輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光學(xué)發(fā)展的概況

人類感官接收到外部世界的總信息量中至少有90％以上通過眼睛光學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門新興的年輕學(xué)科激光器誕生后，光學(xué)開始了迅猛發(fā)展，成為科研前沿極為活躍的學(xué)科第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二

五個(gè)時(shí)期（一）、萌芽時(shí)期

公元前500年-公元1500年經(jīng)歷大約2000年面鏡、眼鏡和幻燈等光學(xué)元件已相繼出現(xiàn)第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1500-1800，大約300年1、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)2、研制出了望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等光學(xué)儀器3、牛頓為代表的微粒說占據(jù)了統(tǒng)治地位4、對折射定律的解釋是錯(cuò)誤的（二）、幾何光學(xué)時(shí)期第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1800~1900，近100年1、楊氏利用實(shí)驗(yàn)成功地解釋了光的干涉象2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解釋了光的衍射現(xiàn)象3、菲涅耳公式成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象4、麥克斯韋的電磁理論證明光是電磁波5、傅科的實(shí)驗(yàn)證實(shí)光在水中傳播的速度小于在空氣中的傳播速度6、波動(dòng)光學(xué)的理論體系已經(jīng)形成，光的波動(dòng)說戰(zhàn)勝了光的微粒說（三）、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二

1900~1950，近50年1、1900年普朗克提出了量子假說，成功地解釋了黑體輻射問題2、愛因斯坦提出了光子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)問題3、光的某些行為象經(jīng)典的“波動(dòng)”4、另一些行為卻象經(jīng)典的“粒子”5、光是一種幾率波，又具有可分割性，光具有“波粒二象性”（四）、量子光學(xué)時(shí)期第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二（五）、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期

從1950年至今

1、全息術(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù)和激光的問世是經(jīng)典光學(xué)向現(xiàn)代光學(xué)過渡的標(biāo)志2、光學(xué)煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度飛速發(fā)展

1）智能光學(xué)儀器

2）全息術(shù)

3）光纖通信

4）光計(jì)算機(jī)

5）激光光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二一、光的基本性質(zhì)牛頓——微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動(dòng)理論惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光的基本性質(zhì)光量子說1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，提出輻射的量子論1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出光量子的概念光子的能量與光的頻率成正比光具有波粒二象性第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm，波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。

光譜分布如圖所示。第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二遠(yuǎn)紫外近紫外可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長/μm波數(shù)/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波長與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波長λ和頻率ν的關(guān)系為

ν的單位為Hz，λ的單位為cm。νλ=3×1010cm/s第11頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光譜學(xué)第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二

輻射度學(xué)：物理現(xiàn)象

光度學(xué)：視覺問題視見函數(shù)第13頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1.1立體角的意義及其在光度學(xué)

中的應(yīng)用定義：一個(gè)任意形狀的封閉錐面內(nèi)所包含的空間稱為立體角。單位：球面度（Sr）第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二重要結(jié)論：

假定一個(gè)圓錐面的半頂角為α，則該圓錐面所包含的立體角的大小為

第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二推論：假定離A點(diǎn)

l處有一個(gè)微面ds，ds的法線ON與AO的夾角為α，那么微面對A點(diǎn)所張立體角為第16頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1.2輻射度學(xué)基本量（輻射量）1、輻射能單位：J2、輻射通量單位：W3、輻射強(qiáng)度單位第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二4、輻射出射度單位：5、輻射照度單位：6、輻射亮度

單位：第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二輻射通量：定義：單位時(shí)間、單位面積元上輻射的所有波長的

能量，即：光源表面上單位面積的輻射功率。意義：描述光源發(fā)射輻射的能力。單位：W大部分輻射體的電磁波輻射，都有一定的波長范圍，通常用下圖所示的光譜密度曲線來表示輻射體的輻射通量按波長分布的特性

光譜密度曲線back第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二輻射強(qiáng)度：

單位立體角內(nèi)輻射通量的大小。表征輻射體在不同方向上的輻射特性back第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二輻射出射度：

單位面積輻射通量的大小表征輻射體表面不同位置的輻射特性back第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二輻射照度：

單位面積接收輻射通量的大小表征輻射體表面不同位置的接收輻射特性back第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二輻射亮度：

