光辐射与测量复习市公开课特等奖市赛课微课一等奖课件

复习第1页题型一、填空（共25小题25空，每空1分）二、名词解释（共4小题，每小题5分）三、简答题（共4小题，每小题5分）四、问答题（共2小题，7+8分）五、推导（共1小题，每小题10分）六、计算（共1小题，每小题10分）第2页３、光辐射学所研究光谱辐射谱域紫外区：１、真空紫外:1-280nm（杀菌区）２、远紫外:280-315nm（保健区）３、近紫外:315-380nm（光化学反应区）晒黑可见光区:380-780nm红外光区：１、近红外:780---3×103nm２、中红外:3×103---3×104nm３、远红外:3×104----106nm第3页４、光辐射测量所研究范围辐射度学：研究相关Ｘ射线、紫外辐射、可见光、红外辐射及其它电磁辐射能量计量学科。光度学：将可见光能量与人眼对它接收特征结合起来进行研究计量科。色度学：研究颜色视觉机理、颜色测量科学。第4页三、辐射强度:Ie1、立体角:（Ω）立体角Ω是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时发散或会聚角度。①定义：以锥体基点为球心做一球表面，锥体在球表面上所截取部分表面积dS和球半径r平方之比②定义式:Ω=S/r2

③单位:球面度(Sr)④第5页①、定义:在给定方向上立体角元内，离开点辐射源（或辐射面元）辐射通量除以该立体角。２、辐射强度：第6页②、定义式:

均匀辐射:③、单位:瓦/球面度（W/Sr）④、均匀点辐射源（各向同性）Ie不随方向变而变，故整个球面辐射通量为：第7页1、定义:辐射体单位元表面所辐射通量2、定义式:均匀辐射:3、单位:w/m2四、辐射出射度:Me第8页１.定义:被辐射单位元表面里入射或取得辐射通量多少２.定义式:均匀辐射:３.单位:w/m2五、辐射照度:Ee第9页辐射出射度与辐射照度区分：辐射出射度与辐射照度表示式和单位完全相同．区分在于:Me描写面辐射源向外发射辐射特征(a)Ee描写辐射接收面所接收辐射特征(b)

第10页光谱光视函数曲线:1.光谱光视效率V(λ):设引发相同视觉波长和波长为555nm辐射通量分别为Φλ和Φ555则视觉函数为:V(λ)=Φ555/Φλ是个无量纲物理量２.物理意义:V(λ)反应人眼对各种不一样波长光视觉灵敏度。将555nm所对应黄绿光波长光谱光视效率值定为１，为最大值；红光和紫光光谱光视效率值最小；红外和紫外光光谱光视效率值为０。第11页1.光强定义:光源在指定方向上经过单位立体角内光通量多少2.光强公式:Ｉv=dΦv/dΩ发光均匀分布:Ｉv=Φv/Ω3.单位:cd（坎德拉）IwＩv=dΦv/dΩ光强：Iv第12页光亮度Lv1.定义:面光源在给定方向上，单位正投影面积发光强度2.公式:

光通量分布均匀：

3.单位:cd/m2(坎德拉/平方米)第13页§1-6光源颜色与色温光源颜色：（色表和显色性）１.光源色表:光源发光时，人眼直接看光源时光源所展现颜色2.光源显色性:某光源与标准光源分别照射同一物体时,人眼所产生颜色类别用显色指数来定量描述。第14页色温与相关色温:１.色温:Tc待测辐射源在温度T时所展现颜色与某一温度Tc时黑体颜色相同(色品相同)则称Tc为该辐射体光源色温度，简称色温。Tc(单位:Ｋ)第15页距离平方反比定律１.在r⊥dA方向上光强为:面积为dA照度E为:而故

