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02第二章辐射度学与光度学基础

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内容提示: 红外物理 2-12 辐射度学和光度学基础 2 辐射度学和光度学基础 2.1 引 言 2.1 引 言 ·辐射度学·辐射度学::是一门研究电磁辐射能测量的科学与技术。在整个是一门研究电磁辐射能测量的科学与技术。在整个电磁波谱范围内,辐射度学的基本概念和定律都是电磁波谱范围内,辐射度学的基本概念和定律都是适用的。 适用的。 两个假设: 两个假设: (1)辐射按直线传播; (1)辐射按直线传播; (2)辐射能是不相干的。 (2)辐射能是不相干的。 辐射度学的特点: 辐射度学的特点: (1)辐射能的测量误差较大,百分之一的误差就认为(1)辐射能的测量误差较大,百分之一的误差就认为是很精确的了。 是...

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红外物理 2-12 辐射度学和光度学基础 2 辐射度学和光度学基础 2.1 引 言 2.1 引 言 ·辐射度学·辐射度学::是一门研究电磁辐射能测量的科学与技术。在整个是一门研究电磁辐射能测量的科学与技术。在整个电磁波谱范围内,辐射度学的基本概念和定律都是电磁波谱范围内,辐射度学的基本概念和定律都是适用的。 适用的。 两个假设: 两个假设: (1)辐射按直线传播; (1)辐射按直线传播; (2)辐射能是不相干的。 (2)辐射能是不相干的。 辐射度学的特点: 辐射度学的特点: (1)辐射能的测量误差较大,百分之一的误差就认为(1)辐射能的测量误差较大,百分之一的误差就认为是很精确的了。 是很精确的了。 原因:辐射能是扩散的。仪器参量和环境参量也原因:辐射能是扩散的。仪器参量和环境参量也会影响测量。 会影响测量。 (2)辐射度学中的一些术语、符号、定义和单位与此(2)辐射度学中的一些术语、符号、定义和单位与此容易混淆。 容易混淆。 原因:历史上,在一些技术领域中已经建立了相原因:历史上,在一些技术领域中已经建立了相应的术语体系。 应的术语体系。 ·光 度 学·光 度 学:研究光能测量的科学与技术(引入了一些描述人眼:研究光能测量的科学与技术(引入了一些描述人眼对光敏感程度的物理量) 。光度学除了包括辐射能客对光敏感程度的物理量) 。光度学除了包括辐射能客观物理量的度量外,还应考虑人眼视觉机理的生理观物理量的度量外,还应考虑人眼视觉机理的生理和感觉印象等心理因素。光度学的一些概念就只能和感觉印象等心理因素。光度学的一些概念就只能适用于可见光范围。 适用于可见光范围。 红外物理 2-22.2 常用辐射量 2.2 常用辐射量 常用的辐射量有: 常用的辐射量有:辐射功率(通量) 、辐射出射度、辐射强度、辐辐射功率(通量) 、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度射亮度以及以及辐射照度。辐射照度。 2.2.1 辐射能 2.2.1 辐射能 所谓辐射能,就是以电磁波的形式发射、传输或接收的能量,用所谓辐射能,就是以电磁波的形式发射、传输或接收的能量,用Q表示,单位是 J。 表示,单位是 J。 辐射场内单位体积中的辐射能称为辐射能密度,用辐射场内单位体积中的辐射能称为辐射能密度,用w表示,单位是 J/m是 J/m3。 表示,单位定义式: 定义式: 。 VQw (2-1) (2-1) 其中,其中,V 为体积,单位是 m为体积,单位是 m3。 。 2.2.2 辐射功率2.2.2 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 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。 单位是 W。 定义式: 定义式: 表示,tQP (2-2) (2-2) 其中,其中,t为时间,单位为 s。 为时间,单位为 s。 说明:说明: 辐射功率辐射功率P与辐射通量与辐射通量混用。 辐射在单位时间内通过某一混用。 辐射在单位时间内通过某一面积的辐射能, 称为经过该面积的辐射通量, 辐射通量也称面积的辐射能, 称为经过该面积的辐射通量, 辐射通量也称为辐通量。 为辐通量。 红外物理 2-32.2.3 辐射强度 2.2.3 辐射强度 辐射强度是描述点辐射源特性的辐射量。 辐射强度是描述点辐射源特性的辐射量。 点源:点源:就是其物理尺寸可以忽略不计,理想上将其抽象为一个点就是其物理尺寸可以忽略不计,理想上将其抽象为一个点的辐射源。否则,就是扩展源。 的辐射源。否则,就是扩展源。 判断: ·判断: ·如果如果测量装置没有使用光学系统,测量装置没有使用光学系统,只要在比辐射源的最大尺寸大 10 倍的距离处观测,辐射源可看作一个点源。 尺寸大 10 倍的距离处观测,辐射源可看作一个点源。 