第二章光度与辐射度基础.
打印 第二章 光度与辐射度基础
MP
E E
P A P EP A
2 L A cos M A E A
34
I
——红外技术及应用
注:
1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差， “辐射”——“光”。 2. 下角标有e、λ、p、ν，辐射量在与其它量同用时 标e。 3. 从表达式可直接说出定义及物理意义 4. 从表达式可直接说出单位 5. 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注意 一个是发射，一个是接收。
面积为大球面积减去小球面积
2R 2 (cos 1 cos 2 ) 2 (cos 1 cos 2 ) 2 R
10
——红外技术及应用
3、用球坐标表示立体角
11
——红外技术及应用
3、用球坐标表示立体角 • 微小面积
dS r 2 sin d d
• 则dS对应的立体角为 • 计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可。
26
——红外技术及应用
光视效率:
K V Km
（物理意义： 以光视效能最大处的波长为基准来衡量其 波长处引起的视觉。） 在相同的辐射能量下，看到的亮度不同。 具体某个波长上的光视效率称为光谱光视效率： K ( ) V ( ) Km
27
——红外技术及应用
★几点说明：
• • • • 1.对于相同的辐射能量，光视效率不同。 2.“光视效率的最大值在λ=555nm处”是实验证明。 3.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）。 4.通过这个结论，可知辐射量与光度量的换算关系
16
——红外技术及应用
2.辐射出射度：M
• 数学描述：若辐射源的微小面积△A向半球空间 的辐射功率为△Φ，则△Φ与△A之比的极限值定 义为辐射出射度. 单位：w/㎡ M lim
光度学和辐射度学
光度学和辐射度学光度学和辐射度学是研究光和辐射的两个重要学科。
光度学主要研究光的性质和行为，而辐射度学则关注辐射的特性和相互作用。
光度学是研究光的传播、吸收、散射、折射、干涉和衍射等现象的学科。
光是一种电磁波，具有波粒二象性。
光度学通过研究光的波动性和粒子性，揭示了光的本质和行为规律。
光的传播速度是一个重要的研究对象，根据光的传播速度不同，可以将光分为真空中的光和介质中的光。
光的传播速度在真空中是恒定的，而在介质中会发生折射现象，导致光的传播速度减小。
光度学还研究了光的吸收和散射现象。
当光通过物质时，会与物质相互作用，一部分光被物质吸收，一部分光被物质散射。
光的吸收和散射现象在很多领域都有重要应用，例如光谱学、光电子学和光通信等。
辐射度学是研究辐射的特性和相互作用的学科。
辐射是指物体发射出的电磁波或粒子流。
辐射度学研究了辐射的发射、传播和吸收等过程。
辐射的特性包括辐射强度、辐射频率和辐射方向等。
辐射度学通过研究辐射的特性，可以了解物体的热辐射和电磁辐射等信息。
辐射度学还研究了辐射与物质的相互作用。
当辐射与物质相互作用时，会发生吸收、散射和透射等现象。
吸收是指辐射能量被物质吸收并转化为其他形式的能量。
散射是指辐射在物质中的传播方向发生改变。
透射是指辐射穿过物质而不被吸收或散射。
辐射与物质的相互作用在医学影像学、辐射治疗和材料科学等领域具有广泛应用。
光度学和辐射度学在现代科学和技术中起着重要作用。
光度学的研究成果被广泛应用于光学仪器、光纤通信和激光技术等领域。
辐射度学的研究成果则被应用于核能、天文学和环境监测等领域。
光度学和辐射度学的发展不仅推动了科学的进步，也为人类社会的发展带来了巨大的贡献。
光度学和辐射度学是研究光和辐射的两个重要学科。
光度学研究光的性质和行为，辐射度学关注辐射的特性和相互作用。
这两个学科的研究成果在科学和技术领域有着广泛的应用，对推动人类社会的发展起着重要作用。
辐射度学与光度学基本知识
Radiometry and Photometry
辐射度学
• 通过电磁光谱来处理辐射能的测量。 通过电磁光谱来处理辐射能的测量。 • 辐射度学主要研究频率为 ×1011～ 3×1016Hz的 辐射度学主要研究频率为3× × 的 光辐射，对应于0.01~1000µm微米的波长。 微米的波长。 光辐射，对应于 微米的波长 • 波段范围包括红外、可见光、紫外线。 波段范围包括红外、可见光、
光度学
• 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光， 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光， 即可见光，波长范围为380～780nm纳米。 纳米。 即可见光，波长范围为 ～ 纳米 • 波长450nm对应于蓝色，540nm对应于绿色， 对应于蓝色， 对应于绿色， 波长 对应于蓝色 对应于绿色 659nm对应于红色。 对应于红色。 对应于红色 • 色度学不处理颜色的感知本身，而是研究各种波 色度学不处理颜色的感知本身， 长的感知强度。例如，绿光比红光和蓝光亮。 长的感知强度。例如，绿光比红光和蓝光亮。