垂直于光线传输方向被照元表面照度与光强成正比，而与光源到被照元表面距离平方成反比即为距离平方反比定律(图以下）第16页光电池漂移现象：1.漂移现象:光电池在长久遮盖以后暴露在光线照射下,当受照面照度不变时,在最初一段时间里光电池电流是逐步改变,有时上升有时下降;当照射一段时间后趋于稳定,这种现象称为光电池漂移现象(光电池结构如图)第17页2.漂移现象影响原因：①受光面照度:照度↑→漂移↑;照度↓→漂移↓②不一样颜色光入射到光电池上时,漂移现象也不一样③漂移现象随光电池所处温度改变而改变第18页光电法测光强方法与步骤：1.示意图以下：第19页2.测量原理：Ls照射硒(Se)光电池时有电流表读数为,Lx照射硒(Se)光电池时有电流表读数为,若则有即→

第20页3.测量步骤:①按1中示意图装好器材②让Ls照射硒(Se)光电池,记下光电流读数A,此时照度为:③将光电池旋转,让Lx照射硒(Se)光电池调整,使光电流大小值为A,此时照度为:

④利用公式计算出待测灯光强

第21页举例：一圆盘型朗伯光源dA,半径为r,求在圆盘中心轴线上c处光照度?以下列图所表示解：圆盘距离圆心x处照度dE为:

第22页由图有:

故

整个圆盘在c点处产生照度E为：

而—法线方向光强第23页§３-１理想积分球原理及光通量标准灯理想积分球条件：①积分球内表面为一完整几何球面,半径处处相等②球内壁是中性均匀漫射面，对各种波长入射光线含有相同漫反射比③球内没有任何物体,光源也看作只发光而没有实物抽象光源

第24页2.积分球原理：设光源S直接在球内任一点建立照度EA，在M处照度为EMA处dS发生第一次漫射出度为：

故由朗伯定律特征知dS面光亮度为：A处dS发生漫射在M处产生二次照度为:第25页上式代入得

整个球面发生一次漫射在M处建立二次照度为：

类似分析为：二次漫射光线在M处建立三次照度为：

第26页同理：则M点总照度EM为:

故用小挡屏挡住S直接射向M点光线时，则E1=0

第27页上式中r、ρ均为常数,球壁上任何位置E与光源S总光通量Φ总成正比,所以能够经过测量球壁上开小窗口照度来计算光源总光通量Φ总。原理:标准光源光通量已知ΦS,EρS可测得,在待测光源EρX测得后,即可用相对比较法测得待测光源Φ总即为球型光度计测量光源总光通量原理。第28页§３-4相对比较法测总光通量测量前准备工作：1.在球内点燃一只白炽灯去潮气,使球内壁漫发射稳定和预照光电池使其稳定2.测量时依次点燃标准灯和待测灯第29页相对比较法测量光源总光通量原理：装标灯在球心：①装待测灯在球心：②由①/②得：

第30页若探测器在线性范围内工作,i∝E则有：

is、ix分别为标灯和待测灯电流可测出，Φs标灯光通量已知,由上式便可得到待测灯光通量Φx,若测出P灯或U灯、I灯,也可计算出灯光效η=Φ/P电第31页测量步骤：①把标准灯装在球心点燃5-10分钟,记下光电流is后,把电源关掉,取下标灯②装上待测灯点燃5-15分钟待其稳定后,记下光电流ix、P灯（U灯、I灯）③据Φx=(is/ix)·Φs计算出灯总光通量,并由η=Φ/P电算出待测灯光效（注：应屡次测量求平均值）第32页§4-1棱镜折射和色散一、偏向角当光线自空气射入三棱镜时，因为折射，出射光线将发生偏折。出射光线与入射光线之间夹角称为偏向角，用δ

表示。对于同一个波长，δ

只与入射角i

相关。如图所表示。n0ni1i1'i2θαi2'α第33页色散现象：由复合光分解成单色光而形成光谱现象。由此能够制成单色仪，由单色仪分光作用能够测得光源光谱功率分布。产生色散原因：白光是一个波长不一样复合光，同一介质对于不一样颜色光折射率不一样。四、棱镜色散第34页（１）准光镜系统由准直光物镜L1和放在L1焦平面上狭缝S组成。未来自光源S复色光变成平行光。（２）色散系统平行光地照射在棱镜P折射面A上，经棱镜A、B两个折射面折射，分解成沿不一样方向传输单色光。（３）成谱系统由物镜L2和在其焦平面上像屏（或谱面）组成。物镜L2将沿不一样方向平行光会聚于焦平面上，从而取得一幅彩色光谱线图。一、棱镜单色仪结构和光路第35页1线色散率::表示在附近,单位波长间隔内两光线在谱面上距离。由右图知称为角色散率。二、光谱仪基本特征角色散率：单位rad/nm：线色散率：单位mm/nm:第36页