單位面積單位立體角內(nèi)的輻射通量表征了輻射體表面不同位置不同方向上的輻射特性back第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1.3人眼的視見函數(shù)光度學(xué)中為了表示人眼對不同波長輻射的敏感度差別，定義一個(gè)函數(shù)，稱為視見函數(shù)。對人眼最靈敏的波長λ＝555nm的視見函數(shù)規(guī)定為1，即V（555）＝1。假定人眼同時(shí)觀察兩個(gè)位在相同距離上的輻射體A和B，這兩個(gè)輻射體在觀察方向上的輻射強(qiáng)度相等，A輻射的電磁波波長為λ，B輻射的波長為555nm，人眼對A的視覺強(qiáng)度與人眼對B的視覺強(qiáng)度之比，作為λ波長的視見函數(shù)V(λ)第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光線顏色波長（nm）V（λ）光線顏色波長（nm）V（λ）紫4000.0004黃5800.8700紫4100.0012黃5900.7570靛4200.0040橙6000.6310靛4300.0116橙6100.5030靛4400.0230橙6200.3810藍(lán)4500.0380橙6300.2650藍(lán)4600.0600橙6400.1750藍(lán)4700.0910橙6500.1070藍(lán)4800.1390紅6600.0610藍(lán)4900.2080紅6700.0320綠5000.3230紅6800.0170綠5100.5030紅6900.0082綠5200.7100紅7000.0041綠5300.8620紅7100.0021黃5400.9540紅7200.00105黃5500.9950紅7300.00052黃5551.0000紅7400.00025黃5600.9950紅7500.00012黃5700.9520紅7600.00006明視覺視見函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二4005006007901700暗視覺555明視覺一般的視覺敏感范圍：380—760nm光照充足對555nm最敏感；光照弱對507nm敏感第26頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1.4光度學(xué)中的基本量1、光通量：Φ可見光對人眼的視覺刺激程度單位：lm

2、光強(qiáng)度：

單位：cd第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二3、光出射度4、光照度5、光亮度第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光通量：

就是按人眼的視覺強(qiáng)度來度量的輻射通量。根據(jù)定義，人眼產(chǎn)生的視覺強(qiáng)度與輻射通量和視見函數(shù)V(λ)成正比。

單位：流明（lm）

C為單位換算常數(shù)back第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光強(qiáng)度：

我們把人眼接收到的光通量dΦ與輻射體對人眼所張的立體角d?之比稱為光強(qiáng)度

光強(qiáng)度表示在指定方向上的光源發(fā)光的強(qiáng)弱。點(diǎn)光源第30頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二坎（德拉）：光強(qiáng)度的單位

為光度學(xué)中最基本的單位定義：

如果發(fā)光體發(fā)出的電磁波頻率

540×1012Hz的單色輻射（λ＝555nm），且在此方向上的輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr。則該發(fā)光體在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd（坎德拉）第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二C：單位換算常數(shù)式中：V（555）＝1，Ie=(1/683)W/sr，I＝1cd所以：C=683(cd·sr)/W1lm=1cd·sr第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光譜光視效能：

表征了波長λ的輻射通量對眼睛產(chǎn)生光通量的能力輻射通量與光通量的關(guān)系：

第33頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光視效能：單位為：lm/W表示輻射體消耗1W功率所發(fā)出的流明數(shù)第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光源種類光視效能(lm/W)光源種類光視效能(lm/W)鎢絲燈（真空）8－9.2日光燈27－41鎢絲燈（充氣）9.2-21高壓水銀燈34－45石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈40－47.5氣體放電管16-30鈉光燈60常用光源光視效能第35頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二例1：一個(gè)功率為60W的鎢絲充氣燈泡，假定它在各個(gè)方向上均勻發(fā)光，求它的發(fā)光強(qiáng)度。解：根據(jù)上表，鎢絲燈泡的光視效能為9.2-21lm/W,假定取它的平均值等于15lm/W，則該燈泡的總光通量為由于假定光源向各個(gè)方向均勻發(fā)光，根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度的定義：第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二例2、已知光源同時(shí)輻射兩種光源的光，第一種波長為λ1＝480nm，輻射通量30W，第二種波長為λ2＝580nm，輻射通量20W試求：①λ1和λ2的光譜光視效能及光通量

②該光源的光視效能back第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二解：1、2、第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二例3、射入屏幕的光為波長為600nm的紅光，其光通量為1000lm試求：①λ＝600nm的光譜光視效能

