光电技术基础 第一章 辐射度量与光度量

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一章,辐射度量与光度量,1,第一章 辐射度量与光度量,1.1,、光的本质,1.2,、光辐射度量,1.3,、光度量,1.4,、黑体及黑体辐射,2,1.1,、光的本质,光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。,历史上的重要人物,牛顿,惠更斯、杨氏、费涅耳,麦克斯韦,普朗克,爱因斯坦,3,牛顿,光的粒子说（,17,世纪的微粒流的假说）,认为这些微粒在均匀媒质中沿直线方向等速飞行,直线传播,反射与折射,衍射、干涉、偏振？,4,惠更斯、杨氏、费涅耳,光的波动学说,光是发光材料中分子振动的结果。这些振动通过一种假象的弹性媒质，以水波一样的方式传播出去。,衍射,干涉,偏振,5,麦克斯韦,1860,年提出光是电磁波,1860,年，麦克斯韦电磁理论建立后，才认识到光是一种电磁现象，原来光和无线电波一样，也是一种电磁现象，只不过光的波长比无线电波短的多而已。,反射、折射、衍射、干涉与偏振,光在各向异性介质中的传播,物质对光的吸收，色散和散射，以及光与物质互相作用方面,?,光速,v=,ln,/n,，,l,波长，,n,频率、,n,折射率,6,普朗克,辐射的量子理论（,1900,年）,普朗克在研究黑体辐射的能量按波长分布这一问题时认为，谐振子辐射是不连续的，并提出了辐射的量子理论。,7,爱因斯坦,光量子理论（,1905,年）,爱因斯坦在解释光电子发射现象时提出了光量子的概念，从而逐渐形成了新的微粒理论：光量子理论,光是由光子组成的，光子的能量正比于其频率,E=,hv,，,h,为,Planck,常数,=6.626x10,-34,Js,公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频率或波长）,8,1.2,、光辐射度量,光是电磁波，表明其具有辐射特征,光辐射具有量子性：光的发射与吸收、光电效应,光辐射具有波动性：光的衍射、干涉与偏振,辐射与辐射源、光与光源,自然光源：太阳、星辰、天雷地火,人造光源：灯具、激光、发光器件,9,辐射度量与单位,10,辐射度量与单位,辐射度量以下标,e,表示,辐射能,Q,e,以辐射形式发射、接受、传播的能量,这些能量被物质吸收时，可以转化成其他形式的能量，如电能,焦耳，,J,辐射能密度,w,e,单位体积内的辐射能，,w,e,=,d,Q,e,/,d,V,焦耳,/,米,3,，,J,m,-3,11,辐射度量与单位,辐射通量,F,e,单位时间通过某一面积的辐射能称为通过该面积的辐射通量（功率），而光源在单位时间辐射的总能量称为光源的辐射通量。,F,e,=,d,Q,e,/,d,t,瓦，,W=J/s,辐射强度,I,e,点光源发出，单位时间、单位立体角所辐射出的能量，,I,e,=,d,F,e,/,d,w,瓦,/,球面度，,W,sr,-1,12,辐射度量与单位,辐射出射度,M,e,辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率，,M,e,=,d,F,e,/,d,A,瓦,/,平方米，,W,m,-2,辐射亮度,L,e,由辐射表面定向发射的辐射强度，与辐射体表面所发射通量的空间分布有关，,L,e,=,d,I,e,/,d,A,cos,q,瓦,/,（平方米,球面度），,W,m,-2,sr,-1,13,辐射度量与单位,辐照度,E,e,单位面积接收到的辐射通量，,E,e,=,d,F,e,/,d,A,瓦,/,平方米，,W,m,-2,14,1.3,、光度量,除了特殊用途的光源外，大量的光源是作为照明用的，照明光源的特性只用前面所叙述的一些能量参数来描述是不够的。因为能量参数并没有考虑到,人眼,的作用，由于照明的效果最终是由人眼来评定的，因此，照明光源的光学特性必须用基于,人眼视觉,的光学参量即光度量来描述。,15,1.3,、光度量,原因：,1,、人的视神经对各种不同波长的光的感光灵敏度是不一样的，对绿光最灵敏，对红光的灵敏度要低的多。,2,、由于不同的人的视觉生理和心理作用不一样，不同的人对各种波长的光的灵敏度也有差别。,16,视见函数,国际照明委员会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相对灵敏度称为“标准光度观察者”的光谱光视效率,V(,),，或视见函数。