2010-2011光辐射度学
光谱实验报告辐射度学与绝对辐射校准工位
射度学与绝对辐射校准工位1.引言辐射度学是研究各种电磁辐射强弱的学科，是颜色科学、遥感等学科的基础。
辐射校准最终的目的是将所测量的物理量与国际标准单位中的物理量联系起来。
本实验将通过实际的辐射校准传递流程帮助学生理解辐射校准的意义、方法和流程，然后应用辐射校准的结果进行绝对辐射测量。
2.实验目的1、了解辐射校准的意义、方法和流程2、应用辐射校准的结果进行绝对辐射测量3.实验原理辐射度测量仪器的校准：在使用辐射度测量仪器时，数字仪器获得的原始数据往往是计数值，而模拟仪器获得的原始数据往往是电压，电流或者电阻。
当我们测量的辐射度量并非以电流、电压等作为单位时，这些数据是无意义的。
因此，辐射校准的最终目的，是通过一定的标准将所测量的物理量与使用的工程单位联系起来。
此外，辐射校准的另一个重要目的是估计测量数据的不确定度。
校准的传递流程：校准可以使测量环境不同的同一被测物理量单位统一、量值可靠。
而可靠的测量不可避免地与校准过程以及其中使用的标准有关。
标准往往是一个物体、仪器或是系统，它为所测量的物理量在某一单位下提供核对、参照。
在使用中，标准可以分为几种。
基准标准具有最高的测量质量，他可以通过人为规定、计算、或设计得到而无需通过其他测量。
例如，零度被定义为水的三相点。
基准标准也可以通过国际公认成为一个人为的标准，例如千克，是特定的储存在国际计量局的人造物质定义的。
而次级的标准则用于传播标准，它必须具有尽可能高的稳定性、可靠性和可重复性。
次级标准通过与基准标准对照校准获得。
再下一级的标准是工作标准，我们常用来校准平常使用的仪器。
通过不同标准之间进行校准，标准传递的过程形成了一条不间断的比较链。
需要注意的是，由于标准传递过程中存在不可避免的误差，标准系统距离基准越远，不确定度会随着不断累加而越大。
为了确保同一被测量结果的可比性、一致性，计量具有溯源性的特点。
溯源性是指通过一条具有规定的不确定度的连续比较链，使测量结果或测量标准的值，能够与规定的参考标准，通常是与国家测量标准（国家基准）或国标测量标准联系起来的特性。
辐射度学与光度学基本知识
角。
辐射度学与光度学基本知识
定义:一个任意形状椎面所包含的空间 称为立体角。
符号：Ω 单位：Sr （球面度）
• 如图所示，△A是半径 为R的球面的一部分， △A的边缘各点对球心O 连线所包围的那部分空 间叫立体角。
• 立体角的数值为部分球 面面积△A与球半径平 方之比，即
A R2
辐射度学与光度学基本知识
Q是辐射能量。Φ与功率意义相同。（ ： 辐射通量与辐射功率P混用）
辐射度学与光度学基本知识
1.辐射强度：I
• 数学描述：若点辐射源在小立体角△Ω内的辐射 功率为△Φ，则△Φ与△Ω之比的极限值定义为辐 射强度.
lim I
0
单位：W/Sr （瓦/球面度）
• 物理描述：点辐射源在某一方向上的辐射强度， 是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出 的辐射通量。
面积元△A向小立体角△Ω内发射的辐射功率 是二阶小量△(△Φ)＝△2Φ； • 在θ方向看到的源面积是△A的投影面积
△Aθ＝△Acosθ ，
辐射度学与光度学基本知识
• 因此，在θ方向上观测到的源表面上该位置
的辐亮度就定义为△2Φ与△Aθ及△Ω之比的 极限值
L
liAm00
2 A
2 A
2
A cos
辐射度学与光度学基本知识
§2-1 描述辐射场的基本物理量
• 一、立体角：
• 在光辐射测量中，常用的几何量就是立
体角。立体角涉及到的是空间问题。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
光度学和辐射度学
光度学和辐射度学光度学和辐射度学是研究光和辐射的两个重要学科。
光度学主要研究光的性质和行为，而辐射度学则关注辐射的特性和相互作用。
光度学是研究光的传播、吸收、散射、折射、干涉和衍射等现象的学科。
光是一种电磁波，具有波粒二象性。
光度学通过研究光的波动性和粒子性，揭示了光的本质和行为规律。
光的传播速度是一个重要的研究对象，根据光的传播速度不同，可以将光分为真空中的光和介质中的光。
光的传播速度在真空中是恒定的，而在介质中会发生折射现象，导致光的传播速度减小。
光度学还研究了光的吸收和散射现象。
当光通过物质时，会与物质相互作用，一部分光被物质吸收，一部分光被物质散射。
光的吸收和散射现象在很多领域都有重要应用，例如光谱学、光电子学和光通信等。
辐射度学是研究辐射的特性和相互作用的学科。
辐射是指物体发射出的电磁波或粒子流。
辐射度学研究了辐射的发射、传播和吸收等过程。
辐射的特性包括辐射强度、辐射频率和辐射方向等。
