應(yīng)用光學輻射度學和光度學基礎(chǔ)1第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)光體實際上為一個電磁波輻射源；研究電磁波輻射的測試、計量和計算的學科稱為“輻射度學”波長為400~760nm范圍內(nèi)的電磁波稱為“可見光”描述電磁輻射的物理量，稱為輻射量2第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四輻射度學通過電磁光譜來進行輻射能的測量。輻射度學主要研究頻率為3×1011～3×1016Hz的光輻射，對應(yīng)于0.01~1000μm的波長。波段范圍包括紅外、可見光、紫外線。3第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四研究可見光的測試、計量和計算的學科稱為“光度學”也可用視覺受到刺激的程度，即視覺感受來度量可見光。另一方面，可見光是能對人的視覺形成刺激并能被人感受的電磁波。按照視覺響應(yīng)原則建立的表征可見光的量稱為光學量。4第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四光度學與輻射度學類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光，波長范圍為380～780nm納米。波長450nm對應(yīng)于藍色，540nm對應(yīng)于綠色，659nm對應(yīng)于紅色。5第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四將可見光作為純物理現(xiàn)象來研究時，應(yīng)采用輻射量值系統(tǒng)。研究與人的視覺有關(guān)的問題時，采用光學量值系統(tǒng)。6第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四把整個空間以某一點為中心，劃分成若干立體角。立體角的定義：一個任意形狀的封閉錐面所包含的空間稱為立體角，用Ω表示。第一節(jié)立體角的意義和它在光度學中的應(yīng)用Ω7第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四如圖所示，以錐體頂點為球心，任意r為半徑作一球面，此錐體在球面上的截面為S，則立體角表示為8第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四

立體角單位：以錐頂為球心，以r為半徑作一圓球，若錐面在園球上所截出的面積等于r2，則該立體角為一個“球面度”（sr）。整個球面的面積為4πr2,對于整個空間有即整個空間等于4π球面度。9第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空間，2π角度覆蓋整個單位圓。在三維空間，4π的球面度立體角覆蓋整個單位球面。10第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)輻射度學中的基本量（1）輻射能Qe光輻射是一種能量的傳播形式。度量輻射能的單位：焦耳（J）11第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四單位時間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能。度量輻通量的單位：瓦（W）（2）輻射通量Φe12第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四

用輻射通量的光譜密集度Φeλ來表示輻射體的輻射通量按波長分布的特性。ΦeλΔλλ

輻射體總輻射通量即輻射體的總輻射功率為13第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四點輻射源向各方向發(fā)出輻射，在某一個方向，在一個圓錐立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的輻射通量。即單位時間、單位球面度上發(fā)出的能量。輻射強度的單位：W/sr（3）輻射強度Ie表示了輻射體在不同方向上的輻射特性。dΦedΩ14第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射通量，也就是輻射源單位時間內(nèi)單位面積發(fā)出的能量。輻出射度的單位：W/m2（4）輻出射度Me表示了輻射體在不同位置上的輻射特性AdΦedS15第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四單位受照面積上接收的輻射通量，也就是單位時間內(nèi)單位面積接收的輻射能量。與輻出度相同，一個是發(fā)出，一個是接受。（5）輻照度Ee輻照度的單位：W/m2AdΦedS16第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四表示單位面積在與法線成α角的立體圓錐角內(nèi)的輻射通量。輻亮度的單位：W/sr·m2（6）輻亮度Le表示了單位面積輻射源發(fā)出的輻通量的空間分布AdSNdΩOIeα17第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四可見光：輻射能中能引起人眼的視覺效應(yīng)的區(qū)域。

這個區(qū)域從400納米到760納米。人眼觀察輻射體時，其視覺強弱與輻射波長和輻射強度（某一方向）有關(guān)。在可見光中不同波長的光所引起的視覺效應(yīng)的靈敏度是不相同的。在光度學中，為了表示這種差別，定義V(λ)為“視見函數(shù)”（光譜光視效率）。第三節(jié)人眼的視見函數(shù)18第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四視見函數(shù)把人眼對黃光的視覺靈敏度作為基準，其它色光的視覺靈敏度與黃光的視覺靈敏度相比，得出各種色光的相對視覺靈敏度，稱為視見函數(shù)，用V(λ)表示。把人眼最靈敏波長（λ=555nm）的視見函數(shù)規(guī)定為1，即V(555)=1V(λ)≤1不同人在不同觀察條件下的視覺函數(shù)略有差別。19第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四/nmV()如果以同樣功率的不同波長的輻射通量射入人眼，波長λ=555nm的光人眼感覺最亮。紫紅20第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四如λ=660nm的紅光，要引起與黃綠光相同亮的光感，必須要比555nm的輻射通量大16倍。而λ=780nm的紅光，要引起與黃綠光相同亮的光感，必須要比555nm的輻射通量大5萬倍。但是波長在380nm，780nm以外區(qū)域的輻射能，不管有多大功率的輻射通量進入人眼，將是感覺不到的。

21第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)光度學中的基本量

（1）光通量(Φ

)標度可見光對人眼的視覺刺激程度的量。一只40W白熾燈的全部輻射的光通量為500lm，而40W的熒光燈的全部輻射約為2300lm光通量的單位：流明（lm）光源發(fā)出555nm波長的光，如果功率為1W，則其光通量為683lm22第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四（2）發(fā)光強度(I

