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1、辐射度量与光度量辐射度量与光度量本讲稿第一页，共四十五页第一节第一节 辐射度量与光度量辐射度量与光度量一、光的本质一、光的本质一、光的本质一、光的本质二、光辐射度量二、光辐射度量二、光辐射度量二、光辐射度量三、光谱辐射度量三、光谱辐射度量三、光谱辐射度量三、光谱辐射度量四、光度量四、光度量四、光度量四、光度量本讲稿第二页，共四十五页一、光的本质一、光的本质n n光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。子流。n n历史上的重要人物历史上的重要人物n n惠更斯（惠更斯（1629-1695）、牛顿（）、牛顿（1643-1727）n n托马斯托马斯 杨（杨（177
2、3-1829）、费涅耳（）、费涅耳（1778-1827）n n麦克斯韦（麦克斯韦（1831-1879）n n普朗克（普朗克（1858-1947）n n爱因斯坦（爱因斯坦（1879-1955）、波尔（）、波尔（1885-1962）本讲稿第三页，共四十五页一张凝结了一张凝结了一张凝结了一张凝结了2020世纪全人类三分之一智慧的照片世纪全人类三分之一智慧的照片世纪全人类三分之一智慧的照片世纪全人类三分之一智慧的照片 本讲稿第四页，共四十五页牛顿牛顿牛顿牛顿-微粒说微粒说微粒说微粒说光是直线传播的微粒流光是直线传播的微粒流光是直线传播的微粒流光是直线传播的微粒流。17171717世纪世纪世纪世纪-两种
3、对立的学说。两种对立的学说。两种对立的学说。两种对立的学说。三：发现了三：发现了三：发现了三：发现了“牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环”“微粒说微粒说微粒说微粒说：微粒从光源飞出，质量极小，忽略重力作微粒从光源飞出，质量极小，忽略重力作微粒从光源飞出，质量极小，忽略重力作微粒从光源飞出，质量极小，忽略重力作用，在真空或均匀媒质中做惯性运动，并且走的是最用，在真空或均匀媒质中做惯性运动，并且走的是最用，在真空或均匀媒质中做惯性运动，并且走的是最用，在真空或均匀媒质中做惯性运动，并且走的是最快速的直线运动路径。快速的直线运动路径。快速的直线运动路径。快速的直线运动路径。二：公元二：公元二：公元二：公元16
4、68166816681668年，他制成了第一年，他制成了第一年，他制成了第一年，他制成了第一架反射望远镜样机架反射望远镜样机架反射望远镜样机架反射望远镜样机三大贡献三大贡献三大贡献三大贡献:一：发现了白光是由各种一：发现了白光是由各种一：发现了白光是由各种一：发现了白光是由各种不同颜色的光组成的不同颜色的光组成的不同颜色的光组成的不同颜色的光组成的本讲稿第五页，共四十五页惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯：波动说：波动说：波动说：波动说,光是在以太中传播的波动。光是在以太中传播的波动。光是在以太中传播的波动。光是在以太中传播的波动。波动学说，打破了当时流行的光的微粒学说，提出了光波动学说，打破了当时流行
5、的光的微粒学说，提出了光波动学说，打破了当时流行的光的微粒学说，提出了光波动学说，打破了当时流行的光的微粒学说，提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理。波面在媒体中传播的惠更斯原理。波面在媒体中传播的惠更斯原理。波面在媒体中传播的惠更斯原理。惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的弹性，光的传播就像振动沿着一排互相衔接的钢球传递弹性，光的传播就像振动沿着一排互相衔接的钢球传递弹性，光的传播就像振动沿着一排互相衔接的钢球传递弹性，光的传播就像振动沿着一排互相衔接的
6、钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。度传到最后一个球。度传到最后一个球。度传到最后一个球。提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方式与声音类似，不是微粒说
