光度学量与辐射度学量
南京理工大学-光电检测技术总结
南京理⼯⼤学-光电检测技术总结习题01⼀、填空题1、通常把对应于真空中波长在（0.38m µ）到（0.78m µ ）范围内的电磁辐射称为光辐射。
2、在光学中，⽤来定量地描述辐射能强度的量有两类，⼀类是（辐射度学量），另⼀类是(光度学量)。
3、光具有波粒⼆象性，既是（电磁波），⼜是（光⼦流）。
光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发⽣能量交换时就突出地显⽰出光的（粒⼦性）。
4、光量Q ：?dt φ，s lm ?。
5、光通量φ：光辐射通量对⼈眼所引起的视觉强度值，单位：流明lm 。
6、发光强度I ：光源在给定⽅向上单位⽴体⾓内所发出的光通量，称为光源在该⽅向上的发光强度，ωφd d /，单位：坎德拉)/(sr lm cd 。
7、光出射度M ：光源表⾯单位⾯积向半球⾯空间内发出的光通量，称为光源在该点的光出射度，dA d /φ,单位：2/m lm 。
8、光照度E ：被照明物体单位⾯积上的⼊射光通量，dA d /φ，单位：勒克斯lx 。
9、光亮度L ：光源表⾯⼀点的⾯元dA 在给定⽅向上的发光强度dI 与该⾯元在垂直于给定⽅向的平⾯上的正投影⾯积之⽐，称为光源在该⽅向上的亮度，)cos /(θ?dA dI ，单位：2/m cd。
10、对于理想的散射⾯，有Ee= Me 。
⼆、概念题1、视见函数：国际照明委员会（CIE ）根据对许多⼈的⼤量观察结果，⽤平均值的⽅法，确定了⼈眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V (λ),或称视见函数。
2、辐射通量e φ：是辐射能的时间变化率，单位为⽡ (1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。
3、辐射强度e I ：从⼀个点光源发出的，在单位时间内、给定⽅向上单位⽴体⾓内所辐射出的能量，单位为W ／sr(⽡每球⾯度)。
4、辐射出射度e M ：辐射体在单位⾯积内所辐射的通量，单位为2/m W。
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。
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
1.2辐射度量与光度量
辐射颜色 绿 绿 黄 黄 黄 黄 黄 橙 橙 橙
λ /nm 530 540 555 560 570 580 590 600 620 640
V 0.8620 0.9540 1.0000 0.9950 0.9520 0.8700 0.7570 0.6310 0.3810 0.1750
辐射颜色 橙 红 红 红 红 红 红 红 红
由辐射表面定向发射的辐射强度与该面元在垂直于该方向的平面 上的正投影面积的比值
Le
dI e
dA cos
d 2Φe
ddA cos
单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2） S
dS
d d
35
⑤辐射亮度
余弦辐射体或朗伯体
辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 dI e dI e0 cos
39
②辐射通量
用e表示，又称为辐射功率，是辐射能的时间变化率
是单位时间内发射、传播或接收的辐射能
e
dQe dt
单位：瓦特 （W）或焦耳每秒（J/s）
38
③辐射出射度
就是辐射体在单位面积内所辐射的通量，是反映物体辐射能力的物
理量——辐射出射度（Me）
Me
dΦe dA
单位：瓦特每平方米（W/m2）
辐射照度 Ee
Ee=de/dA
W/m2 (光)照度 Ev
Ev=dv/dA
lx
14
①朗伯定律 在θ方向上：
§3 两者关系
Ee
de dS
S
d
de
n
dS dS
在法线方向上：
Ee
d e dS
dS dS cos
红外物理(第二版)课件：辐射度学和光度学基础
辐射度学和光度学基础 2.2.3 辐射功率
辐射功率就是发射、传输或接收辐射能的时间速率,用 P 表示,单位是 W,其定义 式为
其中,t为时间,单位为s。
辐射度学和光度学基础
辐射功率主要描述辐射能的时间特性,如许多辐射源的 发射特性,以及辐射探测器的 响应值不取决于辐射能的时间 积累,而取决于辐射功率的大小。
辐射度学和光度学基础 因此,在θ方向观测到的辐射源表面上位置x 处的辐亮度,
就是 Δ2P与 ΔAθ及 ΔΩ 之比的极限值,即
辐亮度的单位是 W/(m2·sr)。
辐射度学和光度学基础
图2-5 辐亮度的定义
辐射度学和光度学基础
由(2-7)式可知,源面上的小面源dA在θ方向的小立体角元 dΩ 内发射的辐射功率为d2P=LcosθdΩdA,所以,dA 向半球空 间发射的辐射功率可以通过对立体角积分得到,即
辐射度学和光度学基础
辐射度学主要是建立在几何光学的基础上,作两个假设: 第一,辐射按直线传播,因 此,辐射的波动性不会使辐射能的空 间分布偏离一条几何光线所规定的光路;第二,辐射 能是不相 干的,所以辐射度学不考虑干涉效应。
