度 可见 余弦辐射体的辐射亮度是均匀的 与方向可见 余弦辐射体的辐射亮度是均匀的 与方向 角角 无关无关 0 A e ee d ML d 角角 无关无关 余弦辐射体的辐射出射度余弦辐射体的辐射出射度 13 Ad 余弦辐射体的辐射出射度余弦辐射体的辐射出射度 大学物理 六 辐射照度 在辐射在辐射接收面接收面上的辐照度定义为照射在面元上的辐照度定义为照射在面元 上的辐射通量与该面元的面积之比上的辐射通量与该面元的面积之比 dA上的辐射通量与该面元的面积之比上的辐射通量与该面元的面积之比 单位单位 瓦特每平方米瓦特每平方米 W m2 单位单位 瓦特每平方米瓦特每平方米 W m2 d dA d E e e 不要把辐照度不要把辐照度Ee与辐出度与辐出度Me混淆起来 虽然两者单位混淆起来 虽然两者单位 相同 但定义不一样 辐照度是从物体表面接收辐射通 量的角度来定义的 辐出度是从面光源表面发射辐射的 相同 但定义不一样 辐照度是从物体表面接收辐射通 量的角度来定义的 辐出度是从面光源表面发射辐射的 14 角度来定义的角度来定义的 大学物理 七 光谱辐射度量 单位波长间隔内对应的辐射度量 称为光谱单位波长间隔内对应的辐射度量 称为光谱 辐射度量 也叫辐射量的光谱密度 是辐射量波辐射度量 也叫辐射量的光谱密度 是辐射量波 长的变化率长的变化率 长的变化率长的变化率 光谱辐射度量与辐射度量之间满足光谱辐射度量与辐射度量之间满足 dX 光谱辐射度量与辐射度量之间满足光谱辐射度量与辐射度量之间满足 d dX X e e dXX ee 0 d 15 大学物理 12 2 光度学的基本物理量 16 大学物理 光度量光度量光度量光度量 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射 计量单位计量单位 在光频区域光度学的物理量可以用在光频区域光度学的物理量可以用计量单位计量单位 在光频区域光度学的物理量可以用在光频区域光度学的物理量可以用 与辐度学的基本物理量对应的来表示 其定义完全一与辐度学的基本物理量对应的来表示 其定义完全一 一对应一对应 一对应一对应 与辐射度量体系不同 在光度单位体系中 被选与辐射度量体系不同 在光度单位体系中 被选 作基本单位的不是光量或光通量作基本单位的不是光量或光通量 而是而是发光强度发光强度 其其作基本单位的不是光量或光通量作基本单位的不是光量或光通量 而是而是发光强度发光强度 其其 单位是单位是坎德拉坎德拉 坎德拉不仅是光度体系的基本单位坎德拉不仅是光度体系的基本单位 单位是单位是坎德拉坎德拉 坎德拉不仅是光度体系的基本单位坎德拉不仅是光度体系的基本单位 而且也是而且也是国际单位制 SI 的七个基本单位之一国际单位制 SI 的七个基本单位之一 17 大学物理 一 光谱光视效能和光谱光视效率 光视效能 光视效能 光视效能描述某一波长的单色光辐射通量光视效能描述某一波长的单色光辐射通量 可以产生多少相应的单色光通量可以产生多少相应的单色光通量 可以产生多少相应的单色光通量可以产生多少相应的单色光通量 同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之 即同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之 即 e v K 单位 流明 瓦特 lm W 单位 流明 瓦特 lm W e 通过对标准光度观察者的实验测定 在辐射频率通过对标准光度观察者的实验测定 在辐射频率 540540 1012Hz1012Hz 波长波长555nm555nm 处处 K K 有最大值有最大值 其数值为其数值为540540 1012Hz1012Hz 波长波长555nm555nm 处处 K K 有最大值有最大值 其数值为其数值为 Km 683lm W Km 683lm W 单色光视效率是单色光视效率是K K 用用KmKm归一化的结果归一化的结果 定义为定义为 K1 单色光视效率是单色光视效率是K K 用用KmKm归一化的结果归一化的结果 定义为定义为 18 e v mm KK K V 1 大学物理 1 0 0 8 V V 0 6 V V 效 率 0 4 光视 0 2 400500600700800 0 0 19 波 长 nm 大学物理 二常用辐度量和光度量之间的对应关系 辐射度物理量对应的光度量辐射度物理量对应的光度量 物理量名物理量名 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 物理量名物理量名 称 符号 定义或定义式 单位 称 符号 定义或定义式 单位 辐射能辐射能 辐射通量辐射通量 Qe dQ dt J W 光量光量 光通量光通量 Qv Qv v dt I d lm s lm辐射通量辐射通量 辐射出射度辐射出射度 e Me e dQe dt Me d edS W W m2 光通量光通量 光出射度光出射度 v Mv v Iv d Mv d v dS lm lm m2 辐射强度辐射强度 辐射亮度辐射亮度 Ie L Ie d e d LdI dS W sr W 2 发光强度发光强度 光光 亮度亮度 Iv L Iv d v d LdI dS cd d 2 辐射亮度辐射亮度 辐射照度辐射照度 Le Ee Le dIe dScos Ee d e dA W m2 sr W m2 光光 亮度亮度 光光 照度照度 Lv Ev Lv dIv dScos Ev d v dA cd m2 lx 20 大学物理 12 3 照度定律 21 大学物理 一余弦定律 S d d e n 朗伯定律朗伯定律 朗伯定律朗伯定律 在在 方向上方向上 d E S d dS dS n 在在 方向上方向上 dS d E e e d 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如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变 则有则有 dS d E e e cosdSdS 如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变 