第二章辐射度光度基础

光电检测技术第二章辐射度、光度学基础吕勇[e-mail]辐射的基本概念•Whatisradiation?Radiationisenergythattravelsintheformofwavesorparticles.10.1110100紫外可见近红外短波红外中波红外长波红外远红外(m)电磁波谱0.01nm1nm0.1m10m0.1cm10cm10m1km100km射线光学谱段紫外线x射线可见光红外微波无线电波EHFSHFUHFVHFHFMFLFVLF辐射度学光度学色度学多波段多光谱超光谱高光谱一、辐射度量(物理的Physical)立体角立体角Ω是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度，定义为：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比dsrdddo222dsindddsinddSrrrsindd)2(sin4)cos1(2sin2200dd式中，为天顶角；为方位角；dd分别为其增量。立体角单位是球面度(sr)。(1)辐射能(Q):简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳（J）。辐射能量是辐射通量Φe对时间的积分。(2)辐能密度（W,单位J/m-3）(3)辐射通量（,又称为辐射功率P,单位W）:以辐射形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。实际应用中，对于连续辐射体或接收体，以单位时间内的辐射能、即辐射通量表示。是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。dQwdvdQdt(4)辐射强度(I，单位Wsr-1):点辐射源在给定传输方向上单位立体角内的辐射通量，单位为W/Sr(瓦每球面度)。对于各向异性的辐射源有dId辐射强度描述了光源辐射的方向特性。点光源~扩展源:即光源发光部分的尺寸比起其实际辐射传输距离小得多时，可以将其近似认为是一个点光源，在辐射传输计算，测量上不会引起明显的误差。点光源向空间辐射球面波。对点光源的辐射强度描述eeIIeIe4,200)(dsin)(dd),(均匀点光源钨丝白炽灯的辐射强度分布(5)辐亮度(L，单位Wm-2sr-1):光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积、单位立体角内发出的辐射通量。光源微面元辐强度特性辐亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作用。例如，描述螺旋灯丝白炽灯时，由于描述灯丝每一局部表面(灯丝、灯丝之间的空隙)的发射特性常常是没有实用意义的，而把它作为一个整体，即一个点光源，描述在给定观测方向上的辐射强度；而在描述天空辐射特性时，希望知道其各部分的辐射特性，则用辐亮度可描述天空各部分辐亮度分布的特性。2coscosddILddAdAddSSdΦ(6)辐射出射度(M，单位Ｗm-2):离开光源表面单位面元的辐射通量。即面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。dΦ为面光源表面上的小面元dA在各方向上（多为半空间２π立体角）所发出的总的辐射通量。(7)辐照度(E，单位Ｗm-2):投射在单位面元上的辐射通量。即辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。两者的区别：前者描述的是面光源向外发射的辐射特性，后者则是描述接收面所接收到的辐射特性。dMdAdEdA(8)吸收比(率)、反射比、透射比由于辐射度量也是波长的函数，当描述光谱辐射量时，可在相应名称前加“光谱”，并在相应的符号上加波长的符号“”作为下标，例如光谱辐射通量记为或()，等等。isra1/,/,/isiriairsa•人眼的视网膜(Retina)上布满了大量的感官细胞，即杆状细胞(rods)和锥状细胞(cones)。•杆状细胞灵敏度高，它能感受微弱光刺激；锥状细胞感光灵敏度低，但能很好的区别颜色和辨别被视物的细节。人所感受的外界信息80%以上来自视觉。二、光度量(生理的physiological)1.辨别光亮和颜色的双重功能（锥状细胞和杆状细胞）2.对明暗光的适应力（瞳孔调节，10-20倍，黑色素、眼睑等，感光范围2*10-17W到2*10-17W）3.很高的分辨能力（1分）4.很高的辨色能力（480nm-600nm，辨别不到1nm的色差）5.视觉暂留时间（0.1s）和动态响应时间（0.05s）6.在粗略感知大视场内景物的同时把主要分辨力集中于视力集中的小范围。人的视觉功能：•视觉神经对不同波长光的感光灵敏度是不一样的，对绿光最灵敏，而对红、蓝光最低。0.29R+0.6G+0.11B•明视觉•暗视觉•中介视觉•颜色适应3×10-5cd/m23cd/m23×105cd/m2暗视觉明视觉中介视觉二、光度量(生理的physiological)描述光辐射能平均为人眼接受后引起视觉刺激大小的量。•与辐射量的区别在研究方法和概念上十分相似，在评价光电系统性能时，辐射度量和光度量紧密相关。人眼的视见函数光通量V和辐射通量e可通过人眼视觉特性进行转换)dV()(780380emVK例题？人眼的光视效能K（lm/W）mKKV/)()(00()()()meVmeeKVdKKVd视见函数，光视效率V()是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率(或称视见函数)。对于明视觉，对应为辐射通量e(555nm)与某波长能对平均人眼产生相同光视刺激的辐射通量e()的比值。Km是最大光谱光视效能(常数)，按照国际实用温标IPTS－68的理论计算，对于明视觉，Km=683lm/W。对暗视觉，Km=1725lm/W。)dV()(780380emVXKX•光通量：光源在单位时间内，向周围空间辐射出的、使人眼产生光感觉的能量，称为光通量，用符号Φv表示，单位为流明(lm)。