与其他物理量的测量相比较,辐射能的测量误差是很大 的,百分之一的误差就认为是 很精确的了。这也只能是在操 作非常小心,所采用的元件、技术、测试标准与上述误差十 分匹配的条件下才能达到的。
辐射度学和光度学基础 对于上述所测量的小面源 ΔA,有
由上式可得
辐射度学和光度学基础 如果小面源的辐亮度L 不随位置变化(由于小面源 ΔA
面积较小,通常可以不考虑L 随 ΔA 上位置的变化),则
即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐 亮度乘以小面源在该方向上的 投影面积(或表观面积)。
[最新]光照度计的设计
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光照度计的设计一、 功能概述1、光度学中基本量在光辐射测量中，与能量有关的量有两类:一是物理的，即客观的，叫做辐射度学量，简称为辐射量；另一类是生理的，即主观的，叫做光度学量，简称光度量。
前者表示某辐射源客观上发射出的辐射能的大小，后者表示人的视觉系统主观上感受到的那部分辐射能的强度。
（1）光通量 (luminousflux)龟，光源在单位时间内发出的光量称为光通量，在光度学中，光通量是从辐射通量导出的量，它明确地定义为能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的大小的量度。
单位是流明 (inmen)，符号为 lm ，表达式为: ΦL = dQv /dS(2) 光亮度(luminanee) L v ，一个面光源，除了可以用发光强度来描述它在某一个方向上的发光能力之外，还要知道它每一单位面积在这个方向上的发光能力，以便比较两种不同类型光源的明亮程度，这就要用到亮度这个概念。
它表示每单位面积上的发光强度，即:L L =dI L /dS光亮度的单位为坎德拉第每平方米(cd/mZ)。
式中的面积，应该理解为一个面在观察方向上的正投影面积。
因此，若观察方向与该面的法线夹角为 0时，上式将变为:L L = dI L /dScos(θ)所以，光源的光亮度可定义为:在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积。
由于I L = D φL/d Ω故有L L =d 2ΦL /d ΩdScos(θ)该式是光亮度的较通用的定义式。
由该式可知，亮度不仅可用来描述一个发光面，而且还可以用来描述光路中的任意一个截面，如一个透镜的有效面积、一个光阑所截的面积或一个象的面积等。
此外，还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面和这束光的立体角。
(3)光照度在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光通量除以该面元的面积ds 。
即:E L =d ΦL / ds2、光照度计设计思路光照度计首先需要光电转换步骤，将光的强弱转化为电的强弱，最佳转换关系是线性关系，如果是非线性，需要定标才可。
1.辐射学和光度量学基本概念
辐[射]亮度(或称辐射度) Le 对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置
在不同方向上的辐射特性。
一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向θ上有 一面元dA。若dA所对应的立体角dΩ内的辐通量为dΦe ，
则面源在此方向上的辐亮度为:
式中是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在
壳层容纳一定数量的电子。每个电子具有确定的分立能量值， 也就是电子按能级分布。 固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距很小，以致 使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。最外面的电子壳 层交叠最多，内层交叠较少，如图1-5 所示。壳层的交叠使 外层的电子不再局限于某个原子上，它可能转移到相邻原子 的相似壳层上去，例如电子可以从某个原子的2P壳层转移到 相邻原子的2P壳层，也可能从相邻原子运动到更远的原子的 相近壳层上去。这样电子有可能在整个晶体中运动。晶体中 电子的这种运动称为电子的共有化。外层电子的共有化较为 显著，而内壳层因交叠少而共有化不十分显著。 电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微小的差 异。例如，组成固体的N个原子在某一能级上的电子来都具 有相同的能量，由于共有化运动使它们在固体中不仅仅受本 身原子核的作用，而且还受到周围其它原子的作用而具有各 自不同的能量。于是，一个电子能级因受N个原子核的作用 而分裂成N个新的靠得很近的能级。N新能级之间能量差异 极小，而N值很大，于是这N个能级几乎连成一片而形成具 有一定宽度的能带。