辐射度学通过研究辐射的特性，可以了解物体的热辐射和电磁辐射等信息。
辐射度学还研究了辐射与物质的相互作用。
当辐射与物质相互作用时，会发生吸收、散射和透射等现象。
吸收是指辐射能量被物质吸收并转化为其他形式的能量。
散射是指辐射在物质中的传播方向发生改变。
透射是指辐射穿过物质而不被吸收或散射。
辐射与物质的相互作用在医学影像学、辐射治疗和材料科学等领域具有广泛应用。
光度学和辐射度学在现代科学和技术中起着重要作用。
光度学的研究成果被广泛应用于光学仪器、光纤通信和激光技术等领域。
辐射度学的研究成果则被应用于核能、天文学和环境监测等领域。
光度学和辐射度学的发展不仅推动了科学的进步，也为人类社会的发展带来了巨大的贡献。
光度学和辐射度学是研究光和辐射的两个重要学科。
光度学研究光的性质和行为，辐射度学关注辐射的特性和相互作用。
这两个学科的研究成果在科学和技术领域有着广泛的应用，对推动人类社会的发展起着重要作用。
辐射度学与光度学基本知识
Radiometry and Photometry
辐射度学
• 通过电磁光谱来处理辐射能的测量。 通过电磁光谱来处理辐射能的测量。 • 辐射度学主要研究频率为 ×1011～ 3×1016Hz的 辐射度学主要研究频率为3× × 的 光辐射，对应于0.01~1000µm微米的波长。 微米的波长。 光辐射，对应于 微米的波长 • 波段范围包括红外、可见光、紫外线。 波段范围包括红外、可见光、
光度学
• 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光， 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光， 即可见光，波长范围为380～780nm纳米。 纳米。 即可见光，波长范围为 ～ 纳米 • 波长450nm对应于蓝色，540nm对应于绿色， 对应于蓝色， 对应于绿色， 波长 对应于蓝色 对应于绿色 659nm对应于红色。 对应于红色。 对应于红色 • 色度学不处理颜色的感知本身，而是研究各种波 色度学不处理颜色的感知本身， 长的感知强度。例如，绿光比红光和蓝光亮。 长的感知强度。例如，绿光比红光和蓝光亮。
入射辐射亮度
• 入射辐射亮度 入射辐射亮度(incoming radiance)定义为： 定义为： 定义为 d 2Φ Lsurf = dA(dω cos θ ) 它用来度量单位平方米单位球面度的瓦特数。其中 为入 它用来度量单位平方米单位球面度的瓦特数。其中θ为入 射光线与表面法向的夹角。 射光线与表面法向的夹角。
辐射能量
• 在辐射度学中，辐射能量Q是基本的能量单位，用J(焦耳 在辐射度学中，辐射能量 是基本的能量单位 是基本的能量单位， 焦耳) 焦耳 来度量。 来度量。 • 每个光子有一定的辐射能量，其大小为Planck常数 每个光子有一定的辐射能量，其大小为 常数 (6.62620× (6.62620×10-34焦耳秒)乘以光速(2.998×108米/秒)，再除 焦耳秒)乘以光速 乘以光速(2.998× /秒 )， 以光子的波长。 以光子的波长。 • 等价于每焦耳的光子数目为 等价于每焦耳的光子数目为5.034×1015乘以光子的波长。 × 乘以光子的波长。 例如，在波长为550nm的波段处，每焦耳的光子数目大约 的波段处， 例如，在波长为 的波段处 为2.77×109个。 ×
第三讲(1) 辐射度学与光度学中的基本定律
因为漫辐射源各方向亮度相等，即L=Lθ，（上二 式相等），则Iθ=I0cosθ 朗伯辐射表面在某方向上的辐射强度随与该方向 和表面法线之间夹角的余弦而变化。（物理意义）
8
1、朗伯辐射源的辐射亮度
2 L A cos
=B （常数）
2、朗伯辐射源的辐射强度 注意：虽各方向亮度相同，但辐射强度不同。 Iθ=I0cosθ θ=90°时，Iθ=0
2013-11-3 5
一、朗伯余弦定律
描述这种辐射的空间分布的特性公式为
Bcos A
2
式中 B——常数 θ——辐射法线与观察方向夹角 △A——辐射源面积 △Ω——辐射立体角
即：“理想漫反射源单位表面积向空间指定方向单位 立体角 内发射（或反射）的辐射功率和该指定方 向与表面法线夹角的余弦成正比。” 这就是朗伯余弦定律。具有这种特性的发射体（或 反射体） 称为余弦发射体（或余弦反射体）。
4m
4m
6m
R 6, R' 12 2 6 2 4 2
E
代入上式得
60 4 48 12 1.385lx 3 3 6 164
练习：测量得白炽灯在1米处产生的照度为10lm/m2， 求其在0.5米处产生的照度是多少？（见图2-13）
2013-11-3
21
解：把白炽灯看成点光 源，据距离平方反比 定律，有