入射辐射亮度
• 入射辐射亮度 入射辐射亮度(incoming radiance)定义为： 定义为： 定义为 d 2Φ Lsurf = dA(dω cos θ ) 它用来度量单位平方米单位球面度的瓦特数。其中 为入 它用来度量单位平方米单位球面度的瓦特数。其中θ为入 射光线与表面法向的夹角。 射光线与表面法向的夹角。
辐射能量
• 在辐射度学中，辐射能量Q是基本的能量单位，用J(焦耳 在辐射度学中，辐射能量 是基本的能量单位 是基本的能量单位， 焦耳) 焦耳 来度量。 来度量。 • 每个光子有一定的辐射能量，其大小为Planck常数 每个光子有一定的辐射能量，其大小为 常数 (6.62620× (6.62620×10-34焦耳秒)乘以光速(2.998×108米/秒)，再除 焦耳秒)乘以光速 乘以光速(2.998× /秒 )， 以光子的波长。 以光子的波长。 • 等价于每焦耳的光子数目为 等价于每焦耳的光子数目为5.034×1015乘以光子的波长。 × 乘以光子的波长。 例如，在波长为550nm的波段处，每焦耳的光子数目大约 的波段处， 例如，在波长为 的波段处 为2.77×109个。 ×
三度学习题与思考题
第一章辐射度量、光辐射度量基础1.通常光辐射的波长范围可分为哪几个波段？2.简述发光强度、亮度、光出射度、照度等定义及其单位。
3.试述辐射度量与光度量的联系和区别。
4.人眼视觉的分为哪三种响应？明暗和色彩适应各指什么？5.何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？人眼对应不同波长的光波做出变化的灵敏度6.试述人眼的分辨力的定义及其特点。
7.简述人眼对间断光的响应特性，举例利用此特性的应用。
8.人眼及人眼－脑的调制传递函数具有什么特点？9.描述彩色的明度、色调和饱和度是怎样定义的，如何用空间纺锤体进行表示？10.什么是颜色的恒常性、色对比、明度加法定理和色觉缺陷。
11.简述扬-赫姆霍尔兹的三色学说和赫林的对立颜色学说。
扬-赫姆霍尔兹的三色学说假设人眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起红绿蓝三原色中的一种原色的感觉。
波长不同，引起三种纤维的兴奋程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉，总亮度感觉为三种纤维中每种纤维提供的亮度感觉之和。
赫林的对立颜色学说叫做四色学说，假设视网膜上有白黑视素、红绿视素、黄蓝视素三对视素，其代谢作用包括建设和破坏两种对立过程，三种视素对立过程的组合产生各种颜色感觉和各种颜色混合现象。
12.朗伯辐射体是怎样定义的？其有哪些主要特性？13.太阳的亮度L＝⨯109 cd/m2，光视效能K＝100，试求太阳表面的温度。
14.已知太阳常数(大气层外的辐射照度)E=1.95 cal/min/cm2，求太阳的表面温度(已知太阳半径R s⨯105km，日地平均距离⨯109 km)。
15.某一具有良好散射透射特性的球形灯，它的直径是20cm，光通量为2000lm，该球形灯在其中心下方l=2m处A点的水平面上产生的照度E等于40lx，试用下述两种方法确定这球形灯的亮度。
(1)用球形灯的发光强度；(2) 用该灯在A点产生的照度和对A点所张的立体角。
16.假定一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡在各方向均匀发光，求其发光强度。
红外光谱室实验讲义（红外辐射与黑体实验）
三、红外辐射源能量光谱分布测试（一）实验目的1. 了解测量红外辐射源能量光谱分布的意义2. 掌握测量红外辐射源能量光谱分布的方法3. 理解物体的温度与红外辐射能量的关系（二）实验原理红外辐射（俗称红外线）是波长在0.78～1000μm 的一段电磁波谱，是人眼看不见的光线，只有借助于仪器才能探测到并转换成人们可感受的信息，如数字、图像、曲线等。
凡温度在绝对零度以上的物体均能够发出红外辐射，其辐射的峰值波长与物体的温度有确定的关系：T b m =λ 式中 λm ——物体辐射的峰值波长T —— 物体的温度B —— 常数 （2898μm ·K ）此为辐射度学中的维恩位移定律，意为只要物体有温度，则一定有固定波长的辐射，自然界的物体温度如果在-40℃～3000℃（233K ～3273K ）范围，则根据上述公式，峰值辐射波长在0.88～12μm 之间，即人们通常所说的红外波段。
红外光谱仪器能将红外辐射源的辐射能量按波长的分布以曲线的形式给出。
我们可以清楚地看出一个红外辐射源在某个波长的相对辐射能量，进而可以验证维恩位移定律等红外辐射定律，并可以对红外辐射源进行深入的研究。
红外单色器的光学原理图如下图1 红外单色器光学原理图M1反射镜、M2准光镜、M3物镜，M4反射镜、M5 深椭球镜G 平面衍射光栅、S1入射狭缝、S2，S3出射狭缝、T 调制器入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝1S ，1S 位于反射式准光镜2M 的焦面上，通过1S 射入的光束经2M 反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束经物镜3M 成像在2S 上。
