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1、,光电子技术 Photoelectronic Technique 辐射度量与光度量 主讲：周自刚 助教：范宗学,辐射度量,光度量,两者关系,1,2,3,1.2 辐射度量和光度量,44,辐射度学与光度学,辐射度学(Radiometry )：研究各种电磁辐射强弱的学科的一门科学,光度学(Photometry )：研究可见光辐射强弱的学科辐射度学的一部分,光度学的研究基于两个基本假设：, 光：沿光线方向进行的能量流，遵守能量守恒定律，即光束在单位时间内通过任一截面的能量为常数, 光源：既可以是一个实际的发光体，也可以是光源自身的像或者是一个自身并不发光，但被另一光源照明的物体表面,43,辐射度单位体
2、系:辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。（是客观物理量体系）,符号角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。,辐射度单位和光度单位两套不同的体系,光度单位体系:是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。（是主观生理反映量体系）,42,1 辐射度量,辐射能,辐射通量,辐射出射度,辐射强度,辐射亮度,辐射照度,光谱辐射度量,41,是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。 当辐射能被
3、其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等,辐射能,40,单位：焦耳J,光源在单位体积内的辐射能称为光源的辐射能密度we,we=dQe/dV,当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等,用e表示，又称为辐射功率，是辐射能的时间变化率 是单位时间内发射、传播或接收的辐射能,辐射通量,39,单位：瓦特 （W）或焦耳每秒（J/s）,就是辐射体在单位面积内所辐射的通量，是反映物体辐射能力的物理量辐射出射度（Me）,面光源A向半球面空间发射的总辐射通量,辐射出射度,38,单位：瓦特每平方米（W/m2）,是针对点辐射源而言定义的 在单位时间内、给定方向上、单位立体角内
4、所辐射出的能量,点光源在有限立体角内发射的辐通量,辐射强度,单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）,37,由辐射表面定向发射的辐射强度与该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积的比值,辐射亮度,单位：瓦特/球面度米2（W/srm2）,36,辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足,余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。,余弦辐射体或朗伯体,余弦辐射体的辐射亮度,辐射亮度,余弦辐射体的辐射出射度,35,投影在单位面积上的辐射通量，或照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。,注意：辐照度是指从物体表面接收辐射通量 辐出度是指从面光源表面发射辐射通量,辐射照度,单位：瓦特每平方米（W/m2）,
5、34, 光谱辐射度量,也叫辐射量的光谱密度，是辐射量波长的变化率。 单位波长间隔内对应的辐射度量光谱辐射度量,33,(1)光谱辐射通量:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量，也称为光谱密度或单色辐射通量,= e/ , 光谱辐射度量,32,在波长处的光谱辐射通量为,（）= de () /d,在整个光谱内，总的辐射通量为, 光谱辐射度量,31,(2)光谱辐射出射度M:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射出射度（单位面积）,M（）= dMe () /d,(3)光谱辐射强度I:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射强度（单位立体角）,I（）= dIe () /d, 光谱辐射度量,30,(4)光谱辐射
6、亮度L:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射亮度（垂直于该方向的平面上的正投影面积）,L（）= dLe () /d,(5)光谱辐射照度E:光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射强度（接受面）,E（）= dEe () /d,29,由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最终是以人眼来评定的，因此，照明光源的光学特性必须用于基于人眼视觉的光学参数量光度量来描述,光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。 能量相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不同的。,2 光度量,视见函数,光通量,发光强度,光照度,28,光出射度,光亮度,视见函数,27,人眼对各种波长的光的感觉灵敏度是不一样的 一般而言，
