改1辐射度与光度学的基础知识

1、光电信息技术光电信息技术肖孟超肖孟超l成绩判定：期末考试成绩判定：期末考试 70%+平时成绩平时成绩30% l教材：廖家鼎教材：廖家鼎光电技术光电技术浙江大学出版浙江大学出版社社 l主要参考资料：主要参考资料：l雷玉堂雷玉堂 光电检测技术光电检测技术 中国计量出版社中国计量出版社l浦昭邦浦昭邦 光电测试技术光电测试技术 机械工业出版社机械工业出版社 l书名中有：光电信息、光电检测、光电测试、书名中有：光电信息、光电检测、光电测试、光电技术的书光电技术的书l其它：中国期刊网，互联网其它：中国期刊网，互联网课程简介课程简介光电技术光电技术l光学技术光学技术处理的是空间光强信息，它具有远距离、处理的

2、是空间光强信息，它具有远距离、非接触、多维、并行、快速数据处理等能力非接触、多维、并行、快速数据处理等能力l电子技术电子技术处理的是随时间的变化的一维电量，它有处理的是随时间的变化的一维电量，它有较高的运算灵活性和变换精度较高的运算灵活性和变换精度l光电技术光电技术是将传统光学技术和现代微电子技术以及是将传统光学技术和现代微电子技术以及计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术l是获取光信息或者借助光来提取其它信息，例如力、是获取光信息或者借助光来提取其它信息，例如力、温度、声音、电流、生物信息的重要手段温度、声音、电流、生物信息的重要手段光电技术作用光电技术

3、作用l扩展了人类的视觉范围扩展了人类的视觉范围:380nm-780nm200nm紫外紫外-1mm远红外远红外l提高了探测阈值到光子探测的极限水平提高了探测阈值到光子探测的极限水平l提高了响应速度到纳秒、皮秒、飞秒量级提高了响应速度到纳秒、皮秒、飞秒量级l有广泛的适用范围：有广泛的适用范围： 能获取和处理各种光学信息以及可以转换为光信息的能获取和处理各种光学信息以及可以转换为光信息的非光学参量，包括探测机构内部或危险环境下的工作非光学参量，包括探测机构内部或危险环境下的工作参量参量l有较高的信号检测能力：有较高的信号检测能力： 能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传能进行远距离、非接触、

4、快速、高灵敏度的检测和传输；检测所需的输入能量几乎不影响被测物的能量状输；检测所需的输入能量几乎不影响被测物的能量状态；检测信噪比高，信息容量大，传输能力强态；检测信噪比高，信息容量大，传输能力强光电技术的应用光电技术的应用l光电技术的应用已遍及军事、科学研究、工业、光电技术的应用已遍及军事、科学研究、工业、宇宙和环境科学、医疗卫生和民用等各个领域宇宙和环境科学、医疗卫生和民用等各个领域l星体温度探测星体温度探测l导弹跟踪导弹跟踪l生物细胞组织的识别生物细胞组织的识别l环境的监测环境的监测l视觉工业机器人视觉工业机器人l民用全自动照相机民用全自动照相机l民用简单光电开关民用简单光电开关l生产领

5、域中生产过程的视觉检查和制品加工自动化生产领域中生产过程的视觉检查和制品加工自动化课程内容课程内容l辐射度与光度学的基础辐射度与光度学的基础知识知识l光电仪器中的常用光源光电仪器中的常用光源l光辐射探测器的理论基光辐射探测器的理论基础础l真空光电器件真空光电器件 l半导体光电导器件半导体光电导器件l半导体结型器件半导体结型器件 l真空成像器件真空成像器件l固体成像器件固体成像器件l热探测器热探测器l光辐射的调制光辐射的调制l直接探测和相干探测直接探测和相干探测l光电检测电路设计光电检测电路设计本课程要求本课程要求l掌握辐射度、光度学和探测器的物理基础掌握辐射度、光度学和探测器的物理基础l熟悉光

6、电器件特点及性能参数，能正确选用光熟悉光电器件特点及性能参数，能正确选用光电器件电器件l学会选择和设计简单的光电检测电路学会选择和设计简单的光电检测电路第一章：辐射度与光度学的基础第一章：辐射度与光度学的基础知识知识l第一节第一节 辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量l第二节第二节 光度的基本物理量光度的基本物理量l第三节第三节 辐射度和光度中的基本定律辐射度和光度中的基本定律l第四节第四节 黑体辐射黑体辐射第一节第一节 辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量电磁波谱电磁波谱l怎样度量电磁辐射？怎样度量电磁辐射？l辐射度量和光度量是度量电磁辐射的物理量辐射度量和光度量是度量电磁辐射的物理量 （正

