1-1-3辐射度学与光度学

1、光 电 信 号 处 理,华中科技大学光学与电子信息学院,辐射度学与光度学基础,- 光学波段 -,紫外,可见光,10,15,6,18,21,9,12,10,10,10,10,10,10,10,3,24,X射线,射线,红外,电磁波谱,1-1-3 辐射度学与光度学,可见光波段,红外,紫外,照明,显示,与人的眼睛有关！,光电探测：本质上说，定量地测量光辐射信号的强度。,无线电波,微波,辐射度学与光度学,在光辐射探测中，定量地描述辐射能强度的量有两类： 一类是物理的辐射度学量， 电磁辐射量能量度来描述光辐射，客观物理量；,另一类是生理的光度学量， 是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度

2、即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。,因此，辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。,立体角的概念,在光辐射测量中，经常用到一个 涉及到空间的几何量立体角。 任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的一定空间内。因此，在进行有关光辐射的讨论和计算时，也将是一个立体空间问题。 与平面角度相似，把整个空间以某一点为中心划分成若干立体角。,定义: 一个任意形状椎面所包含的空间称为立体角。符号： 或 单位：Sr （球面度）,A是半径为R的球面的一部分，,R,A,O,先以球面为例：,A,其边缘各点对球心O连线所包围的那部分空间，立体角。,单位立体

3、角： 在以O为球心、R为半径的球上，若立体角截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对应的立体角称为单位立体角，或一球面度。,dS,立体角的数值： 部分球面面积A与球半径R平方之比，即 :,一般情况： 对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积dS ，它们对应的立体角为 为dS 与投影面积 dA的夹角，R为O 到dS中心的距离。,R,dS,dA,o,特例： 整个球面所对应的立体角： 全球所对应的立体角 (全球所对应的立体角是整个空间，又称为4空间.) 同理，半球所对应的立体角为2空间。,一、辐射度学的基本物理量,1辐射能Q 能量的概念 辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位

4、为J(焦耳)。 当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热能、电能等。,2辐射通量功率的的概念 辐射通量又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率 单位为W(瓦)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能，,3辐射强度 I,点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射通量. 单位：Wsr (瓦每球面度) I =,d ,d ,在所有方向上辐射强度I都相同的点辐射源（均匀辐射源）在有限立体角内发射的辐射通量为: = I 在空间所有方向(4)上发射的辐射通量为：=4I,x,y,z,为总的辐射功率,4辐射出射度M 辐出度 扩展辐射源单位面积所辐射的通量 即：M= 单位为W(瓦每平方米) d是扩展源表面dS在

5、各方向上， 通常为半空间即2立体角所 发出的总的辐射通量，,ds,d,dS,辐照度E和辐出度M的比较： 相同：单位相同， 区别：辐照度E是描述辐射接收面（探测器）所接收的 辐射特性 辐出度M则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。,5辐射照度E 辐照度 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量， 即： E 单位：Wm2 (瓦每平方米) dA是投射辐射通量d的元面积,d,d A,6辐射亮度 L,辐射亮度定义为扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量：,扩展辐射源,7光谱辐射量,辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成。 为了研究各种波长的辐射通量，需要对某

6、一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。 光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。,光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。,光谱辐射通量（） 辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。 其关系式为：,单位：Wm(瓦每微米)， 或Wnm(瓦每纳米)。,辐射源的总辐射通量：,前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：,光谱辐照度： 光谱辐射出射度： 光谱辐射亮度：,二、光度学的基本物理量,人眼的结构 ：,1光谱光视效率,现象：人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。 对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。 由于受视觉生理和心理作用，不同的人对各种波长光

7、的感光灵敏度也有差异。 国际照明委员会（CIE）根据对不同的人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数。,人眼的光谱光视效率的数值,波长（nm）,波长（nm）,明视觉,明视觉,暗视觉,暗视觉,暗视觉光谱光视效率 虚线：亮度小于0.001cd/时的暗视觉光谱光视效率，用V()表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的； 最大值：507nm,V(),V(),明视觉光谱光视效率 实线：亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V()表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的，最大值在555

8、nm处。,2光度学的基本物理量,在辐射度量学中介绍的各个基本量、M、I、L和E对整个电磁波谱都适用； 而在光度学中光度量和辐射度量的定义是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波段(380nm780nm)才有意义。 为避免混淆，在光度量符号上加下标 “ v ”。 光度学中相应量：V、MV、IV、LV和 EV 与辐射度量：、 M、 I、 L和E之间的对应关系由表给出。,辐射度量和光度量的对照表,由于人眼对相同能量、不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的， 因而按人眼的视觉特性V()来评价的辐射通量即为光通量V，这两者的关系为：,式中，Km为最大光谱光视效率，亦称为光功当量,例如：光通量V的定

9、义,Km表示人眼对波长为555nmV(555)=1光辐射产生光感觉的效能。 按国际实用温标IPTS68的理论计算值为 Km683 ( lm/W ) Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。 由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。 同理，其它光度量与辐射量之间的关系 ：,光度量中的单位,1.最基本的是发光强度单位：坎德拉(Candela) cd； 国际单位制中七个基本单位之一。 定义：频率为5401012Hz(对应在空气中555nm波长) 的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1683W/sr时，在该方向上的发光强度为1cd。 2.光通量的单位是流明(lm) 1lm它是发光强度为

10、1cd的点光源在单位立体角内1sr发出的光通量。 3.光照度的单位：勒克斯(lx) 1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1面积上所产生的光照度。,4.光亮度的单位：lm/(m2.sr) cd/m2 常用：熙提(sb)Sb=lm/(cm2.sr),常见光源亮度： 晴天 ：10000 cd/m2 晴天日落后 ：1 cd/m2 蜡烛火焰：约0.5sb 钨丝灯泡：约500sb 典型照度： 办公室工作： 20100 lx 满月的地面： 0.2 lx 晴朗夏日采光良好的室内： 100 500 lx,左边是光通量，其单位是流明(lm)： 右边的()d是光谱辐射通量，单位是瓦(w/nm），V()是光视效率，所以等号右边引进一个系数Km，从而使两边的单位一致。 显然Km的单位为流明瓦(lm/W)称为最大光谱光视效能 Km683 lmW 表示在人眼光谱光视效率最大(555nm)处，1W的辐射能通量相当的光通量为683lm； 换句话说，此时1lm相当于1683W。,三、辐射度与光度中的基本定律,余弦定律,s