辐射学和光度量学基本概念 .ppt

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1、辐射学和光度量学基本概念辐射度学研究各种电磁辐射的传播和量度，包括可见光区域。辐射度学单位是纯粹物理量的单位，例如，熟悉的物理学单位焦耳和瓦特就是辐射能和辐射功率的单位；光度学所讨论的内容仅是可见光波的传播和量度，因此光度学的单位必须考虑人眼的响应，包含了生理因素。例如，光度学中光功率的单位不用瓦特而用流明。辐射度学基本物理量辐[射]功率(辐[射能]通量)Φe对辐射源来说，其辐功率定义为单位时间内向所有方向发射的能量，对于电磁波的传播来说，辐功率的定义是单位时间通过某一截面的辐射能。单位为W(瓦[特])。辐[射]强度Ie点状辐射体

2、在不同方向上的辐射特性用辐强度Ie表示。若在某方向上，一个小立体角dΩ内的辐通量为dΦe，则点源在该方向的辐强度Ie为:,单位为W/sr(瓦/球面度)。辐[射]亮度(或称辐射度)Le对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置在不同方向上的辐射特性。一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向θ上有一面元dA。若dA所对应的立体角dΩ内的辐通量为dΦe，则面源在此方向上的辐亮度为:式中是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐通量。单位为W/(m2·s

3、r)。辐[射]出[射]度Me辐出度只表示面辐射源表面不同位置的辐射特性，而不考虑辐射方向。其定义为：面辐射源的单位面积上辐射的辐通量，也就是把辐亮度Le对所有可能方向的角积分，即,单位为W/m2。辐[射]照度Ee它表示每单位受照面接受的辐通量，即,单位为W/m2。这里无需考虑面元dA所接受的辐通量来自何方，故与该面的取向无关。光度学基本物理量人眼是最常用也是最重要的可见光接受器。它对不同波长的电磁辐射有不同的灵敏度，而且不同人的眼睛，其灵敏度也有差异。为了从数量上描述人眼对各种波长辐射能的相对敏感度，引入视见函数Vλ。

4、国际照明委员会从许多人的大量观察结果中取其平均值，得出视见函数的曲线如图所示，图中虚线是暗视觉视见函数，实线是明视觉视见函数。人眼对于波长为555nm的绿色光最敏感，取其视见函数值为1。其它的波长Vλ<1，而在可见光谱以外的波段Vλ=0。光通量Φv为了从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度，引入一个新的物理量，称为光通量，也称为光功率。定义为:光通量的单位为1m，称为流明；比例系数C=683lm/W。发光强度Iv与辐射度学的辐强度很相似，定义为：发光强度的单位应是lm/sr，(流明每球面度)，cd(坎德拉).亮度Lv面光

5、源的亮度定义为:,其单位为cd/m2。光出射度Mv它过去也称为面发光度。其定义为面光源从单位面积上辐射的光通量，即,单位为lm/m2,lx(勒克斯)。照度Ev入射到单位面积上的光通量称为照度，即,单位为lx(勒克斯).根据眼睛的视见函数Vλ，可将辐射度学单位表示的量值换算为以光度学单位表示的相应值。例如，已知某一波长λ的光谱辐照度Eeλ时，与之相当的光谱照度Evλ为:如果照明光源不是单色的，则总的照度可用积分求出:黑体辐射定律黑体辐射定律绝对黑体：任何温度、任何波长的入射辐射的吸收比都等于1。1,基尔霍夫（kirchhoff）

6、定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度。（强吸收体也必是强发射体。）黑体辐射定律2,普朗克（Plank）辐射公式：短波或温度不高时，黑体辐射定律3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-BoltzmannLaw）黑体总辐出度：σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定黑体辐射定律3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-BoltzmannLaw）绝对黑体：其中一般物体：e为物体的发射率（emissivity）热辐射：黑体辐射定律4,维恩位移定律(Wien‘sDisplacementL

7、aw)将普朗克公式对波长λ求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长λm与绝对温度T的关系为：μm（峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。）代入Plank公式，黑体的峰值光谱辐出度：黑体辐射定律4,维恩位移定律(Wien'sDisplacementLaw)当黑体温度升高时，辐射曲线的峰值波长向短波长方向移动。例题：若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？

8、（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？Solution:(1)绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度:(2)由维恩位移定律，正