改-1辐射度与光度学的基础知识

1、光电信息技术,肖孟超,成绩判定：期末考试 70%+平时成绩30% 教材：廖家鼎光电技术浙江大学出版社 主要参考资料： 雷玉堂 光电检测技术 中国计量出版社 浦昭邦 光电测试技术 机械工业出版社 书名中有：光电信息、光电检测、光电测试、光电技术的书 其它：中国期刊网，互联网,课程简介,光电技术 光学技术处理的是空间光强信息，它具有远距离、非接触、多维、并行、快速数据处理等能力 电子技术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 光电技术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 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

2、物信息的重要手段,光电技术作用 扩展了人类的视觉范围:380nm-780nm200nm紫外-1mm远红外 提高了探测阈值到光子探测的极限水平 提高了响应速度到纳秒、皮秒、飞秒量级 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非光学参量，包括探测机构内部或危险环境下的工作参量 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,光电技术的应用 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 星体温度探测 导弹跟踪 生物细胞组织的识别

3、环境的监测 视觉工业机器人 民用全自动照相机 民用简单光电开关 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,辐射度与光度学的基础知识 光电仪器中的常用光源 光辐射探测器的理论基础 真空光电器件 半导体光电导器件 半导体结型器件,真空成像器件 固体成像器件 热探测器 光辐射的调制 直接探测和相干探测 光电检测电路设计,本课程要求,掌握辐射度、光度学和探测器的物理基础 熟悉光电器件特点及性能参数，能正确选用光电器件 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知识,第一节 辐射度的基本物理量 第二节 光度的基本物理量 第三节 辐射度和光度中的基本定律 第四节 黑体辐射

4、,第一节 辐射度的基本物理量,电磁波谱,怎样度量电磁辐射？ 辐射度量和光度量是度量电磁辐射的物理量 （正如度量长度用长度单位） 辐射度量 描述辐射能的客观物理量（纯粹的物理量） 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（还包含生理学和心理学的概念） 有的近红外近紫外的弱光你能感觉到，但别人不一定能 等功率的绿光比红光亮 昆虫能感受到波长为240nm的紫外光,辐射度量 辐射能Qe 辐射通量e 辐照度Ee 辐射出射度Me 辐射强度Ie（方向性） 辐射亮度Le（方向性）,光度量 光能Qv 光通量v 光照度Ev 光出射度Mv 发光强度Iv 光亮度Lv,1.辐射能(Qe) 辐射能是以辐

5、射形式发射、传播或接收的能量。单位: 焦耳(J)。 2.辐射通量(e) 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能 单位: 瓦特(W)，焦耳/秒(J/s),3.辐射出射度描述面光源的发射 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W/m2 4.辐射照度描述面对辐射的接收 接收面单位面积上（通常为从半空间）接收的辐射通量，单位为W/m2,5.辐射强度(Ie)-描述点光源的发射 辐射强度Ie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: W/sr,立体角定义 曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值d=ds/r2； 闭合球面的立体角都是4。 立体角与平

6、面角的关系,立体角的积分 建立直角坐标系， 用()定位立体角 推论： 点辐射源各向异性，则在整个空间内辐射的通量为 点辐射源各向同性，则在有限立体角内辐射的通量为,6. 辐射亮度-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W/sr-m2,7.光谱辐射量 辐射度量：各波长辐射一起统计 光谱辐射量：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 光度量：辐射度+其视觉刺激值,第一章：辐射度与光度学的基础知识,第一节 辐射度的基本物理量 第二节 光度的基本物理量 第三节 辐射度和光度中的基本定律 第四节 黑体辐射,辐

7、射度量 辐射能Qe 辐射通量e 辐照度Ee 辐射出射度Me 辐射强度Ie（方向性） 辐射亮度Le（方向性）,光度量 光能Qv 光通量v 光照度Ev 光出射度Mv 发光强度Iv 光亮度Lv,第二节 光度的基本物理量,怎么评估？,辐射度+其视觉刺激值,光谱光视效率（视见函数）v(),视神经对不同波长光的感光灵敏度不一样（对绿光最敏感）,不同人对各种波长光的感光灵敏度不一样,大量人眼试验,平均相对灵敏度,光谱光视效率,归一化,光度的基本物理量 光谱辐射通量to光谱光通量 Km为明视觉最大光谱光视效率（光功当量），表示人眼对波长为555nm光辐射产生光感觉的效能。Km683 lm/W 一般性的关系式：