7、所设想的像子弹或式与声音类似，不是微粒说所设想的像子弹或式与声音类似，不是微粒说所设想的像子弹或式与声音类似，不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。箭那样的运动。箭那样的运动。箭那样的运动。本讲稿第六页，共四十五页 微粒说在解释光线微粒说在解释光线微粒说在解释光线微粒说在解释光线从空气进入水中的折从空气进入水中的折从空气进入水中的折从空气进入水中的折射现象时，需要假设；射现象时，需要假设；射现象时，需要假设；射现象时，需要假设；C C C C水水水水CCCC空气空气空气空气 这两种学说都可以解释一定这两种学说都可以解释一定这两种学说都可以解释一定这两种学说都可以解释一定的光学现象（光的反射和
8、的光学现象（光的反射和的光学现象（光的反射和的光学现象（光的反射和折射）。折射）。折射）。折射）。而波动说需要而波动说需要而波动说需要而波动说需要假设假设假设假设 C C C C水水水水CCCC空气空气空气空气 当时，人们还不能准确地用实验当时，人们还不能准确地用实验当时，人们还不能准确地用实验当时，人们还不能准确地用实验方法测定光速，因而无法根据折方法测定光速，因而无法根据折方法测定光速，因而无法根据折方法测定光速，因而无法根据折射现象去判断它们的优劣。射现象去判断它们的优劣。射现象去判断它们的优劣。射现象去判断它们的优劣。本讲稿第七页，共四十五页 19191919世纪，光的干世纪，光的干世
9、纪，光的干世纪，光的干涉、衍射和偏振涉、衍射和偏振涉、衍射和偏振涉、衍射和偏振等现象，等现象，等现象，等现象，与微粒说格格不与微粒说格格不与微粒说格格不与微粒说格格不入，入，入，入，增透膜增透膜薄膜干涉薄膜干涉镜面检测镜面检测圆屏衍射圆屏衍射圆孔衍射圆孔衍射钢针的衍射钢针的衍射光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波本讲稿第八页，共四十五页惠更斯的波动说惠更斯的波动说惠更斯的波动说惠更斯的波动说 发展了波动理论。但是由于他把光看发展了波动理论。但是由于他把光看发展了波动理论。但是由于他把光看发展了波动理论。但是由于他把光看成像声波一类的纵波，因此不能解释偏振成像
10、声波一类的纵波，因此不能解释偏振成像声波一类的纵波，因此不能解释偏振成像声波一类的纵波，因此不能解释偏振现象、干涉和衍射现象。现象、干涉和衍射现象。现象、干涉和衍射现象。现象、干涉和衍射现象。麦克斯韦电磁理论的发展确认麦克斯韦电磁理论的发展确认麦克斯韦电磁理论的发展确认麦克斯韦电磁理论的发展确认光是一种电磁波，不是惠更斯的机光是一种电磁波，不是惠更斯的机光是一种电磁波，不是惠更斯的机光是一种电磁波，不是惠更斯的机械波。械波。械波。械波。1919世纪中叶，光的波动说已经得到了公认，世纪中叶，光的波动说已经得到了公认，但是光波的本质到底是什么，是像水波？但是光波的本质到底是什么，是像水波？还是像声
11、波呢？还是像声波呢？本讲稿第九页，共四十五页 热辐射是十九世纪发展热辐射是十九世纪发展热辐射是十九世纪发展热辐射是十九世纪发展起来的一个物理学新领域，起来的一个物理学新领域，起来的一个物理学新领域，起来的一个物理学新领域，它的研究得到了热力学和光它的研究得到了热力学和光它的研究得到了热力学和光它的研究得到了热力学和光谱学的支持。十九世纪末，谱学的支持。十九世纪末，谱学的支持。十九世纪末，谱学的支持。十九世纪末，物理学正是从这个领域打开物理学正是从这个领域打开物理学正是从这个领域打开物理学正是从这个领域打开了一个缺口，导致了量子论了一个缺口，导致了量子论了一个缺口，导致了量子论了一个缺口，导致了
12、量子论的诞生。的诞生。的诞生。的诞生。在热辐射的研究在热辐射的研究在热辐射的研究在热辐射的研究中，热辐射的辐射能中，热辐射的辐射能中，热辐射的辐射能中，热辐射的辐射能量，特别是这一辐射量，特别是这一辐射量，特别是这一辐射量，特别是这一辐射的能量随波长分布的的能量随波长分布的的能量随波长分布的的能量随波长分布的特性，往往是物理学特性，往往是物理学特性，往往是物理学特性，往往是物理学家研究的重点。家研究的重点。家研究的重点。家研究的重点。本讲稿第十页，共四十五页 19191919世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实世纪末