只要在比辐射源的最大··如果如果测量装置使用了光学系统,测量装置使用了光学系统,如果像比探测器小,辐射源可以认为是一个点源;如果像比探测器大,则辐射源可源可以认为是一个点源;如果像比探测器大,则辐射源可认为是一个扩展源。 认为是一个扩展源。 如果像比探测器小,辐射 立体角定义: 立体角定义:立体角是描述辐射能向空间发射、 传输或被某一表面立体角是描述辐射能向空间发射、 传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度。如图所示,定义为:以锥体的基点为球接收时的发散或会聚的角度。如图所示,定义为:以锥体的基点为球心作一球表面,锥体在球表面上所截取部分的表面积心作一球表面,锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径和球半径R平方之比方之比 平 图 2-1 立体角定义 图 2-1 立体角定义 222sinsindSRRd d  dd d  R  式中,式中,为天顶角;为天顶角;为方位角。立体角的单位是球面度(sr) 。 为方位角。立体角的单位是球面度(sr) 。 红外物理 2-4 在平面图形上,常用角度来描述两条或一束射线的发散和会聚的 在平面图形上,常用角度来描述两条或一束射线的发散和会聚的程度,而辐射能是以电磁波的形式向其所在的空间传输,因此需要用程度,而辐射能是以电磁波的形式向其所在的空间传输,因此需要用立体角来描述辐射能在传输中发散和会聚的空间角度。 立体角来描述辐射能在传输中发散和会聚的空间角度。 辐射强度定义:辐射强度定义:辐射源在某一方向上的辐射强度,是指辐射源在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功率,包含该方向的单位立体角内所发出的辐射功率,用用I表示。 表示。 如图 2-1 所示:如图 2-1 所示: PPI0lim (2-3) (2-3) 其中:其中:  为立体角元为立体角元 P  为为  内的辐射功率内的辐射功率 说明: 说明: (1)辐射强度是辐射源所发射的辐射功率在空间分布特性的(1)辐射强度是辐射源所发射的辐射功率在空间分布特性的描述。图为钨丝白炽灯的辐射强度空间分布特性。 描述。图为钨丝白炽灯的辐射强度空间分布特性。    P图2-1辐射强度的定义图2-1辐射强度的定义 红外物理 2-5 钨丝白炽灯的辐射强度空间分布 钨丝白炽灯的辐射强度空间分布 (2)辐射强度的单位是 W/sr。 (2)辐射强度的单位是 W/sr。 (3)如果已知辐射强度,则辐射源发射的总辐射功率 (3)如果已知辐射强度,则辐射源发射的总辐射功率 P 为 为   IdP (2-4) (2-4) 对于各向同性的辐射源,对于各向同性的辐射源, I等于常数,有等于常数,有IP  4。 。 2.2.4 辐射出射度 2.2.4 辐射出射度 辐射出射度简称辐出度,是描述扩展源辐射特性的量。 辐射出射度简称辐出度,是描述扩展源辐射特性的量。 辐出度定义:辐出度定义:辐射源单位表面积向半球空间(2辐射源单位表面积向半球空间(2 立体角)内发射的辐射功率,称为辐射出射度,用的辐射功率,称为辐射出射度,用 M表示。 立体角)内发射如图 2-2 所示: 如图 2-2 所示: 表示。 APAPMA )(lim0 (2-5) (2-5) 其中:其中: A  为小面元 为小面元 P  为为 A  向半球空间内发射的 向半球空间内发射的 辐射功率 辐射功率 APA图2-2辐射出射度的定义图2-2辐射出射度的定义x 红外物理 2-6说明: 说明: (1)辐射出射度是扩展源所发射的辐射功率在源表面分布特(1)辐射出射度是扩展源所发射的辐射功率在源表面分布特性的描述。或者说,它是辐射功率在某一点附近的面密性的描述。或者说,它是辐射功率在某一点附近的面密度的度量。 度的度量。 (2)辐射出射度的单位是 W/m(2)辐射出射度的单位是 W/m2 2。 。 (3)若辐射出射度(3)若辐射出射度 M,则辐射源发射的总辐射功率为 ,则辐射源发射的总辐射功率为   AMdAP (2-6) (2-6) 如果辐射源表面的辐射出射度如果辐射源表面的辐射出射度 M为常数,则为常数,则MAP  。 。 2.2.5 辐射亮度 2.2.5 辐射亮度 辐射亮度简称辐亮度,是描述扩展源辐射特性的量。 辐射亮度简称辐亮度,是描述扩展源辐射特性的量。 辐射亮度定义:辐射亮度定义:辐射源在某一方向上的辐射亮度是指在该方向上辐射源在某一方向上的辐射亮度是指在该方向上的单位投影面积向单位立体角中发射的辐射功的单位投影面积向单位立体角中发射的辐射功率,用率,用 L表示。 如图 2-3 所示: 如图 2-3 所示: 表示。 A A    P n图2-3辐射亮度的定义图2-3辐射亮度的定义x AAcos)(limA22200APPPL (2-7) (2-7) 红外物理 2-7其中: 其中:  cosAA为在为在 方向上看到的面元方向上看到的面元 A  的有效面积, 即投影面积。的有效面积, 即投影面积。为立体角元 为立体角元 P2 为有效面元为有效面元A 向积向积  内发射的辐射功率 内发射的辐射功率 说明: 说明: (1)辐射亮度是扩展源辐射功率在空间分布特性的描述。 (1)辐射亮度是扩展源辐射功率在空间分布特性的描述。 (2)辐射亮度的单位是 W/(m(2)辐射亮度的单位是 W/(m2 2··sr) 。 sr) 。 (3)辐射亮度的大小与源面上的位置(3)辐射亮度的大小与源面上的位置 x及方向及方向 有关。 (4)辐射亮度 (4)辐射亮度 L和辐射出射度有关。 和辐射出射度 M之间的关系如下: 之间的关系如下: 由式(2-7)可知,源面上的小面元由式(2-7)可知,源面上的小面元dA,在,在 方向的方向的小立体角元小立体角元  d 内发射的辐射功率为内发射的辐射功率为dAdLPdcos2所所以,则以,则dA向半球空间发射的辐射功率为 向半球空间发射的辐射功率为 dAdL球面度PddP 球面度2半球空间半球空间2cos 根据 根据M的定义式(2-5) ,可得到的定义式(2-5) ,可得到 L与与M的关系式 的关系式   dL球面度球面度dAdPM2cos (2-8) (2-8) (5)小面源的概念 (5)小面源的概念 小面源是具有一定尺度的“点源” ,即微面源,它是小面源是具有一定尺度的“点源” ,即微面源,它是联系理想点源和实际面源的一个重要的概念。 联系理想点源和实际面源的一个重要的概念。 对于小面源而言,它即有点源特性的辐射强度,又对于小面源而言,它即有点源特性的辐射强度,又有面源的辐射亮度。 有面源的辐射亮度。 对于小面积元 对于小面积元 A  ,有 ,有 cosAcosIPAL (2-9) (2-9) 红外物理 2-8和 和   ALdAIcos (2-10) (2-10) 由于小面源由于小面源 A  面积较小,可以不考虑面积较小,可以不考虑 L随随 A  上位置上位置的变化,则 的变化,则    cosALI (2-11) (2-11) 即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐射亮度乘以小面源在该方向上的投影面积。 射亮度乘以小面源在该方向上的投影面积。 2.2.6 辐射照度 2.2.6 辐射照度 描述一个物体表面被辐照的程度。 描述一个物体表面被辐照的程度。 辐射照度定义:辐射照度定义:被照表面的单位面积上接收到的辐射功率称为该被照表面的单位面积上接收到的辐射功率称为该被照射处的辐射照度。辐射照度简称为辐照度,被照射处的辐射照度。辐射照度简称为辐照度,用用 E表示。 表示。 如图 2-4 所示: 如图 2-4 所示: APAPEA (  )lim0 (2-12) (2-12) 其中:其中: A  为小面元 为小面元 P  为投射到为投射到 A  上的辐射 上的辐射 功率 功率 说明:说明: (1)辐射照度的单位是 W/m(1)辐射照度的单位是 W/m 2 2。 。 (2) 辐射照度与被照面的位置、相对位置有关。 (2) 辐射照度与被照面的位置、相对位置有关。  A P图2-4辐射照度的定义图2-4辐射照度的定义xA 红外物理 2-9 2.3 光谱辐射量与光子辐射量 2.3 光谱辐射量与光子辐射量 考虑辐射源的光谱特性和粒子性。 考虑辐射源的光谱特性和粒子性。 2.3.1 光谱辐射量 2.3.1 光谱辐射量 光谱辐射量:光谱辐射量:在指定波长在指定波长 处取一个小的波长间隔处取一个小的波长间隔    ,在此小波长,在此小波长间隔内的辐射量间隔内的辐射量 X 的增量的增量 X  与与    之比的极限,就定之比的极限,就定义为相应的光谱辐射量,并记为 义为相应的光谱辐射量,并记为   X XX)(lim0 (2-13) (2-13) 如辐射功率为例, 如辐射功率为例, 光谱辐射功率: 光谱辐射功率:   ( PPP)lim0 它表征在指定波长它表征在指定波长  处单位波长间隔内的辐射功率,其单位是 W/处单位波长间隔内的辐射功率,其单位是 W/μm。 μm。   P 通常是通常是 的函数,写为 的函数,写为     P  P (2-14) (2-14) 单色辐射功率:单色辐射功率:在波长在波长 处的小波长间隔处的小波长间隔  d 内的辐射功率为 内的辐射功率为    dPdP (2-15) (2-15) 只要只要  d 足够小,此式中的足够小,此式中的dP 就可以称为波长为就可以称为波长为 的单色辐射功率。 的单色辐射功率。 谱带辐射功率:谱带辐射功率:光谱带光谱带1  ~~2  之间的辐射功率 之间的辐射功率 P = =  dP21 (2-16) (2-16) 全辐射功率:全辐射功率:波长从 0 到∞的全部辐射功率 波长从 0 到∞的全部辐射功率 红外物理 2-10 dP0P (2-17) (2-17) 注 意:注 意: dP (单色辐射功率) :指在足够小的波长间隔内的辐射功率。 (单色辐射功率) :指在足够小的波长间隔内的辐射功率。  P (光谱带内的辐射功率) :指在较大的波长间隔内的辐射功率。 (光谱带内的辐射功率) :指在较大的波长间隔内的辐射功率。 P (全辐射功率) :指 0(全辐射功率) :指 0~~∞的全部波长内的辐射功率。 ∞的全部波长内的辐射功率。 