第二章 光度与辐射度基础

第二章第二章 光度与辐射度基光度与辐射度基础础 红外技术及应用红外技术及应用教学目的：教学目的：在红外物理（技术）及其应用的科学实践和工在红外物理（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、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。定义、单位及计算。学时分配：学时分配：6 6重点、难点：重点、难点：掌握辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐掌握辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度的基本概念及计算。射照度的基本概念及计算。2 红外技术及应用红外技术及应用引言引言光 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。3 红外技术及应用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。4 红外技术及应用红外技术及应用2-1描述辐射场的基本物理量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。5 红外技术及应用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：（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 6 红外技术及应用红外技术及应用单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角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其中为dS 与投影面积 dS的夹角，R为O 到dS中心的距离。7 红外技术及应用红外技术及应用例例1、球面所对应的立体角：根据定义全球所对应的立体角(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4空间.)同理，半球所对应的立体角为2空间。球冠所对应的立体角：当很小时，可用小平面代替球面，5以下时误差1%。8 红外技术及应用红外技术及应用 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例例9 红外技术及应用红外技术及应用 3、用球坐标表示立体角例例10 红外技术及应用红外技术及应用3、用球坐标表示立体角微小面积则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。例例11 红外技术及应用红外技术及应用二、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，是光的频率，与光速c、波长之间都是可换算的.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。12 红外技术及应用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 单位：W（瓦）Q是辐射能量。与功率意义相同。13 红外技术及应用红外技术及应用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内的辐射功率为，则与之比的极限值定义为辐射强度.单位：W/Sr（瓦/球面度）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。14 红外技术及应用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”。15 红外技术及应用红外技术及应用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，则与A之比的极限值定义为辐射出射度.单位：w/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：A为扩展源面积。16 红外技术及应用红外技术及应用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向小立体角内发射的辐射功率 是二阶小量()2；在方向看到的源面积是A的投影面积 AAcos，17 红外技术及应用红外技术及应用因此，在方向上观测到的源表面上该位置的辐亮度就定义为2与A及之比的极限值 单位：w/(Sr)瓦/（平方米球面度）18 红外技术及应用红外技术及应用4.辐射照度：E（描述受照表面）被照表面积的单位面积上接收到的辐射功率称辐射照度.单位：w/（瓦/米2）19 红外技术及应用红外技术及应用2.2光谱辐射量与光子辐射量光谱辐射量与光子辐射量光谱辐射通量：辐射源在+波长间隔内发出的辐射功率，称为在波长处的光谱辐射功率（或单色辐射功率）单位：W/m（瓦/米）严格地讲，单色辐射通量和光谱辐射通量不同，其区别在于“单色辐射通量”比“光谱辐射通量”的波长范围更小一些。