輻射度量與光度量第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四第一節輻射度量與光度量一、光的本質二、光輻射度量三、光譜輻射度量四、光度量第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四一、光的本質光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光子流。歷史上的重要人物惠更斯（1629-1695）、牛頓（1643-1727）托馬斯·楊（1773-1829）、費涅耳（1778-1827）麥克斯韋（1831-1879）普朗克（1858-1947）愛因斯坦（1879-1955）、波爾（1885-1962）第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四一張凝結了20世紀全人類三分之一智慧的照片

第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四牛頓-微粒說光是直線傳播的微粒流。17世紀--兩種對立的學說。三：發現了“牛頓環”“微粒說：微粒從光源飛出，質量極小，忽略重力作用，在真空或均勻媒質中做慣性運動，并且走的是最快速的直線運動路徑。二：公元1668年，他制成了第一架反射望遠鏡樣機三大貢獻:一：發現了白光是由各種不同顏色的光組成的第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四惠更斯：波動說,光是在以太中傳播的波動。波動學說，打破了當時流行的光的微粒學說，提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理。

惠更斯設想傳播光的以太粒子非常之硬，有極好的彈性，光的傳播就像振動沿著一排互相銜接的鋼球傳遞一樣，當第一個球受到碰撞，碰撞運動就會以極快的速度傳到最后一個球。提出光是發光體中微小粒子的振動在彌漫于宇宙空間的以太中的傳播過程。光的傳播方式與聲音類似，不是微粒說所設想的像子彈或箭那樣的運動。第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四微粒說在解釋光線從空氣進入水中的折射現象時，需要假設；C水>C空氣這兩種學說都可以解釋一定的光學現象（光的反射和折射）。

而波動說需要假設C水<C空氣當時，人們還不能準確地用實驗方法測定光速，因而無法根據折射現象去判斷它們的優劣。第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四

19世紀，光的干涉、衍射和偏振等現象，

與微粒說格格不入，增透膜薄膜干涉鏡面檢測圓屏衍射圓孔衍射鋼針的衍射光的干涉和衍射現象表明光確實是一種波第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四惠更斯的波動說發展了波動理論。但是由于他把光看成像聲波一類的縱波，因此不能解釋偏振現象、干涉和衍射現象。麥克斯韋電磁理論的發展確認光是一種電磁波，不是惠更斯的機械波。19世紀中葉，光的波動說已經得到了公認，但是光波的本質到底是什么，是像水波？還是像聲波呢？第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四熱輻射是十九世紀發展起來的一個物理學新領域，它的研究得到了熱力學和光譜學的支持。十九世紀末，物理學正是從這個領域打開了一個缺口，導致了量子論的誕生。

在熱輻射的研究中，熱輻射的輻射能量，特別是這一輻射的能量隨波長分布的特性，往往是物理學家研究的重點。第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四

19世紀末，人們用經典物理學解釋黑體輻射實驗的時候，出現了所謂的“紫外災難”。瑞利、金斯和維恩分別提出了兩個公式，但是和實驗相比，瑞利—金斯公式只在低頻范圍符合，而維恩公式只在高頻范圍符合。1900年，普朗克使用插值法將兩個公式合二為一提出了普朗克公式。為了與實驗相符，必須假定物質輻射（或吸收）的能量不是連續地、而是一份一份地進行的，只能取某個最小數值的整數倍。這個最小數值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數值E=hν

。普朗克當時把它叫做基本作用量子，h普朗克常數。1918年諾貝爾物理學獎授予普朗克，以承認由于他發現能量子對物理學的進展所作的貢獻。第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四愛因斯坦康普頓光電效應以及康普頓效應等無可辯駁的證實了光是一種粒子．第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四光不僅在發射中，而且在傳播過程中以及在與物質的相互作用中，都可以看成能量子。愛因斯坦稱之為光量子，也就是后來所謂的光子(photon)。光子是人類繼電子后認識到的第二個基本粒子，不帶電，呈中性。因為電磁場是一種恒以光速c運動的物質，它的靜止質量為零。第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四實物具有微粒結構，電磁場也具有微粒結構，構成電磁場的基本粒子就是光子。電磁場可以被看做是波動性和粒子性矛盾的統一體。它是一系列的波，同時又是光子的集合。體現其粒子性的能量和動量，與體現其波動性的頻率和波長不可分割地聯系在一起。結論：愛因斯坦的光子論非牛頓微粒說的復舊，而是人類對于光和電磁場這類物質認識上的一個飛躍。第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四在反射、折射、干涉、衍射、色散等現象中，波動性往往成為主要矛盾方面，光便表現出像波。在黑體輻射、光致發光、光電效應，以及其他一些有關光的產生和轉化的現象中，粒子性往往成為主要矛盾方面，光便表現出像粒子。不同條件下主要矛盾方面會發生轉化第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四