dP 、、 P 和和 P 的不同之处在于所占的波长范围不同, 而单位都是 W,的不同之处在于所占的波长范围不同, 而单位都是 W,都是真正辐射功率的度量。 都是真正辐射功率的度量。   P (光谱辐射功率)是表征辐射功率随波长分布特性的物理量,(光谱辐射功率)是表征辐射功率随波长分布特性的物理量,并非真正的辐射功率的度量。 并非真正的辐射功率的度量。 2.3.2 光子辐射量 2.3.2 光子辐射量 光子探测器对于入射辐射的响应,考虑的是它每秒钟接收到的光光子探测器对于入射辐射的响应,考虑的是它每秒钟接收到的光子数目。描述这类探测器的性能和与其有关的辐射量时,通常采用每子数目。描述这类探测器的性能和与其有关的辐射量时,通常采用每秒接收(或发射、传输)的光子数代替辐射功率来定义各辐射量。这秒接收(或发射、传输)的光子数代替辐射功率来定义各辐射量。这样定义的辐射量叫做光子辐射量。 样定义的辐射量叫做光子辐射量。 1、光子数 1、光子数 光子数是指由辐射源发出的光子数量,用 光子数是指由辐射源发出的光子数量,用PN 表示,是无量纲量。 表示,是无量纲量。  dQhdNNPP1 (2-23) (2-23) 其中,其中, 为频率;为频率; 为波长;为波长;h为普朗克常数;为普朗克常数;c为光速。 为光速。 2、光子通量 2、光子通量 光子通量是指在单位时间内发射、 传输或接收到的光子数, 用光子通量是指在单位时间内发射、 传输或接收到的光子数, 用P  表示,即 示,即 表 红外物理 2-11tNPP (2-24) (2-24) P  的单位是 1/s。 的单位是 1/s。 3、光子辐射强度 3、光子辐射强度 光子辐射强度是光源在给定方向上的单位立体角内所发射的光子光子辐射强度是光源在给定方向上的单位立体角内所发射的光子通量,用通量,用P I 表示,即 表示,即 PP I (2-25) (2-25) P I 的单位是 1/(s的单位是 1/(s··sr) 。 sr) 。 4、光子辐射亮度 4、光子辐射亮度 辐射源在给定方向上的光子辐射亮度是指在该方向上的单位投影辐射源在给定方向上的光子辐射亮度是指在该方向上的单位投影面积向单位立体角中发射的光子通量,用面积向单位立体角中发射的光子通量,用PL 表示。 表示。 Acos2LPP (2-26) (2-26) PL 的单位是 1/(s的单位是 1/(s··m m2 2··sr) 。 sr) 。 5、光子辐射出射度5、光子辐射出射度 辐射源单位表面积向半球空间 2辐射源单位表面积向半球空间 2 内发射的光子通量, 称为光子辐 射出射度,用射出射度,用内发射的光子通量, 称为光子辐PM 表示,即 表示,即  2    cos dLAMPPP (2-27) (2-27) PM 的单位是 1/(s的单位是 1/(s··m m2 2) 。 ) 。 6、光子辐射照度 6、光子辐射照度 光子辐射照度是指被照表面上某一点附近,单位面积上接收到的光子辐射照度是指被照表面上某一点附近,单位面积上接收到的光子通量,用光子通量,用PE 表示,即 表示,即 红外物理 2-12AEPP (2-28) (2-28) PE 的单位是 1/(s的单位是 1/(s··m m2 2) 。 ) 。 7、光子曝光量 7、光子曝光量 光子曝光量是指表面上一点附近单位面积上接收到的光子数,用光子曝光量是指表面上一点附近单位面积上接收到的光子数,用PH 表示,即 表示,即 dtEANHPPP (2-29) (2-29) 光子曝光量光子曝光量PH 还有一个等效的定义, 即光子照度与辐射照射的持续时还有一个等效的定义, 即光子照度与辐射照射的持续时间的乘积。 间的乘积。 2.4 光度量 2.4 光度量 ··光就是能引起人眼光亮感觉的电磁辐射 光就是能引起人眼光亮感觉的电磁辐射 人眼对很强的紫外线或红外线也会有反应,反应不是光亮感觉,人眼对很强的紫外线或红外线也会有反应,反应不是光亮感觉,属于其它物理的或生理的现象。 属于其它物理的或生理的现象。 ··人眼是有生命的光学成像系统 人眼是有生命的光学成像系统 人眼透镜部分(也称水晶体)可改变曲率,实现聚焦,类似于自人眼透镜部分(也称水晶体)可改变曲率,实现聚焦,类似于自动调焦光学系统; 眼球壁的视网膜是感光部分 (锥体细胞和杆体细胞) ,动调焦光学系统; 眼球壁的视网膜是感光部分 (锥体细胞和杆体细胞) ,接受光刺激转变为神经冲动,传导到大脑视觉中枢完成视觉功能。 接受光刺激转变为神经冲动,传导到大脑视觉中枢完成视觉功能。 人眼在一个相当大(约 10 个数量级)的范围内适应视场内的光刺人眼在一个相当大(约 10 个数量级)的范围内适应视场内的光刺激: 激: (1)明视觉响应:当人眼适应大于或等于 3cd/m(1)明视觉响应:当人眼适应大于或等于 3cd/m2 2(光亮度单位)(光亮度单位)视场亮度后,视觉由锥体细胞起作用,同时还具有分辨颜色的能力。 视场亮度后,视觉由锥体细胞起作用,同时还具有分辨颜色的能力。 (2)暗视觉响应:当人眼适应小于或等于 3×10(2)暗视觉响应:当人眼适应小于或等于 3×10-5-5cd/mcd/m2 2视场亮度视场亮度 红外物理 2-13之后,视觉只由杆体细胞起作用。