13、，人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了所谓的验的时候，出现了所谓的验的时候，出现了所谓的验的时候，出现了所谓的“紫外灾难紫外灾难紫外灾难紫外灾难”。瑞利、金斯。瑞利、金斯。瑞利、金斯。瑞利、金斯和维恩分别提出了两个公式，但是和实验相比，瑞和维恩分别提出了两个公式，但是和实验相比，瑞和维恩分别提出了两个公式，但是和实验相比，瑞和维恩分别提出了两个公式，但是和实验相比，瑞利利利利金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高频范围符合。频范围符合。频范围符合。频范围符
14、合。1900 1900 1900 1900年，普朗克使用插值法将两个公式合二为年，普朗克使用插值法将两个公式合二为年，普朗克使用插值法将两个公式合二为年，普朗克使用插值法将两个公式合二为一提出了普朗克公式。为了与实验相符，必须一提出了普朗克公式。为了与实验相符，必须一提出了普朗克公式。为了与实验相符，必须一提出了普朗克公式。为了与实验相符，必须假定假定假定假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。份一份地进行的，只能取某个
15、最小数值的整数倍。份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是这个最小数值就叫能量子，辐射频率是这个最小数值就叫能量子，辐射频率是这个最小数值就叫能量子，辐射频率是的能量的能量的能量的能量的最小数值的最小数值的最小数值的最小数值E E=hh 。普朗克当时把它叫做基本作用量子。普朗克当时把它叫做基本作用量子。普朗克当时把它叫做基本作用量子。普朗克当时把它叫做基本作用量子，h h h h普朗克常数。普朗克常数。普朗克常数。普朗克常数。1918 1918 1918 1918年诺贝尔年诺贝尔年诺贝尔年诺贝尔物理学奖授予普物理
16、学奖授予普物理学奖授予普物理学奖授予普朗克，以承认由朗克，以承认由朗克，以承认由朗克，以承认由于他发现能量子于他发现能量子于他发现能量子于他发现能量子对物理学的进展对物理学的进展对物理学的进展对物理学的进展所作的贡献。所作的贡献。所作的贡献。所作的贡献。本讲稿第十一页，共四十五页爱因斯坦爱因斯坦康普顿康普顿光电效应以及康光电效应以及康普顿效应等无可普顿效应等无可辩驳的证实了光辩驳的证实了光是一种粒子是一种粒子本讲稿第十二页，共四十五页 光不仅在发射中，光不仅在发射中，光不仅在发射中，光不仅在发射中，而且在传播过程中以而且在传播过程中以而且在传播过程中以而且在传播过程中以及在与物质的相互作及在与
17、物质的相互作及在与物质的相互作及在与物质的相互作用中，都可以看成能用中，都可以看成能用中，都可以看成能用中，都可以看成能量子。爱因斯坦称之量子。爱因斯坦称之量子。爱因斯坦称之量子。爱因斯坦称之为光量子，也就是后为光量子，也就是后为光量子，也就是后为光量子，也就是后来所谓的光子来所谓的光子来所谓的光子来所谓的光子(photon)(photon)(photon)(photon)。光子是人类继电光子是人类继电光子是人类继电光子是人类继电子后认识到的第二个子后认识到的第二个子后认识到的第二个子后认识到的第二个基本粒子，不带电，基本粒子，不带电，基本粒子，不带电，基本粒子，不带电，呈中性。因为电磁场呈中
18、性。因为电磁场呈中性。因为电磁场呈中性。因为电磁场是一种恒以光速是一种恒以光速是一种恒以光速是一种恒以光速c c c c运运运运动的物质，它的静止动的物质，它的静止动的物质，它的静止动的物质，它的静止质量为零。质量为零。质量为零。质量为零。本讲稿第十三页，共四十五页 实物具有微粒结构，电磁场也具有实物具有微粒结构，电磁场也具有实物具有微粒结构，电磁场也具有实物具有微粒结构，电磁场也具有微粒结构，构成电磁场的基本粒子就是微粒结构，构成电磁场的基本粒子就是微粒结构，构成电磁场的基本粒子就是微粒结构，构成电磁场的基本粒子就是光子。光子。光子。光子。电磁场可以被看做是波动性和粒子电磁场可以被看做是波动
