辐射度学与光度学基础

关于辐射度学与光度学基础第1页，共70页，2023年，2月20日，星期六光学发展的概况

人类感官接收到外部世界的总信息量中至少有90％以上通过眼睛光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年轻学科激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科第2页，共70页，2023年，2月20日，星期六

五个时期（一）、萌芽时期

公元前500年-公元1500年经历大约2000年面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现第3页，共70页，2023年，2月20日，星期六1500-1800，大约300年1、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位4、对折射定律的解释是错误的（二）、几何光学时期第4页，共70页，2023年，2月20日，星期六1800~1900，近100年1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小于在空气中的传播速度6、波动光学的理论体系已经形成，光的波动说战胜了光的微粒说（三）、波动光学时期第5页，共70页，2023年，2月20日，星期六

1900~1950，近50年1、1900年普朗克提出了量子假说，成功地解释了黑体辐射问题2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了光电效应问题3、光的某些行为象经典的“波动”4、另一些行为却象经典的“粒子”5、光是一种几率波，又具有可分割性，光具有“波粒二象性”（四）、量子光学时期第6页，共70页，2023年，2月20日，星期六（五）、现代光学时期

从1950年至今

1、全息术、光学传递函数和激光的问世是经典光学向现代光学过渡的标志2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度飞速发展

1）智能光学仪器

2）全息术

3）光纤通信

4）光计算机

5）激光光谱学的实验方法第7页，共70页，2023年，2月20日，星期六一、光的基本性质牛顿——微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波第8页，共70页，2023年，2月20日，星期六光的基本性质光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性第9页，共70页，2023年，2月20日，星期六光谱光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm，波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。

光谱分布如图所示。第10页，共70页，2023年，2月20日，星期六远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为

ν的单位为Hz，λ的单位为cm。νλ=3×1010cm/s第11页，共70页，2023年，2月20日，星期六光谱学第12页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院

辐射度学：物理现象

光度学：视觉问题视见函数第13页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院1.1立体角的意义及其在光度学

中的应用定义：一个任意形状的封闭锥面内所包含的空间称为立体角。单位：球面度（Sr）第14页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院重要结论：

假定一个圆锥面的半顶角为α，则该圆锥面所包含的立体角的大小为

第15页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院推论：假定离A点

l处有一个微面ds，ds的法线ON与AO的夹角为α，那么微面对A点所张立体角为第16页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院1.2辐射度学基本量（辐射量）1、辐射能单位：J2、辐射通量单位：W3、辐射强度单位第17页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院4、辐射出射度单位：5、辐射照度单位：6、辐射亮度

单位：第18页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院辐射通量：定义：单位时间、单位面积元上辐射的所有波长的

能量，即：光源表面上单位面积的辐射功率。意义：描述光源发射辐射的能力。单位：W大部分辐射体的电磁波辐射，都有一定的波长范围，通常用下图所示的光谱密度曲线来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性

光谱密度曲线back第19页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院辐射强度：

单位立体角内辐射通量的大小。表征辐射体在不同方向上的辐射特性back第20页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院辐射出射度：

单位面积辐射通量的大小表征辐射体表面不同位置的辐射特性back第21页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院辐射照度：

单位面积接收辐射通量的大小表征辐射体表面不同位置的接收辐射特性back第22页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院辐射亮度：

单位面积单位立体角内的辐射通量表征了辐射体表面不同位置不同方向上的辐射特性back第23页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院1.3人眼的视见函数光度学中为了表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义一个函数，称为视见函数。对人眼最灵敏的波长λ＝555nm的视见函数规定为1，即V（555）＝1。假定人眼同时观察两个位在相同距离上的辐射体A和B，这两个辐射体在观察方向上的辐射强度相等，A辐射的电磁波波长为λ，B辐射的波长为555nm，人眼对A的视觉强度与人眼对B的视觉强度之比，作为λ波长的视见函数V(λ)第24页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光线颜色波长（nm）V（λ）光线颜色波长（nm）V（λ）紫4000.0004黄5800.8700紫4100.0012黄5900.7570靛4200.0040橙6000.6310靛4300.0116橙6100.5030靛4400.0230橙6200.3810蓝4500.0380橙6300.2650蓝4600.0600橙6400.1750蓝4700.0910橙6500.1070蓝4800.1390红6600.0610蓝4900.2080红6700.0320绿5000.3230红6800.0170绿5100.5030红6900.0082绿5200.7100红7000.0041绿5300.8620红7100.0021黄5400.9540红7200.00105黄5500.9950红7300.00052黄5551.0000红7400.00025黄5600.9950红7500.00012黄5700.9520红7600.00006明视觉视见函数标准第25页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院4005006007901700暗视觉555明视觉一般的视觉敏感范围：380—760nm光照充足对555nm最敏感；光照弱对507nm敏感第26页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院1.4光度学中的基本量1、光通量：Φ可见光对人眼的视觉刺激程度单位：lm

2、光强度：

单位：cd第27页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院3、光出射度4、光照度5、光亮度第28页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光通量：

就是按人眼的视觉强度来度量的辐射通量。根据定义，人眼产生的视觉强度与辐射通量和视见函数V(λ)成正比。

单位：流明（lm）

C为单位换算常数back第29页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光强度：

我们把人眼接收到的光通量dΦ与辐射体对人眼所张的立体角dΏ之比称为光强度

光强度表示在指定方向上的光源发光的强弱。点光源第30页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院坎（德拉）：光强度的单位

