《光电子技术》课件：§１.2 辐射度学与光度学基本知识.ppt

1、. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识第第章章 光辐射与发光源光辐射与发光源本本 章章 概概 述述 电磁波谱与光辐射 （1-1）掌握电磁波的性质和光辐射的特点 辐射度学与光度学基本知识 （1-2）理解七个辐射量和光度量的概念 热辐射基本定律 （1-3） 掌握三个定律和三个公式 激光原理 （1-4）掌握激光产生的物理机制 典型激光器 （1-5）了解几种常见激光器。. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识对于光辐射的探测和计量，存在着两套体系对于光辐射的探测和计量，存在着两套体系: :辐射度量辐射度量: :只与辐射客体有关的量只与辐射客体有关的量, ,基本量是基本量是辐射

2、通量辐射通量 （又称为（又称为辐射功率辐射功率）或者）或者辐射能辐射能. . 基本单位基本单位 是是瓦特（瓦特（W W）或者或者焦耳焦耳(J)(J)。适用于整个电适用于整个电 磁波段。磁波段。光度量光度量: : 反映人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度，反映人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度， 基本量的是基本量的是发光强度发光强度，基本单位是，基本单位是坎德拉坎德拉 (cd)(cd)。只适用于可见光波段。只适用于可见光波段。 两类计量体系中的物理量一一对应。用两类计量体系中的物理量一一对应。用下标下标“e e”表示辐射度量，下标表示辐射度量，下标“v”表示光度量。表示光度量。HE、HE、. 辐射度学

3、与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 辐射能辐射能Qe定义定义：以辐射形式发射或传输的电磁波能量。：以辐射形式发射或传输的电磁波能量。单位：焦耳（单位：焦耳（J）。）。一、辐射量一、辐射量 辐射通量（辐射功率）辐射通量（辐射功率）定义定义：为单位时间内流过某面积的辐射能量：为单位时间内流过某面积的辐射能量单位：瓦特（单位：瓦特（W）)11( dtdQee 辐射出射度（辐射功率密度）辐射出射度（辐射功率密度）)21 ( dSdMee定定义：义：辐射体单位面积辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量向半空间发射的辐射通量单位：单位：W/m2。. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识辐射

4、强度辐射强度定义：定义：点辐射源点辐射源在给定方向上发射的在在给定方向上发射的在单位单位立体角立体角内的辐射通量内的辐射通量. 单位：瓦特单位：瓦特/球面度（球面度（W/sr）。）。)31( ddIee)41(4 eeIR d 已知各向同性均匀介质中已知各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是射的总辐射通量是 ，求各，求各个方向的辐射强度个方向的辐射强度 ？eeI. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 辐射亮度辐射亮度 ( 是给定方向是给定方向与辐射面元辐射面元dS法线间的夹角法线间的夹角)定义：定义：面辐射源面辐射源的的单位表观面积单位表观

5、面积在某一给定方向上的在某一给定方向上的辐射强度。辐射强度。单位：单位：(瓦特瓦特/球面度球面度)/米米2,即即W/(srm2) 。)51(coscos2 dSdddSdILeeeS d dSd 图图1-2 辐射亮度示意图辐射亮度示意图余弦辐射体（朗伯体）余弦辐射体（朗伯体）:辐射强辐射强度在空间方向上的分布满足度在空间方向上的分布满足)61(cos0 eedIdI(Ie0是面元是面元dS法线方向的辐射强度法线方向的辐射强度). 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识)51(coscos2 dSdddSdILeeeS d dSd 图图1-2 辐射亮度示意图辐射亮度示意图余弦辐射体余弦

6、辐射体:)61(cos0 eedIdI(1-6)式代入式代入(1-5)式得式得:余弦辐射体的辐射亮度余弦辐射体的辐射亮度:辐射亮度辐射亮度 )71(00 eeeLdSdIL余弦辐射体的辐射亮度是余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角均匀的，与方向角 无关。无关。. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识辐射照度辐射照度单色辐射度量单色辐射度量（对应于某波长）（对应于某波长）定义：照射在单位面积上的辐射通量。定义：照射在单位面积上的辐射通量。单位：单位： W/m2。)101( dAdEee d dA)111(0, dXXee定义为该波长附近单位波长间隔内对应的辐射度量，定义为该波长附近

7、单位波长间隔内对应的辐射度量，单色辐射度量单色辐射度量 与辐射度量与辐射度量 之间均满足之间均满足:eX ,eX. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识)111(0, dXXee 0, dM：Mee例例012345601 02 03 04 01 0 0 0 K1 2 0 0 K1 4 0 0 K1 6 0 0 K1 8 0 0 K2 0 0 0 K (m )单色 辐射 出射 度 Mvb(W/cm2m)黑体辐射单色辐射出射度的波长分布黑体辐射单色辐射出射度的波长分布Me为为辐射体单位面积辐射体单位面积向半空间发射的辐射向半空间发射的辐射通量通量,包括所有波长包括所有波长,相相当于曲线