则有则有 cosEE 2 朗伯光源朗伯光源2 朗伯光源朗伯光源 cos ee EE 2 朗伯光源朗伯光源2 朗伯光源朗伯光源 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 22 只有绝对黑体才是朗伯光源只有绝对黑体才是朗伯光源 大学物理 余弦定律同理可用于余弦定律同理可用于光照度光照度上上余弦定律同理可用于余弦定律同理可用于光照度光照度上上 dd cos vv v dd E dSdS n dS cosE dS dS cos v E 23 大学物理 二平方反比定律二平方反比定律 S d e 面积元面积元dSdS对点光源所张的立体角对点光源所张的立体角 S d dS dS n cosdS 面积元面积元dSdS对点光源所张的立体角对点光源所张的立体角 2 cos r dS d dSI d内的光通量内的光通量 2 cos r dSI dId v vv dS面上的光照度dS面上的光照度 2 cos r I dS d E vv v 它描述了点辐射源产生的照度的规律 是它描述了点辐射源产生的照度的规律 是 来自均匀点光源向空间发射球面波的特性来自均匀点光源向空间发射球面波的特性 24 来自均匀点光源向空间发射球面波的特性来自均匀点光源向空间发射球面波的特性 大学物理 例例12 1一氦氖激光器发出一氦氖激光器发出10mW的波长为的波长为632 8nm的激的激例例12 1一氦氖激光器发出一氦氖激光器发出10mW的波长为的波长为632 8nm的激的激 光束 发散角为光束 发散角为1mrad 发散角与立体角的关系 发散角与立体角的关系 为为 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 0 24 0 24 光束 发散角为光束 发散角为1mrad 发散角与立体角的关系 发散角与立体角的关系 为为 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 0 24 0 24 2 V为为 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 0 24 0 24 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 为为 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 0 24 0 24 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 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 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 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 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 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 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 解 1 光通量解 1 光通量 emv VK 683 0 24 0 01 1 63lm 相应的立体角为相应的立体角为Sr 622 1014 3001 014 3 631 cd 5 6 1022 5 1014 3 63 1 I 发光强度发光强度 25 大学物理 例例12 1一氦氖激光器发出一氦氖激光器发出10mW的波长为的波长为632 8nm的激的激例例12 1一氦氖激光器发出一氦氖激光器发出10mW的波长为的波长为632 8nm的激的激 光束 发散角为光束 发散角为1mrad 发散角与立体角的关系 发散角与立体角的关系 为为 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 0 24 0 24 光束 发散角为光束 发散角为1mrad 发散角与立体角的关系 发散角与立体角的关系 为为 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 0 24 0 24 2 V为为 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 0 24 0 24 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 为为 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 0 24 0 24 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 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 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 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 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 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 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 解 2 由于激光束的方向与光束输出截面dA的法线解 2 由于激光束的方向与光束输出截面dA的法线 相一致相一致 cos I dA d L 2 I r 5 112 3 2 5 22 10 6 64 10 3 14 0 5 10 cd m 相一致相一致 cosdA r 3 14 0 5 10 26 大学物理 例例12 1一氦氖激