由于杆体细胞没有分辨颜色的能力,之后,视觉只由杆体细胞起作用。由于杆体细胞没有分辨颜色的能力,故夜间人眼观察景物呈灰白色。 故夜间人眼观察景物呈灰白色。 (3)中介视觉响应:随着视场亮度从 3cd/m(3)中介视觉响应:随着视场亮度从 3cd/m2 2降至 3×10降至 3×10-5-5cd/mcd/m2 2,,人眼逐渐由锥体细胞的明视觉响应转向杆体细胞的暗视觉响应。 人眼逐渐由锥体细胞的明视觉响应转向杆体细胞的暗视觉响应。 ··当视场亮度发生突变时,人眼要稳定到突变后的正常视觉状态当视场亮度发生突变时,人眼要稳定到突变后的正常视觉状态需经历一段时间,这种特性成为适应。 需经历一段时间,这种特性成为适应。 杆体细胞内有一种紫红色的感光化学物质——视紫红素。当杆体杆体细胞内有一种紫红色的感光化学物质——视紫红素。当杆体细胞感受外界光能剌激,较强的光量使视紫红素被破坏呈褐色;外界细胞感受外界光能剌激,较强的光量使视紫红素被破坏呈褐色;外界变暗后视紫红素又重新合成而恢复其紫红色。视紫红素的恢复可大大变暗后视紫红素又重新合成而恢复其紫红色。视紫红素的恢复可大大降低视觉阈值,所以视觉适应程度是与视紫红素的合成程度相应的。 降低视觉阈值,所以视觉适应程度是与视紫红素的合成程度相应的。 人眼的明暗视觉适应分为亮适应和暗适应。对视场亮度由暗突然人眼的明暗视觉适应分为亮适应和暗适应。对视场亮度由暗突然到亮的适应称为亮适应,大约需要 2-3min;对视场亮度由亮突然到暗到亮的适应称为亮适应,大约需要 2-3min;对视场亮度由亮突然到暗的适应称为暗适应,通常需要 45min。充分暗适应则需要一个多小时。的适应称为暗适应,通常需要 45min。充分暗适应则需要一个多小时。 红光不破坏杆体细胞中的视紫红素,即红光不影响杆体细胞的暗红光不破坏杆体细胞中的视紫红素,即红光不影响杆体细胞的暗适应过程。在黑暗环境(如暗室洗相或 X 光室)工作的人们,在进入适应过程。在黑暗环境(如暗室洗相或 X 光室)工作的人们,在进入光亮环境时带上红色眼镜,再回到暗室时,由于视紫红素未被破坏,光亮环境时带上红色眼镜,再回到暗室时,由于视紫红素未被破坏,其视觉感受仍保持原来水平,不需重新暗适应便可继续工作。重要的其视觉感受仍保持原来水平,不需重新暗适应便可继续工作。重要的信号灯、车辆的红色尾灯以及飞机驾驶舱内的仪表采用红光照明等情信号灯、车辆的红色尾灯以及飞机驾驶舱内的仪表采用红光照明等情况也均有利于暗适应。况也均有利于暗适应。 ··人眼对各种波长辐射的响应程度是不等的 人眼对各种波长辐射的响应程度是不等的 实验表明,在明视觉情况下,在同等辐射功率的情况下,波长为实验表明,在明视觉情况下,在同等辐射功率的情况下,波长为0.555μm 的黄绿光对人眼造成的光刺激强度最大,光感最强。将人眼0.555μm 的黄绿光对人眼造成的光刺激强度最大,光感最强。将人眼对不同波长辐射的反应程度称为光谱光视效率(也称视见函数) 。 对不同波长辐射的反应程度称为光谱光视效率(也称视见函数) 。 红外物理 2-14由实验测得人眼对不同波长的明视觉光谱光视效率由实验测得人眼对不同波长的明视觉光谱光视效率)( V的数值列的数值列于表 2-1,对应的曲线如图 2-5 所示。 (同时也给出了暗视觉光谱光视于表 2-1,对应的曲线如图 2-5 所示。 (同时也给出了暗视觉光谱光视效率曲线效率曲线)( V) 。 ) 。 表表 2-1 )( V及及)( V函数表函数表 光的光的 颜色颜色 波长(波长(nm)) )(V   )(V'  光的光的 颜色颜色 波长(波长(nm)))(V   )(V'  380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 555 560 570 580 590 0.00004 0.00012 0.00040 0.00121 0.00400 0.01160 0.02300 0.03800 0.06000 0.09098 0.13902 0.20802 0.32300 0.50300 0.71000 0.86200 0.95400 0.99495 1.00000 0.99500 0.95200 0.87000 0.75700 0.00059 0.00021 0.00929 0.03484 0.0966 0.1998 0.3281 0.4550 0.5670 0.6760 0.7930 0.9040 0.9820 0.9970 0.9350 0.8110 0.6500 0.4810 0.4020 0.3288 0.2076 0.1212 0.0655 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 0.63100 0.50300 0.38100 0.26500 0.17500 0.10700 0.06100 0.03200 0.01700 0.00821 0.00410 0.00209 0.00105 0.00052 0.00025 0.00012 0.00006 0.00003 0.00001 0.03300 0.01593 0.00737 0.00335 0.00150 0.00068 0.00031 0.00015 0.00007 0.00004 0.00002 0.00001 0.00000 紫紫 橙橙 蓝蓝 青青 绿绿 黄黄 红红 )( V)(  V ··光度量是辐射能为“标准人眼”接受所引起的视觉刺激大小的光度量是辐射能为“标准人眼”接受所引起的视觉刺激大小的 红外物理 2-15度量 度量 这就是说,光度量是具有“标准人眼”视觉响应特性的人眼对所这就是说,光度量是具有“标准人眼”视觉响应特性的人眼对所接受到的辐射量的度量。