1-3 辐射度学与光度学基础

光电信号处理辐射度学与光度学基础光电探测：本质上说，就是要定量地测量光辐射的强度。首先要解决光辐射的描述问题红外紫外可见光10156182191210101010101010324f/HzX射线Γ射线近红外远红外电磁波辐射度学与光度学可见光红外紫外可见光照明显示与人的眼睛有关！在光探测中，定量地描述辐射能强度的量有两类：一类是物理的——辐射度学量，是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；另一类是生理的——光度学量，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度．即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。因此，辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。立体角的概念在光辐射测量中，经常用到一个涉及到空间的几何量——立体角。任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的一定空间内。因此，在进行有关光辐射的讨论和计算时，也将是一个立体空间问题。与平面角度相似，我们可把整个空间以某一点为中心划分成若干立体角。定义:一个任意形状椎面所包含的空间称为立体角。符号：Ω或ω单位：Sr（球面度）如图所示，△A是半径为R的球面的一部分，其边缘各点对球心O连线所包围的那部分空间，叫立体角。立体角的数值：部分球面面积△A与球半径平方之比，即:2RARΔAO单位立体角：在以O为球心、R为半径的球上，若立体角Ω截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对应的立体角称为单位立体角，或一球面度。对于一个给定顶点O和一个随意方向的微小面积dS，它们对应的立体角为θ为dS与投影面积dA的夹角，R为O到dS中心的距离。2cosRdSdRdSdAo特例：整个球面所对应的立体角：全球所对应的立体角(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空间.)同理，半球所对应的立体角为2π空间。4422RR一、辐射度学的基本物理量1．辐射能Q辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为J(焦耳)。当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热能、电能等。2．辐射通量Φ——功率的概念辐射通量又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率．单位为W(瓦)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能，(J／s，焦耳每秒)dtdQ3．辐射强度I点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射通量.单位：W／sr(瓦每球面度)I=dΦdω在所有方向上辐射强度I都相同的点辐射源（均匀辐射源）在有限立体角ω内发射的辐射通量为:Φ=Iω在空间所有方向(ω＝4π)上发射的辐射通量为：Φ=4πIxyz总的辐射功率4．辐射出射度M——辐出度辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即：M=单位为W／㎡(瓦每平方米)dΦ是扩展源表面dS在各方向上，通常为半空间即2π立体角所发出的总的辐射通量，dsdΦdS辐照度E和辐出度M的比较：相同：单位相同，区别：辐照度E是描述辐射接收面（探测器）所接收的辐射特性．辐出度M则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。5．辐射照度E——辐照度辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，即：E＝单位：W／m2(瓦每平方米)dA是投射辐射通量dΦ的元面积dΦdA6．辐射亮度L辐射亮度定义为扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量：扩展辐射源7．光谱辐射量辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。光谱辐射通量Ф（λ）辐射源发出的光在波长λ处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。其关系式为：单位：W／μm(瓦每微米)，或W／nm(瓦每纳米)。辐射源的总辐射通量：前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：光谱辐照度：光谱辐射出射度：光谱辐射亮度：二、光度学的基本物理量1．光谱光视效率现象：人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。由于受视觉生理和心理作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。国际照明委员会（CIE）根据对不同的人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数。人眼的光谱光视效率的数值波长（nm）波长（nm）明视觉明视觉暗视觉暗视觉暗视觉光谱光视效率虚线：亮度小于0.001cd/㎡时的暗视觉光谱光视效率，用Vˊ(λ)表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的；最大值：507nmVˊ(λ)V(λ)明视觉光谱光视效率实线：亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V(λ)表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的，最大值在555nm处。2．光度学的基本物理量在辐射度量学中介绍的各个基本量Φ、M、I、L和E对整个电磁波谱都适用；而在光度学中光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波段(380nm—780nm)才有意义。为避免混淆，在光度量符号上加下标“v”。光度学中相应量：ΦV、MV、IV、LV和EV与辐射度量：Φ、M、I、L和E之间的对应关系由表给出。辐射度量符号单位光度量符号单位辐射能QJ(焦)光量QVlm·s辐射通量ΦW（瓦）光通量ΦVlm（流明）辐照度EW·m－2光照度EVlx=lm/m2辐出度MW·m－2光出射度MVlm/m2辐射强度IW·sr-1发光强度IVcd=lm/sr（坎德拉）辐射亮度LW·sr-1·m－2光亮度LVlm/(m2.sr)辐射度量和光度量的对照表由于人眼对相同能量、不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，因而按人眼的视觉特性V(λ)来评价的辐射通量Φ即为光通量ΦV，这两者的关系为：式中，Km为最大光谱光视效率，亦称为光功当量780380)()(dVKmV例如：光通量ΦV的定义Km表示人眼对波长为555nm[V(555)=1]光辐射产生光感觉的效能。按国际实用温标IPTS—68的理论计算值为Km＝683(lm/W)Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。同理，其它光度量与辐射量之间的关系：780380)()(dVXKXmV光度量中的单位1.最基本的是发光强度单位：坎德拉(Candela)．cd；国际单位制中七个基本单位之一。定义：频率为540×1012Hz(对应在空气中555nm波长)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1／683W/sr时，在该方向上的发光强度为1cd。2.光通量的单位是流明(lm)1lm它是发光强度为1cd的点光源在单位立体角内1sr发出的光通量。3.光照度的单位：勒克斯(lx)1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1㎡面积上所产生的光照度。4.光亮度的单位：lm/(m2.sr)cd/m2常用：熙提(sb)．Sb=lm/(cm2.sr)常见光源亮度：晴天：10000cd/m2晴天日落后：1cd/m2蜡烛火焰：约0.5sb钨丝灯泡：约500sb典型照度：办公室工作：20－100lx满月的地面：0.2lx晴朗夏日采光良好的室内：100－500lx左边是光通量，其单位是流明(lm)：右边的()d是光谱辐射通量，单位是瓦(w/nm），V()是光视效率，所以等号右边引进一个系数Km，从而使两边的单位一致。显然Km的单位为流明／瓦(lm/W)称为最大光谱光视效能Km＝683lm／W表示在人眼光谱光视效率最大(555nm)处，1W的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句话说，此时1lm相当于1／683W。780380)()(dVKmV色度学辐射度学光度学色度学请看下一节