第1章辐射度与光度基础A2014.9.19

1、12 电磁波包括的范围很广，从电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从无线电波到光波，从X X射线到射线到 射线，都属于电磁波的范畴射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不，只是波长不同而已。目前已经发现的电磁波有波长达同而已。目前已经发现的电磁波有波长达10104 4m m以上的，以上的，也有波长短到也有波长短到1010-5-5nmnm以下的。可以按照频率或波长的以下的。可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱电磁波谱，光辐光辐射仅占电波谱的一极小波段射仅占电波谱的一极小波段。 3143.97.7 10 Hz4 以电磁波形式或粒子（光子）形式

2、传播的光能量，可以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的光能量，可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为程称为光辐射光辐射。一般认为其波长在。一般认为其波长在10nm 1mm（广（广义）义），或频率在，或频率在3 1016Hz3 1011Hz范围内。一般按辐范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分光辐射分成三部分：紫：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用长用nm、在红外波段波长用、在红外波段波长用 m表示。表示。波数波数的

3、单位习惯的单位习惯用用cm-1。 狭义的光辐射特指可见光。狭义的光辐射特指可见光。 光辐射（广义光辐射（广义 狭义）狭义）Copyright 2004 ROAM CONSULTING Inc.可见光是波长在可见光是波长在380 380 760 760 nmnm范围内的光辐射，也就是范围内的光辐射，也就是人人视觉能感受到视觉能感受到“光亮光亮”的电磁辐射的电磁辐射。可见光的波长不同，。可见光的波长不同，引起人眼的颜色感觉就不同。一般认为：引起人眼的颜色感觉就不同。一般认为： 红红 色色 760 760 620 620 nmnm， 橙橙 色色 620 620 590 590nmnm， 黄黄 色色

4、590 590 560 560 nmnm， 黄绿色黄绿色 560 560 530 530nmnm， 绿绿 色色 530 530 500 500 nmnm， 青青 色色 500 500 470 470nmnm， 蓝蓝 色色 470 470 430 430 nmnm， 紫紫 色色 430 430 380 380nmnm。 可见光可见光：6 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是10390nm。细分为近紫近紫外、远紫外和极远紫外外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射真空紫外辐射。紫外辐射紫外辐射：7 波长在0.771000 m的

5、是红外辐射(激光制导)。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。 红外辐射红外辐射：根据使用者的要求不同，红外线划分范围很不相同。例如有人把能通过大气通过大气的三个波段划分为：近红外波段 13微米中红外波段 35微米远红外波段 814微米 有人根据红外光谱划分为：近红外波段 13微米中红外波段 340微米远红外波段 401000微米 医学领域中常常如此划分：近红外区 0.763微米中红外区 330微米远红外区 301000微米89辐射度学与光度学基本辐射度学与光度学基本知识知识 为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光

6、度单位两套不同的体系。 另一类是另一类是生理的生理的，叫作，叫作光度学量光度学量，是描述光，是描述光辐射能为辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度度，即光度量是具有，即光度量是具有标准人眼视觉特性标准人眼视觉特性的人眼所接的人眼所接受到辐射量的度量受到辐射量的度量。在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类: : 一类是一类是物理的物理的，叫作，叫作辐射度学量辐射度学量，是用能量单，是用能量单位描述光辐射能的位描述光辐射能的客观客观物理量；物理量；11 在辐射度单位体系中在辐射度单位体系中，辐通量辐通量（

7、又称为辐射功率辐射功率）或者辐射能辐射能是基本量基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特瓦特（W）或者焦耳焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。 光度单位体系光度单位体系是一套反映视觉视觉亮暗特性的光辐射光辐射计量单位，被选作基本量的不被选作基本量的不是光通量而是发光强度是光通量而是发光强度，其基本单位是坎坎德拉德拉（cd ） 。光度学只适用于可见光波段光度学只适用于可见光波段。 12 以上两类单位体系中的物理量在物理概概念上是不同的念上是不同的，但所用的物理符号一一对物理符号一一对应的应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面

8、重点介绍辐射度单辐射度单位体系位体系中的物理量。光度单位体系光度单位体系中的物理量可对比理解。 13在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角立体角。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，我们可把整个空间以某一点为中心划分成若干立体角。 0、立体角：、立体角：p/14 = 立体角的单位叫球面度球面度（sr），1球面度是半径为1米的球面上，1平方米的球面对球心所张对球心所张的立体角的立体角。lAoB(a)sAAr(b)or光度学的预备概念rl= 2rS平面角和立体角平面角和立体角平面角

