电磁波谱与光辐射12辐射度学与光度学基本知识

1、光电子技术，发表：杨棉长春理工大学电信学院通信工程系，第一章光辐射，发光源和光传播的基本规律，2、主要内容：1.1电磁波谱和光辐射1.2辐射度学和光度学的基本知识1.3辐射基本规律1.4激光原理1.5典型激光，第一章光辐射，发光源和光传播的基本规律，3、 1.1电磁波谱和光辐射1.1.1电磁波的性质和电磁波谱、变化的电场产生磁场的电荷可以单独存在，电场是主动的，磁荷不能单独存在，磁场是被动的。 磁感应强度的变化是引起环行电场的位移电流和传导电流一样，能够产生环行磁场的电位移矢量在从自由电荷存在的场所开始的磁场中没有开始点。 离散度在“标量乘积”这一向量的某个点上的离散度，该点表示“发生”或“吸收”这一场的能力，如果某个点的离散度为零，则该点不是场的开始点。 旋转度是“矢量积”的矢量场在某点的旋转度，表示场在该点周围的旋转。 第一章光辐射、发光源和光传播的基本规律、麦克斯韦方程、4、麦克斯韦方程的最重要特征是阐明了电磁场的内部作用和运动规律。 电荷和电流不仅激发电磁场，变化的电场和磁场也互相激发。 表明电磁场可以独立于电荷而存在。 由此可知，电场和磁场相互激励，形成了统一的电磁场。 变化的电磁场以一定的速度传到周围。 该交变电磁场在空间内以一定的速度通过近距离和远距离的传播而形成电磁波。 第1章为了求解光放射、发光源和光传播的基本规律、掩蔽方程式、1.1电磁波谱和光放射1.1电磁波的性质和电磁波谱、5、掩蔽方程式，两点是重要的： (1)介质的电磁性质方程式(2)需要知道电磁场的边值的关系， 电位移矢量法飞跃变化：电场强度矢量连续相切：磁场强度矢量飞跃变化：磁感应强度矢量法连续：电场量飞跃变化的原因是面电荷电流激发附加电磁场，第1章光辐射，发光源和光传播的基本规律， 1.1电磁波光谱和光辐射1.1.1电磁波的性质和电磁波光谱，6，1，电磁波为矢量波，电磁波=交变电磁状态的传播，第1章光辐射，发光源和光传播的基本规律，1.1电磁波光谱和光辐射1.1.1电磁波的性质和电磁波光谱，7， 电场振动沿轴向正向传播时，有反映该振动平面谐波，可以用微电磁场方程式挤出，真空中：介质中：第1章光放射，发光源和光传播的基本法则1.1电磁波谱和光放射1.1.1电磁波的性质和电磁波谱，8， 折射率(refractiveindex )、2、电磁波性质、(1)电磁波在横波、振动量、波速、构成相互间、(2)电磁波的偏振性在各自的平面上振动. 旋光现象。 第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.1电磁波光谱和光放射1.1.1电磁波的性质和电磁波光谱、9， (3)电场和磁场同相变化，振幅之间满足，电、磁场成分和电磁波传播方向相互垂直，第1章光辐射、发光源和光传播的基本规律、1.1电磁波谱和光辐射1.1电磁波的性质和电磁波谱、10 (4)电磁波能量、第1章光辐射、发光源和光传播的基本规律； 1.1电磁波谱和光辐射1.1.1电磁波的性质和电磁波谱，11，电磁波的能量密度，坡印庭矢量，电磁波的强度，第1章光辐射，发光源和光传播的基本规律，1.1电磁波谱和光辐射1.1.1电磁波的性质和电磁波谱，12，电波-波长比可见光长得多，不引起人的视觉，电子因为波长很长，连金属制的筐，桥的钢架都能停止。 微波-波长范围分布在毫米到几十厘米的范围内，他们在食物中容易被水分子吸收，但食物被迅速加热。红外线(ir ) :分布于微波与可见光之间，只能在热量聚集的场所检测。 蛇和其他生物对红外线很敏感。红外线不透过玻璃的特性可以说明晴天时，通过温室效应玻璃的可见光被植物吸收，红外线再次放射，被玻璃捕获的红外线使温室内部的温度上升，整个宇宙充满了大爆炸时残留的来自冷却物质的红外线。 第一章光辐射，发光源和光传播的基本规律，1.1电磁波谱和光辐射1.1.1电磁波的性质和电磁波谱，13，紫外线(UV)-以高于可见光的频率，不产生视觉，危害生命，来自太阳的紫外线几乎完全被大气中的臭氧吸收，臭氧保护地球的生命，略微透过大气的紫外线是皮肤x射线-波长比紫外线短的电磁波，容易透过大部分物质。 由于致密的物质和固体材料比疏松的物质更容易吸收x射线，所以x射线照片中不是骨骼周围的组织而是出现骨骼。 那个波长可以和原子尺寸进行比较。 第一章光辐射，发光源和光传播的基本规律，1.1电磁波谱和光辐射1.1.1电磁波的性质和电磁波谱，14，射线和宇宙射线-波长最短，波长尺寸为原子核的大小程度，射线在核反应或其他特殊激发过程中宇宙射线从地球外空间产生，引起可见光(visiblelight)-人的视觉第一章光辐射，发光源和光传播的基本规律，1.1电磁波谱和光辐射1.1.1电磁波的性质和电磁波谱，15，电磁波具有多种频率：无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、放射线等。 