7、如度量长度用长度单位）（正如度量长度用长度单位）l辐射度量辐射度量 l描述辐射能的描述辐射能的客观客观物理量（纯粹的物理量）物理量（纯粹的物理量）l光度量光度量l是光辐射能为是光辐射能为平均人眼平均人眼接受所引起的接受所引起的视觉刺激大小视觉刺激大小的度量（还包含的度量（还包含生理学生理学和和心理学心理学的概念）的概念）l有的近红外近紫外的弱光你能感觉到，但别人不一定有的近红外近紫外的弱光你能感觉到，但别人不一定能能l等功率的绿光比红光亮等功率的绿光比红光亮l昆虫能感受到波长为昆虫能感受到波长为240nm的紫外光的紫外光l辐射度量辐射度量 l辐射能辐射能Qel辐射通量辐射通量el辐照度辐照度E

8、el辐射出射度辐射出射度Mel辐射强度辐射强度Ie（方向（方向性）性）l辐射亮度辐射亮度Le（方向（方向性）性）l光度量光度量l光能光能Qvl光通量光通量vl光照度光照度Evl光出射度光出射度Mvl发光强度发光强度Ivl光亮度光亮度Lvl1.辐射能辐射能(Qe) 辐射能是以辐射形式发射、传播或接收的辐射能是以辐射形式发射、传播或接收的能量。单位能量。单位: 焦耳焦耳(J)。l2.辐射通量辐射通量(e) 又称为辐射功率又称为辐射功率 定义为某一截面上单位时间内流过的辐射定义为某一截面上单位时间内流过的辐射能能 单位单位: 瓦特瓦特(W)，焦耳，焦耳/秒秒(J/s)dQdeet l3.辐射出射度辐

9、射出射度描述面光源的发射描述面光源的发射 辐射体单位面积上（通常为向半空间）发辐射体单位面积上（通常为向半空间）发射的辐射通量，单位为射的辐射通量，单位为W/m2l4.辐射照度辐射照度描述面对辐射的接收描述面对辐射的接收 接收面单位面积上（通常为从半空间）接接收面单位面积上（通常为从半空间）接收的辐射通量，单位为收的辐射通量，单位为W/m2ddeeMSddeeESl5.辐射强度辐射强度(Ie)-描述点光源的发射描述点光源的发射 辐射强度辐射强度Ie定义为：点辐射源在给定方向上定义为：点辐射源在给定方向上单位立体角内发射的辐射通量单位立体角内发射的辐射通量 单位单位: W/srddeeIl立体角

10、定义立体角定义l曲面上面积微元曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值与其矢量半径的二次方的比值d=ds/r2；l闭合球面的立体角都是闭合球面的立体角都是4。 l立体角与平面角的关系立体角与平面角的关系24 sin4a l立体角的积分立体角的积分 建立直角坐标系，建立直角坐标系， 用用()定位立体角定位立体角l推论：推论：l点辐射源各向异性，则在整个空间内辐射的通量点辐射源各向异性，则在整个空间内辐射的通量为为l点辐射源各向同性，则在有限立体角内辐射的通点辐射源各向同性，则在有限立体角内辐射的通量为量为eeI 200( , )( , )sineeeIdId d sindd d l6. 辐射

11、亮度辐射亮度-描述面光源的发射描述面光源的发射 辐射体某点处的面元在给定方向上的辐射辐射体某点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直与该方向的平面强度，除以该面元在垂直与该方向的平面上的正投影面积，单位为上的正投影面积，单位为W/sr-m22ddd cosd d coseeeILS Sl7.光谱辐射量光谱辐射量l辐射度量辐射度量：各波长辐射一起统计：各波长辐射一起统计l光谱辐射量光谱辐射量：单位波长处的辐射度，即辐射量：单位波长处的辐射度，即辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率的光谱密度，辐射量随波长的变化率l光度量光度量：辐射度：辐射度+其视觉刺激值其视觉刺激值( )eedXXd

12、0( )eeXXd( )eedd第一章：辐射度与光度学的基础第一章：辐射度与光度学的基础知识知识l第一节第一节 辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量l第二节第二节 光度的基本物理量光度的基本物理量l第三节第三节 辐射度和光度中的基本定律辐射度和光度中的基本定律l第四节第四节 黑体辐射黑体辐射l辐射度量辐射度量 l辐射能辐射能Qel辐射通量辐射通量el辐照度辐照度Eel辐射出射度辐射出射度Mel辐射强度辐射强度Ie（方向（方向性）性）l辐射亮度辐射亮度Le（方向（方向性）性）l光度量光度量l光能光能Qvl光通量光通量vl光照度光照度Evl光出射度光出射度Mvl发光强度发光强度Ivl光亮度光亮度L