19、性和粒子电磁场可以被看做是波动性和粒子电磁场可以被看做是波动性和粒子性矛盾的统一体。它是一系列的波，同性矛盾的统一体。它是一系列的波，同性矛盾的统一体。它是一系列的波，同性矛盾的统一体。它是一系列的波，同时又是光子的集合。时又是光子的集合。时又是光子的集合。时又是光子的集合。体现其粒子性的能量和动量，体现其粒子性的能量和动量，体现其粒子性的能量和动量，体现其粒子性的能量和动量，与体现其波动性的频率和波长不可与体现其波动性的频率和波长不可与体现其波动性的频率和波长不可与体现其波动性的频率和波长不可分割地联系在一起。分割地联系在一起。分割地联系在一起。分割地联系在一起。结论：结论：爱因斯坦的光子论
20、非爱因斯坦的光子论非爱因斯坦的光子论非爱因斯坦的光子论非牛顿微粒说的复旧，而是牛顿微粒说的复旧，而是牛顿微粒说的复旧，而是牛顿微粒说的复旧，而是人类对于光和电磁场这类人类对于光和电磁场这类人类对于光和电磁场这类人类对于光和电磁场这类物质认识上的一个飞跃。物质认识上的一个飞跃。物质认识上的一个飞跃。物质认识上的一个飞跃。本讲稿第十四页，共四十五页 在反射、折射、在反射、折射、在反射、折射、在反射、折射、干涉、衍射、色散干涉、衍射、色散干涉、衍射、色散干涉、衍射、色散等现象中，波动性等现象中，波动性等现象中，波动性等现象中，波动性往往成为主要矛盾往往成为主要矛盾往往成为主要矛盾往往成为主要矛盾方面
21、，光便表现出方面，光便表现出方面，光便表现出方面，光便表现出像波。像波。像波。像波。在黑体辐射、光致发在黑体辐射、光致发在黑体辐射、光致发在黑体辐射、光致发光、光电效应，以及其他光、光电效应，以及其他光、光电效应，以及其他光、光电效应，以及其他一些有关光的产生和转化一些有关光的产生和转化一些有关光的产生和转化一些有关光的产生和转化的现象中，粒子性往往成的现象中，粒子性往往成的现象中，粒子性往往成的现象中，粒子性往往成为主要矛盾方面，光便表为主要矛盾方面，光便表为主要矛盾方面，光便表为主要矛盾方面，光便表现出像粒子。现出像粒子。现出像粒子。现出像粒子。不同条件下主要矛盾不同条件下主要矛盾方面会发
22、生转化方面会发生转化本讲稿第十五页，共四十五页 人类关于波粒二象性的认识并人类关于波粒二象性的认识并人类关于波粒二象性的认识并人类关于波粒二象性的认识并没有停留于此，没有停留于此，没有停留于此，没有停留于此，1924192419241924年爱因斯坦提年爱因斯坦提年爱因斯坦提年爱因斯坦提出光子概念后不到出光子概念后不到出光子概念后不到出光子概念后不到20202020年，年轻的法年，年轻的法年，年轻的法年，年轻的法国物理学家德布罗意提出了国物理学家德布罗意提出了国物理学家德布罗意提出了国物理学家德布罗意提出了“物质物质物质物质波波波波”概念。概念。概念。概念。论证了微观粒子也具有波动性论证了微观
23、粒子也具有波动性论证了微观粒子也具有波动性论证了微观粒子也具有波动性。正是人们认识到了微观粒子正是人们认识到了微观粒子正是人们认识到了微观粒子正是人们认识到了微观粒子所具有的波粒二象性的特征，所具有的波粒二象性的特征，所具有的波粒二象性的特征，所具有的波粒二象性的特征，才建立起了描述其运动状态才建立起了描述其运动状态才建立起了描述其运动状态才建立起了描述其运动状态变化规律的量子力学理论。变化规律的量子力学理论。变化规律的量子力学理论。变化规律的量子力学理论。他的观点得到电子他的观点得到电子他的观点得到电子他的观点得到电子衍射等实验的证实。衍射等实验的证实。衍射等实验的证实。衍射等实验的证实。他
24、认为不仅光具有波粒二象他认为不仅光具有波粒二象他认为不仅光具有波粒二象他认为不仅光具有波粒二象性，所有的实物粒子，都具性，所有的实物粒子，都具性，所有的实物粒子，都具性，所有的实物粒子，都具有波粒二象性。有波粒二象性。有波粒二象性。有波粒二象性。本讲稿第十六页，共四十五页波动理论：波动理论：波动理论：波动理论：光是频率为光是频率为光是频率为光是频率为的的的的电磁波；电磁波；电磁波；电磁波；量子理论：量子理论：量子理论：量子理论：一一一一定定定定频频频频率率率率的的的的光光光光对对对对应应应应一定能量的光子；一定能量的光子；一定能量的光子；一定能量的光子；光的波、粒二重性光的波、粒二重性光的波、