8、,第一章：辐射度与光度学的基础知识,第一节 辐射度的基本物理量 第二节 光度的基本物理量 第三节 辐射度和光度中的基本定律 第四节 黑体辐射,第三节 辐射度与光度中的基本定律,1. 余弦定律： 从光束传输路径的角度 光束传输路径上，任一表面的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间夹角的余弦而变化。,相对于正照面，斜照面照度按斜照角度的余弦减小,习题1,如图所示，求辐射强度为I的点光源下A点处的辐照度,解：根据余弦定律有：,强度标准灯也是照度标准灯,照度距离平方反比,科1,从漫反射角度，也叫朗伯余弦定律 朗伯表面（余弦辐射体）：在任何发射方向上辐亮度不变的表面(太阳、白墙、白纸、毛玻璃、黑体、平

9、面状钨灯 ) 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。 斜射强度按斜射角度的余弦减小,习题2,如图所示，求亮度为L的朗伯面元对张角为a的立体角内辐射的通量,解：,轴上面元向光学系统里辐射的通量是不是也可这样算？,推论1： 朗伯面元对半球空间辐射的通量为 推论2： 朗伯面元亮度与出射度的关系为,亮度标准也是出射度标准,2、距离平方反比定律： 点光源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。,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,对于扩展光源 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。 2R/

10、 L1：5 用平方反比定律误差为1 2R/ L1：15 用平方反比定律误差为0.1 (R为面光源半径，L为光源与接收表面距离),圆形朗伯表面对其法线上面元的辐照度 r处环带上面元ds向dA2发射的辐通量 r处环带向dA2发射的辐通量、照度,对整个表面A1进行积分,综上,朗伯面元标定照度,、亮度守恒定律： 辐射传输路径上无损失时，表面2的辐亮度等于表面1辐亮度，即辐亮度传输是守恒的。,推论： 可证明光学系统像面辐亮度L与物面辐亮度L之间有如下关系： n，n分别为物像空间的折射率，为光学系统的透射比。 一般成像系统中，nn， 1，则：LL 即光学系统无助于亮度的增加。,第一章：辐射度与光度学的基础

11、知识,第一节 辐射度的基本物理量 第二节 光度的基本物理量 第三节 辐射度和光度中的基本定律 第四节 黑体辐射,第四节、黑体辐射,1.基尔霍夫热辐射定律 描述热平衡下物体的辐射与吸收的一般规律 2.普朗克定律 定量描述黑体光谱辐射与波长、温度的关系 3.维恩位移定律 定量描述黑体光谱辐射曲线峰值波长与温度关系,4.斯蒂芬玻耳兹曼定律 定量描述黑体总辐射与温度的关系 5.黑体辐射定律应用辐射测温 6.人工黑体黑体炉 7.辐射度标准 标定照度计 标定光谱辐射亮度标准灯 标定光谱辐射照度标准灯 8.光度标准,物理学晴空中的“两朵乌云” 19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

12、家开尔文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：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了 其中一朵与黑体辐射有关,1. 基尔霍夫热辐射定律 描述热平衡下物体的辐射与吸收的一般规律 基尔霍夫热辐射定律 同一热平衡体系中，所有物体的光谱辐射出射度与吸收比的比值是相同的，并等于平衡体系中的光谱辐照度。 光谱辐射吸收比 定义：a(,T)=Me (,T)/Ee (,T) Me (,T)为其光谱辐射出射度 Ee (,T)为热平衡温度T时投射到物体上的光谱辐照度,

13、根据定义：a(,T)=Me (,T)/Ee (,T)， 又因为在一个热平衡温度T的腔中，所有物体接收的光谱辐照度Ee (,T)相同,因此有： Ee (,T) =Me1 (,T)/ a1(,T)= Me2 (,T)/ a2(,T)=- 概念及推论 黑体：光谱辐射吸收比a(,T)=1的物体。 黑体吸收所有投射到自身的辐射（无反射，透射） 黑体将吸收的辐射全部辐射 灰体：光谱辐射吸收比a(,T)1的物体。 实际物体既不是黑体也不是灰体,实际物体既不是黑体也不是灰体 实际物体吸收比a() 随波长而变。比如说红花对红色吸收少，都被反射出来，才显红色 灰体和黑体的吸收比不随波长变动，恒为常数，实际上都不存