为光度学中最基本的单位定义：

如果发光体发出的电磁波频率

540×1012Hz的单色辐射（λ＝555nm），且在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr。则该发光体在该方向上的发光强度为1cd（坎德拉）第31页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院C：单位换算常数式中：V（555）＝1，Ie=(1/683)W/sr，I＝1cd所以：C=683(cd·sr)/W1lm=1cd·sr第32页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光谱光视效能：

表征了波长λ的辐射通量对眼睛产生光通量的能力辐射通量与光通量的关系：

第33页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光视效能：单位为：lm/W表示辐射体消耗1W功率所发出的流明数第34页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光源种类光视效能(lm/W)光源种类光视效能(lm/W)钨丝灯（真空）8－9.2日光灯27－41钨丝灯（充气）9.2-21高压水银灯34－45石英卤钨灯30超高压水银灯40－47.5气体放电管16-30钠光灯60常用光源光视效能第35页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院例1：一个功率为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各个方向上均匀发光，求它的发光强度。解：根据上表，钨丝灯泡的光视效能为9.2-21lm/W,假定取它的平均值等于15lm/W，则该灯泡的总光通量为由于假定光源向各个方向均匀发光，根据发光强度的定义：第36页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院例2、已知光源同时辐射两种光源的光，第一种波长为λ1＝480nm，辐射通量30W，第二种波长为λ2＝580nm，辐射通量20W试求：①λ1和λ2的光谱光视效能及光通量

②该光源的光视效能back第37页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院解：1、2、第38页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院例3、射入屏幕的光为波长为600nm的红光，其光通量为1000lm试求：①λ＝600nm的光谱光视效能

②屏幕在一分钟内接收的辐射能量back第39页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院解：1、2、第40页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光出射度（单位：lx）：

表征发光表面单位面积发出的光通量

back第41页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光照度（单位lx）：

表示被照明表面单位面积上接收的光通量。第42页，共70页，2023年，2月20日，星期六晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50—500lx阴天室内5—50lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度50~60lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx第43页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院光亮度：

表示发光表面不同位置不同方向的发光特性第44页，共70页，2023年，2月20日，星期六注意：照度是接收的概念，发光强度和亮度是发射的概念。第45页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院例5：有一均匀磨沙球形灯，它的直径为Φ17cm，光通量为200lm，求该球形灯的光亮度解：第46页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义式单位物理量名称符号定义式单位辐射能QeJ光量QvQv=∫

vdtlm·s辐射通量e=dQ/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm辐射出射度MeM=dΦ/dSW/m2光出射度MvMv=d

v/dSlm/m2辐射强度IeI=dΦ/dΩW/sr发光强度Iv基本量cd辐射亮度BeL=dI/(dScosθ)W/m2·sr(光)亮度BvLv=dIv/(dScosθ)cd/m2辐射照度LeE=dΦ/dAW/m2(光)照度LvMv=d

v/dAlx第47页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院辐射强度I

辐射出射度M辐射亮度L

源特点点源面源面源辐射特点立体角内2π空间立体角内第48页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院1.5光照度公式和发光强度余弦定律一、光照度公式

被照明物体表面的光照度和光源在照明方向上的发光强度I及被照明表面的倾斜角α的余弦成正比与距离的平方成反比第49页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院二、发光强度余弦定律

表示发光体在各方向上亮度相同时，不同方向上的发光强度变化规律。第50页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院假定发光面光亮度为L，则它在半顶角u内辐射的总光通量为

第51页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院若发光面单面发光则：若发光面双面发光则：第52页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院例1、直径Φ20mm的标准白板，在与板面法线方向成30o方向测得的发光强度为1cd，求：

1、标准白板在与法线成60°方向上的发光强度

2、白板的光亮度

3、白板在半顶角u＝15°的圆锥内辐射的光通量

4、白板辐射的总光通量第53页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院解：1、2、3、4、第54页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院例2、一只功率为5mw的氦氖激光器，光源光视效能为152lm/W，发光面直径为Φ1mm发散角（光束半顶角）为1mrad，求

1、激光器的总光通量

2、发光强度

3、激光器发光面的光亮度

4、激光束在5m远的屏幕上产生的光照度第55页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院解：1、2、3、4、第56页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院1.6全扩散表面的光亮度定义：如果被照明表面在各个方向上的光亮度是相同的，称这样的表面为全扩散表面。设一个全扩散表面的光照度为E，该表面的漫反射系数为ρ，则该表面的光亮度为：第57页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院照明表面漫反射系数照明表面漫反射系数氧化镁96粘土16石灰91月亮10－20雪78黑土5－10白纸70－80黑呢绒1－4白沙25黑丝绒0.2－1物体表面的漫反射系数第58页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院例1、发光强度为100cd的白炽灯泡照射在墙壁上，墙壁和光线照射方向的距离为3m，墙壁的漫反射系数为0.7，求与光线照射方向相垂直的墙面上的光照度及墙面的光亮度。解：第59页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院结论：当被照明表面的光照度给定时，光亮度与漫反射系数成正比，墙面越白，漫反射系数值越大，屋子显得越亮第60页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院1.7光学系统中光束的光亮度光学系统中光束光亮度的普通关系式为式中n1、n2

、……

、nk为不同介质的折射率，L1、L2

、……

、Lk为相应介质中光束的光亮度，L0称为折合光亮度。结论：如果不考虑光能损失，则位于同一条光线上的所有各点，在该光线传播的方向上折合光亮度不变第61页，共70页，2023年，2月20日，星期六南京工程学院自动化学院几种不同情况讨论：①n1=n2,L1=L2=L0.表示光在均匀介质中传播时，光亮度不变，实际光亮度等于折合光亮度。②n1=-n2,L1=L2=L0.表示光束在两物质分界面反射，光亮度不变，实际光亮度等于折合光亮度。