25、粒二重性光的波、粒二重性,统一起来。统一起来。统一起来。统一起来。E=h 之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系；本讲稿第十七页，共四十五页完全彻底的认识了?射线的光子可以变成两个带相反电荷射线的光子可以变成两个带相反电荷射线的光子可以变成两个带相反电荷射线的光子可以变成两个带相反电荷的电子和阳电子，表明光子与电子之间的电子和阳电子，表明光子与电子之间的电子和阳电子，表明光子与电子之间的电子和阳电子，表明光子与电子之间存在着某种联系存在着某种联系存在着某种联系存在着某种联系?否定否定 光子是否像原子和分子那样，具有光子是否像原子和分子那样，具有光子是否像原子和分子那样，具有光子是否像原子和分
26、子那样，具有内部结构内部结构内部结构内部结构?对光的本质的认识，还远远没有完结。对光的本质的认识，还远远没有完结。对光的本质的认识，还远远没有完结。对光的本质的认识，还远远没有完结。从从从从涌涌涌涌现现现现出出出出来来来来的的的的新新新新现现现现象象象象和和和和规规规规律律律律的的的的研研研研究究究究中中中中，逐逐逐逐步步步步深深深深化对光的本质的认识。化对光的本质的认识。化对光的本质的认识。化对光的本质的认识。光子是否真的没有静质量光子是否真的没有静质量光子是否真的没有静质量光子是否真的没有静质量?本讲稿第十八页，共四十五页 可以认为，光电系统是工作于电磁波波谱图上可以认为，光电系统是工作于
27、电磁波波谱图上最后一个波段最后一个波段光频段的电子系统。光频段的电子系统。本讲稿第十九页，共四十五页二、光辐射度量二、光辐射度量 任何固体或液体在任何固体或液体在任何固体或液体在任何固体或液体在高于高于高于高于0K0K以上以上以上以上任何温度下都任何温度下都任何温度下都任何温度下都向外辐射电磁波向外辐射电磁波向外辐射电磁波向外辐射电磁波,这种由于物体中的分子、原子受这种由于物体中的分子、原子受这种由于物体中的分子、原子受这种由于物体中的分子、原子受到热激发而产生的辐射称为到热激发而产生的辐射称为到热激发而产生的辐射称为到热激发而产生的辐射称为热辐射热辐射热辐射热辐射。1400K800K1000
28、K1200K 将一块铁加热物体的颜色从暗淡的，后来将一块铁加热物体的颜色从暗淡的，后来将一块铁加热物体的颜色从暗淡的，后来将一块铁加热物体的颜色从暗淡的，后来渐渐变成暗红到发黄再到亮得耀眼。渐渐变成暗红到发黄再到亮得耀眼。渐渐变成暗红到发黄再到亮得耀眼。渐渐变成暗红到发黄再到亮得耀眼。本讲稿第二十页，共四十五页光辐射度量的对象光辐射度量的对象n n光电检测技术的任务是将光辐射转换成为电光电检测技术的任务是将光辐射转换成为电能，从而获得光辐射特征信息，为此需要能，从而获得光辐射特征信息，为此需要了解辐射特征的定义。了解辐射特征的定义。n n辐射能量特征的研究即为辐射度量学辐射能量特征的研究即为辐
29、射度量学Radiometry。本讲稿第二十一页，共四十五页 1869186918691869年，基尔霍夫从理论上提出了关于辐射传播年，基尔霍夫从理论上提出了关于辐射传播年，基尔霍夫从理论上提出了关于辐射传播年，基尔霍夫从理论上提出了关于辐射传播过程的重要定律：在同样的温度下，任何物体对相同过程的重要定律：在同样的温度下，任何物体对相同过程的重要定律：在同样的温度下，任何物体对相同过程的重要定律：在同样的温度下，任何物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，波长的单色辐射出射度与单色吸收比之
30、比值都相等，等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律式中：式中：式中：式中：MMb b（，T T）为黑体的）为黑体的）为黑体的）为黑体的单色辐射出射度。单色辐射出射度。单色辐射出射度。单色辐射出射度。本讲稿第二十二页，共四十五页 这一定律指出了物体的辐射出射度和这一定律指出了物体的辐射出射度和这一定律指出了物体的辐射出射度和这一定律指出了物体的辐射出射度和吸收比之间的内在联系，表明：吸收比
31、之间的内在联系，表明：吸收比之间的内在联系，表明：吸收比之间的内在联系，表明：（1 1）一个好的吸收体也是一个好的辐射体；）一个好的吸收体也是一个好的辐射体；）一个好的吸收体也是一个好的辐射体；）一个好的吸收体也是一个好的辐射体；（2 2）任何物体的辐射出射度都小于同温度、）任何物体的辐射出射度都小于同温度、）任何物体的辐射出射度都小于同温度、）任何物体的辐射出射度都小于同温度、同同同同 波长的黑体的辐射出射度；波长的黑体的辐射出射度；波长的黑体的辐射出射度；波长的黑体的辐射出射度；（3 3）黑体的辐射出射度摆脱了对具体物体的）黑体的辐射出射度摆脱了对具体物体的）黑体的辐射出射度摆脱了对具体物