8、下的面积当于曲线下的面积. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 不仅与辐射源的不仅与辐射源的辐射强弱辐射强弱有关有关, 而且与人眼对不同而且与人眼对不同波长的光的波长的光的视觉灵敏度视觉灵敏度有关，与辐射度量一一对应。有关，与辐射度量一一对应。二、二、 光度量光度量 辐射度物理量辐射度物理量光度物理量光度物理量物理量物理量定义式定义式单位单位物理量物理量定义式定义式单位单位辐射能辐射能辐射通量辐射通量辐射出射度辐射出射度辐射强度辐射强度辐射亮度辐射亮度辐射照度辐射照度dQe edt e(基本量基本量)Me=d e/dSIe=d e/d Le=dIe/(dScos )Ee=d e/

9、dAJ=WsWW/m2W/sr(W/sr)/m2W/m2光量光量光通量光通量光出射度光出射度发光强度发光强度(光光)亮度亮度(光光)照度照度dQv= v dtd v=Iv d Mv=d v/dSIv(基本量基本量)Lv=dIv/(dScos )Ev=d v/dAlmslm=cdsr lm/m2cdcd/m2lx=lm/m2坎德拉定义：坎德拉定义：点光源沿某方向发出点光源沿某方向发出555nm的光，的光，其辐射强度为其辐射强度为(1/683)W/sr时时, 其发光强度就是其发光强度就是1cd. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识为了描述一定的光辐射通量可以产生多少的为了描述一定的光

10、辐射通量可以产生多少的光通量，定义光通量，定义光视效能光视效能和和光视效率光视效率。三、光度量与辐射度量之间的关系三、光度量与辐射度量之间的关系光视效能光视效能:)121()()( WlmKev 含义：含义：1W的单色辐射通量所对应的单色光通量的单色辐射通量所对应的单色光通量 (即即功光当量功光当量, 是两套单位的换算因子是两套单位的换算因子)单位：流明单位：流明/瓦特（瓦特（lm/W）。）。 (对比对比:JW/Q=4.1868焦卡称为焦卡称为热功当量热功当量,表示表示1卡卡热量对应的功。热量对应的功。). 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 对标准光度观察者，在辐射频率对标准光

11、度观察者，在辐射频率540 1012Hz(波长波长555nm)处，处，K 有最大值，其数值为有最大值，其数值为Km=683lm/W。说明人眼对这频率的光辐射的视觉是最灵敏的。说明人眼对这频率的光辐射的视觉是最灵敏的。 光视效能光视效能)121( evK光视效率光视效率(视见函数视见函数)V ：是归一化的是归一化的光视效能光视效能:)131(683 KKKVm 555nm的单色光视效的单色光视效率率V =1, 为最大值为最大值. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识光视效率光视效率(视见函数视见函数):)131(683 KKKVm4005006007008000.00.20.40.6

12、0.81.0VV波 长(nm)光视 效 率暗视觉相对于明暗视觉相对于明视觉蓝移视觉蓝移.(这就是傍晚的天这就是傍晚的天空更蓝的原因空更蓝的原因)紫外线：紫外线：V(750nm)=0明视觉明视觉暗视觉暗视觉 510nm555nmveK. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识光通量光通量(lm)与辐射通量与辐射通量(辐射功率辐射功率,W)的换算：的换算：4005006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 长(nm)光视 效 率明视觉明视觉暗视觉暗视觉 510nm555nm回顾回顾:坎 德 拉 定 义 中 的坎 德 拉 定 义 中 的(1/683)W/sr的辐射的辐

13、射强度，对强度，对555nm的的光而言，就是光而言，就是1lm/sr,即即:1cd.)()/(683)(,WVWlmlme ,()683(/)(/)eIcdlm W VIW sr 或. 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识光通量光通量(lm)与辐射通量与辐射通量(辐射功率辐射功率,W)的换算：的换算：4005006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 长(nm)光视 效 率明视觉明视觉暗视觉暗视觉 510nm555nm)()/(683)(,WWlmVlme 问问: 点光源均匀发光点光源均匀发光( =500nm), 发光强度发光强度I , =100cd,则总光通则总光通量量 , = ,总总辐射辐射功率为功率为 e, = . (已知已知V500nm=0.3) 答答:总光通量总光通量 = I d =4 I =400 (lm), 总总辐射辐射功率功率 e, = , /683V =400 /(683 0.3)=6.1(W). 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识课后作业课后作业