红外技术(2)-1hy

1、燕山大学燕山大学 信息科学与工程学院信息科学与工程学院 主讲老师：韩颖主讲老师：韩颖 Email: 红红 外外 技技 术术 第第2章章 光度学与辐射度学基础光度学与辐射度学基础 2.1 描述辐射场的基本物理量描述辐射场的基本物理量 2.2 光谱辐射量与光子辐射量光谱辐射量与光子辐射量 2.3 光度量光度量 2.4 朗伯余弦定律和漫辐射源的辐射特性朗伯余弦定律和漫辐射源的辐射特性 2.5 辐射量的基本规律及计算辐射量的基本规律及计算 2.6 辐射的反射、吸收和透射辐射的反射、吸收和透射 2.7 辐射量的计算举例辐射量的计算举例 光光 学学研究光的本质、特性、传播规律研究光的本质、特性、传播规律

2、的科学。的科学。 几何光学几何光学以光线在均匀媒质中直线传播的以光线在均匀媒质中直线传播的 规定为基础的研究。规定为基础的研究。(画点、画线画点、画线) 物理光学物理光学在证明光是一种电磁波后的研究。在证明光是一种电磁波后的研究。 (干涉、衍射等，光可以拐弯了干涉、衍射等，光可以拐弯了) 量子光学量子光学现代理论对光的本质所达到的认现代理论对光的本质所达到的认 识说明光是一种能量。识说明光是一种能量。 (粒子性和波动性粒子性和波动性) 光既然是一种传播着的能量，如何度量和定量研究光既然是一种传播着的能量，如何度量和定量研究 光度学与辐射度学：对光能进行定量研究的科学。光度学与辐射度学：对光能进

3、行定量研究的科学。 光光 度度 学学只限于可见光范围，包含人眼特性。只限于可见光范围，包含人眼特性。 辐射度学辐射度学规律适用于从紫外到红外波段（光能的大规律适用于从紫外到红外波段（光能的大 小是客观的），有些规律适用于整个电磁波谱。小是客观的），有些规律适用于整个电磁波谱。 红外物理就是从光是一种能量出发，定量地讨论光红外物理就是从光是一种能量出发，定量地讨论光 的计算和测量问题（当然不只是可见光）。的计算和测量问题（当然不只是可见光）。 2.1 描述辐射场的基本物理量描述辐射场的基本物理量 立体角立体角 辐射通量辐射通量 辐射强度辐射强度 I I 辐射出射度辐射出射度 MM 辐射亮度辐射亮

4、度 L L 辐射照度辐射照度 E E 描述辐射场的基本物理量：描述辐射场的基本物理量： 在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角。在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角。 立体角涉及到的是空间问题。任一光源发射的光立体角涉及到的是空间问题。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，我们可把体空间问题。与平面角度相似，我们可把整个空整个空 间以某一点为中心划分成若干立体角。间以某一点为中心划分成若干立体角。 1. 立体角立体

5、角 定义定义:一个任意形状椎面所包含的空间称为立体角。一个任意形状椎面所包含的空间称为立体角。 符号：符号： 单位：单位：Sr （球面度）（球面度） 如图所示，如图所示，A是半径为是半径为R 的球面的一部分，的球面的一部分，A的边缘的边缘 各点对球心各点对球心O连线所包围的那连线所包围的那 部分空间叫立体角。部分空间叫立体角。 立体角的数值为部分球面面立体角的数值为部分球面面 积积A与球半径平方之比，即与球半径平方之比，即 2 R A 单位立体角：单位立体角：以以O为球心、为球心、R为半径作球，若立体为半径作球，若立体 角角截出的球面部分的面积为截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所，则此

6、球面部分所 对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面度。对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面度。 对于一个给定顶点对于一个给定顶点O和一个随意方向的微小面积和一个随意方向的微小面积dS ， 它们对应的立体角为它们对应的立体角为 其中其中为为dS 与投影面积与投影面积 dA的夹角，的夹角，R为为O到到dS中心中心 的距离。的距离。 2 cos R dS d 2 R S 4 4 2 2 R R 2 sin4 )cos1 (2 2 2 R R 例例 1、球面所对应的立体角：根据定义、球面所对应的立体角：根据定义 全球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全球所对应的立体角