32、体的）黑体的辐射出射度摆脱了对具体物体的依赖关系，显然是最简单的依赖关系，显然是最简单的依赖关系，显然是最简单的依赖关系，显然是最简单的，也更便于研究。也更便于研究。也更便于研究。也更便于研究。这样，只要知道黑体的辐射出射度，便这样，只要知道黑体的辐射出射度，便这样，只要知道黑体的辐射出射度，便这样，只要知道黑体的辐射出射度，便能了解一般物体的辐射性质。因此，黑体能了解一般物体的辐射性质。因此，黑体能了解一般物体的辐射性质。因此，黑体能了解一般物体的辐射性质。因此，黑体辐射理论的探索，是热辐射领域的中心问辐射理论的探索，是热辐射领域的中心问辐射理论的探索，是热辐射领域的中心问辐射理论的探索，是
33、热辐射领域的中心问题。题。题。题。本讲稿第二十三页，共四十五页辐射度学物理量辐射度学物理量n n 1.辐射能辐射能 以辐射形式发射或传输的电磁波能量。辐射能一般用符号Q表示，其单位是焦耳(J)。n n 2.辐射通量辐射通量 辐射通量P又称为辐射功率，定义为单位时间内流过某一定面积的辐射能，即辐射通量的单位是瓦特(W)或焦耳/秒(J/s)辐射度量以下标辐射度量以下标辐射度量以下标辐射度量以下标e e表示表示表示表示本讲稿第二十四页，共四十五页n n3.辐射出射度辐射出射度 辐射出射度辐射出射度MM是用来反映是用来反映面辐射源面辐射源物体辐射能力的物理物体辐射能力的物理量。定义为辐射体在单位面积内
34、所辐射的通量，即量。定义为辐射体在单位面积内所辐射的通量，即单位是单位是W/mW/m2 2。dSrdP.dAdA 源面积发射不一定源面积发射不一定源面积发射不一定源面积发射不一定均匀，面上各点附近均匀，面上各点附近均匀，面上各点附近均匀，面上各点附近单位面积发射的功率单位面积发射的功率单位面积发射的功率单位面积发射的功率也不一样，故也不一样，故也不一样，故也不一样，故M M M M 通常通常通常通常是源上位置的函数。是源上位置的函数。是源上位置的函数。是源上位置的函数。本讲稿第二十五页，共四十五页4.辐射强度辐射强度 辐射强度辐射强度I I定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单定义为：点辐射源
35、在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用位立体角内的辐射通量，用I I表示，即表示，即辐射强度的单位是瓦特辐射强度的单位是瓦特/球面度球面度(W/sr)(W/sr)本讲稿第二十六页，共四十五页n n如果一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是P，则该点辐射体在各个方向的辐射强度I是常量，有 由辐射通量和辐射强度之间的关系式我由辐射通量和辐射强度之间的关系式我们知道，一个辐射强度为们知道，一个辐射强度为1W/sr的点光源，的点光源，总辐射通量等于总辐射通量等于4W。本讲稿第二十七页，共四十五页n n5.辐射亮度辐射亮度辐射亮度L定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射
36、强度，如图所示。式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。辐射亮度的单位是瓦特/球面度米2(W/srm2)。dP 由辐射表面定向发射的辐射强度，与辐射体表面所发由辐射表面定向发射的辐射强度，与辐射体表面所发射通量的空间分布有关。射通量的空间分布有关。本讲稿第二十八页，共四十五页n n余弦辐射体（朗伯体余弦辐射体（朗伯体均匀漫反射体）：均匀漫反射体）：辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足：I0是辐射体面元dS沿其法线方向的辐射强度。余弦辐射体的辐射亮度为 可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。n n余弦辐射体的辐射出射度为本讲稿第二十九页，共四十五页6.辐射照度辐射照度n n为了评定辐