电磁波谱总结：按频率从高到低的顺序排序？ 按波长的长度排序？ 第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.1电磁波谱和光放射1.1.1电磁波的性质和电磁波谱、16、光波的电磁显示有以下两个原因，因此通常光波的电磁场用光波的电场成分表示。 (a )电磁场的磁场成分和电场成分之间有确定的关系。 (b )光强度一般以光波电场e的振幅的平方表示。 光波电场为时调单色波的表现形式：指数形式：三角函数形式：第一章光发射，光源和光传播的基本规律，1.1电磁波谱和光发射1.1.2光发射，17，将可见光引起人的视觉的部分电磁波发射的物体称为光源可见光的波长范围为约390770nm，390nm紫，770nm红， 第一章光辐射，发光源和光传播的基本规律，1.1电磁波谱和光辐射1.1.2光辐射，18，可见光七彩色的波长和频率范围，人眼最敏感的光是黄绿色，即附近。 第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.1电磁波谱和光放射1.1.2光放射、19、国际单位制的7个基本单位、第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量， 将20国际单位系统的辅助单位立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角1球面度，从球面切取与球半径的平方相等的球面的立体角：1sr=1m2/m2=1，第1章光放射，发光源和光传播的基本规律，1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量，21， 立体角定义图第1章光放射、发光源和光传播的基本法则、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量、22、计算微小立体角的几何关系，计算空间整体：=4、第1章光放射、发光源和光传播的基本法则、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量、23、1 )、放射能、 以放射形式放射或传输的电磁波能量： Qe单位：模块(j )，第一章光放射，发光源和光传播的基本规律，1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量，24，2 )，放射束，单位时间内该放射体放射的总能量，放射束也称为放射功率，单位：瓦特(w )。第1章光放射，发光源和光传播的基本规律，1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量，25，3 )，放射出度Me，放射源的每单位放射面积的放射束，单位：每瓦平方米(W/m2)，第1章光放射，发光源和光传播的基本规律，1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量， 26 )，辐射强度RadiantIntensity表示点辐射源的不同方向的辐射特性，用来自包含一个方向的立体角的辐射源的辐射通量d除以该立体角d，单位为W/Sr，第1章光辐射，发光源和光传播的基本规律，1.2辐射度学和光度学的基本知识1.2.1辐射量，27，5 )。 放射亮度Radiance、I方向放射亮度是放射面与I方向垂直的单位投影面积以单位立体角放出的放射束. 然后，将辐射源面上的点在规定方向上包含该点的面元dA的辐射强度dI除以与该面元的规定方向垂直的平面上的正投影面积而得到的值设为W/Sr。 第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量、28、将点源s的放射强度设为Le时，将与被颜面上的o点的面积ds的距离设为l、ds受到的放射束设为：将点源在被颜面上的o点产生的放射照度设为：放射照度、放射照度(Irradiance ) :放射受光面上的一点的放射照度e，对于投影到包含该点的一个面要素的放射束d除以该面的单位：瓦特/平方米(W/m2)、第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量、29、7 )、单色放射量、单色放射量，单色放射以上的6个物理量但是，只不过是将单位波长间隔内的对应的放射线测量量定义。 