②屏幕在一分鐘內(nèi)接收的輻射能量back第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二解：1、2、第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光出射度（單位：lx）：

表征發(fā)光表面單位面積發(fā)出的光通量

back第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光照度（單位lx）：

表示被照明表面單位面積上接收的光通量。第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50—500lx陰天室內(nèi)5—50lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏100lx閱讀書刊時(shí)所需的照度50~60lx在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二光亮度：

表示發(fā)光表面不同位置不同方向的發(fā)光特性第44頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二注意：照度是接收的概念，發(fā)光強(qiáng)度和亮度是發(fā)射的概念。第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二例5：有一均勻磨沙球形燈，它的直徑為Φ17cm，光通量為200lm，求該球形燈的光亮度解：第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二輻射度物理量對應(yīng)的光度量物理量名稱符號(hào)定義式單位物理量名稱符號(hào)定義式單位輻射能QeJ光量QvQv=∫

vdtlm·s輻射通量e=dQ/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm輻射出射度MeM=dΦ/dSW/m2光出射度MvMv=d

v/dSlm/m2輻射強(qiáng)度IeI=dΦ/dΩW/sr發(fā)光強(qiáng)度Iv基本量cd輻射亮度BeL=dI/(dScosθ)W/m2·sr(光)亮度BvLv=dIv/(dScosθ)cd/m2輻射照度LeE=dΦ/dAW/m2(光)照度LvMv=d

v/dAlx第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二輻射強(qiáng)度I

輻射出射度M輻射亮度L

源特點(diǎn)點(diǎn)源面源面源輻射特點(diǎn)立體角內(nèi)2π空間立體角內(nèi)第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1.5光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度余弦定律一、光照度公式

被照明物體表面的光照度和光源在照明方向上的發(fā)光強(qiáng)度I及被照明表面的傾斜角α的余弦成正比與距離的平方成反比第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二二、發(fā)光強(qiáng)度余弦定律

表示發(fā)光體在各方向上亮度相同時(shí)，不同方向上的發(fā)光強(qiáng)度變化規(guī)律。第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二假定發(fā)光面光亮度為L，則它在半頂角u內(nèi)輻射的總光通量為

第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二若發(fā)光面單面發(fā)光則：若發(fā)光面雙面發(fā)光則：第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二例1、直徑Φ20mm的標(biāo)準(zhǔn)白板，在與板面法線方向成30o方向測得的發(fā)光強(qiáng)度為1cd，求：

1、標(biāo)準(zhǔn)白板在與法線成60°方向上的發(fā)光強(qiáng)度

2、白板的光亮度

3、白板在半頂角u＝15°的圓錐內(nèi)輻射的光通量

4、白板輻射的總光通量第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二解：1、2、3、4、第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二例2、一只功率為5mw的氦氖激光器，光源光視效能為152lm/W，發(fā)光面直徑為Φ1mm發(fā)散角（光束半頂角）為1mrad，求

1、激光器的總光通量

2、發(fā)光強(qiáng)度

3、激光器發(fā)光面的光亮度

4、激光束在5m遠(yuǎn)的屏幕上產(chǎn)生的光照度第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二解：1、2、3、4、第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1.6全擴(kuò)散表面的光亮度定義：如果被照明表面在各個(gè)方向上的光亮度是相同的，稱這樣的表面為全擴(kuò)散表面。設(shè)一個(gè)全擴(kuò)散表面的光照度為E，該表面的漫反射系數(shù)為ρ，則該表面的光亮度為：第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二照明表面漫反射系數(shù)照明表面漫反射系數(shù)氧化鎂96粘土16石灰91月亮10－20雪78黑土5－10白紙70－80黑呢絨1－4白沙25黑絲絨0.2－1物體表面的漫反射系數(shù)第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二例1、發(fā)光強(qiáng)度為100cd的白熾燈泡照射在墻壁上，墻壁和光線照射方向的距離為3m，墻壁的漫反射系數(shù)為0.7，求與光線照射方向相垂直的墻面上的光照度及墻面的光亮度。解：第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二結(jié)論：當(dāng)被照明表面的光照度給定時(shí)，光亮度與漫反射系數(shù)成正比，墻面越白，漫反射系數(shù)值越大，屋子顯得越亮第60頁，共67頁，2023年，2月20日，星期二1.7光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度光學(xué)