7、是整个空间 又称为又称为4空间空间 半球所对应的立体角为半球所对应的立体角为2空间空间 2、球冠所对应的立体角、球冠所对应的立体角（见（见P7图图2-2） 当当很小时，可用小平面代替球面，很小时，可用小平面代替球面，5以下时误差以下时误差1% （1）辐射能：）辐射能： 通常把以电磁波形式发射、传播、接收的能量称通常把以电磁波形式发射、传播、接收的能量称 为辐射能，用为辐射能，用Q表示，单位为焦耳。表示，单位为焦耳。 h是普朗克常数，是普朗克常数，是光的频率，是光的频率，与光速与光速c、波长、波长 之间都可换算之间都可换算 辐射能即可以表示辐射源发出的电磁波的能量，也可以表辐射能即可以表示辐射源

8、发出的电磁波的能量，也可以表 示被辐射表面接收到的电磁波的能量。示被辐射表面接收到的电磁波的能量。 hQ 2. 辐射量辐射量 （2 2）辐射通量）辐射通量 单位时间内通过某一面积的光辐射能量单位时间内通过某一面积的光辐射能量 Q是辐射能量，是辐射能量，与功率意义相同与功率意义相同。 dt dQ d 辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量，属辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量，属 于于基本物理量基本物理量。它们的量值都可以用专门的红外辐射计在离。它们的量值都可以用专门的红外辐射计在离 开辐射源一定的距离上开辐射源一定的距离上进行测量进行测量。所以。所以其他辐射量都是由辐其

9、他辐射量都是由辐 射功率（或称为辐射通量）定义的射功率（或称为辐射通量）定义的。 单位：单位：W（瓦）（瓦） （3） 辐射强度辐射强度I 数学描述：数学描述：若若点辐射源点辐射源在小立体角在小立体角内的辐射内的辐射 功率为功率为，则，则与与之比的极限值定义为辐之比的极限值定义为辐 射强度射强度I。 单位：单位：W/Sr （瓦（瓦/球面度）球面度） lim 0 I n物理描述：物理描述：点辐射源点辐射源在在 某一方向上的辐射强度，某一方向上的辐射强度， 是指辐射源在包含该方是指辐射源在包含该方 向的单位立体角内所发向的单位立体角内所发 出的辐射通量。出的辐射通量。 点辐射源（相对概念）点辐射源（

10、相对概念） ：辐射源与观测点：辐射源与观测点 之间距离大于辐射源最大尺寸之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可倍时，可 当做点源处理，否则称为扩展源（有一定当做点源处理，否则称为扩展源（有一定 面积）面积）. “辐射强度是描述点源特性的辐射量辐射强度是描述点源特性的辐射量”。 数学描述：数学描述：若辐射源的微小面积若辐射源的微小面积A向半球向半球 空间的辐射功率为空间的辐射功率为，则，则与与A之比之比 的极限值定义为辐射出射度的极限值定义为辐射出射度M。 AA M A lim 0 单位：单位：W/m2（瓦（瓦/米米2） n物理描述：物理描述：扩展源扩展源单位单位 面积向半球空间发射的面积向半球

11、空间发射的 功率（或辐射通量）。功率（或辐射通量）。 （4）辐射出射度）辐射出射度M 扩展源总的辐射通量，等于辐射出射度对扩展源总的辐射通量，等于辐射出射度对 辐射表面积的积分：辐射表面积的积分： dAM A A为扩展源面积为扩展源面积 物理描述：物理描述：辐射源在给定方向上的辐射亮辐射源在给定方向上的辐射亮 度，是源在该方向上的单位投影面积向单度，是源在该方向上的单位投影面积向单 位立体角内发出的位立体角内发出的辐射功率。辐射功率。 （5）辐射亮度）辐射亮度L cos lim 222 0 0 AAA L A 数学描述：数学描述：面积元面积元A向小立体角向小立体角内发射的辐射内发射的辐射 功率

12、是二阶小量功率是二阶小量 ()2 在在方向看到的源面积是方向看到的源面积是A的投影面积的投影面积 AAcos 因此，在因此，在方向上观测到的源表面上该位置的辐亮度方向上观测到的源表面上该位置的辐亮度 就定义为就定义为2与与Acos及及之比的极限值之比的极限值 单位：单位：W/(Sr) 瓦瓦/（平方米（平方米球面度）球面度） I与与L关系：关系： 对小面元对小面元dA有如下关系：有如下关系： coscosA I A L 于是有于是有 A dALIcos AA E A lim 0 单位：单位：W/m2 （瓦（瓦/米米2） （6）辐射照度）辐射照度E 数学描述：数学描述：若被辐射的微小面积若被辐射的