人類關于波粒二象性的認識并沒有停留于此，1924年愛因斯坦提出光子概念后不到20年，年輕的法國物理學家德布羅意提出了“物質波”概念。論證了微觀粒子也具有波動性。正是人們認識到了微觀粒子所具有的波粒二象性的特征，才建立起了描述其運動狀態變化規律的量子力學理論。他的觀點得到電子衍射等實驗的證實。他認為不僅光具有波粒二象性，所有的實物粒子，都具有波粒二象性。第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四波動理論：光是頻率為ν的電磁波；

量子理論：一定頻率的光對應一定能量的光子；

光的波、粒二重性,統一起來。E=hν之間的關系；第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四完全徹底的認識了?

γ射線的光子可以變成兩個帶相反電荷的電子和陽電子，表明光子與電子之間存在著某種聯系?否定

光子是否像原子和分子那樣，具有內部結構?

對光的本質的認識，還遠遠沒有完結。從涌現出來的新現象和規律的研究中，逐步深化對光的本質的認識。

光子是否真的沒有靜質量?

第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四

可以認為，光電系統是工作于電磁波波譜圖上最后一個波段—光頻段的電子系統。

第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四二、光輻射度量

任何固體或液體在高于0K以上任何溫度下都向外輻射電磁波,這種由于物體中的分子、原子受到熱激發而產生的輻射稱為熱輻射。

1400K800K1000K1200K將一塊鐵加熱物體的顏色從暗淡的，后來漸漸變成暗紅到發黃再到亮得耀眼。第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四光輻射度量的對象光電檢測技術的任務是將光輻射轉換成為電能，從而獲得光輻射特征信息，為此需要了解輻射特征的定義。輻射能量特征的研究即為輻射度量學Radiometry。第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四

1869年，基爾霍夫從理論上提出了關于輻射傳播過程的重要定律：在同樣的溫度下，任何物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。即基爾霍夫輻射定律式中：Mb（λ，T）為黑體的單色輻射出射度。第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四

這一定律指出了物體的輻射出射度和吸收比之間的內在聯系，表明：（1）一個好的吸收體也是一個好的輻射體；（2）任何物體的輻射出射度都小于同溫度、同波長的黑體的輻射出射度；（3）黑體的輻射出射度擺脫了對具體物體的依賴關系，顯然是最簡單的，也更便于研究。

這樣，只要知道黑體的輻射出射度，便能了解一般物體的輻射性質。因此，黑體輻射理論的探索，是熱輻射領域的中心問題。第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四輻射度學物理量

1.輻射能以輻射形式發射或傳輸的電磁波能量。輻射能一般用符號Q表示，其單位是焦耳(J)。

2.輻射通量輻射通量P又稱為輻射功率，定義為單位時間內流過某一定面積的輻射能，即輻射通量的單位是瓦特(W)或焦耳/秒(J/s)輻射度量以下標e表示第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四3.輻射出射度輻射出射度M是用來反映面輻射源物體輻射能力的物理量。定義為輻射體在單位面積內所輻射的通量，即單位是W/m2。dSθrdP.dA源面積發射不一定均勻，面上各點附近單位面積發射的功率也不一樣，故M通常是源上位置的函數。第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四4.輻射強度輻射強度I定義為：點輻射源在給定方向上發射的在單位立體角內的輻射通量，用I表示，即輻射強度的單位是瓦特/球面度(W/sr)第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四如果一個置于各向同性、均勻介質中的點輻射體向所有方向發射的總輻射通量是P，則該點輻射體在各個方向的輻射強度I是常量，有