13、v第二节第二节 光度的基本物理量光度的基本物理量怎么评估？怎么评估？辐射度辐射度+ +其视觉刺激值其视觉刺激值l光谱光视效率（视见函数）光谱光视效率（视见函数）v() 视神经对不同波视神经对不同波长光的长光的感光灵敏感光灵敏度度不一样（对绿不一样（对绿光最敏感）光最敏感）不同人不同人对各种波长对各种波长光的感光灵敏度不光的感光灵敏度不一样一样大量人眼试验大量人眼试验平均相对灵敏平均相对灵敏度度光谱光视效率光谱光视效率归一化归一化l光度的基本物理量光度的基本物理量l光谱辐射通量光谱辐射通量to光谱光通量光谱光通量 Km为明视觉最大光谱光视效率（光功当量），为明视觉最大光谱光视效率（光功当量），表

14、示人眼对波长为表示人眼对波长为555nm光辐射产生光感觉的光辐射产生光感觉的效能。效能。Km683 lm/W l一般性的关系式：一般性的关系式：( )( )( )vmeK ( )( )( )vmeXKX 780380( )( )vmeXKXd 第一章：辐射度与光度学的基础第一章：辐射度与光度学的基础知识知识l第一节第一节 辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量l第二节第二节 光度的基本物理量光度的基本物理量l第三节第三节 辐射度和光度中的基本定律辐射度和光度中的基本定律l第四节第四节 黑体辐射黑体辐射第三节第三节 辐射度与光度中的基本定律辐射度与光度中的基本定律1. 余弦定律：余弦定律：l 从光

15、束传输路径的角度从光束传输路径的角度l光束传输路径上，任一表面的辐照度随该表面光束传输路径上，任一表面的辐照度随该表面法线法线和辐射能和辐射能传输方向传输方向之间夹角的余弦而变化。之间夹角的余弦而变化。 /coscoscosESSES 相对于相对于正照面正照面，斜照面斜照面照度按斜照角度的余弦照度按斜照角度的余弦减小减小习题习题1l如图所示，求辐射强度为如图所示，求辐射强度为I的点光源下的点光源下A点点处的辐照度处的辐照度解：根据余弦定律有：解：根据余弦定律有：22coscoscoscoscosnnnnnndI dEEiiidAdAdAIIiidARR 强度标准灯也是照度标准灯强度标准灯也是照

16、度标准灯2nIER 照度距离平照度距离平方反比方反比科科1 1l从漫反射角度，也叫朗伯余弦定律从漫反射角度，也叫朗伯余弦定律l朗伯表面（余弦辐射体）：在任何发射方向上朗伯表面（余弦辐射体）：在任何发射方向上辐亮度不变辐亮度不变的表面的表面(太阳、白墙、白纸、毛玻璃、太阳、白墙、白纸、毛玻璃、黑体、平面状钨灯黑体、平面状钨灯 )l朗伯表面在某方向上的辐射强度随该方向和表朗伯表面在某方向上的辐射强度随该方向和表面法线之间的夹角的余弦而变化。面法线之间的夹角的余弦而变化。 斜射强度按斜射角度的余弦减小斜射强度按斜射角度的余弦减小00cosLLIIdAdA I0 I cosoII习题习题2l如图所示，

17、求亮度为如图所示，求亮度为L的朗伯面元对张角为的朗伯面元对张角为a的立体角内辐射的通量的立体角内辐射的通量2222200dsddd cosd d cosdd cosd cosd cosiinns sin2aILS SLSL SL SdaLdd ddS 解：解： 轴上面元向光学系统里辐射的通量轴上面元向光学系统里辐射的通量是不是也可这样算？是不是也可这样算？l推论推论1：朗伯面元对半球空间辐射的通量为朗伯面元对半球空间辐射的通量为l推论推论2：朗伯面元亮度与出射度的关系为朗伯面元亮度与出射度的关系为dLdS /LM2sin2aLdS 亮度标准也是出射度标准亮度标准也是出射度标准2、距离平方反比定

18、律：、距离平方反比定律：l点光源点光源在传输方向上某点的辐照度和该点在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。到点光源的距离平方成反比。22SSSdI dEdSdI dIdRR 注：该定律并不要求点光源光强度各向均匀注：该定律并不要求点光源光强度各向均匀强度标准灯标定照度强度标准灯标定照度l对于扩展光源对于扩展光源l可以证明：当求距离光源表面足够远处的照度可以证明：当求距离光源表面足够远处的照度时，才能用平方反比定律而不产生明显的误差。时，才能用平方反比定律而不产生明显的误差。l2R/ L1：5 用平方反比定律误差为用平方反比定律误差为1l2R/ L1：15 用平方反比定律误差为

