1.2 辐射度学与光度学基本知识

光电子技术 PhotoelectronicTechnique辐射度学与光度学基本知识周自刚 辐射度学的基本物理量 光度学的基本物理量 照度定律 1 2 3 1 2辐射度学和光度学基础 33 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 光度量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 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 32 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 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 31 1辐射度学的基本物理量 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 30 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 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 单位 焦耳J 辐射能 29 辐射通量 e又称为辐射功率 是指以辐射形式发射 传播或接收的功率 单位时间内流过的辐射能量 单位 瓦特W 辐射通量 28 辐射出射度Me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 单位 瓦特每平方米 W m2 面光源A向的半球面空间发射的总辐射通量 辐射出射度 27 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 点光源在有限立体角 内发射的辐通量 辐射强度 单位 瓦特 球面度 1 W sr 1 26 面辐射源在某一给定方向上的辐射通量 辐射亮度 单位 瓦特 球面度 米2 W sr m2 25 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 24 在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比 不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来 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角度来定义的 辐射照度 单位 瓦特每平方米 W m2 23 光谱辐射度量 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 是辐射量波长的变化率 积分得 光谱辐射度量与辐射度量之间满足 22 2光度学的基本物理量 视见函数 V 光通量 发光强度 光照度 21 光亮度 适光性视见函数和适暗性 微光 视见函数 适光性视见函数 适暗性 微光 视见函数 定义 视见函数 V 明亮环境中 0 555nm 黄绿光 黑暗环境中 0 505nm 蓝绿光 20 表标准适光性视见函数值 19 归一化视见函数曲线 说明 暗环境中 人眼视见函数的极大值向短波方向移动 除眼睛外 其它光探测器 如硅光电池 光电二极管 光电倍增管 感光乳剂等 也同样具有相应的光谱响应曲线 表征了相应光探测器的感光灵敏度 V 0 1时的视见函数曲线 视见函数 V 18 光通量 定义 光源发出的客观辐射通量所能引起人眼的主观视觉强度 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 数学表示 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 17 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 点光源向空间一定方向单位立体角内辐射的光通量 单位 坎德拉 cd 或lm sr 球面度 1cd 1lm sr 发光强度 16 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 15 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 m2 sr 流明每平方米球面度 或lm cm2 sr 即sb 熙提 14 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 13 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 数学表述 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 12 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 11 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 10 两套体系对应表 9 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 3照度定律 8 余弦定律同理可用于光照度上 7 平方反比定律 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 6 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 5 解 1 光通量 相应的立体角为 发光强度 4