20 红外技术及应用红外技术及应用注意单位（W/m），光谱辐射通量不是辐射通量的单位W/m2，而是辐射通量与波长的比值，描述的是某一波长或波段的辐射特性。光谱辐射强度 光谱辐射出射度 光谱辐射亮度 光谱辐射照度 21 红外技术及应用红外技术及应用二、光子辐射量光子辐射量是单位时间间隔内传输的光子数,(发送或接收).光子数量：NP（无量纲，是纯数字）Q是用频率表示的辐射能。h是一个光子的能量。光子数=总的能量除一个光子的能量 又：=c =c/所以有第二个等号 即 波长 频率 h普朗克常数 c光速所以 或 22 红外技术及应用红外技术及应用光子通量：单位时间内传输的光子数 单位：1/S（1/秒）于是有（用光子通量表示的光子辐射量）：光子强度 光子亮度 光子辐射度 光子照度 23 红外技术及应用红外技术及应用2.3光度量光度量 光度量：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。光谱光视效能是评定该刺激值的参数。24 红外技术及应用红外技术及应用1、光谱光视效能和光谱光视效率 光视效能:光通量 e辐射通量（e物理光能量）即人眼对不同波长的辐射产生光感觉的效率。说明即使辐射通量e不变，光通量v也随着波长不同而变化，K是个比例,但不是常数，是随波长变化的。于是人们又定义了光谱光视效率。光谱光视效率:在波长处的光通量 e 在波长处的辐射通量25 红外技术及应用红外技术及应用光视效率:（物理意义：以光视效能最大处的波长为基准来衡量其他波长处引起的视觉。）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：26 红外技术及应用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=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 X光度量；Xe辐射量；Km是常数；V()查表。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。27 红外技术及应用红外技术及应用28 红外技术及应用红外技术及应用2、光通量 单位时间内通过某一面积的光能量（功率）。单位：Lm(流明)对于明视觉：对于暗视觉：29 红外技术及应用红外技术及应用3、发光强度：点光源在单位立体角内发出的光通量。单位：cd(坎德拉)国际单位制中，candela(坎德拉)的定义是在1979年才更新的。4、光出射度：扩展源单位面积向2空间发出的全部光 通量。单位：Lm/m2(流明)A为扩展源面积 2空间：（半球空间）因扩展源有面积，不同于点光 源，不能向下或向内辐射。30 红外技术及应用红外技术及应用5、光亮度光源在给定方向上的光亮度L，是在该方向上的单位投影面积上、单位立体角内发出的光通量。单位：cd/m2（坎德拉/平方米）发光强度 光亮度又可表示为 即在给定方向上的光亮度也就是该方向上单位投影面积上的发光强度。31 红外技术及应用红外技术及应用6、光照度 定义：被照表面积的单位面积上接收到的光通量 称为光照度.单位：Lux（勒克斯）A为被照面积32 红外技术及应用红外技术及应用描述辐射场的基本物理量小节：辐射量 光谱辐射量 光子辐射量 光度量 通量 强度 亮度 出射度 照度 33 红外技术及应用红外技术及应用注: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、p、，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。34 红外技术及应用红外技术及应用三个发射量的区别和关系辐射强度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 2空间 立体角内 35 红外技术及应用红外技术及应用2-4朗伯余弦定律和漫辐射源的辐射特性朗伯余弦定律和漫辐射源的辐射特性 一、漫辐射源：辐射亮度L与方向无关的辐射源。（太阳、荧光屏等）漫辐射：漫辐射源发出的辐射 漫反射：与漫辐射具有相同特性的反射。（电影屏幕等）36 红外技术及应用红外技术及应用举例：很光滑的反射（镜）面，当有一束光入射其上时，具有很好的（反射）方向性；表面粗糙的反射器，在很大的空间内都有反射，没有强弱之分。描述这种辐射的空间分布的特性公式为 式中 B常数 辐射法线与观察方向夹角 A辐射源面积 辐射立体角即：“理想漫反射源单位表面积向空间指定方向单位立体角 内发射（或反射）的辐射功率和该指定方向与表面法线夹角的余弦成正比。”这就是朗伯余弦定律。具有这种特性的发射体（或反射体）称为余弦发射体（或余弦反射体）。