19、用平方反比定律误差为0.1(R为面光源半径，为面光源半径，L为光源与接收表面距离为光源与接收表面距离)l圆形朗伯表面对其法线上面元的辐照度圆形朗伯表面对其法线上面元的辐照度lr处环带上面元处环带上面元ds向向dA2发射的辐通量发射的辐通量lr处环带向处环带向dA2发射的辐通量、照度发射的辐通量、照度12()cosos2cdL dsdsdr rLdd dscosdLdsd222cosddEdALrdrddA对整个表面对整个表面A1进行积分进行积分2223sin22 () ()22coscosddrdrl tgd l tgl tgl 2sincosdELd 002222sincosmmEdELdR

20、LRl 322222212coscoscos( /cos )dAdAdAdrll 综上综上22cosLEdrrddAd朗伯面元标定照度朗伯面元标定照度、亮度守恒定律：、亮度守恒定律： 辐射传输路径上无损失时，表面辐射传输路径上无损失时，表面2的辐亮度的辐亮度等于表面等于表面1辐亮度，即辐亮度传输是守恒的。辐亮度，即辐亮度传输是守恒的。21211112122222;coscosdLdAddLdAd 11112222coscosL dAdL dAd 211122221122coscc sososcoLdAdAdAL dARR 12LL l推论：推论： 可证明光学系统像面辐亮度可证明光学系统像面辐亮

21、度L与物面辐亮度与物面辐亮度L之间有如下关系：之间有如下关系： n，n分别为物像空间的折射率，分别为物像空间的折射率，为光学为光学系统的透射比。系统的透射比。l一般成像系统中，一般成像系统中，nn， 1，则：，则：LLl即光学系统无助于亮度的增加。即光学系统无助于亮度的增加。2()nLLn第一章：辐射度与光度学的基础第一章：辐射度与光度学的基础知识知识l第一节第一节 辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量l第二节第二节 光度的基本物理量光度的基本物理量l第三节第三节 辐射度和光度中的基本定律辐射度和光度中的基本定律l第四节第四节 黑体辐射黑体辐射第四节、黑体辐射第四节、黑体辐射l1.基尔霍夫热辐

22、射定律基尔霍夫热辐射定律l描述热平衡下物体的辐射与吸收的一般规律描述热平衡下物体的辐射与吸收的一般规律l2.普朗克定律普朗克定律l定量描述黑体光谱辐射与波长、温度的关系定量描述黑体光谱辐射与波长、温度的关系l3.维恩位移定律维恩位移定律l定量描述黑体光谱辐射曲线峰值波长与温度关定量描述黑体光谱辐射曲线峰值波长与温度关系系l4.斯蒂芬斯蒂芬玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律l定量描述黑体总辐射与温度的关系定量描述黑体总辐射与温度的关系l5.黑体辐射定律应用黑体辐射定律应用辐射测温辐射测温l6.人工黑体人工黑体黑体炉黑体炉l7.辐射度标准辐射度标准l标定照度计标定照度计l标定光谱辐射亮度标准灯标定光谱辐射亮

23、度标准灯l标定光谱辐射照度标准灯标定光谱辐射照度标准灯l8.光度标准光度标准物理学晴空中的物理学晴空中的“两朵乌云两朵乌云”l19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂会上，英国著名物理学家开尔文聚一堂会上，英国著名物理学家开尔文发表了新年祝词他在回顾物理学所取得发表了新年祝词他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作同时，他在展望剩只是一些修饰工作同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方动力理论肯定了热和

24、光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了朵乌云笼罩了l其中一朵与黑体辐射有关其中一朵与黑体辐射有关 1. 基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律l描述热平衡下物体的辐射与吸收的一般规律描述热平衡下物体的辐射与吸收的一般规律l基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律l同一热平衡体系中，所有物体的光谱辐射同一热平衡体系中，所有物体的光谱辐射出射度出射度与与吸收比吸收比的比值是相同的，并等于平衡体系中的的比值是相同的，并等于平衡体系中的光谱辐照度。光谱辐照度。l光谱辐射吸收比光谱辐射吸收比l定义：定义：a(,T)=Me (,T)/Ee (,T)l