方向上的辐射强度为：
I LA cos I 0 cos
(2-81)
式中I0=LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度
圆盘向半球空间发射的辐射功率为Ф，按辐射亮度的定
义有
d LA cosd
因为球坐标系
《光电子技术》期末考试试卷(A卷)及答案
2010—2011学年第2学期《光电子技术》期末考试试卷（A卷）学院： ___ 班级: 姓名：学号： ___________一、选择题（20分，2分/题）1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（abcd ）A.信息通信B.宇宙探测C.军事国防D.灾害救援2、激光器的构成一般由（a ）组成A.激励能源、谐振腔和工作物质B.固体激光器、液体激光器和气体激光器C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料D. 电子、载流子和光子3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（abcd ）有关A.分子及气溶胶的吸收和散射B.空气折射率不均匀C.光波与气体分子相互作用D.空气中分子组成和含量4、2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ a ）A.传输损耗低B.可实现任何光传输C.不出现瑞利散射D.空间相干性好5、激光调制器主要有（abc ）A.电光调制器B.声光调制器C.磁光调制器D.压光调制器6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ac ）有关A.外加电场B.激光波长C.晶体性质D.晶体折射率变化量7、激光调制按其调制的性质有（cd ）A.连续调制B.脉冲调制C.相位调制D.光强调制8、光电探测器有（abc ）A.光电导探测器B.光伏探测器C.光磁电探测器D.热电探测元件9、CCD 摄像器件的信息是靠（ b ）存储A.载流子B.电荷C.电子D.声子10、LCD显示器，可以分为（abcd ）A. TN型B. STN型C. TFT型D. DSTN型二、判断题（20分，2分/题，对用“√”、错用“×”标记）11、世界上第一台激光器是固体激光器。
( T )12、在辐射度学中，辐射能量Q是基本的能量单位，用J(焦耳)来度量。
( T )13、在声光晶体中，超声场作用像一个光学的“相位光栅”，其光栅常数等于光波波长λ。
( F )14、在磁光晶体中，当磁化强度较弱时，旋光率α与外加磁场强度是成正比关系。
三度学习题与思考题
第一章辐射度量、光辐射度量基础1.通常光辐射的波长范围可分为哪几个波段？2.简述发光强度、亮度、光出射度、照度等定义及其单位。
3.试述辐射度量与光度量的联系和区别。
4.人眼视觉的分为哪三种响应？明暗和色彩适应各指什么？5.何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？人眼对应不同波长的光波做出变化的灵敏度6.试述人眼的分辨力的定义及其特点。
7.简述人眼对间断光的响应特性，举例利用此特性的应用。
8.人眼及人眼－脑的调制传递函数具有什么特点？9.描述彩色的明度、色调和饱和度是怎样定义的，如何用空间纺锤体进行表示？10.什么是颜色的恒常性、色对比、明度加法定理和色觉缺陷。
11.简述扬-赫姆霍尔兹的三色学说和赫林的对立颜色学说。
扬-赫姆霍尔兹的三色学说假设人眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起红绿蓝三原色中的一种原色的感觉。
波长不同，引起三种纤维的兴奋程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉，总亮度感觉为三种纤维中每种纤维提供的亮度感觉之和。
赫林的对立颜色学说叫做四色学说，假设视网膜上有白黑视素、红绿视素、黄蓝视素三对视素，其代谢作用包括建设和破坏两种对立过程，三种视素对立过程的组合产生各种颜色感觉和各种颜色混合现象。
12.朗伯辐射体是怎样定义的？其有哪些主要特性？13.太阳的亮度L＝⨯109 cd/m2，光视效能K＝100，试求太阳表面的温度。
14.已知太阳常数(大气层外的辐射照度)E=1.95 cal/min/cm2，求太阳的表面温度(已知太阳半径R s⨯105km，日地平均距离⨯109 km)。
15.某一具有良好散射透射特性的球形灯，它的直径是20cm，光通量为2000lm，该球形灯在其中心下方l=2m处A点的水平面上产生的照度E等于40lx，试用下述两种方法确定这球形灯的亮度。