37 红外技术及应用红外技术及应用 由辐射亮度的定义知：与上式相比较，则 （常数）38 红外技术及应用红外技术及应用“朗伯余弦定律”为另一种形式亮度 法向亮度 方向亮度 因为漫辐射源各方向亮度相等，即L=L，（上二式相等），则I=I0cos该式是朗伯余弦定律的另一种形式，叙述为“各个方向上辐射亮度相等的发射表面，其辐射强度按余弦规律变化”。（物理意义）39 红外技术及应用红外技术及应用关于I 与L的一些说明首先I 是针对点光源的定义，而L是针对面光源的定义。“小面元”的辐射元也可以当做点辐射源来看待。40 红外技术及应用红外技术及应用二、漫辐射源的辐射特性1、朗伯辐射源的辐射亮度 =B（常数）2、朗伯辐射源的辐射强度 注意：虽各方向亮度相同，但辐射强度不同。I=I0cos =90时，I=0 41 红外技术及应用红外技术及应用3、辐射出射度为辐射亮度的倍，即M=L小面元在一小立体角内发射的辐射功率为：所以向半球空间发射的功率为：根据M的定义：对朗伯辐射源，L为常量：用球坐标表示 42 红外技术及应用红外技术及应用2-5辐射量的基本规律及计算辐射量的基本规律及计算一、距离平方反比定律:描述点辐射源产生的照度的规律。设：点辐射源的辐射强度为I；源到被照表面P点的距离为d（P点为小面元dA）；小面元dA的法线与到辐射源之间的夹角为，求：点辐射源在P点产生的照度 由辐射强度的定义知 由立体角的定义 则 由照度的定义 如=0（垂直照射），则 此乃距离平方反比定律，是描述点辐射源在某点产生的照度的规律。43 红外技术及应用红外技术及应用描述：点辐射源在距离d处所产生的照度，与辐射源的辐射强度I成正比，与距离的平方成反比。但必须注意，被照的平面一定要垂直于辐射投射的方向，如果有一定的角度，则情况如下图所示 此时的照度为 该式也被称为照度的余弦法则。从图中可见，CD=ABcos，即垂直照射时落在CD上的光通量被分散开来落到较大的面积AB上，所以照度就减小了。源越倾斜，照射面积越大，照度就越小。从照度的定义也可看出，在通量不变的情况下，被照面积越大照度越小。44 红外技术及应用红外技术及应用二、立体角投影定律：描述面源所产生的照度的定律 （描述一个微小的面辐射源在所辐照平面上某点产生的照度）已知条件如图：小面源尺寸dA ，小面源亮度L，被照表面积为dA，两者距离d，和分别为dA 和dA的法线与d的夹角，并设辐射源为朗伯体。求：一个小面源在平面dA产生的照度。45 红外技术及应用红外技术及应用将小面元看成点光源，根据距离平方反比定律，小面源在平面dA产生的照度由亮度的定义 46 红外技术及应用红外技术及应用三、朗伯余弦定律（前面已讲）四、组合定律 多个辐射源照射同一点时，照度相加。如果有N个辐射源，I相同，则被照点处的总照度 47 红外技术及应用红外技术及应用五、塔尔伯特定律描述辐射通过调制盘后辐射量的减小。调制盘：把恒定的辐射通量变为断续的辐射通量。X 通过调制盘某辐射量 t 辐射量通过调制盘开口的时间 t总 总的时间 X0 原来的辐射量 XX0 （因子）为总开口的角度。每转一周360。调幅式调制盘48 红外技术及应用红外技术及应用调制盘的作用：直流信号变交流信号确定目标在空间的方位用调制盘进行空间滤波，减少背景干扰提高红外系统的检测性能49 红外技术及应用红外技术及应用傅立叶红外光谱仪：傅立叶红外光谱仪：它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。仪器组成为仪器组成为红外光源摆动的凹面镜摆动的凹面镜迈克尔逊干扰仪检测器样品池参比池同步摆动干涉图谱计算机解析红外谱图还原M1BSIIIM2DFourier变换红外光谱仪的特点：变换红外光谱仪的特点：（1）扫描速度极快，多次累加可有效地降低噪声）扫描速度极快，多次累加可有效地降低噪声（2）具有很高的分辨率）具有很高的分辨率 通常Fourier变换 红外光谱仪分辨率达0.1 0.005 cm-1。（3）灵敏度高）灵敏度高 可检测10-8g数量级的样品。除此之外，还有光谱范围宽（100010 cm-1）；测量精度高，重复性可达0.1%；杂散光干扰小；样品不受因红外聚焦而产生的热效应的影响。50 红外技术及应用红外技术及应用2-6辐射的反射、吸收和透射辐射的反射、吸收和透射 投射到某介质表面上的辐射功率i分为三部分被表面反射，被介质吸收，从介质中透射过去。根据能量守恒定律有 或写为 其中反射率、吸收率和透射率的定义如下：反射率为 吸收率为 透射率为 （三参数亦称比辐射量）与上式比较，有 51 红外技术及应用红外技术及应用 光谱比辐射量：在+波长间隔内的、：光谱反射率为 光谱吸收率为 光谱透射率为 ()、()和()都是波长的函数，它们也满足:52 红外技术及应用红外技术及应用在1+2波长间隔内的、53 红外技术及应用红外技术及应用2、朗伯定律和朗伯-比耳定律 1.朗伯定律 假设介质对辐射只有吸收作用，我们来讨论辐射的传播定律。有一平行辐射束在均匀(即不考虑散射)的吸收介质内传播距离为dx路程之后，其辐射功率减少d。实验证明，被介质吸收掉的辐射功率的相对值d/与通过的路程dx成正比，即 式中称为介质的吸收系数，负号表示d是从中减少的数量。