37、射体对装置的作用，在辐射接收面上的辐射照度E定义为照射在面元上的辐射通量dP与该面元的面积dA之比。即 单位是W/m2。本讲稿第三十页，共四十五页照度与距离平方反比定理照度与距离平方反比定理 n n设点源的辐射强度为设点源的辐射强度为I，它与被照面上，它与被照面上x点点处面积元处面积元dA的距离为的距离为R，dA的法线与的法线与I的夹的夹角为角为，则投射到，则投射到dA上的辐射功率为上的辐射功率为:n n所以，点光源在被照面上点处的辐射照度所以，点光源在被照面上点处的辐射照度为：为：n n 本讲稿第三十一页，共四十五页基本辐射度量的名称、符号和定义方程基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称名称
38、符号符号定定义义方程方程单单位位符号符号辐辐射能射能Q,Q,焦耳焦耳J J辐辐射能密度射能密度焦耳立方米焦耳立方米JmJm-3-3辐辐射通量，射通量，辐辐射功率射功率瓦特瓦特WW辐辐射射强强度度瓦特球面度瓦特球面度W/srW/sr辐辐射亮度射亮度 瓦特球面度瓦特球面度平方米平方米WmWm-2-2 sr sr-1-1辐辐射出射度射出射度瓦特平方米瓦特平方米W/mW/m2 2辐辐射照度射照度瓦特平方米瓦特平方米W/mW/m2 2本讲稿第三十二页，共四十五页光谱辐射度量光谱辐射度量n n给定波长给定波长o处极小波长间隔处极小波长间隔d内的辐射通量内的辐射通量de()称为单色辐射通量。称为单色辐射通量
39、。n n()=de()/d，()称为光谱辐射通量。称为光谱辐射通量。n n总辐射通量：总辐射通量：n n可以用频率表示光谱分布。可以用频率表示光谱分布。n n可以类推其余的光谱辐射度量。可以类推其余的光谱辐射度量。本讲稿第三十三页，共四十五页光谱光辐射的名称、符号及单位本讲稿第三十四页，共四十五页四、光度量四、光度量n n由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，对绿光最灵敏，对红光灵敏度最低，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反映人的亮暗感觉。n n光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位。n n在光频区域光度学物理量Q，P，I，M，L，E相对应的Qv，Pv，Iv，Mv，Lv，
40、Ev来表示，其定义完全一一对应，其关系如表2所示。本讲稿第三十五页，共四十五页表表2 常用辐度量和光度量之间的对应关系常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义式单位物理量名称符号定义式单位辐射能QJ光量QvQv=Pvdtlms辐射通量PP=dQ/dtW光通量vv=Ivdlm辐射出射度MM=d/dSW/m2光出射度MvMv=dPv/dSlm/m2辐射强度II=d/dW/sr发光强度Iv基本量cd辐射亮度LL=dI/(dScos)W/m2sr(光)亮度LvLv=dIv/(dScos)cd/m2辐射照度EE=d/dAW/m2(光)照度EvMv=dPv/dAlx本讲稿
41、第三十六页，共四十五页n n光度量的单位是国际计量委员会(CIPM)规定的。在光度单位体系中，被选作基本单位的不是相应的光量或光通量而是发光强度，其单位是坎德拉。n n坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制(SI)的七个基本单位之一。n n它的定义是“一个光源发出频率为5401012 Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度为1/683 (W/sr)，则该光源在该方向上的发光强度为1cd”。本讲稿第三十七页，共四十五页 人人人人眼眼眼眼对对对对不不不不同同同同波波波波长长长长的的的的单单单单色色色色光光光光，产产产产生生生生相相相相同同同同的的的的视视视视觉响应，要有不同的辐射功
42、率。觉响应，要有不同的辐射功率。觉响应，要有不同的辐射功率。觉响应，要有不同的辐射功率。在在在在引引引引起起起起相相相相同同同同的的的的视视视视觉觉觉觉响响响响应应应应条条条条件件件件下下下下，若若若若在在在在附附附附近近近近所所所所需需需需要要要要的的的的光光光光谱谱谱谱辐辐辐辐射射射射功功功功率率率率为为为为dPdPdPdP，而而而而对对对对=555nm=555nm=555nm=555nm所所所所需需需需要要要要的的的的光光光光谱谱谱谱辐辐辐辐射射射射功功功功率为率为率为率为dPdPdPdP555555555555，则定义，则定义，则定义，则定义 V V V V=dP=dP=dP=dP55