角色散率d

/d

，表示偏向角

对波长改变。在最小偏向角时（折射线平行于棱镜底边），能够导出：

可见角色散率与折射率n及棱镜顶角

相关。

结论：（1）α

大，dδ/dλ大；α~600（2）n大，dδ/dλ大所以，增加角色散率d/d

方式有三：

改变棱镜材料，玻璃比石英折射率大，但玻璃只适于可见光区；

增加棱镜顶角，多项选择600；

增加棱镜数目，但因为设计及结构上困难，最多用2个。

第37页光谱分辨率定义为

/d

，表示波长为

和波长为

+d色光刚能分开能力。对于某一波长

，其与相邻色光刚能分开d越小，说明棱镜光谱分辨能力越高。依据方孔衍射极限角分辨率d=d/a0，则棱镜最大理论分辨率即对应狭缝宽度趋近于零时，棱镜最大理论分辨率和棱镜尺寸以及棱镜材料色散成正比。实际上，因为物镜有一定像差以及要得到一定出射光能量，狭缝需要有一定宽度，加上杂散光等影响，实际单色仪分辨率比Rmax小。2.分辨本事为棱镜材料色散率t为三棱镜底边长为两条谱线波长差第38页§5-1黑体及辐射定律黑体:能在任何温度下,全部吸收任何波长辐射物体称为绝对黑体，简称黑体。黑体只是一个理想模型。黑体辐射：绝对黑体辐射称为黑体辐射。热辐射：任何物体，在高于绝对零度时都会发射电磁波，若物体中分子、原子是受热激发而发射电磁辐射现象称热辐射。第39页2、斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律Stefan依据试验得得到黑体辐射出射度与温度之间关系称为斯忒藩-玻耳兹曼常数物理意义:黑体在单位面积单位时间内辐射总能量与黑体温度T四次方成正比。第40页例由测量得到太阳辐射谱峰值处在，计算太阳表面温度和单位表面积上所辐射功率；如太阳辐射是常数，其直径，求太阳在一年内因为辐射而损失质量。解：将太阳看作黑体由得太阳表面温度第41页太阳单位表面积上所辐射功率即太阳辐出度一年内辐射能量由得太阳质量第42页该式理论值与试验值符合得非常很好。不过，该式要想成立，要想从理论上能够导出，能量只能取分立值，即能量是不连续，而且能量最小单元=h

。这在当初是与经典物理学相矛盾。普朗克为了能从理论上将上式导出于是他提出了能量子假说。（1）辐射物体中包含大量谐振子，频率为ν电磁波是由频率为ν振子发射，这些振子能量是取特定分立值ε，2ε，3ε，……nε.普朗克能量子假说（2）存在着能量最小单元，能量子=h

h=6.6310-34焦耳秒。称为普朗克常数第43页（3）振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量由普朗克能量子假说从理论上推导出黑体单色辐出度为：k、c分别是玻尔兹曼常数和光速。普朗克假说不但圆满地解释了黑体辐射问题，还解释了固体比热问题。它成为当代理论主要组成部分。试验曲线T=1646k普朗克曲线第44页（1）λ较小时得维恩公式讨论：（2）λ较大时得瑞利—金斯公式普朗克能量子假说取得了圆满成功。第45页一、光电效应

光电效应是入射光光子与物质中电子相互作用并产生载流子效应。实际上，此处所指光电效应是一个光子效应，也就是单个光子性质对产生光电子直接作用一类光电效应。依据效应发生部位和性质，习惯上又将其分为外光电效应和内光电效应。