由輻射通量和輻射強度之間的關系式我們知道，一個輻射強度為1W/sr的點光源，總輻射通量等于4πW。

第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四5.輻射亮度輻射亮度L定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射強度，如圖所示。式中θ是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。輻射亮度的單位是瓦特/球面度·米2(W/sr·m2)。θdP由輻射表面定向發射的輻射強度，與輻射體表面所發射通量的空間分布有關。第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四余弦輻射體（朗伯體\均勻漫反射體）：輻射體的輻射強度在空間方向上的分布滿足：I0是輻射體面元dS沿其法線方向的輻射強度。余弦輻射體的輻射亮度為可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角θ無關。余弦輻射體的輻射出射度為第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四6.輻射照度為了評定輻射體對裝置的作用，在輻射接收面上的輻射照度E定義為照射在面元上的輻射通量dP與該面元的面積dA之比。即

單位是W/m2。第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四照度與距離平方反比定理

設點源的輻射強度為I，它與被照面上x點處面積元dA的距離為R，dA的法線與I的夾角為，則投射到dA上的輻射功率為:所以，點光源在被照面上點處的輻射照度為：

第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四基本輻射度量的名稱、符號和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能Q,焦耳J輻射能密度焦耳／立方米Jm-3輻射通量，輻射功率瓦特W輻射強度Ｉ瓦特／球面度W/sr輻射亮度Ｌ

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1輻射出射度Ｍ瓦特／平方米W/m2輻射照度Ｅ瓦特／平方米W/m2第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四光譜輻射度量給定波長λo處極小波長間隔dλ內的輻射通量dΦe(λ)稱為單色輻射通量。Φλ(λ)=dΦe(λ)/dλ，Φλ(λ)稱為光譜輻射通量。總輻射通量：可以用頻率表示光譜分布。可以類推其余的光譜輻射度量。第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四光譜光輻射的名稱、符號及單位第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四四、光度量由于人眼的視覺細胞對不同頻率的輻射有不同響應，對綠光最靈敏，對紅光靈敏度最低，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反映人的亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位。在光頻區域光度學物理量Q，P，I，M，L，E相對應的Qv，Pv，Iv，Mv，Lv，Ev來表示，其定義完全一一對應，其關系如表2所示。第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四表2常用輻度量和光度量之間的對應關系輻射度物理量對應的光度量物理量名稱符號定義式單位物理量名稱符號定義式單位輻射能QJ光量QvQv=∫Pvdtlm·s輻射通量PP=dQ/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm輻射出射度MM=dΦ/dSW/m2光出射度MvMv=dPv/dSlm/m2輻射強度II=dΦ/dΩW/sr發光強度Iv基本量cd輻射亮度LL=dI/(dScosθ)W/m2·sr(光)亮度LvLv=dIv/(dScosθ)cd/m2輻射照度EE=dΦ/dAW/m2(光)照度EvMv=dPv/dAlx第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四光度量的單位是國際計量委員會(CIPM)規定的。在光度單位體系中，被選作基本單位的不是相應的光量或光通量而是發光強度，其單位是坎德拉。坎德拉不僅是光度體系的基本單位，而且也是國際單位制(SI)的七個基本單位之一。它的定義是“一個光源發出頻率為540×1012Hz的單色輻射，若在一給定方向上的輻射強度為1/683(W/sr)，則該光源在該方向上的發光強度為1cd”。第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四人眼對不同波長的單色光，產生相同的視覺響應，要有不同的輻射功率。在引起相同的視覺響應條件下，若在λ附近所需要的光譜輻射功率為dPλ，而對λ=555nm所需要的光譜輻射功率為dP555，則定義

Vλ=dP555/dPλ

光譜光視效率第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四

人眼對波長為555nm的光的視見函數為1，其它波長的視見函數值都小于1，不可見區的視見函數值都等于零。第39頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四

白晝視覺指人眼在明亮環境(＞3坎德拉／米2的亮度)中，對不同波長可見光的視覺。白晝視覺和黃昏視覺

黃昏視覺指人眼在黑暗環境(＜3×10—5坎德拉／米2的亮度中，對不同波長可見光的視覺。第40頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四黃昏視覺Vλ-λ曲線的最大值相對白晝視覺向短波長方向移動了50nm。黃昏視覺白晝視覺所有光度計量均以明視覺的V(λ)為基礎。

第41頁，共45頁，2023年，2月20日，星期四光度量的最基本單位