7、对绿光最灵敏，而对红光较差,国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，标准广度观察者的光谱光视效率（简称视件函数 V（)）,V()1,表 标准适光性视见函数值,26,视见函数,25,光通量,定义：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值,意义：表征光源发出的客观辐射能通量所能引起人眼的主观视觉强度大小,单位： lm（流明）,表达式：设dV为波长处d间隔的辐射能通量，相应波长光通量d：,总光通量：,24,点光源的发光强度I,点光源：理想光源，其几何线度远小于光源到观察点之距离，因而可以忽略。,发光强度：点光源在给定方向上，单位立体角内
8、所发出的光通量,单位：坎德拉（cd），或lm/sr（球面度），1cd=1lm/sr,发光强度,23, 点光源向空间某一立体角元d 内辐射的光通量d正比于该立体角元的大小，其比例系数即该点光源的发光强度,说明：, 点光源向整个空间辐射的总光通量,若I与方向有关，即I=I(, )，则,若I与方向无关，即I=常数，则,22,定义：光源表面给定点处单位面积内所发出的光通量,21,光出射度,M= d /dA,光照度,定义：被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量,E= d /dA,面光源的光亮度B,面光源（扩展光源）：具有一定空间发光面积，且在观察区域内其几何线度不可忽略。,光亮度：单位面积的光源表面向
9、法线方向单位立体角内辐射的光通量。,意义：元面积dS向空间与法线夹角为的r方向上的立体角元d内辐射的光通量d，正比于d和dS在r方向的投影dScos，其比例系数B定义扩展光源的光亮度,单位：lm/(m2sr)（流明每平方米球面度），或lm/(cm2sr) 即sb（熙提）,20,光亮度,说 明:, 发光强度和光亮度均针对可见光而言，并带有探测器的主观因素。在辐射度学中，只要将光通量以辐射能通量代替，流明以瓦特代替，则发光强度即辐射强度，光亮度即辐射亮度。辐射强度和辐射亮度仅仅反应光源自身的辐射特征，与探测器无关。, 光亮度反映扩展光源在与面法线成角度方向单位投影面积上的发光强度,19,定义：受照
10、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。,单位： lx（勒克斯）、 ph（辐透）。其中：1lx=1lm/m2，1ph=1lm/cm2。,说明： E表征受照面的明亮程度。E还可以表示辐照度或辐射能流密度。,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d，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,光照度,18,点光源产生的光照度,点光源向受照面元dS对其所张立体角元d内辐射的光通量：,点光源在受照面元dS上的光照度:,结论：点光源所产生的光照度E，正比于光源的发光强度I和光束方向角的余弦cos，反比于光源点到受照面距离r的平方。,平方反比律：点
11、光源位于受照面法线上时，光照度仅与距离平方成反比，即,17,面光源产生的光照度,面光源元面积dS发出的到达受照面元面积dS上的光通量：, 和 ：面元dS 和dS的连线与各自面法线的夹角。,dS引起的光照度：,总的光照度：,说明：光源面与受照面具有对称性。若以受照面为光源面，且亮度仍为B，则在原光源面上将产生同样大小的光通量。,16,15,3 两者关系,朗伯定律,在方向上：,在法线方向上：,如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有:, 朗伯光源,只有绝对黑体才是朗伯光源,遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源。,14,3 两者关系,余弦定律同理可用于光照度上,13,3 两者关系,平方反比定律,面积元
12、dS对点光源所张的立体角,内的光通量,dS面上的光照度,描述点辐射源产生照度的规律，是来自均匀点光源向空间发射球面波的特性。,12,例 一氦氖激光器发出10mW的波长为632.8nm的激光束，发散角 为1mrad，发散角 与立体角的关系为 ，若波长632.8nm光波的光谱光效率 0.24，试求： (1)此激光束的光通量和发光强度； (2)若此激光输出光束的截面的直径为1mm,求其光亮度； (3)以这样的激光束照射在10m处的白色屏幕上的光照度。,11,解：(1)光通量,相应的立体角为,发光强度,10,解：（2）由于激光束的方向与光束输出截面dA的法线相一致,9,解：（3）激光在屏幕上照射的面积
13、,8,思考题：光照度复杂工程问题案例,2012年8月10-12日第三届全国大学生光电设计竞赛在福建师范大学旗山校区隆重举行。本届竞赛的主题是“光与信息”。其中”基于光电导航的无人驾驶智能车”题目会用到哪些光度学和辐射度学中的基本知识？ 详情查询网站http:/ 点产生的水平照度是多少？,6,提示： 法线照度：与入射光线垂直面上的照度 水平面照度：对某一点P而言，其水平面的照度 两者关系：,水平面照度=法线照度cos,课后作业：,5,2、有房间宽度是15米，进深12米的教室。在屋顶安装40瓦日光灯的双灯灯具30套，地面的平均照度是多少？（假设每根日光灯管的光通量是2400流明，照度率0.5，折旧率0.7）,课后作业：,4,提示： 照明率（U）：从光源发出的光通量中，能达到作业面的光通量的比例（一般小于1） 折旧率（M）：由于光源本身光通量的衰减，灯和灯具的污染等使照明降低，预先设想这些状况的修正系数。,课后作业：,280lx,3,3 一发光强度为 60cd 的点光源 O 置于水平地板上方 4m 处，而一直径为 3m 的圆形平面镜水平放置，平面镜的圆心位于点光源正上方 4m 处，若光投射于平面镜时，将 80% 的光反射，试求光源斜下方 6m 地板上 P 点处的照度。,课后作业：,2,