25、 Me (,T)为其光谱辐射出射度为其光谱辐射出射度lEe (,T)为热平衡温度为热平衡温度T时投射到物体上的光谱辐时投射到物体上的光谱辐照度照度l根据定义：根据定义：a(,T)=Me (,T)/Ee (,T)， 又因为在一个热平衡温度又因为在一个热平衡温度T的腔中，所有物的腔中，所有物体接收的光谱辐照度体接收的光谱辐照度Ee (,T)相同相同,因此有：因此有： Ee (,T) =Me1 (,T)/ a1(,T)= Me2 (,T)/ a2(,T)=-l概念及推论概念及推论l黑体黑体：光谱辐射吸收比：光谱辐射吸收比a(,T)=1的物体。的物体。l黑体吸收所有投射到自身的辐射（无反射，透射）黑体

26、吸收所有投射到自身的辐射（无反射，透射）l黑体将吸收的辐射全部辐射黑体将吸收的辐射全部辐射l灰体灰体：光谱辐射吸收比：光谱辐射吸收比a(,T) 辐射温度辐射温度l普朗克定律应用普朗克定律应用单色辐射温度计单色辐射温度计l标定：黑体温度标定：黑体温度T对对应应Vl测温：辐射计测温：辐射计V推得推得实物表面实物表面辐射温度辐射温度l发射率修正，得到发射率修正，得到真实温度真实温度215()(1)TCTCMe22115()()5(1)(1)TCCTTCCMee实黑体黑体T辐辐射射计计VL L覆盖覆盖滤光片滤光片实物实物T辐辐射射计计VL L覆盖覆盖滤光片滤光片真实温度真实温度 辐射温度辐射温度l普朗

27、克定律应普朗克定律应用用比色辐射比色辐射温度计温度计l总可找到两个波总可找到两个波长，在这两波长长，在这两波长处，黑体的辐射处，黑体的辐射比值比值R与黑体与黑体T存存在一一对应关系在一一对应关系215()(1)TCTCMe122211()()5512( )/(1)(1)CCTTCCR Teel普朗克定律应普朗克定律应用用比色辐射比色辐射温度计温度计l测得比值测得比值r，推得，推得R值乃至值乃至T值值215()(1)TCTCMe221211112()()55212( )/( )(1)(1)CCTTCCr TR Tee实物实物比比值值r12 l1.基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律l2.普朗克定

28、律普朗克定律l3.维恩位移定律维恩位移定律l4.斯蒂芬斯蒂芬玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律l5.黑体辐射定律应用黑体辐射定律应用辐射测温辐射测温l6.人工黑体人工黑体黑体炉黑体炉l7.辐射度标准辐射度标准l8.光度标准光度标准第四节、黑体辐射第四节、黑体辐射6. 人工黑体人工黑体黑体炉黑体炉l结构：结构： 目前，人造黑体最高工作温度为目前，人造黑体最高工作温度为3000K，实际应，实际应用多在用多在2000K以下以下。低温黑体炉低温黑体炉主要参数：主要参数：量程量程50C350C；发射率固定为；发射率固定为0.95；分辨；分辨率率0.1C；加热时间：；加热时间：30分钟到最大温度；冷却分钟到最大温度

29、；冷却时间：时间：40分钟到分钟到100C；目标直径；目标直径57mm中高温黑体炉中高温黑体炉主要参数：主要参数：温度范围温度范围 150C1200C 腔口发射率在腔口发射率在0.995以上，分辨率达到以上，分辨率达到0.1C、高精、高精度黑体则达到度黑体则达到0.01C；7.辐射度标准辐射度标准l标定照度计标定照度计l标定光谱辐射亮度标准灯标定光谱辐射亮度标准灯l标定光谱辐射照度标准灯标定光谱辐射照度标准灯标定照度计标定照度计前面已知前面已知“圆形朗伯表面对其法线上面元的辐照度圆形朗伯表面对其法线上面元的辐照度”22202sincosmRELdLRl 222sARELLll当距离当距离l l

30、相对光阑半径足够大时：相对光阑半径足够大时：黑体黑体照度计照度计探头探头ASl黑体黑体照度计照度计探头探头ASl根据斯蒂芬根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，玻耳兹曼定律，黑体的辐射亮度黑体的辐射亮度 L Le e = T= T4 4/对于发射率为对于发射率为实际的人工黑体实际的人工黑体, ,其辐射亮度为：其辐射亮度为： L L = = TT4 4/所以，探头上的照度为：所以，探头上的照度为：42sAETl222sARELLlll标定光谱辐射亮度标准灯标定光谱辐射亮度标准灯 根据普朗克定律，可以算出黑体辐射亮度根据普朗克定律，可以算出黑体辐射亮度的光谱密度的光谱密度 因而黑体可作为光谱辐射亮度标准因而黑体可作为光谱辐