•人们通常以电光源消耗1W电功率所发出的流明数(lm／W)来表征电光源的特性，称为发光效率，简称光效。电光源的光效越高越好。•人眼对可见光中波长为555nm的黄绿色光最灵敏，波长离555nm越远(如波长较长的红光和波长较短的紫光)灵敏度越低，所以光通量与光辐射的强弱及其波长都有关系。常见光源的光视效能光源类型光视效能(lm/W)光源类型光视效能(lm/W)钨丝灯(真空)8~9.2日光灯27~41钨丝灯(充气)9.2~21高压水银灯34~45石英卤钨灯30超高压水银灯40~47.5气体放电管16~30钠光灯60(1)光能(QV，单位流明秒lm·s)(2)光能密度(wv,单位lm·s/m-3)(3)光通量(v,单位流明lm)(4)发光强度(Iv,单位坎德拉,cd,lm·sr-1)(5)亮度(Lv,单位cd·m-2):(6)光出射度(Mv,lm·m-2)(7)照度(Ev,lm·m-2)dvdQwvvdtdQvvdId2/cos/cosLdddAdIdAdsdQMvvdsdQEvv光通量的单位•发光强度的单位坎德拉(Candela,cd)•cd是国际单位制的七个基本单位之一•定义：当频率为540×1012Hz(λ=555nminair)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683W•sr-1时，则在该方向上的发光强度为1cd。流明与勒克斯•光通量的单位是流明(lm)，它是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角(1sr)内的发出的光通量。----------------投影仪-------------•光照度的单位是勒克斯(lx)，它相当于1lm的光通量均匀地照在1m2面积上所产生的光照度。•亮度：某一物体(或发光体)的表面亮度是该物体单位面积向视线方向发出的发光强度。亮度用符号Lv表示，其单位为坎德拉/每平方米(cd/m2)。•由于物体在各个方向的亮度不一定相同，因此常在符号L的右下角注明角度，用以表示与物体表面法线成α角方向的亮度。•物体的亮度越高，人们就会感到它越亮。cosSILvaVa常用辐射度量和光度量之间的对应关系光谱辐射量----辐射量的光谱密度•(1)光谱辐射通量Φe(W/µm；W/nm)辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量Φe(λ)＝dΦe/dλ•(2)光谱辐射强度Ie(λ)=dIe/d•(3)光谱辐(射)照度Ee(λ)=dEe/d•(4)光谱辐射出射度Me(λ)=dMe/d•(5)光谱辐射亮度Le(λ)=dLe/d•(6)辐射源的总的辐射通量d)(0Δ)(线状或带状谱光源连续谱光源•朗伯余弦定律•亮度守恒定律•距离平方反比定律•消光与大气窗口三、辐射传输的基本定律朗伯余弦定律——辐射的空间分布规律•黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比；•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”。或者说：任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间夹角的余弦变化。辐射度学和光度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为辐射的传播服从几何光学定律。朗伯余弦辐射体发光强度的空间分布满足的发光表面叫做余弦辐射体。I0为发光面在法线方向的发光强度，Iθ为和法线成任意角度θ方向的发光强度。发光强度向量Iθ端点的轨迹是一个与发光面相切的球面，球心在法线上，球的直径为I0。上图为用向量表示的余弦辐射体在通过法线的任意截面内的光强度分布。朗伯(J.H.Lambert)定律——余弦定律•按照cos规律发射光通量的规律，叫朗伯定律；•余弦辐射体可以是自发光面，也可以是透射或反射体；•黑体，太阳和平面灯丝钨丝等可视为余弦辐射体；•一个均匀的球形余弦发射体，从远处的观察者看来，与同样半径同样亮度的圆盘无疑。dS*dS朗伯球体的亮度•余弦辐射体在和法线成任意角度方向的光亮度L,可以表示为LNcLSISISIdSdLNNNdcosdcosd),(dcoscos可见，把半球上每个面元dS投影到圆盘上，得到面积为dS*=dScos的面元，这两个面元在指向观察者的方向上的发光强度和投影面积都是一样的，因而亮度也是一样的。余弦辐射体在各个方向上的光亮度相同。朗伯辐射体的辐射出射度与亮度的关系LSΦMSLSLSLSLΦddddcossindddcosdddcosd2020朗伯辐射源在任意方向上的辐射亮度均等于法线方向上的辐射亮度，且等于M/π。应用•朗伯光源及朗伯理想表面的漫反射作为一种理想的模型在辐射度学和光度学的理论计算和实验测量中应用广泛；•“光学遥感仪器的光谱辐亮度标定”是现代光学和仪器科学经常遇到的一个问题。光学遥感仪器的光谱辐亮度标定有多种方法，在紫外波段可采用漫反射板来标定光谱辐亮度,如上图所示。•朗伯定律是热辐射度学的基本定理之一，它是现代光辐射研究与应用的基础。几种材料的方向发射率对不光滑物体，朗伯定律可在=0～60˚的情况下使用。对于金属材料,从θ=0开始，在一定范围内的方向发射率是常数；然后随θ增加而增加，在θ=90的极小角度范围内εθ又有减小。对非金属材料而言，在上述范围内，ε变化不大；当θ60˚后，εθ就明显的减小了。)(blackbodyLL定向发射体•实际中有相当一大类发射体，它们发出的光束集中在一定的立体角内，即亮度有一定的方向性，成像光学仪器发出的光束都有这样的特征。•在亮度具有方向性方面最突出的例子是激光器。•激光器发出的光束通常是截面很小，且高度平行。从而用不大的辐射功率就可获得很大的辐射亮度。距离平方反比定律22221cosdddcosddcosdd.ddddddIAEdAIIddAOdAIAE所张的立体角。对点源为当均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离的平方成反比。面上形成