（三）、实验仪器红外光栅光谱仪及配套附件；红外光源及驱动电源；电子稳压器；计算机及处理软件；打印机（四）、实验步骤首先按原理图检查各部分连接和摆放位置是否正确，经教师同意后，按下述步骤进行实验：1、打开红外辐射源的电源开关进行预热；2、打开计算机并进入相关程序，选定测量参数（相对强度、能量等），设置扫描波长范围、扫描间隔、幅度范围等参数；3、红外辐射源经预热达到稳定时，开始进行扫描，得到相应曲线；4、储测试结果，打印测试曲线；5、行相关计算，完成实验报告。
1.2 辐射度学与光度学基本知识
V适光
555
适暗性（微光）视见函数：
505 V适暗
表2 标准适光性视见函数值
辐射颜色 紫 紫 紫 紫 蓝 蓝 青 青 青 青 绿 绿 绿 波长/nm 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 V(l) 0.0004 0.0012 0.0040 0.0116 0.0230 0.0380 0.0600 0.0910 0.1390 0.2080 0.3230 0.5030 0.7100 辐射颜色 绿 绿 黄 黄 黄 黄 黄 黄 橙 橙 橙 橙 橙 波长/nm 530 540 550 555 560 570 580 590 600 610 620 630 640 V(l) 0.8620 0.9540 0.9950 1.0000 0.9950 0.9520 0.8700 0.7570 0.6310 0.5030 0.3810 0.2650 0.1750 辐射颜色 橙 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 波长/nm 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 V(l) 0.1070 0.0610 0.0320 0.0170 0.0082 0.0041 0.0021 0.00105 0.00052 0.00025 0.00012 0.00006
四、光照度
(1) 光照度的定义——E 光照度的定义：受照面单位面积上接收到的或投射到受照面单位面积上的光 通量。 光照度的数学表述：对于给定的受照面面元dS'，其上所接收到的或投射到 其上的光通量 dF' ，与该面元大小成正比，相应的比 例系数正是该面元上的光照度，即
d ' E d S'
1.辐射学和光度量学基本概念
辐[射]亮度(或称辐射度) Le 对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置
在不同方向上的辐射特性。
一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向θ上有 一面元dA。若dA所对应的立体角dΩ内的辐通量为dΦe ，
则面源在此方向上的辐亮度为:
式中是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在
壳层容纳一定数量的电子。每个电子具有确定的分立能量值， 也就是电子按能级分布。 固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距很小，以致 使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。最外面的电子壳 层交叠最多，内层交叠较少，如图1-5 所示。壳层的交叠使 外层的电子不再局限于某个原子上，它可能转移到相邻原子 的相似壳层上去，例如电子可以从某个原子的2P壳层转移到 相邻原子的2P壳层，也可能从相邻原子运动到更远的原子的 相近壳层上去。这样电子有可能在整个晶体中运动。晶体中 电子的这种运动称为电子的共有化。外层电子的共有化较为 显著，而内壳层因交叠少而共有化不十分显著。 电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微小的差 异。例如，组成固体的N个原子在某一能级上的电子来都具 有相同的能量，由于共有化运动使它们在固体中不仅仅受本 身原子核的作用，而且还受到周围其它原子的作用而具有各 自不同的能量。于是，一个电子能级因受N个原子核的作用 而分裂成N个新的靠得很近的能级。N新能级之间能量差异 极小，而N值很大，于是这N个能级几乎连成一片而形成具 有一定宽度的能带。
其它基本概念 ▪ 点源：照度与距离之间的平方反比定律 ▪ 扩展源：朗伯源的辐出度与辐亮度间的关系 ▪ 漫反射面：漫反射体的视亮度与照度间的关系 ▪ 定向辐射体
d
dA cos
l2
第二章辐射度光度基础
朗伯(J. H. Lambert)定律——余弦定律
• 按照cos 规律发射光通量的规 律，叫朗伯定律； • 余弦辐射体可以是自发光面， 也可以是透射或反射体； • 黑体，太阳和平面灯丝钨丝等 可视为余弦辐射体； • 一个均匀的球形余弦发射体， 从远处的观察者看来，与同样 半径同样亮度的圆盘无疑。
XV Km