13、微小面积A上接收到的辐上接收到的辐 射功率为射功率为，则，则与与A之比的极限值定义为之比的极限值定义为 辐射照度辐射照度E。 物理描述：物理描述：被照表面被照表面的的 单位面积上接收到的辐单位面积上接收到的辐 射功率称辐射照度。射功率称辐射照度。 注意：注意：辐射出射度辐射出射度M和辐射照度和辐射照度E公式相同、公式相同、 单位相同，意义不同，一个是单位相同，意义不同，一个是辐射源辐射源的发射的发射 特性，一个是特性，一个是被照表面被照表面的接收特性。的接收特性。 2. 光出射度和光照度光出射度和光照度 光出射度光出射度 光亮度光亮度 辐出射度辐出射度 辐亮度辐亮度 S M e e d d n

14、 e e S I L d S M d d 辐照度辐照度 S E e e d d 光照度光照度 S E d d n S I L d A d Sd A d Sd A Sd O d N n Sd 2 1lm/m1lx 场合场合光照度光照度(lm) 观看仪器的示值观看仪器的示值 3050 一般阅读及书写一般阅读及书写 5075 精细工作精细工作 100200 电影场内拍摄电影电影场内拍摄电影 10000 照相制版时的原稿照相制版时的原稿 3000040000 明朗夏日采光良好的室内明朗夏日采光良好的室内 100500 太阳直照时的地面照度太阳直照时的地面照度 10.0000 满月在天顶时的地面照度满月

15、在天顶时的地面照度 0.2 无月夜天光在地面产生的照度无月夜天光在地面产生的照度 310-4 光源名称光源名称光亮度光亮度(cd/m2) 在地球上看到的太阳在地球上看到的太阳 1.5109 普通电弧普通电弧 1.5108 钨丝白炽灯灯丝钨丝白炽灯灯丝 (315)106 太阳照射下漫射的白色表面太阳照射下漫射的白色表面 3104 在地球上看到的月亮表面在地球上看到的月亮表面 2.5103 人工照明下书写阅读时的纸面人工照明下书写阅读时的纸面 10 白天的晴朗天空白天的晴朗天空 5103 1.用波数表示波长为用波数表示波长为0.400，0.4880，0.6328， 1.060，2.500，3.00

16、0，5.000，8.000，10.60， 14.00，25.00m的光辐射。的光辐射。 2.一各向同性的点辐射体，其辐射强度为一各向同性的点辐射体，其辐射强度为4W/sr， 求它在整个空间的辐射通量。求它在整个空间的辐射通量。 3.一点辐射体在上半空间发出的辐射通量为一点辐射体在上半空间发出的辐射通量为 62.8W，求该辐射体在上半空间的平均辐射强，求该辐射体在上半空间的平均辐射强 度。度。 习习 题题 2.2 光谱辐射量与光子辐射量光谱辐射量与光子辐射量 前述辐射量是前述辐射量是 全波段的辐射（波全波段的辐射（波 长长从从0），或称），或称 为全景辐射。但我为全景辐射。但我 们有时关心某个波

17、们有时关心某个波 长附近的辐射特性。长附近的辐射特性。 所以要引入光谱辐所以要引入光谱辐 射量。射量。(p38，图，图3-3) 1 光谱光谱辐射量辐射量 光谱辐射通量：光谱辐射通量：辐射源在辐射源在+波长间隔内波长间隔内 发出的辐射功率，称为在波长发出的辐射功率，称为在波长处的光谱辐处的光谱辐 射功率（或单色辐射功率）射功率（或单色辐射功率） 0 lim 单位：单位：W/m （瓦（瓦/米）米） n严格地讲，单色辐射通量和光谱辐射通量不同，严格地讲，单色辐射通量和光谱辐射通量不同， 其区别在于其区别在于“单色辐射通量单色辐射通量”比比“光谱辐射通量光谱辐射通量” 的波长范围更小一些。的波长范围更

18、小一些。 n注意单位（注意单位（W/m），光谱辐射通量不是辐射照度），光谱辐射通量不是辐射照度 的单位的单位W/m2，而是辐射通量与波长的比值，描述，而是辐射通量与波长的比值，描述 的是的是某一波长或波段某一波长或波段的辐射特性。的辐射特性。 光谱辐射强度光谱辐射强度 光谱辐射出射度光谱辐射出射度 光谱辐射亮度光谱辐射亮度 光谱辐射照度光谱辐射照度 II limI 0 MM limM 0 LL limL 0 EE limE 0 前面由辐射通量定义出了四个辐射量前面由辐射通量定义出了四个辐射量I、M、L、 E，这里由光谱辐射通量定义出了四个光谱辐射量，这里由光谱辐射通量定义出了四个光谱辐射量I、