外光电效应是指发生在物质表面上光电转换现象，主要包含光阴极直接向外部放出电子现象，经典例子是物质表面光电子发射。

内光电效应指发生在物质内部光电转换现象，尤其是半导体内部载流子产生效应，主要包含光电导效应与光伏效应。第46页光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触两侧产生光生电动势。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：半导体材料受光照后，因为对光子吸收内部产生光生载流子引发载流子浓度增大，因而造成材料电导率增大而电阻降低现象。可分为本征光电导效应与非本征光电导效应两种。当光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从而引发材料电导率增加，即本征光电导效应。若光子激发杂质半导体，使电子从施主能级跃迁到导带，或从价带跃迁到受主能级，产生光生自由电子或自由空穴，从而增加材料电导率，即非本征光电导效应。第47页二、光热效应

光热效应是物体吸收光，引发温度升高一个效应。探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引发内部电子状态改变，而是把吸收光能变为晶格热运动能量，引发探测元件温度上升，并深入使探测元件电学性质或其它物理性质发生改变现象。探测体惯用Pt、Ni、Au等金属和热敏电阻、热释电器件、超导体等。标准上，光热效应对光波波长没有选择性，但因为材料在红外波段热效应更强，因而光热效应广泛用于对红外辐射、尤其是长波长红外线测量，许多激光功率计惯用该种类型探测器。因为温升是热积累作用，所以光热效应速度普通比较慢，而且易受环境温度改变影响。第48页§6-1光电和热电探测器特征一、积分响应度（或积分灵敏度）积分响应度：探测器输出Y和探测器输入X之比，表示探测器对连续辐射通量反应程度。定义:S=Y/XX—入射光辐射通量或光通量lm

Y—探测器输出电流或电压(V/A)单位:或积分响应度表征探测器灵敏度参量，它说明了在确定入射光信号下，探测器输出有用电信号能力。如使用波长为λ单色辐射源，则为单色响应度。第49页二、光谱响应度分布光谱响应度分布：将光谱响应度随波长排列所画成曲线,称之为探测器光谱响应度分布。作用:能够确度光电探测器所能探测到波长范围及长波限。长波限λ0：长波优点响应度降低到最大值1/10处波长，称为长波限。相对光谱响应度：探测器光谱响应度与给定参考值之比。Sm能够是S(λ)平均值、最大值或任意选定值。外光电效应探测器探测到波长极限λ0<1200nm→光电管和光电倍增管只能对近红外、可见光、紫外光进行探测.中红外、远红外用对此波段灵敏探测器进行探测。第50页四、最小可探测功率最小可探测功率：指探测器对极微弱光探测能力，又称为等效噪声功率。如响应度S=100μA/μlm。无光照射时因为噪声I=0.01μA，相当于1×10-4μlm光照射。所以小于1×10-4μlm光，就探测不到，其最小可探测功率是1×10-4μlm。第51页η量子效率：在某一特定波长上每秒钟产生光电子数目与入射光量子数目之比。普通，小于1。对于有增益光电探测器，如光电倍增管（MPT）和雪崩光电二极管（APD），会远大于1。这时我们用增益或放大倍数这个参数。第52页（6）暗电流

定义：当光电倍增管完全与光照隔绝，在加上工作电压后，阳极仍有电流输出，输出电流直流部分称为该管暗电流，即由非光照原因引发一切电流称为暗电流。引发暗电流有以下几方面原因：1)热发射2)极间漏电3)光反馈4)离子反馈5)场致发射6)其它原因第53页§6-3光导管和光电池光电导效应：半导体材料受光照后，因为对光子吸收内部产生光生载流子引发载流子浓度增大，因而造成材料电导率增大而电阻降低现象。利用含有光电导效应材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、硫化铅等）能够制成电导随入射光通量改变器件，称为光导管或光电导器件或光敏电阻。光敏电阻含有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。广泛应用于微弱辐射信号探测领域。第54页原理：热电探测器是不一样于光子探测器另一类探测器。它是基于光辐射与物质相互作用热敏效应制作器件。这是一类研究得最早而且最早得到实际应用探测器。优点：不需致冷在很宽光谱波段有平坦响应应用广泛,甚至在一些领域中它是光子探测器所不能替换。缺点：探测率较低时间常量较大要同时取得灵敏度高、响应快性能是困难。§6-4辐射热电偶和热电堆第55页1.热电偶工作原理塞贝克效应（SeebeckEffect）:两种不一样材料或材料相同而逸出功不一样物体，当它们组成回路时，假如两个接触点温度不一样，回路中就会产生温差电动势。热电偶测温基本原理是将两种不一样材料导体或半导体焊接起来，组成一个闭合回路。当两个导体二个连接点之间存在温差时，就会发生高电位向低电位放电现象，这种现象也叫热电效应。I第56页3热电堆探测器