780
380
X e ( )V( )d
人眼的光视效能K （lm/W）
V K m 0 V ( ) e ( ) d K K mV e ( ) d
0
e
V ( )视效率
常见光源的光视效能
• 光通量：光源在单位时间内，向周围空间辐射出的、使人 光视效能 光视效能 光源类型 光源类型 眼产生光感觉的能量，称为光通量，用符号Φv表示，单 (lm/W) (lm/W) 位为流明 (lm)。 钨丝灯 (真空) 8~9.2 1W电功率所发出的流明数 日光灯 27~41 • 人们通常以电光源消耗 (lm／W) 钨丝灯 (充气) 9.2~21 高压水银灯 34~45 来表征电光源的特性，称为发光效率，简称光效。电光源 的光效越高越好。 石英卤钨灯 30 超高压水银灯 40~47.5
的余弦变化。
朗伯余弦辐射体
发光强度的空间分布满足 的发光表面叫做余弦辐射体。
I0为发光面在法线方向的发光强度， Iθ为和法线成任意 角度θ方向的发光强度。发光强度向量Iθ端点的轨迹是一个与 发光面相切的球面，球心在法线上，球的直径为I0。
上图为用向量表示的余弦辐射体在通过法线的任意截面 内的光强度分布。
朗伯辐射体的辐射出射度与亮度的关系
dΦ L cos dSd LdS cos d LdS d 2 sin cos d
辐射度学与光度学的基础知识
• 辐射度学基础 • 光度学基础 • 辐射度学与光度学的关系 • 实际应用中的辐射度和光度问题 • 总结与展望
01
辐射度学基础
辐射度学的定义与概念
总结词
辐射度学是研究电磁辐射的发射、传 播、吸收、散射和转换等过程的科学。
详细描述
辐射度学主要关注电磁辐射的能量、 功率、辐射通量、辐射强度等物理量 的测量和计算，以及这些物理量在不 同介质和环境中的变化规律。
02
光度学基础
光度学的定义与概念
总结词
光度学是研究光辐射的度量、测量和应用的学科，它涉及到光辐射的定量描述和测量。
详细描述
光度学主要研究光辐射的属性、度量单位、测量方法和应用。它关注的是光辐射的能量、 功率和辐射通量等物理量的度量，以及这些物理量在不同媒介中的传播、散射和吸收等
行为。
光度量
1. 光通量
光度定律
总结词
光度定律是描述光辐射在不同媒介中传播时遵循的规律， 包括斯涅尔定律、反射定律和折射定律等。
1. 斯涅尔定律
也称为反射定律，它描述了光线在两种不同媒介的交界面 上的反射和折射行为，即入射角等于反射角，折射角与入 射角成正比。
2. 折射定律
当光线从一种媒介进入另一种媒介时，其传播方向会发生 变化，这个变化与两种媒介的折射率有关。折射定律描述 了折射光线与入射光线之间的关系。
光源的辐射度和光度性能
光谱分布
不同光源的光谱分布不同，这决定了它们在颜色 表现、显色指数等方面的性能。
光效
光效是衡量光源效率的指标，光效高的光源在相 同亮度下消耗的电能更少。
寿命与稳定性
光源的寿命和稳定性也是重要的性能指标，它们 决定了光源的使用和维护成本。
辐射度与光度学的基础知识
Xνλ——光度量；Xeλ——辐射量； Km是常数；V(λ)光谱光视效率。 5. 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。 明视觉：光亮度大于几个cd/m2 暗视觉：光亮度小于0.01cd/m2
二、光度的基本物理量
1. 光通量
单位时间内光源发出的光能量（功率）
780nm
K m
注:
1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，‚
2. 3. 4. 5. 辐射‛——“光‛。 下角标有e、λ、ν，辐射量在与其它量同用时 标e。 从表达式可直接说出定义及物理意义 从表达式可直接说出单位 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注 意一个是发射，一个是接收。
三个发射量的区别和关系
是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。光谱光视效率是评定该刺激值的参数。 基本物理量是发光强度，单位坎德拉。一个光源发出频率 为540*1012Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度
为1/683W/sr,则该光源在该方向上的发光强度为1cd。
一、光谱光视效能和光谱光视效率
光谱光视效能（K） ，描述某一波长的单色光辐射 通量产生多少相应的单色光通量。即光视效能K定 义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值， 即
Φ ——在波长λ处的光通量 Φeλ ——在波长λ处的辐射通量 单位：流明/瓦特（lm/W）。
νλ
通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率
5401012Hz（波长555nm）处，K有最大值，其
黑体 在物理学中，所谓黑体，是指这样 一种物体，在任何温度下，它将入射的任 何波长的电磁波全部吸收，没有一点反射， 而在相同温度下，它所发射出的热辐射比 任何其他物体都强。 光有多种颜色组成, 黑色吸收所有颜色,不反射任何颜色,即没 有光线进入眼睛时,称之为黑色。如果一个 物体能够全部吸收而不反射投射于其上的 辐射,就称它为绝对黑体,简称为黑体。