这样,光度学除了包括辐射能客观物理量的接受到的辐射量的度量。这样,光度学除了包括辐射能客观物理量的度量外,还应考虑人眼视觉机理的生理和感觉印象等心理因素。 度量外,还应考虑人眼视觉机理的生理和感觉印象等心理因素。 2.4.1 光通量 2.4.1 光通量 ··只要用到光通量这个术语,首先它已把看不见的红外线和紫外只要用到光通量这个术语,首先它已把看不见的红外线和紫外线排除在外了。 线排除在外了。 ··在数量上,不等于看得见的那部分光辐射的功率值。 在数量上,不等于看得见的那部分光辐射的功率值。 在光源发出的辐射功率,只有 0.38在光源发出的辐射功率,只有 0.38~~0.77μm 的辐射才能引起人0.77μm 的辐射才能引起人眼的光刺激,且光刺激的强弱不仅取决于辐射功率的绝对值,还取决眼的光刺激,且光刺激的强弱不仅取决于辐射功率的绝对值,还取决于人眼的光谱光视效率于人眼的光谱光视效率)( V。 。 ··定义辐射能中能被人眼感受的那部分能量为光能,辐射能中由定义辐射能中能被人眼感受的那部分能量为光能,辐射能中由)( V折算到能引起人眼刺激的那部分辐射通量称为光通量, 用表示折算到能引起人眼刺激的那部分辐射通量称为光通量, 用表示v  ,单位为流明(lm) 。 单位为流明(lm) 。 由理论和实验可知,在明视觉情况下,1W 的频率为 540×10由理论和实验可知,在明视觉情况下,1W 的频率为 540×10,1212HzHz的单色辐射 (空气中波长为 0.555μm 的黄绿光) 的辐射通量等于 683lm的单色辐射 (空气中波长为 0.555μm 的黄绿光) 的辐射通量等于 683lm的光通量,称为最大光视效能,记作的光通量,称为最大光视效能,记作mK ( (mK =683lm/W) =683lm/W) 对 于 暗 视 觉 , 峰 值 波 长 是 0.507 μ m , 最 大 光 谱 光 效 率对 于 暗 视 觉 , 峰 值 波 长 是 0.507 μ m , 最 大 光 谱 光 效 率mK =1700lm/W。 =1700lm/W。 其他波长的单色光,1W 辐射通量引起的光通量等于 683其他波长的单色光,1W 辐射通量引起的光通量等于 683 ( )V   lm。lm。写成一般表达式,有光谱辐射通量写成一般表达式,有光谱辐射通量)(  与光谱光通量与光谱光通量( )v    的关系为 的关系为 ( )( ) ( )     (2-26) (2-26) mK V      红外物理 2-16总光通量的为 总光通量的为 0.7700.380( ) ( )  mKVd  (2-27) (2-27) 由(2-26)式和(2-27)式可知,从辐射通量变换到光通量一般由(2-26)式和(2-27)式可知,从辐射通量变换到光通量一般没有简单的关系,这是因为光谱光视效率没有简单的关系,这是因为光谱光视效率 ( )V  没有简单的函数关系。 没有简单的函数关系。 对线光谱 对线光谱 iiiviV) )((..7700380683 (2-28) (2-28) ··光通量是以一个特殊的单位:流明(lm)来表示的。光通量的光通量是以一个特殊的单位:流明(lm)来表示的。光通量的大小是反映某一光源所发出的光辐射引起人眼的光亮感觉的能力的大大小是反映某一光源所发出的光辐射引起人眼的光亮感觉的能力的大小。 小。 ··1W 的辐射通量相当的流明数随波长不同而异。 1W 的辐射通量相当的流明数随波长不同而异。 a.由于在可见光谱范围之外,a.由于在可见光谱范围之外,)( V和和)( V的值为零,因此,在的值为零,因此,在此范围内不管光辐射功率有多大,对光通量的贡献均为零,即“看不此范围内不管光辐射功率有多大,对光通量的贡献均为零,即“看不见” 。 见” 。 b.在b.在 =555nm 处,光谱光视效能最大,V(555)=1,则 1W 相当=555nm 处,光谱光视效能最大,V(555)=1,则 1W 相当于 683lm。 于 683lm。 c.对于其它波长,1W 的辐射通量相当于 683c.对于其它波长,1W 的辐射通量相当于 683)( Vlm。 lm。 例如,对于波长为 0.660μm 的红光,例如,对于波长为 0.660μm 的红光,)( V=0.061,1W 的辐射通=0.061,1W 的辐射通量相当于 0.061×683=41.663lm。因此,同样为 1W 的辐射通量,红光量相当于 0.061×683=41.663lm。