14、在,光谱发射率(黑度) (,T)= Me (,T)/ Meb (,T)= Me (,T)/ Eeb (,T) = Me (,T)/ Ee (,T)= a(,T) 物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比。即强吸收体必然是强发射体。 发射率与材料性质及表面状况有关 表面光洁的材料有较小的发射率 表面粗糙和不干净的材料有较大发射率 金属表面各方向的平均发射率大于其法向发射率 非金属表面各方向的平均发射率小于其法向发射率,常见发射率对照表,1.基尔霍夫热辐射定律 2.普朗克定律 3.维恩位移定律 4.斯蒂芬玻耳兹曼定律 5.黑体辐射定律应用辐射测温 6.人工黑体黑体炉 7.辐射度标准 8.光度标准,第四节

15、、黑体辐射,2. 普朗克定律 T=Tc+273.150 h 普朗克常数 h=6.62617610-34js k玻耳兹曼常数 k=1.380662J/K,定量描述黑体光谱辐射与波长、温度的关系,科2,可见光,常温物体的辐射？开水的辐射？白炽灯的辐射？ 这些实际物体不是黑体，能应用上普朗克定律吗？,可见光,实际物体的处理： 自然界中的物体辐射的能量绝大部分是红外线，在此范围内，实际物体吸收比随波长变化小，可看作灰体处理，灰体作如下处理,1.基尔霍夫热辐射定律 2.普朗克定律 3.维恩位移定律 4.斯蒂芬玻耳兹曼定律 5.黑体辐射定律应用辐射测温 6.人工黑体黑体炉 7.辐射度标准 8.光度标准,第

16、四节、黑体辐射,3. 维恩位移定律(1911年诺贝尔物理学奖) 描述黑体光谱辐射曲线峰值波长与温度关系 随黑体温度升高，辐射率的峰值波长向短波长移动。 室温（300K）： 太阳表面温度（6000K）： 给金属加热，刚开始发红(烧红的铁)；温度再升高，颜色慢慢的就会发白(钨丝灯),4. 斯蒂芬玻耳兹曼定律 描述黑体总辐射与温度的关系 黑体在温度为T时辐射的总辐射出射度 5.67032 W/(cm2k4) 室温（300K）， 人体越2m2，人体皮肤发射率0.98。,5. 黑体辐射定律应用辐射测温 温度计分类： 直接式：玻璃管温度计（液体膨胀） 压力式温度计（气体膨胀） 间接式：辐射温度计、光学温度

17、计 直接式温度计优缺点： 操作简单，能测真实温度 由于要接触，对被测温度分布有影响 不能测高温,间接式温度计优缺点： 不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度 能测高温理论上无上限 其探测器的响应时间短，易于快速与动态测量( 核子辐射场，火箭尾焰场) 缺点在于，它不能直接测得被测对象的实际温度(发射率的修正, 测量受到中间介质的影响),斯蒂芬玻耳兹曼定律应用全辐射温度计 标定：黑体温度T对应V 测温：辐射计V推得实物表面辐射温度 发射率修正，得到真实温度,真实温度辐射温度,普朗克定律应用单色辐射温度计 标定：黑体温度T对应V 测温：辐射计V推得实物表面辐射温度 发射率修正，得到

18、真实温度,真实温度辐射温度,普朗克定律应用比色辐射温度计 总可找到两个波长，在这两波长处，黑体的辐射比值R与黑体T存在一一对应关系,普朗克定律应用比色辐射温度计 测得比值r，推得R值乃至T值,1.基尔霍夫热辐射定律 2.普朗克定律 3.维恩位移定律 4.斯蒂芬玻耳兹曼定律 5.黑体辐射定律应用辐射测温 6.人工黑体黑体炉 7.辐射度标准 8.光度标准,第四节、黑体辐射,6. 人工黑体黑体炉 结构： 目前，人造黑体最高工作温度为3000K，实际应 用多在2000K以下。,低温黑体炉 主要参数： 量程50C350C；发射率固定为0.95；分辨率0.1C；加热时间：30分钟到最大温度；冷却时间：40分钟到100C；目标直径57mm,中高温黑体炉 主要参数： 温度范围 150C1200C 腔口发射率在0.995以上，分辨率达到0.1C、高精度黑体则达到0.01C；,7.辐射度标准 标定照度计 标定光谱辐射亮度标准灯 标定光谱辐射照度标准灯,标定照度计 前面已知“圆形朗伯表面对其法线上面元的辐照度”,当距离l相对光阑半径足够大时：,根据斯蒂芬玻耳