第二章 光辐射与光源_基本概念
2.1 辐射度量
(6) 辐射出射度 (M，单位Ｗm-2): 离开光源表面单位面元的辐射 通量
d M dA
面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。平面与球面辐射 出射度的表面积。 (7) 辐照度 (E，单位Ｗm-2): 单位面元被照射的辐射通量 d E dA 辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用 来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。
Hale Waihona Puke MLML
2.4 几种典型光辐射量的计算公式
2.4.1 点源对微面元的照度
设受照微面元dA距点源O的距离为l，其平面法线n与辐射 方向夹角为，dA对点源O所张立体角为若点源在该方向的辐 射强度为I，则向立体角d发射的通量dP为 IdA cos dP Id 2
l
如果不考虑能量传播损失，则微面元照度为 n
如果R /l01/10，即当l0>10R或0 ≤5.7°时，相对误差<1%。
物理意义：目标点与圆盘朗伯辐射体的距离大于10倍 圆盘半径时，按点源测量的辐照度相对误差小于1%。
2.4.5 成像系统像平面的辐照度
物空间亮度L0的微面元ds0经过成像物镜成像在像空间ds1微 面元上，确定ds1上的照度。微面元向透镜口径D所张立体角发 射的辐射通量为
2.2 光度量
dv
(3) 光通量(v, 单位流明lm) (4) 发光强度(Iv, 单位坎德拉, cd, lm· -1) sr
d I d
dQv v dt
2 (5) 亮度 (Lv, 单位cd· -2): L d / d dA cos dI / dA cos m
(6) 光出射度(Mv ,lm· -2) m (7) 照度(Ev ,lm· -2) m
辐射度与光度学的基础知识
辐射度与光度学的基础知识目录一、辐射度学基础知识 (3)1. 辐射度概念及原理 (4)1.1 辐射度的定义 (5)1.2 辐射度的物理量及其单位 (5)1.3 辐射源的类型与特点 (6)2. 辐射的传播与转换 (7)2.1 辐射的传播方式 (8)2.2 辐射能的转换与传输 (10)2.3 辐射强度的衰减规律 (11)二、光度学基础知识 (12)1. 光度学概述 (13)1.1 光度学的定义与目的 (14)1.2 光学系统的基本组成 (15)1.3 光度学与辐射度学的关系 (16)2. 光学量的测量与计算 (17)2.1 光照度及其测量 (18)2.2 亮度及其计算 (19)2.3 色温与显色指数 (20)三、辐射度与光度在照明设计中的应用 (21)1. 照明设计基本原理 (22)1.1 照明设计的基本要求 (23)1.2 照明设计的步骤与方法 (24)1.3 照明设计的注意事项 (25)2. 辐射度与光度在照明设计中的应用实例 (26)2.1 室内照明设计 (27)2.2 室外照明设计 (28)2.3 特殊场合照明设计 (30)四、辐射安全与防护 (32)1. 辐射安全基础知识 (33)1.1 辐射的种类与特点 (35)1.2 辐射对人体的影响 (36)1.3 辐射安全标准与规范 (37)2. 辐射防护措施及方法 (38)2.1 时间防护 (39)2.2 距离防护 (40)2.3 屏蔽防护 (41)2.4 个人剂量监测与健康管理 (42)五、实验及案例分析 (43)1. 实验教程 (45)1.1 实验一 (46)1.2 实验二 (47)1.3 实验三 (48)2. 案例分析 (49)2.1 案例一 (50)2.2 案例二 (51)一、辐射度学基础知识辐射源与辐射类型：辐射源是发出辐射能量的物体或点。
辐射可以是电磁辐射，如可见光、红外线和紫外线等；也可以是粒子辐射，如电子和光子等。
在光度学中，主要关注的是电磁辐射。
第二章-光辐射与光源精选版
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3
§2.2 光辐射的度量
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。而对于光辐射的探测和计量，存 在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系 （物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量，脚 标“v”表示光度物理量）。后者是考虑到人眼的 主观因素后的相应计量学科，其适用性局限于可 见光波段；前者则是对电磁辐射能量的客观计量， 适用于整个电磁波段。
单位长度内，波动重复的次数（一个波动拥有同样相位的次 数），称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是[长 度]-1，单位惯常采用cm-1。
