輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)知識

關(guān)于輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)知識牛頓——微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動理論惠更斯、楊氏和費涅耳等1690年解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象法拉第猜測光與電磁的存在一定關(guān)系麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波1.1光的基本性質(zhì)第2頁,共25頁，2024年2月25日，星期天光量子說1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論。1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出光量子的概念。光子的能量與光的頻率成正比光具有波粒二象性1.1光的基本性質(zhì)第3頁,共25頁，2024年2月25日，星期天輻射能Qe一種以電磁波形式發(fā)射、傳播或接收的能量。單位：焦耳[J]輻射通量Φe單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接收的能量，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時間變化率。單位：瓦［Ｗ］輻射強度Ｉe點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：瓦每球面度［W/Sr］1.2輻射度的基本物理量第4頁,共25頁，2024年2月25日，星期天1.2輻射度的基本物理量SdΩdΦe若點輻射源是各向同性的，即其輻射強度在所有方向上都相同，則該輻射源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量為Φe=Ie×Ω；在空間所有方向上發(fā)射的輻射通量為Φe=Ie×4π圖1-1點輻射源的輻射強度第5頁,共25頁，2024年2月25日，星期天輻射出射度Ｍe

擴展輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：［W/m2］輻射照度Ee投射在單位面積上的輻射通量。單位:［W/m2］1.2輻射度的基本物理量注意：輻射出射度和輻射照度的表達式和單位完全相同，其區(qū)別在于前者描述面輻射源向外發(fā)射的輻射特性，而后者描述輻射接收面所接收的輻射特性。第6頁,共25頁，2024年2月25日，星期天1.2輻射度的基本物理量輻射亮度Ｌe

輻射表面定向發(fā)射的輻射強度。單位:［W/m2．Sr］光譜輻射通量Φe（λ）

輻射通量的光譜密度，即單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。單位：［W/μm］Φe（λ）0λλ

+dλΦe(λ)=dΦe/dλ圖1-2光譜輻射通量與波長關(guān)系第7頁,共25頁，2024年2月25日，星期天基本輻射度量的名稱、符號和定義方程第8頁,共25頁，2024年2月25日，星期天發(fā)光強度Iv發(fā)出波長為555nm的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1/683（Wsr-1）時，在該方向上的發(fā)光強度規(guī)定為1cd。單位：坎德拉（Candela）［cd］，它是國際單位制中七個基本單位之一。光通量Φv光強度為1cd的均勻點光源在1sr內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：流明［lm］。光照度Ev單位面積所接受入射光的量，單位：勒克斯lx，相當(dāng)于1平方米面積上接受到1個流明的光通量。

1.3光度量的基本物理量第9頁,共25頁，2024年2月25日，星期天光度量和輻射度量的定義及表達式是一一對應(yīng)的。輻射度量下標(biāo)為e，例如Qe，Φe，Ie，Me，Ee，光度量下標(biāo)為v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可見光區(qū)（３８０－７８０nm)才有意義。輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)。1.3光度量的基本物理量結(jié)論第10頁,共25頁，2024年2月25日，星期天晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50—500lx陰天室內(nèi)5—50lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機熒光屏100lx閱讀書刊時所需的照度50~60lx在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx第11頁,共25頁，2024年2月25日，星期天什么是黑體？（1）在任何條件下，完全吸收任何波長的外來輻射而無任何反射的物體（2）吸收比為1的物體

（3）在任何溫度下，對入射的任何波長的輻射全部吸收的物體黑體輻射（black-bodyradiation）

1.4黑體輻射第12頁,共25頁，2024年2月25日，星期天1.黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。黑體模型1.4黑體輻射圖1-3黑體模型第13頁,共25頁，2024年2月25日，星期天

既然現(xiàn)實世界不存在這種理想的黑體，那么用什么來刻畫這種差異呢?

對任一波長，定義發(fā)射率為該波長的一個微小波長間隔內(nèi)，真實物體的輻射能量與同溫下的黑體的輻射能量之比。顯然發(fā)射率為介于0與1之間的正數(shù)，一般發(fā)射率依賴于物質(zhì)特性、環(huán)境因素及觀測條件。如果發(fā)射率與波長無關(guān)，那么可把物體叫作灰體(greybody)，否則叫選擇性輻射體。

1.4黑體輻射第14頁,共25頁，2024年2月25日，星期天2.黑體輻射的三個基本定律（1）普朗克輻射定律式中，λ—

波長，m；T—

黑體溫度，K；

c1—

第一輻射常數(shù)，3.742×10-16W

m2；

c2

—

第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2W

K；圖1-4是根據(jù)上式描繪的黑體光譜輻射度與波長和溫度的變化關(guān)系。λm與T

的關(guān)系由Wien位移定律給出，圖1-4普朗克定律圖示1.4黑體輻射第15頁,共25頁，2024年2月25日，星期天（2）斯忒藩—玻爾茲曼定律式中，σ=5.67×10-12w/(cm2

K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。黑體輻射函數(shù)黑體在波長λ1和λ2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射度，如圖1-5所示。

圖1-5特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射1.4黑體輻射第16頁,共25頁，2024年2月25日，星期天（3）維恩位移定律峰值光譜輻射出度Me,s,λm所對應(yīng)的波長λm與絕對溫度T的關(guān)系。1.4黑體輻射第17頁,共25頁，2024年2月25日，星期天例：太陽可以看成黑體，地球上測出其峰值波長為

m=5100?，則其表面溫度和輻出度為多少？

1.4黑體輻射第18頁,共25頁，2024年2月25日，星期天1、溫度范圍廣：-80～1600℃，發(fā)射率優(yōu)于0.995；

2、實用性強：主要用于校準(zhǔn)、檢定輻射溫度計、紅外測溫、紅外熱像儀和輻射溫度傳感器、探測器等；

3、可溯源性：外部配備標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻（或熱電偶）及獨立的顯示表做為標(biāo)準(zhǔn)器顯示黑體腔內(nèi)實際溫度值，這樣只需將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻（或熱電偶）送上級計量部門檢定，這將最大限度的減少了溯源傳遞過程中所造成的不確定度，不需將整臺儀器送檢，方便工作；

4、體積小巧，便于攜帶。

黑體爐優(yōu)點：1.4黑體輻射第19頁,共25頁，2024年2月25日，星期天主要技術(shù)指標(biāo)：1）黑體腔口發(fā)射率2）輻射溫度準(zhǔn)確性3）腔體內(nèi)壁面溫度均勻性1.4黑體輻射第20頁,共25頁，2024年2月25日，星期天對于輻射式溫度計，它是以絕對黑體的輻射能為基準(zhǔn)對儀器進行分度的，所以儀器測出的值稱為輻射溫度。輻射溫度的定義：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能時，此黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)全輻射強度定理，總輻射能相等，則有：輻射測溫因為非黑體全輻射黑度系數(shù)εT<1，則TF<T因此用輻射溫度計測出的溫度要比物體的真實溫度低。第21頁,共25頁，2024年2月25日，星期天因為實際物體的單色黑度系數(shù)和全輻射黑度系數(shù)的數(shù)值相差很大，但是對同一物體的不同波長的單色黑度系數(shù)和來說，其比值的變化卻很小。所以用比色溫度計測得的溫度稱為比色溫度，它與物體的真實溫度很接近，一般可以不進行校正。定義：黑體輻射的兩個波長λ1和λ2的光譜輻射亮度之比等于非黑體的相應(yīng)的光譜輻射亮度之比時，則黑體的溫度即為這個非黑體的比色溫度TS。輻射測溫第22頁,共25頁，2024年2月25日，星期天