参照p5-表1-3，第1章光放射、发光源和光传播基本规律、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.1放射量、30、光是电磁波，但电磁波不是光. 事实上，在电磁波的长谱中，很少有光接收元件的锥形和视轴细胞可以触发我们的眼底。 因此，为了表现可见光的强弱，需要根据人眼的生理/心理特征，考虑物理法则的科学，这就是光度学。 研究放射能的视觉效应，核心问题是建立“能量”与“明暗”的关系。 专门研究电磁波强弱的科学被称为放射度学，是一种纯粹的物理研究。 第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.2光测定、31、1 .放射束：在空间上有截面，在某一时间t内通过该截面q模块的电磁放射能，我们将该截面上的放射能束e定义为Q/t瓦。 (e=q/t，单位瓦(w ) )。 “能量不是功率，除了时间。这不是光度学的概念，而是放射度学的概念，但需要导出光度学的最初概念。 2 .光束：通过截面的放射线中，只有一部分被眼睛感知到。 因此，我们将放射能通量乘以换算系数k，能够得到光束v=K*e . 该系数k称为光谱光视性能。 研究表明，这个数据对波长敏感，换句话说，人眼对不同颜色的光不敏感。 在明亮的环境中人眼对555nm的黄绿色光线最敏感，这时k取683流明/瓦的最大值。 你记得e的单位吗？ 瓦。 试着乘坐一下，光束的单位为“流明(lumen )”，符号lm。 第1章光放射，发光源和光传播的基本规律，1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.2光测量，32，发光强度：它是如何定义和测量的？ 基本物理单元必须在自然界中以一些物理现象作为测量标准并且将一个或多个其他基本物理单元定义为测量的辅助。 例如，秒s是铯133原子基态的两个超微态迁移辐射周期的9192631770倍的持续时间。铯133原子基态的两个超微能级之间的转变(在我们到达的宇宙范围内)是一定的物理现象“133”是以质量基本单位kg辅助测量的结果。 由于直接测量的对象是能量水平迁移时间，“秒”不是“千克”的导出单位。 同样，美国m以“真空中的光速”这一一定的物理现象为基准。 第1章光放射，发光光源和光传播的基本规律，1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.2光测定，33，发光强度：定义：若某光源发出频率5401012Hz的单色放射，某方向的放射强度为1/683W/sr，则该光源方向的发光强度为1cd符号： I单位：烛光(cd )物理意义：发光几十年前，发光强度的单位是“烛光”。 当时真的是以标准的蜡烛点燃的亮度为基准。 第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.2光计量、34、光束：光源通过单位时间内的面积的光能称为流面积上的光束，其符号为。 单位：流明(lm )亮度：光源表面法线方向的每单位面积的发光强度。 符号： l，单位： cd/m2(cm2)普通亮度：无云蓝天的平均亮度：0.5cd/(cm2)40W重量荧光灯表面亮度： 2105cd/(cm2)人眼亮度的极限： 16cd/(cm2)，第1章光辐射，发光源和光传播的基本规律，1.2辐射度学和光度学的基本知识1.2.2光测量符号： e，单位：勒克斯(lx )正常照度：夏日阳光强昼，地面照度50000lx晴朗月夜，地面照度0.2lx40W白炽灯(1米)照度30lx复盖后(伞形)照度70lx办公室照明应达到20-100lx，第一章光辐射、发光源和光1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.2光测量，36，光度学记述光的特性的参数总结：光强度：单位立体角内发出的光束：用人眼的光的感觉测量的放射功率。 照度：光束与被照射表面积之比。 亮度：表示发光面的亮度。 发光面的指定方向的发光强度与垂直方向的投影之比。 应用说明：发光强度是测量显示屏亮度的重要指标，单位为坎德拉(cd )。 光束是投影系统的主要指标之一，单位为(我们所说的流明) lm。 第1章光放射，发光源和光传播的基本规律，1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.2光测度，37，平方反比例的规律：距离变成x倍，光变暗的1/x2思考问题：桌上支架有灯罩的情况下，灯的光束变化了吗？ 桌子的亮度变了吗？ 另外，第1章光放射、发光源和光传播的基本规律、1.2放射度学和光度学的基本知识1.2.2光测度、38、台灯点亮时，台灯比没有点亮时亮。 实际上灯泡的光束没有变化，只是光束在空间的分布状况发生了变化，被灯罩反射后向下的