9、的单位叫弧弧度度，1弧度是半径为1米的圆上，1米长的圆弧对圆心对圆心所张的角所张的角。下面我们先来介绍一下光度学的一些基本概念15对于一个给定顶点O 和一个随意方向随意方向的微小面积微小面积dS ，它们对应的立体角为 其中为dS 与投影面积投影面积 dA的夹角，R为O 到dS中心的距离。2cosdSdR 单位立体角：单位立体角：以O为球心、R为半径作球，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一个单位立体角单位立体角，或一球面度。思考 当夹角较小时 平面角与立体角的关系？ 1、辐射能辐射能Qe：辐射能是一种以电磁波：辐射能是一种以电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）

10、的形式发射、传播或接收的能量，单的形式发射、传播或接收的能量，单位为位为J J( (焦耳焦耳),),辐射能一般用符号Qe表示。2辐射能密度辐射能密度 we :光源在光源在单位体积单位体积内的辐射能称为光内的辐射能称为光源的辐射能密度。源的辐射能密度。dVdQwee/ 3、辐射通量辐射通量e：又称：又称辐射功率辐射功率，是辐射能的时间，是辐射能的时间变化率，单位为瓦变化率，单位为瓦 (1W=1(1W=1J J/s)/s)，是，是单位时间单位时间内发射、内发射、 传传播或接收的辐射能。播或接收的辐射能。dtdQee/ 4 4、辐射强度辐射强度 Ie：辐射强度定义为从一个：辐射强度定义为从一个点光源

11、点光源发发出的，在出的，在单位时间单位时间内、内、给定方向上给定方向上单位立体角单位立体角内所辐射内所辐射出的能量，单位为出的能量，单位为Wsr( (瓦每球面度瓦每球面度) )， ddIee/dIeecoscos2dSdddSdILeee 5 5、辐射亮度辐射亮度 Le：由辐射表面定向：由辐射表面定向发射发射的辐射强度，的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位。单位为为 ( (瓦每球面度平方米瓦每球面度平方米) ) 。 在与辐射表面在与辐射表面dS的法线成的法线成角的方向上，辐射亮度等角的方向上，辐射亮度等于该方向上的辐射强度于

12、该方向上的辐射强度dIe与辐射表面在该方向垂与辐射表面在该方向垂直面上的投影面积之比直面上的投影面积之比 dAdMee/ 6 6、辐射出射度辐射出射度M Me e：辐射体在单位面积内所辐射的通量辐射体在单位面积内所辐射的通量，de 是扩展源表面是扩展源表面dA在在各方向上各方向上( (通常为半空间立体角通常为半空间立体角) )所发出的所发出的总的辐射通量总的辐射通量，单位为瓦，单位为瓦/ /米米2 2 ( (瓦每平方米瓦每平方米) )。 7 7、辐射照度辐射照度Ee：投射投射在单位面积上的辐射通量在单位面积上的辐射通量，单，单位为位为 ( (瓦每平方米瓦每平方米) )。dA是投射辐射通量的面积

13、元。是投射辐射通量的面积元。 dAdEee/ 辐射照度和辐射出射度的单位相同，其辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述区别仅在于前者是描述辐射接收面辐射接收面所接收的辐所接收的辐射特性，而后者则为描述射特性，而后者则为描述扩展辐射源扩展辐射源向外发射向外发射的辐射特性。的辐射特性。 对于理想的散射面，有对于理想的散射面，有Ee= Me 光谱辐射度量光谱辐射度量：光谱辐射度量也叫辐射量：光谱辐射度量也叫辐射量的的光谱密度光谱密度。辐射源所辐射的能量往往由。辐射源所辐射的能量往往由许许多不同波长多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各的单色辐射所组成，为了研究各种波长的辐射通量，需要

14、对某一波长的种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色单色光光的辐射能量作出相应的定义。的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射度光谱辐射度量是量是单位波长间隔内单位波长间隔内的辐射度量。的辐射度量。 1 1、光谱辐射通量光谱辐射通量 ：光源发出的光在：光源发出的光在每单位波长间每单位波长间隔隔内的辐射通量，也称内的辐射通量，也称光谱密度或单色辐射通量光谱密度或单色辐射通量。单位为。单位为( (瓦每微米瓦每微米) ) 或或 ( (瓦每纳米瓦每纳米) )。 e dde 在波长在波长 处的光谱辐射通量为处的光谱辐射通量为 在整个光谱内，总的辐射通量为在整个光谱内，总的辐射通量为 de0该量与波长有关 ddIIe)( 3 3、光谱辐射强度光谱辐射强度I ：光源发出的光在每：光源发出的光在每单位波长间隔单位波长间隔内内的辐射强度的辐射强度( (单位立体角单位立体角) ) 。 ddMMe)( 2 2、光谱辐射出射度光谱辐射出射度M：光源发出的光在每：光源发出的光在每单位波长间单位波长间隔内隔内的辐射出射度的辐射出射度(