为了减小热电偶响应时间，提升灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联起来组成如图所表示热电堆。

要想使高速化和提升灵敏度二者并存，就要在不改变热阻情况下减小热容。热阻由导热通路长和热电堆数目以及膜片剖面面积比决定。则要减小多晶硅间隔，减小膜厚度。第57页若用光功率谱连续分布白炽灯作光源，使用光辐射热电偶作为探测器，则有光电流：若用光功率谱连续分布白炽灯作光源，使用选择性探测器，其它不变，则有光电流：上两式相比有：若用光功率谱连续分布白炽灯作光源，使用光辐射热电偶作为探测器，则有光电流：2、相对比较法测量选择性探测器光谱响应度第58页四、测量过程和步骤功率相同不一样波长单色辐射入射于探测器光敏面，其偏置电路输出值与入射功率关系为光敏电阻光谱响应。1、打开系统总电源。2、将已知光谱响应率参考探测器放在出射狭缝口，在均匀辐射单色光辐照下测量参考探测器光电流it(

):3、将参考探测器移去，并将被测探测器放在同一位置上，对被测探测器进行测量，得到其光电流Ix()4、因为在同一测试条件下测量，P()相同，可得：第59页5、测量结束，关闭全部电源开关；整理试验仪器。绘出样品光谱响应特征曲线。只要测出各波长Is与Ix()值，就可求得代测探测器光谱响应率值。第60页1801年由英国医生、物理学家托马斯杨提出，后由德国生理、物理学家赫姆霍尔兹补充、验证。内容杨认为人视神经只有感红、感绿、感蓝三种基本视神经，赫姆霍尔兹验证人视网膜上有感红、感绿、感蓝三种细胞，感受峰值为680nm,540nm,430nm。光谱不一样部分（不要求有连续光谱）引发三种细胞不一样百分比兴奋，依据三种细胞不一样百分比兴奋程度，人大脑形成不一样色觉。三色学说建立在颜色混合物理学规律基础上，能充分说明颜色混合现象，是国际公认色度学基础，彩色印刷、摄影、电视机都是三色学说基础上建立。一、光与视觉1、杨—亥姆霍兹三色学说第61页2、赫林四色学说：1）视觉系统中有三种接收组织，即红-绿、黄-蓝、黑-白组织。2）每一组织产生是相互反抗（相反）响应，输出大一方（颜色）就是最终响应。3）亮度感觉是由黑-白组织所提供。4）最终色感觉由两对响应相对值函数来确定。优点：能很好地解释颜色视觉一些生理和心理现象，如红绿色盲、黄蓝色盲等现象。不过：没有方法解释三原色能产生一切颜色现象。第62页当代神经心理学指出，视网膜中确实存在三种能感受不一样波长光锥体细胞对视网膜和神经传导通路研究中发觉神经系统能够发出三种反应：光反应（L）、红-绿反应（R-G）、黄-蓝反应（Y-B）。阶段学说把三色学说和四色学说统一在一起。3、阶段学说阶段学说认为颜色视觉过程能够分成几个阶段。第一阶段，视网膜锥体感受是一个三色机制；第二阶段，在神经兴奋由锥体感受向视觉中枢传导过程中，形成四色机制；最终阶段发生在大脑皮层视觉中枢。在这里产生各种颜色感觉。第63页色彩相貌，是色彩最基本特征，也是色与色之间区分最显著特征，即根本特征。可见光谱不一样波长辐射在视觉上就表现为不一样色调。色调由刺激人眼光谱成份所决定光源色调取决于辐射光谱组成，可用光波长或主波长表示物体色调光源光谱组成和物体表面选择性吸收后所反射（透射）各波长辐射百分比对人眼产生感觉，由物体本身化学结构所决定（固有色）人眼对色调分辨力：可见光谱150种，非光谱约30种。