可见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。 390~770 nm范围的范围内；
紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长 范围是10~400 nm。
第二章 光辐射与光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评 价都离不开特定的光辐射源[产生光辐射的物体， 即光源]与光辐射探测器，所以光辐射理论和光电 转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述 参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、 时间及空间稳定性，等等。本章将简要介绍光辐 射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比 较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射 探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。
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5
⑶ 辐射出射度 简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通 量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的 定义式 (2.2-2)
单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑷ 辐射强度 辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位
立体角内的辐射通量，用Ie表示，即
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——红外技术及应用
3.辐射亮度：L （描述面光源，不同位置不同方向）
• 物理描述：辐射源在给定方向上的辐射亮度，是在该方向 上的投影面积上、单位立体角内发出的辐射功率。
面积元△A向小立体角△Ω内发射的辐射功率 是二阶小量△(△Φ)＝△2Φ； • 在θ方向看到的源面积是△A的投影面积源自△Aθ＝△Acosθ ，10
——红外技术及应用 [例 ]
3、用球坐标表示立体角 • 微小面积
dS r 2 sin d d
• 则dS对应的立体角为
d sin d d
• 计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可。
d
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——红外技术及应用
二、辐射量
• 通常，把以电磁波形式传播的能量称为辐射能，用Q表示， 单位为焦耳。 h是普朗克常数，ν是光的频率，ν与光速c、波长λ之间都是 可换算的. 辐射能即可以表示辐射源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。 • 辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量， 属于基本物理量。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进行测量。所以其他辐射量都 是由辐射功率（或称为辐射通量）定义的。
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——红外技术及应用
• 因此，在θ方向上观测到的源表面上该位置的辐亮度就定 义为△2Φ与△Aθ及△Ω之比的极限值
2 2 2 L lim A0 A A A cos 0
单位：w/(㎡· Sr) 瓦/（平方米· 球面度）
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——红外技术及应用
§2-1 描述辐射场的基本物理量
一、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。
• 当α很小时，可用小平面代替球面，5º 以下时误差≤1%。
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——红外技术及应用 [例 ]
2、球台侧面所对应的立体角： 面积为大球面积减去小球面积
2R 2 (cos 1 cos 2 ) 2 (cos 1 cos 2 ) 2 R
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——红外技术及应用 [例 ]
3、用球坐标表示立体角
Id
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——红外技术及应用
2.辐射出射度：M （描述面光源，不同源位置）