43、5555555555/dP/dP/dP/dP 光谱光视效率光谱光视效率光谱光视效率光谱光视效率本讲稿第三十八页，共四十五页 人人眼眼对对波波长长为为555nm555nm的的光光的的视视见见函函数数为为1 1，其其它它波波长长的的视视见见函函数数值值都都小小于于1 1，不不可可见见区区的的视视见函数值都等于零。见函数值都等于零。本讲稿第三十九页，共四十五页 白白白白昼昼昼昼视视视视觉觉觉觉指指指指人人人人眼眼眼眼在在在在明明明明亮亮亮亮环环环环境境境境(3 3 3 3坎坎坎坎德德德德拉拉拉拉米米米米2 2 2 2的的的的亮亮亮亮度度度度)中中中中，对对对对不不不不同同同同波波波波长长长长可可可可
44、见见见见光的视觉。光的视觉。光的视觉。光的视觉。白昼视觉和黄昏视觉白昼视觉和黄昏视觉 黄黄黄黄昏昏昏昏视视视视觉觉觉觉指指指指人人人人眼眼眼眼在在在在黑黑黑黑暗暗暗暗环环环环境境境境(3103103103105555坎坎坎坎德德德德拉拉拉拉米米米米2 2 2 2的的的的亮亮亮亮度度度度中中中中，对不同波长可见光的视觉。对不同波长可见光的视觉。对不同波长可见光的视觉。对不同波长可见光的视觉。本讲稿第四十页，共四十五页黄昏视觉黄昏视觉黄昏视觉黄昏视觉V V V V-曲线的最曲线的最曲线的最曲线的最大值相对白昼视觉大值相对白昼视觉大值相对白昼视觉大值相对白昼视觉向短向短向短向短波长方向移动了波长方向
45、移动了波长方向移动了波长方向移动了50nm50nm50nm50nm。黄昏视觉黄昏视觉黄昏视觉黄昏视觉白昼视觉白昼视觉白昼视觉白昼视觉n所有光度计量均以明视所有光度计量均以明视觉的觉的V()为基础。为基础。本讲稿第四十一页，共四十五页光度量的最基本单位光度量的最基本单位 光通量v：光通量对人眼所引起的视觉强度值。光谱光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值，即单位是流明/瓦特(lm/W)本讲稿第四十二页，共四十五页n n通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率5401012Hz(波长555nm)处，其数值为Km683 lm/W。n n它表示与1W的辐射通量相当的光通量为683lm
46、；换句话说，此时的1lm相当于1/683W本讲稿第四十三页，共四十五页n n发光强度发光强度发光强度发光强度I I：发出波长为：发出波长为555nm555nm的单色辐射，在的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为给定方向上的发光强度规定为1cd1cd。单位：坎德。单位：坎德拉（拉（CandelaCandela）cdcd，它是国际单位制中七个，它是国际单位制中七个基本单位之一。基本单位之一。n n光照度光照度光照度光照度E E：单位面积所接受的入射光通量：单位面积所接受的入射光通量 ，单，单位：勒克斯位：勒克斯lx lx，相当于，相当于 1 1平方米面积上接受平方米面积上接受到到1 1个流明的光
47、通量。个流明的光通量。n n光出射度光出射度光出射度光出射度MM:光源表面给定点处单位面积向半空光源表面给定点处单位面积向半空光源表面给定点处单位面积向半空光源表面给定点处单位面积向半空间发出的光通量。间发出的光通量。间发出的光通量。间发出的光通量。本讲稿第四十四页，共四十五页作业作业n n1、推导余弦辐射体辐射出射度和辐射亮度的关系式：n n2、已知一点辐射源在上半空间的辐射通量为62.8W，求该辐射源在上半空间的平均辐射强度。n n3、一支氦氖激光器（波长632.8nm)发出的激光的功率为3mW，激光器的放电毛细管直径为1mm，求出该激光束的光通量和光出射度。（视见函数V632.8nm632.8nm=0.235)n n4、一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面上的照度为30lx，求出该白炽灯的光通量。本讲稿第四十五页，共四十五页