)發(fā)光強度是光度學中最基本量之一。發(fā)光強度與輻射強度相對應(yīng)。它表示在指定方向上光源發(fā)光的強弱，即單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。發(fā)光強度的單位為坎（德拉）（cd）23第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四1cd（坎德拉）代表發(fā)光體發(fā)出的電磁波頻率為540X1012Hz的單色輻射（波長為555nm），且在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr。1lm（流明）表示在某一方向上的發(fā)光強度為1cd的發(fā)光體在單位立體角內(nèi)的通光量，即坎德拉是光度學中最基本的單位，也是國際基本計量單位之一。24第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四（3）光出射度(M)指發(fā)光表面單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，它與輻射度學中輻（射）出射度相對應(yīng)光出射度的單位為勒克斯（lx）1lx等于1m2面積上發(fā)出或接收1lm的光能量，即：25第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四（4）光照度(E)當某一表面被發(fā)光體照明，用光照度E來表示被照明表面A處的照明強弱光照度表示被照明的表面單位面積上所接收的光通量。它與輻射度學中的輻（射）照度相對應(yīng)。它們的單位為勒克斯（lx）。26第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四AdSNdΩOIα前面所講的概念并不能表示發(fā)光面不同方向的發(fā)光特性。用光亮度來表示發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)光特性。在該方向上單位投影面積的發(fā)光強度。（5）光亮度（L)27第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四L表示發(fā)光面上A點處在AO方向上的發(fā)光特性光亮度等于發(fā)光表面上某點周圍的微面在給定方向上的發(fā)光強度除以該微面在垂直于給定方向的投影面積光亮度L與輻射度學中的輻亮度相對應(yīng)。光亮度的單位為坎（德拉）/米2（cd/m2）28第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律一、光照度公式AldΩIdSNOαdΦ這是實際應(yīng)用的光照度公式應(yīng)用計算時I以坎（cd）為單位，l以米（m）為單位，E以勒克斯（lx）為單位29第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四二、發(fā)光強度余弦定律當發(fā)光體在各方向的光亮度相同時，不同方向上的發(fā)光強度變化規(guī)律如何？設(shè)發(fā)光體在各方向上的光亮度一致則有此式為發(fā)光強度余弦定律，又稱“朗伯定律”符合余弦定律的發(fā)光體被稱為“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”dSNI0αIαdSI030第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四在一個余弦輻射體上任意一點O向四周發(fā)出光時，但在各個方向上的發(fā)光強度是不等的。對于余弦輻射體，在法線方向的發(fā)光強度最大，其它方向上的發(fā)光強度是按余弦規(guī)律變小。如圖所示，在輻射體的表面上O點的法線上取一線段OA，使OA比例于I0，以O(shè)A為直徑作一球體切于輻射體。過O點作一射線，使該射線與法線之間的夾角為θ，射線與球面相交于B點，則OB的長度就比例于該方向的發(fā)光強度。I0IOAB31第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)光源與光度學基礎(chǔ)知識一、光源自然光源：人工光源日光，月光，星光人工光源：（1）白熾燈：鎢絲達到白熾狀態(tài)，內(nèi)充惰性氣體。燈絲：單螺旋、雙螺旋接口：螺口、卡口32第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四（2）鹵鎢燈：燈泡內(nèi)加入碘、溴等鹵素。鎢蒸發(fā)與碘、溴等結(jié)合在燈絲附近分解鎢回到燈絲上（3）氣體放電燈：電流通過氣體（或者金屬蒸汽）而發(fā)光。日光燈，霓虹燈等。33第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四（4）其他光源：發(fā)光二極管激光器二、光源的發(fā)光效率定義：光源消耗1W的電功率，發(fā)出的光通量的流明數(shù)。34第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四一般白熾燈：8~12日光燈：40~80汞燈：50鈉光燈：160～180氙燈：30~45照明光源要求發(fā)出的光具有良好的顏色1、人眼直接觀察光源時所看到的顏色，稱為光源的色表。2、光源照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果，稱為光源的顯色性。三、光源的色表和顯色性35第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四光源的光譜能量分布情況是決定該光源色表與顯色性的重要因素。如果能量分布連續(xù)而均與，則色表和顯色性一定好，反之則較差。四、光的接收器設(shè)計一個光學系統(tǒng)，其最終的目的是使接收器接受到所需的信號。很多現(xiàn)代光學儀器采用光電探測器作為接收器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。人眼是光學系統(tǒng)最重要的接收器。36第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四常用的接收器（一）、感光膠片重要指標：感光速度黑白彩色在傳統(tǒng)膠卷相機上ISO代表感光速度的標準，在數(shù)碼相機中ISO定義和膠卷相同，代表著CCD或者CMOS感光元件的感光速度，ISO數(shù)值越高就說明該感光材料的感光能力越強。感光度越高，對曝光量的要求就越少。ISO200的膠卷的感光速度是ISO100的兩倍，換句話說在其他條件相同的情況下，ISO200膠卷所需要的曝光時間是ISO100膠卷的一半。37第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四（二）、硅光電池即常說的太陽能電池。（三）、硅光二極管利用P－N結(jié)單向?qū)щ姷慕Y(jié)型光電器件。當有光照時，會產(chǎn)生電流。其特點是響應(yīng)頻