• 数学描述：若辐射源的微小面积△A向半球空间 的辐射功率为△Φ，则△Φ与△A之比的极限值定 义为辐射出射度. 单位：w/㎡ M lim
A0
A
A
• 物理描述：扩展源单位面积向半球空间发射的功 率（或辐射通量）。 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： M dA A为扩展源面积。
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——红外技术及应用 引言
• 光 学——研究光的本质、特性、传播规律的科学。 • 几何光学——以光线在均匀媒质中直线传播的规定为
基础的研究。(画点、画线)
• 物理光学——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)
• 量子光学——现代理论对光的本质所达到的认识。(粒
子性和波动性)说明光是一种能量。
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——红外技术及应用 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——只限于可见光范围，包含人眼特性。 辐射度学——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。 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。
Q h （nh）
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——红外技术及应用
辐射通量: 单位时间内通过某一面积的光辐射能量
dQ dt
单位：W（瓦）
Q是辐射能量。Φ与功率意义相同。
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——红外技术及应用
1.辐射强度：I （描述点光源）
• 数学描述：若点辐射源在小立体角△Ω内的辐射功率为 △Φ，则△Φ与△Ω之比的极限值定义为辐射强度.
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——红外技术及应用
定义：一个任意形状锥面所包含的空间称为立体角。
符号：Ω（omega） 单位：Sr（球面度）
• 如图所示，△A是半径为R 的球面的一部分，△A的 边缘各点对球心O连线所 包围的那部分空间叫立体 角。 • 立体角的数值为部分球面 面积△A与球半径平方之 比，即
A 2 R
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——红外技术及应用
——红外技术及应用
第二章 光度与辐射度基础
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——红外技术及应用
• 教学目的：在红外物理（技术）及其应用的科学实践和工 程设计中，经常会遇到各种形式的辐射源发出辐射的问题 和测量问题。本章要学习有关辐射量和光度量的基本概念、 定义、单位及计算。 • 学时分配：6 • 重点、难点：掌握辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐 射照度的基本概念及计算。
I lim 单位：W/Sr （瓦/球面度） 0
• 物理描述：点辐射源在某一方向上的辐射强度，是指辐射 源在包含该方向的单位立体角内所发出的辐射通量。
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——红外技术及应用 • 点辐射源： （相对概念）辐射源与
观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍 时，可当做点源处理，否则称为扩展源 （有一定面积）. • 重要：“辐射强度是描述点源特性的辐射 量”。
• 单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角Ω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，或一球面度。 对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积dS ，它们 对应的立体角为 dS cos d R2
其中θ为dS 与投影面积 dS’的夹角，R为O 到dS中心的距离。
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——红外技术及应用 [例 ]
• 1、球面所对应的立体角：根据定义 • 全球所对应的立体角
4R 2 4 2 R
S R2
• (全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空间.) • 同理，半球所对应的立体角为2π空间。 • 球冠所对应的立体角：
2 (1 cos ) R 2 2 4 sin 2 R 2