,V(,),的最大值在,555nm,处，此时，,V(,)=1,，其他波长的,V(,),都小于,1,。,17,视见函数,图中实线为在视场较亮时测得的，称为明视觉,V(,),曲线；虚线为在视场较暗时测得的，称为暗视觉,V(,),曲线。,18,光度量及单位,19,光度量及单位,光通量,光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。若在波长,到,+d,间隔内光源的辐射通量为,e,，则光通量的表示式为：,单位：流明（,lm,）,发光强度,I,光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上发光强度,单位：坎德拉（,cd,）,20,光度量及单位,光出射度,M,光源表面给定点处单位面积向半空间内所发出的光通量，称为光源在该点的光出射度,单位：流明,/,米,2,lm/m,2,光照度,E,被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称为该点的光照度,靳克斯（,lx,）（,lm/m,2,）,21,光度量及单位,光亮度,L,光源表面一点处的面元,dA,在给定方向上的发光强度,dI,与该面元在垂直于给定方向的平面上的投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度。,式中：为给定方向与面元法线方向的夹角。,单位：坎德拉每平方米（,cd/m,2,）,光量,Q,光通量,对时间的积分，称为光量。,单位：流明,秒（,lm,s,）,22,常见环境下的光度值,23,本节重点,光的波粒二象性,辐射特性的定义,辐射度量：定义与单位,光度量：人眼特性,24,1.4,、黑体及黑体辐射,密闭空腔，不管腔壁是用啥材料作的,25,热平衡,加热使它保持在恒定温度,T,0,在热平衡的条件下，任何面元所发射出来的辐射，在频率与强度等方面，总是等于它所吸收的辐射。,在热平衡条件下的空腔内部，所有的辐射就必定具有稳定不变的性质。它将与腔壁的材料的性质无关，仅与腔壁的平衡温度有关。,26,热平衡条件,在热平衡条件下，物体,s,表面所发射的辐射，无论是在频率与强度等各方面，都必定与它所吸收的辐射相等。如果投射到该物体表面的“辐射照度”为,E,(,瓦厘米,2,),，物体对辐射的吸收比为 ，它的单位面积的“辐射出射度”为,M,(,瓦厘米,2,。,),，则热平衡条件为,27,当 时，辐射出射度就达到最大。具有这样特性的物体就叫做“,黑体,”，它所发射的辐射就叫做“,黑体辐射,”。,，,M,就是黑体的辐射出射度，用,M,b,来代表，那么该小物体所受到的辐射照度在数值上就等于黑体的辐射出射度，,E=M,b,换句话说，,在热平衡的空腔内的辐射,就是黑体辐,射。,28,的一般物体，我们得到,这就是说，不管什么物体，吸收比愈大，它发射辐射的辐射出射度也就愈大，但两者的比值却是不变的，都等于同一温度的黑体的辐射出射度。,29,能级概念的解释,例如对某一频率的辐射，吸收比愈大就是物体中符合这一频率的向上跃迁的原子或分子的数目愈多，在该物体受热发射热辐射时，符合这个频率的向下跃迁的数目也就愈多，即辐射出射度愈大。,30,黑体的获得,如果空腔的壁上开个小孔，这就是黑体。,原因：当小孔的面积远小于腔壁的面积时，从小孔发射出小量的辐射，与整个腔壁所发射的辐射量相比可忽略不计，,不会影响腔内的热平衡,。而从外面射人小孔的辐射，经腔壁多次反射，总是全部被吸收掉，不再从小孔反射出来。这样一个空腔就相当于吸收比等于一的物体，就是黑体，它所发射的辐射就是黑体辐射。,31,黑体辐射的研究,辐射功率按波长或频率的分布是稳定的，仅与腔体的温度有关，与制造腔体的材料无关。,32,黑体辐射的研究,由空腔上的小孔发射出来的“辐射出射度”按波长的分布如图所示。每个温度的分布曲线都有一个极大值，极大值所在的波长 随着温度升高而向短波方面移动。,33,斯忒藩一玻耳兹曼定律,黑体的单位的辐射出射度，包括各种波长在内的总功率与黑体温度,T,的四次方成正比,这个比例常数叫做斯忒藩常数,34,维恩位移定律,最大值波长 与黑体温度之乘积为一常数,35,光量子概念,以频率为变数，分谱的辐射出射度为,如果以波长为变数，则变成,36,常数的确定,得到物理常数的精确数值,如果以微米为波长的单位，温度用绝对温标，则位移定律可写成,5.673,10,-12,瓦厘米,2,K,4,37,总结,辐射度量与光度量,黑体及黑体辐射,38,