19、 M、L 、E 。 n 单位：在原来辐射量单位的基础上加单位：在原来辐射量单位的基础上加m-1。 n 今后逢遇今后逢遇“光谱光谱”，就表示是与波长有关的参，就表示是与波长有关的参 数，有时称数，有时称“单色单色”。 d h Q dN p 光子数量：光子数量：NP（无量纲，是纯数字）（无量纲，是纯数字） 2 光子辐射量光子辐射量 n光谱辐射量是单位波长间隔内的辐射特性，是波光谱辐射量是单位波长间隔内的辐射特性，是波 长长的函数。的函数。 n光子辐射量是单位时间间隔内传输的光子数，光子辐射量是单位时间间隔内传输的光子数， ( (发送或接收发送或接收) )。引入该量的目的是研究某些问题。引入该量的目

20、的是研究某些问题 时比较方便时比较方便( (例如光子探测器例如光子探测器) )。 Q是用频率表示的辐射能。是用频率表示的辐射能。h是一个光子的能量。是一个光子的能量。 光子数光子数=总的能量除一个光子的能量。总的能量除一个光子的能量。 又：又：=c，=c/，即，即 波长波长,频率频率, h普朗克常数普朗克常数, c光速光速 所以所以 或或 d h Q d h Q dNp c d Q h 1 dNN pp d Q hc 1 dNN pp 光子通量：光子通量：单位时间内传输的光子数单位时间内传输的光子数 于是有（用光子通量表示的光子辐射量）：于是有（用光子通量表示的光子辐射量）： 光子强度光子强度

21、 光子亮度光子亮度 光子辐射度光子辐射度 光子照度光子照度 t N p P P P I Acos L P 2 P dcosL A M P P P A E P P 单位：单位：1/s （1/秒）秒） 前面由前面由辐射通量辐射通量定义出了四个辐射量，定义出了四个辐射量， 后来由后来由光谱辐射通量光谱辐射通量定义出了四个光谱辐射定义出了四个光谱辐射 量，这里又由量，这里又由光子通量光子通量定义出了四个光子辐定义出了四个光子辐 射量。射量。 单位：单位：在原来单位的基础上加在原来单位的基础上加1/(sW) 1、辐射量、辐射量2、光谱辐射量、光谱辐射量3、光子辐射量、光子辐射量 通通 量量 强强 度度

22、亮亮 度度 出出 射射 度度 照照 度度 AA M A lim 0 cos lim 222 0 0 A P A P A P L A AA E A lim 0 lim 0 I dt dQ d 0 lim II limI 0 LL limL 0 MM limM 0 EE limE 0 t N p P P P I Acos L P 2 P dcosL A M P P P A E P P “通量通量”是传递的能量（发射或接收）是传递的能量（发射或接收） “强度强度”、“亮度亮度”、“出射度出射度”是从源是从源 发出的辐射发出的辐射 “照度照度”是被照表面积上接收到的辐射是被照表面积上接收到的辐射 2.

23、3 光光 度度 量量 光度量：辐射量对人眼视觉的刺激值光度量：辐射量对人眼视觉的刺激值 是主观的，不管辐射量大小，以看到为准是主观的，不管辐射量大小，以看到为准 光谱光视效能是评定该刺激值的参数光谱光视效能是评定该刺激值的参数 以上所讲的辐射量是客观存在的物理现象，不以上所讲的辐射量是客观存在的物理现象，不 论人们是否看到。那么，众所周知在可见光范围内论人们是否看到。那么，众所周知在可见光范围内 有很多规律和定义、单位等，与上述理论有何关系有很多规律和定义、单位等，与上述理论有何关系 呢？引出呢？引出光度量。光度量。 光视效能光视效能 光通量光通量 e辐射通量辐射通量 即人眼对不同波长的辐射产

24、生光感觉的效率即人眼对不同波长的辐射产生光感觉的效率 说明：说明：即使辐射通量即使辐射通量e不变，光通量不变，光通量v也随着波长不同而也随着波长不同而 变化，变化，K是个比例，但不是常数，是随波长变化的。于是是个比例，但不是常数，是随波长变化的。于是 人们又定义了光谱光视效能。人们又定义了光谱光视效能。 光谱光视效能光谱光视效能 在波长在波长处的光通量处的光通量 e 在波长在波长处的辐射通量处的辐射通量 e K e K )( 1 光谱光视效能和光谱光视效率光谱光视效能和光谱光视效率 光视效率光视效率 物理意义：物理意义： 以光谱光视效能最大处的波长为以光谱光视效能最大处的波长为 基准来衡量其它