其它基本概念 ▪ 点源：照度与距离之间的平方反比定律 ▪ 扩展源：朗伯源的辐出度与辐亮度间的关系 ▪ 漫反射面：漫反射体的视亮度与照度间的关系 ▪ 定向辐射体
d
dA cos
l2
辐射度、光度与色度及其测量
d 2Φ dI = L= d ΩdA cos θ dA cos θ
图 1-2 钨丝白炽灯辐射强度 的空间分布
辐亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作用，是光源微面元在垂直传输方向辐强度特性的描述。 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。 (6) 辐射出射度 (M) 定义为离开光源表面单位面元的辐射通量，即
图 1-1 立体角的概念
时，其对应的立体角为 4π球面度，而半球空间所张的立体角为 2π球面度。在θ ，ϕ 角度范围内的立体角
Ω=∫
θ
∫ sin θ d θ d ϕ
ϕ
(1-2)
求空间一任意表面 s 对空间某一点 o 所张的立体角，可由 o 点向空间表面 s 的外边缘作一系列射线, 由 射线所围成的空间角即为表面 s 对 o 点所张的立体角。因而不管空间表面的凸凹如何，只要对同一 o 点所 作射线束围成的空间角是相同的，那末它们就有相同的立体角。 1.1.2 辐射度量的名称、定义、符号及单位(GB3102.6-82) 很长时间以来， 国际上所采用的辐射度量和光度量的名称、 单位、 符号等很不统一。 国际照明委员会(CIE) 在 1970 年推荐采用的辐射度量和光度量单位基本上和国际单位制(SI)一致，并在后来为越来越多的国家(包 括我国)所采纳。 表 1-2 列出了基本的辐射度量的名称、符号、定义方程及单位、单位符号。
Ｑ,Ｗ
w Φ,Ρ
焦(耳)
w = dQ / dv Φ = dQ / dt
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▪ 在光学中用来定量地描述辐射能强度的量 有两类：一类是物理的，叫做辐射度学量， 是用能量单位描述光辐射能的客观物理量； 另一类是生理光度的学量，与辐叫射做度学光量 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。在衡量光电探测器的性能
▪ 2、光照度Ev ：单位为勒克斯(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,Ev =dΦv/dA (lx=lm/m²)。
实验内容
▪ 1、根据图一示意安装、接线(注意接线座颜 色对应)。将主机箱中0～12V可调电源旋钮 逆时针方向慢慢
▪ 旋到底 ,检查接线无误后打开主机箱电源。 调节0～12V可调电源使电压表（电压表量 程20V档）显示5V左右，让光源灯丝预热5 分钟以上。
▪ 2 、按表2—1中内容，调节0～12V可 调电源,测出各种光源照度值分别为5Lx、 10Lx …… 95Lx、100Lx 所对应的电压 值,填入表2—1。注：光源不装滤光镜 时为白光、其它波长光源装相应的滤光 镜。
▪ 1、按图二安装、接线(注意接线座颜色对应)。将 0～12V可调电源旋钮逆时针旋到底，检查接线无 误后打开主机箱电源。调节0～12V可调电源使电 压表显示5V左右，让光源灯丝预热5分钟以上。
▪ 2 、按表中内容，把白灼灯光源的前端盖掉换成相 应波长的滤光镜端盖。调节0～12V可调电源,测出 各种光源光功率值(660nm 、600nm光功率值大小 为光功率计表显示值×10mW；560nm 、510nm、 470nm 、400nm光功率值大小为光功率计表显示 值mW)分别为0.1mW、0.2mW …… 所对应的电 压值,填入表2—2中。
光度学量与辐射度学量
实验目的
▪ 了解光度量和辐射度量概念,了 解光源的特性
实验仪器
▪ 主机箱中的光照度表、电压表、光功率表、 0～12V可调直流电源、±5V直流电源、 安装架、白灼灯光源、遮光筒、半导体激 光器、多种波长的滤光镜、光照度探头 、 照度计模板、光功率探头 、可见光光功率 计模板
实验原理
▪ 3、各种光源光功率标定完毕后将0～12V可 调电源电压调节到最小, 关闭主机箱电源 （保存好表2—2并每次实验时附带在身边 以备查阅相应功率所对应的光源工作电压）
▪ ㈢、半导体激光器（LD激光器）光功率测 定：按图三示意安装、接线(注意接线座颜 色对应)，检查接线无误后合上主机箱电源 开关，光功率计模板上的按钮配合：长波 指示灯亮 。将0～12V可调电源旋钮顺时 针慢慢旋到底（输出电压最大），用光功
时，或者是评价光电测量系统的指标时， 辐射度量和光度量是紧密相关的。
▪ 本实验以生理的光度学量为主（可见光）， 对常用光源的光（混 色光），如半导体激光器（LD激光器）和白 灼灯。
▪ 1、辐射通量(光功率)Φe：辐射通量又称辐 射功率Pe,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 ,Pe=Φe=dQe/dt(J/s,焦耳每秒)。