1、色调第64页人眼所感受到色彩明暗程度。色彩明暗取决于人眼所感受到辐射能量，能够用光反射率或透射率来表示。各种色彩明度取决于颜色对光辐射能力。对于单色光来说，光线越强，其色彩越明亮就同一物体而言，反/透射光通量越多，其颜色明度越大同一色相物体，颜色越靠近白色，明度越大；越靠近黑色，明度越小。在可见光谱中，黄色、橙黄色、黄绿色明度较高，橙色和红色明度居中，青色和蓝色明度较低。人眼分辨力：1％明暗改变，600种左右。影响原因：光源强弱（包含物体与光源距离及其与光线方向所成角度）；各个受光面色度差异；物体表面结构差异（L光滑表面>L粗糙表面）2、明度（L或V）第65页也称纯度或彩度，是指色彩单纯性，是反/透射光靠近光谱色程度，或者说是表示离开相同明度中性灰色程度。饱和度越高颜色越鲜艳，饱和度越低颜色越靠近中性色可见光中光谱中单色光（光谱色）饱和度最高影响原因：物体表面反射光谱色光选择性物体表面光滑度。人眼分辨力：不一样色能分辨级数不一样，如在某明度条件下，红可分辨25级，而黄只能分辨4级。平均为10级3、饱和度（S或C）第66页3、格拉斯曼定律1854年格拉斯曼(H·Grassmann)总结出颜色混合定性性质—格拉斯曼定律，为当代色度学建立奠定了基础。(1)人视觉只能分辨颜色三种改变(如明度/色调/饱和度)(2)在由两个成份组成混合色中，假如一个成份连续地改变，混合色外貌也连续改变。若两个成份互为补色，以适当百分比混合，便产生白色或灰色，若按其它百分比混合，便产生近似比重大颜色成份非饱和色；若任何两个非补色相混合，便产生中间色，中间色色调及饱和度随这两种颜色色调及相对数量不一样而改变。(3)颜色外貌相同光,不论它们光谱组成是否一样,在颜色混合中含有相同效果。即凡是在视觉上相同颜色都是等效。(4)混合色总亮度等于组成混合色各种颜色光亮度总和—

亮度相加定律。第67页

色光混合加法定律：两个相同颜色各自与另外两个相同颜色相加混合后，颜色仍相同。用公式表示为式中符号“”代表颜色相互匹配减法定律：相减情况也成立。即

乘法定律：一个单位量颜色与另一个单位量颜色相同，则这两种颜色数量同时扩大或缩小相同倍数则两颜色仍为相同。即

→→→依据代替律可知，只要在感觉上颜色是相同，便能够相互代替，所得视觉效果是相同，因而能够利用颜色混合方法来产生或代替所需要颜色。→第68页4、三刺激值和色度图

（1）三刺激值在颜色匹配试验中，与待测色到达色匹配时所需要三原色数量，称为三刺激值。也就是颜色匹配方程式中R、G、B值。

三原色能够任意选定，但三原色中任何一个颜色不能由其余两种原色相加混合得到。最惯用是红、绿、蓝三原色。三刺激值单位(R)、(G)、(B)：不是用物理量为单位，而是选取色度学单位，亦称三T单位。确定方法是：选一特定白光(W)作为标准，在颜色匹配试验装置上用选定三原色光(红、绿、蓝)相加混合与此白光(W)相匹配，到达匹配时，如测得所需要三原色光光通量值(R)为流明；(G)为流明；B为流明。则将比值定为三刺激值相对亮度单位，即色度学单位。第69页色温Tc：当某种光源色品与某一温度下黑体色品