将上式从0到x积分，得到在x点处的辐射功率为 式中(0)x=0处的辐射功率 (x)x处的辐射功率54 红外技术及应用红外技术及应用上式就是吸收定律，它表明，辐射功率在传播过程中，由于介质的吸收，数值随传播距离增加作指数衰减。吸收率和吸收系数是两个不同意义的概念（结果与过程）。介质的吸收系数一般与辐射的波长有关。对于光谱辐射功率，可以把吸收定律表示为 式中()为光谱吸收系数.55 红外技术及应用红外技术及应用具有两个表面的介质的透射情形 设介质表面(1)的透射率为1()，表面(2)的透射率为2()。对表面(1)有(0)=1()i。若表面(1)和(2)的反射率比较小，且只考虑在表面(2)上的第一次透射(即不考虑在表面(2)与表面(1)之间来回反射所产生的各项透射)，则有=2()(x)。于是，利用以上两式，得到介质的透射率为由上式可以看出，一介质的透射率()等于两个表面的透射率1()、2()和内透射率i()的乘积。辐射在两个表面的介质中传播(1)(2)0 xi(0)(x)56 红外技术及应用红外技术及应用设有一功率为的平行单色辐射束，入射到包含许多微粒的非均匀介质上。由于介质中微粒的散射作用，使一部分辐射偏离原来的传播方向，因此，在介质内传播距离dx路程后，继续在原来方向上传播的辐射功率(即通过dx之后透射的辐射功率)，比原来入射功率衰减少了d，实验证明，辐射衰减的相对值d/与在介质中通过的距离dx成正比，即 其中，称()为散射系数。式中的负号表示d是减少的量。散射系数与介质内微粒(或称散射元)的大小和数目以及散射介质的性质有关。散射系数散射系数57 红外技术及应用红外技术及应用如果把上式从0到x积分，则得 式中，(0)是在x=0处的辐射功率，(x)是在只有散射的介质内通过距离x后的辐射功率。介质的散射作用，也使辐射功率按指数规律随传播距离增加而减少。以上我们分别讨论了介质只有吸收或只有散射作用时，辐射功率的传播规律。只考虑吸收的内透射率i()和只考虑散射的内透射率i()的表示式为 58 红外技术及应用红外技术及应用如果在介质内同时存在吸收和散射作用，并且认为这两种衰减机理彼此无关。那么，总的内透射率应该是 于是，我们可以写出，在同时存在吸收和散射的介质内，功率的i 辐射束传播距离为x的路程后，透射的辐射功率为 式中，()=()+()称为介质的消光系数。这就叫朗伯定律。59 红外技术及应用红外技术及应用2.朗伯-比耳定律假设在一定的条件下，每个单元的吸收不依赖于吸收元的浓度。则吸收系数就正比于单位程长上所遇到的吸收元的数目，即正比于这些单元的浓度n，可以写为 式中()(通常是波长的函数)是单位浓度的吸收系数。上式叫做比耳定律。但在某些情况下，以上说法不适用，例如浓度的变化能改变吸收分子的本质或引起吸收分子间的相互作用。60 红外技术及应用红外技术及应用散射系数可以写为 式中，n是散射元的浓度，()是单元浓度的散射系数。因为()和()具有面积的量纲，所以又称为吸收截面和散射截面。（可以理解为几率）我们就可以把朗伯定律写为 上式称为朗伯-比耳定律。61 红外技术及应用红外技术及应用该定律表明：在距离表面为x的介质内透射的辐射功率将随介质内的吸收元和散射元的浓度的增加而以指数规律衰减。这个定律的重要应用之一是用红外吸收法做混合气体组分的定量分析。常用的红外气体分析仪就是按此原理工作的。62 红外技术及应用红外技术及应用红外线气体分析仪63 红外技术及应用红外技术及应用辐射量的计算举例 1、圆盘的辐射强度和辐射功率 设圆盘的辐射亮度为L，面积为A，如图所示。圆盘在与其法线成角的方向上的辐射强度为 式中I0=LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度。圆盘向半球空间发射的辐射功率为，按辐射亮度的定义有 圆盘辐射照度圆盘辐射照度64 红外技术及应用红外技术及应用因为球坐标的d=sindd，则 也可按辐射强度的定义，求得 或按朗伯源的辐射规律M=L，同样可得65 红外技术及应用红外技术及应用2、球面的辐射强度和辐射功率设球面的辐射亮度为L，球半径为R，球面积为A，若球面在=0方向上的辐射强度为I0，则在球面上所取得的小面源 dA=R2sindd在=0方向上的辐射强度为 dI0=LdAcos=LR2sincosdd，则 66 红外技术及应用红外技术及应用同样的计算可以求得球面在方向的辐射强度I=I0=LR2。可见球面在各方向上的辐射强度相等。球面向整个空间发射的辐射功率为 式中I0=LR2，为球面的辐射强度。67 红外技术及应用红外技术及应用3、半球面的辐射强度和辐射功率、半球面的辐射强度和辐射功率设半球球面的辐射亮度为L，球半径为R，如图所示，若球面在=0方向上的辐射强度为I0，则有 半球球面在方向的辐射强度为 可见半球球面在各方向上的辐射强度是不相等的。半球面辐射照度68 红外技术及应用红外技术及应用半球球面向整个空间发射的辐射功率为 以上的计算都是辐射亮度为常数的朗伯源的情况。对于非朗伯源，辐射亮度不为常数，而与方向有关。69 红外技术及应用红外技术及应用70结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！71