(1)用球形灯的发光强度；(2) 用该灯在A点产生的照度和对A点所张的立体角。
16.假定一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡在各方向均匀发光，求其发光强度。
辐射度学和光度学基础
第二节 辐射度学中的基本量
三、辐出射度、辐照度 辐出射度、
假定dS微面辐射出的辐射通量为d 假定dS微面辐射出的辐射通量为d Φ e ，如图a所示：则A点的辐出射度 dS微面辐射出的辐射通量为 如图a所示：
M 为： e =
d Φe dS
把微面dS接受的d dS接受的 dS的比值称为辐照度 的比值称为辐照度。 表示。 把微面dS接受的d Φ e与dS的比值称为辐照度。用 Ee 表示。Ee =
视见函数曲线 有了视见函数就可以比较两个不同波长的辐射体对人眼产生视觉的强 弱
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第四节 光度学中的基本量
一、发光强度和光通量
根据视见函数的定义， 根据视见函数的定义，人眼产生的视觉强度应与辐射通量和视见函数 成正比，因此， 成正比，因此，我们用
d Φ = C V (λ ) d Φ e
第七节 光学系统中光束的光亮度
二、折射情形： 折射情形：
如图所示，有关系： 如图所示，有关系：
L2 L1 = 2 2 n2 n1
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第七节 光学系统中光束的光亮度
三、反射情形： 反射情形：
反射可以看成是n2=-n1的折射 反射可以看成是n2=-n1的折射，即L2=L1 的折射， 普遍关系式： 普遍关系式：
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第二节 辐射度学中的基本量
d Φe Ie = dΦ dΦ
Ie 二、辐射强度：如图所示 辐射强度：
定义：给定方向上的立体角dΩ，在dΩ范围内的辐射通量为：d Φ e dΩ， dΩ范围内的辐射通量为： 定义：给定方向上的立体角dΩ 范围内的辐射通量为 单位： 单位：瓦每球面度
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如图所示，光亮度用下式表示： 如图所示，光亮度用下式表示：
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华东交通大学2010—2011学年第二学期考试卷
试卷编号：
光辐射度学 课程 课程类别：必√、限、任
考生注意事项：1、本试卷共 5 页，总分 100 分，考试时间 120 分钟。
2、考试结束后，考生不得将试卷、答题纸和草稿纸带出考场。
一、名词解释 (每题 5 分，共 15 分) 1．视觉函数
2．亮度温度
3．朗伯体
二、 填空题(每题 3 分，共 21 分)
1．电磁波谱包括__________、___________、_________ 三部分。
2．已知均匀点光源的光强为8 cd ，其光通量为：_________Lm ， 照射到r =2的球壁上的照度为___________Lx 。
3.三基色分别指__________、___________和_________三色，各自对应的波长分别为__________、___________和_________ nm 。
4.绝对黑体的三大基本定律是_______ ___、__________ _、___ ______。
和__________。
6.辐射测量的基本仪器一般包括__________、___________、____ __ _、___________和_________。
7颜色测量仪器可分为_________ _和_______ __ 两大类。
1．理想漫射表面积为4 cm2，其亮度为50 cd/cm2，求
（1）垂直方向的光强度；
（2）垂直方向成600倾斜角方向光强；
（3）如果光线垂直至50 cm远处半径为 2 cm的圆形屏上，求入射到屏上的光通量。
（8分）
2．若某种颜色相对亮度Y＝10，色坐标为x＝0.44 y=0.11，求该颜色三刺激值；
该颜色与Y＝42，x＝0.25，y＝0.60的色混合，求混合的色品。
（10分）
3．如图推导点源对微面元的照度公式。
（10分）
三、论述题(共36分)
1．试说明基本辐亮度守恒定律。
（8分）
2. 什么是光谱三刺激值，光谱三刺激值有什么意义，色度学单位怎样定义的？ （10分）
3．什么是光度导轨，它和一般导轨的主要区别在那些地方？（8分）
4．试说明FT光谱辐射计和迈克尔逊干涉仪的差别，并说明这种辐射计怎样求得光谱辐亮度（10分）。