25、波长处引起的视觉。基准来衡量其它波长处引起的视觉。 在相同的辐射能量下，看到的亮度不同具在相同的辐射能量下，看到的亮度不同具 体某个波长上的光视效率称为光谱光视效率：体某个波长上的光视效率称为光谱光视效率： m K K V m K K V )( )( 几点说明：几点说明： 对于相同的辐射能量，光谱光视效率不同对于相同的辐射能量，光谱光视效率不同 “光谱光视效率的最大值在光谱光视效率的最大值在=555nm处处”是实验证明是实验证明 绝大部分人眼符合此规律，略有小差异（尤其在可见光波绝大部分人眼符合此规律，略有小差异（尤其在可见光波 段两端）。段两端）。 通过这个结论，可知辐射量与光度量的换算关系

26、通过这个结论，可知辐射量与光度量的换算关系 X光度量；光度量；Xe辐射量；辐射量；Km是常数；是常数；V()查表查表 明视觉和暗视觉：人眼在环境亮度不同时对颜色的视觉效明视觉和暗视觉：人眼在环境亮度不同时对颜色的视觉效 率不同。率不同。 明视觉：光亮度大于几个明视觉：光亮度大于几个cd/m2 (表表2-1)；暗视觉：光亮度小于；暗视觉：光亮度小于0.01cd/m2 (表表2-2) em X)(VKX 单位时间内通过某一面积的光通量单位时间内通过某一面积的光通量(功率功率) 单位：单位：lm (流明流明) 对于明视觉：对于明视觉： 对于暗视觉：对于暗视觉： nm nm em dVK 780 38

27、0 )( nm nm e dV 780 380 )(683 nm nm e dV 780 380 )( 1700 2 光度量光度量 发光强度：发光强度：点光源在单位立体角内发出的光通量。点光源在单位立体角内发出的光通量。 单位：单位：cd (坎德拉坎德拉) 国际单位制中，国际单位制中，candela (坎德拉坎德拉)的定义是在的定义是在 1979年才更新的。年才更新的。 I （1）发光强度）发光强度Iv 光出射度：光出射度：扩展源单位面积向扩展源单位面积向2空间空间发出的全部光发出的全部光 通量。通量。 单位：单位：lm/m2 (流明流明/平方米平方米) A为扩展源面积为扩展源面积 2空间空间

28、：(半球空间半球空间)因扩展源有面积，不同于点光因扩展源有面积，不同于点光 源，不能向下或向内辐射。源，不能向下或向内辐射。 A M （2）光出射度）光出射度Mv 光亮度：光亮度：光源在给定方向上光亮度光源在给定方向上光亮度L L ，是在该方向 ，是在该方向 上的单位投影面积向单位立体角内发出的光通量。上的单位投影面积向单位立体角内发出的光通量。 单位：单位：cd/mcd/m2 2 ( (坎德拉坎德拉/ /平方米平方米) ) 发光强度发光强度 光亮度又可表示为光亮度又可表示为 即在给定方向上的光亮度也就是辐射源在该方向单即在给定方向上的光亮度也就是辐射源在该方向单 位投影面积上的发光强度。位投

29、影面积上的发光强度。 cos 2 A L I cos I A L （3）光亮度）光亮度Lv 光照度：光照度：被照表面积的单位面积上接收到的光通量被照表面积的单位面积上接收到的光通量 称为光照度。称为光照度。 单位：单位：lx (勒克斯勒克斯) A为被照面积为被照面积 A E （4）光照度）光照度Ev 描述辐射场的基本物理量小节描述辐射场的基本物理量小节 辐射量辐射量 光谱辐射量光谱辐射量 光子辐射量光子辐射量 光度量光度量 通量通量 强度强度 亮度亮度 出射度出射度 照度照度 dt dQ d t Np P nm nm em dVK 780 380 )( I I I P P I I cos 2 A P L L L Acos L P 2 P cos 2 A L A M A E M M E E A M P P A M A E P P A E 注: 1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差， “辐射辐射”“光光”。 2. 下角标有下角标有e、p、，辐射量在与其它量同用时，辐射量在与其它量同用时 标标e。 3. 从表达式可直接说出定义及物理意义。从表达式可直接说