因此,同样为 1W 的辐射通量,红光对人眼所产生的刺激只有黄绿光的 1/16。 对人眼所产生的刺激只有黄绿光的 1/16。 ··相反,对于相反,对于 =0.555μm 时,由于=0.555μm 时,由于)( V=1,要得到 1lm 的光通量,=1,要得到 1lm 的光通量,需要的辐射通量的值为 1.46×需要的辐射通量的值为 1.46×310W。 而当W。 而当 =0.660μm 时, 要得到 1lm=0.660μm 时, 要得到 1lm的光通量,需要的辐射通量的值为 23.93×的光通量,需要的辐射通量的值为 23.93×310W。也就是说,当人眼W。也就是说,当人眼 红外物理 2-17看到一束黄绿光与一束红光一样亮时,实际上,红光的辐射功率要比看到一束黄绿光与一束红光一样亮时,实际上,红光的辐射功率要比黄绿光的辐射功率大。 黄绿光的辐射功率大。 ··各种光源辐射的光通量参考值见表 2-2。 各种光源辐射的光通量参考值见表 2-2。 光源名称 光源名称 光通量 (lm) (lm) 光源名称 光源名称 光通量 (lm) (lm) 光通量 光通量 日用 220V, 40 瓦白炽钨丝灯 40 瓦白炽钨丝灯 500 500 250W, 溴钨放映灯 溴钨放映灯 7500 7500 日用 220V, 250W, 日用 40W, 白色荧光灯 白色荧光灯 2000 2000 120W, 超高压汞灯 超高压汞灯 6000 6000 日用 40W, 120W, 仪器用 6V, 7.5W 白炽钨丝灯 7.5W 白炽钨丝灯 90 90 200W, 超高压汞灯 超高压汞灯 12000 12000 仪器用 6V, 200W, 6V, 6V, 15W 白炽钨丝灯 15W 白炽钨丝灯 200 200 500W 氙灯 500W 氙灯 25000 25000 6V, 6V, 30W 白炽钨丝灯 30W 白炽钨丝灯 400 400 1000W 碳弧灯 1000W 碳弧灯 50000 50000 12V, 12V, 50W 白炽钨丝灯 50W 白炽钨丝灯 1000 1000 LED LED 120 120 2.4.2 发光强度2.4.2 发光强度 点光源在包含给定方向上的单位立体角内所发出的光通量,称为 点光源在包含给定方向上的单位立体角内所发出的光通量,称为该点光源在该给定方向上的发光强度,用该点光源在该给定方向上的发光强度,用  I 表示,即 表示,即  vI (2-29) (2-29) 发光强度的单位为坎德拉(candle) ,简写成 cd,它是光度学中发光强度的单位为坎德拉(candle) ,简写成 cd,它是光度学中最基本的单位。其它单位(如光通量、光亮度、光照度等的单位)都最基本的单位。其它单位(如光通量、光亮度、光照度等的单位)都是由这一基本单位导出的。 是由这一基本单位导出的。 坎德拉的定义为:一个频率为 540×10坎德拉的定义为:一个频率为 540×101212Hz 的单色辐射光源,若在Hz 的单色辐射光源,若在 红外物理 2-18给定方向上的辐射强度为 1/683W/sr,则该光源在该方向的发光强度给定方向上的辐射强度为 1/683W/sr,则该光源在该方向的发光强度为 1cd。 为 1cd。 定义中以频率取代波长,可以避免空气折射率的影响,使定义更定义中以频率取代波长,可以避免空气折射率的影响,使定义更严格;也可以使这一频率对应于空气中波长为 0.555μm 的单色辐射,严格;也可以使这一频率对应于空气中波长为 0.555μm 的单色辐射,即是对人眼光刺激最灵敏的波长。 即是对人眼光刺激最灵敏的波长。 由基本单位坎德拉可以导出光通量的单位流明(lumen) :发光强由基本单位坎德拉可以导出光通量的单位流明(lumen) :发光强度为 1cd 的点光源在单位立体角 1sr 内发出的光通量定义为 1lm,即度为 1cd 的点光源在单位立体角 1sr 内发出的光通量定义为 1lm,即1lm=1cd﹒sr。 1lm=1cd﹒sr。 2.4.3 光出射度 2.4.3 光出射度 光源单位面积向半球空间发出的全部光通量,称为光出射度,用 光源单位面积向半球空间发出的全部光通量,称为光出射度,用vM 表示,即 表示,即 AMvv (2-30) (2-30)  M 的单位是流明每平方米(lm/m的单位是流明每平方米(lm/m2 2) 。 ) 。 2.4.5 光亮度 2.4.5 光亮度 光源在给定方向上的光亮度 光源在给定方向上的光亮度v L 是指在该方向上的单位投影面积向是指在该方向上的单位投影面积向单位立体角中所发出的光通量: 单位立体角中所发出的光通量: Acos2Lvv (2-31) (2-31) 注意到发光强度的定义,光亮度又可表示为 注意到发光强度的定义,光亮度又可表示为  A cosILvv (2-32) (2-32) 即在给定方向上的光亮度也就是该方向上单位投影面积上的发光强即在给定方向上的光亮度也就是该方向上单位投影面积上的发光强 红外物理 2-19度。光亮度简称亮度。 度。光亮度简称亮度。 在国际单位制中,光亮度的单位是坎德拉每平方米(cd/m在国际单位制中,光亮度的单位是坎德拉每平方米(cd/m2 2) 。 ) 。 ··各种发光表面的光亮度参考值如表 2-3 所示。 各种发光表面的光亮度参考值如表 2-3 所示。 表 2-3(a)各种发光表面的光亮度参考值 表 2-3(a)各种发光表面的光亮度参考值 表面名称 表面名称 光亮度(cd/m光亮度(cd/m2 2))表面名称 表面名称 光亮度(cd/m光亮度(cd/m2 2) ) 地面上所见 太阳表面 太阳表面 地面上所见 ((1515~~20)×1020)×108 8 日用 200W,白炽钨丝灯 白炽钨丝灯 800×10800×10日用 200W,4 4 日光下的白纸 日光下的白纸 2.5×102.5×104 4 白光 LED 白光 LED (4(4~~10)×1010)×106 6 晴朗白天的 天空 天空 0.3×100.3×10晴朗白天的 4 4 仪器用 钨丝灯 钨丝灯 10×1010×10仪器用 6 6 月亮表面 月亮表面 ((0.30.3~~0.5)×100.5)×104 46V 汽车头灯6V 汽车头灯10×1010×106 6 月光下的白纸 月光下的白纸 0.03×100.03×104 4 投影仪 放映灯 放映灯 20×1020×10投影仪 6 6 蜡烛 蜡烛 ((0.50.5~~0.6)×100.6)×104 4卤素钨丝灯 卤素钨丝灯 30×1030×106 6 钠光灯 钠光灯 (10(10~~20)×1020)×104 4 碳弧灯 碳弧灯 (15(15~~100)×10100)×107 7日用 50W, 白炽钨丝灯 白炽钨丝灯 450×10450×10日用 50W, 4 4 超高压 汞弧灯 汞弧灯 (40(40~超高压 ~100)×10100)×107 7日用 100W, 白炽钨丝灯 白炽钨丝灯 600×10600×10日用 100W, 4 4 超高压 电光源 电光源 25×1025×10超高压 8 8 表 2-3(b)不同条件下近地平的天空亮度 表 2-3(b)不同条件下近地平的天空亮度 天空状况 天空状况 天空亮度(cd/m天空亮度(cd/m2 2))天空状况 天空状况 天空亮度(cd/m天空亮度(cd/m2 2))晴天 晴天 10104 4 晴天日落后30min 30min 1010晴天日落后-1-1 红外物理 2-20阴天 阴天 10103 3 很亮月光 很亮月光 1010-2-2 阴暗天 阴暗天 10102 2 无月的 晴朗夜空 晴朗夜空 1010无月的 -3-3 阴天日落时 阴天日落时 10 10 无月的 阴天夜空 阴天夜空 1010无月的 -4-4 晴天日落后15min 15min 1 1 晴天日落后 2.4.5 光照度 2.4.5 光照度 被照表面的单位面积上接收到的光通量称为该被照表面的光照被照表面的单位面积上接收到的光通量称为该被照表面的光照度,用度,用 E 表示,有 表示,有 AEvv     (2-33) (2-33) 光照度的单位是勒克斯(1x) 。 光照度的单位是勒克斯(1x) 。 ··某些环境中的光照度值以及在各种工作场合较适当的光照度参某些环境中的光照度值以及在各种工作场合较适当的光照度参考值如表 2-4 所示。 考值如表 2-4 所示。 表 2-4(a)某些环境中的光照度值 表 2-4(a)某些环境中的光照度值 天空状态 天空状态 地面照度(lm/m(lm/m地面照度2 2) ) 天空状态 天空状态 地面照度(lm/m(lm/m地面照度2 2) ) 直射太阳 直射太阳 11~~1.3×101.3×105 5 暗曙光 暗曙光 1 1 全部散射 太阳光 太阳光 11~~2×102×10全部散射 4 4 满月 满月 1010-1-1 阴天 阴天 10103 3 四分之一 月亮 月亮 1010四分之一 -2-2 阴暗天 阴暗天 10102 2 晴天无月 晴天无月 1010-3-3 曙光 曙光 10 10 阴天无月 阴天无月 1010-4-4 红外物理 2-21 表 2-4(b)某些工作场合下的光照度值 表 2-4(b)某些工作场合下的光照度值 场合 场合 光照度(lX) 光照度(lX) 场合 场合 光照度(lX) 光照度(lX) 观看仪器的 示值 示值 3030~观看仪器的 ~50 50 明朗夏天采光良好室内光良好室内100100~明朗夏天采~500 500 一般阅读 及书写 及书写 5050~一般阅读 ~75 75 太阳直照时的地面 的地面 100000 100000 太阳直照时精细工作 (修表) (修表) 100100~精细工作 ~200 200 满月在天顶时的地面 时的地面 0.2 0.2 满月在天顶摄影棚内摄影 摄影棚内摄影 1000 1000 夜间无月时的地面 的地面 3×103×10夜间无月时-4-4 照相制版时 的原稿 的原稿 30003000~照相制版时 ~4000 4000 2.4.6 发光效率 2.4.6 发光效率 发光效率定义为每瓦消耗功率所发出的光通量数,用发光效率定义为每瓦消耗功率所发出的光通量数,用   表示,有 表示,有 Pvv (2-34) (2-34) 发光效率的单位是 lm/W。 发光效率的单位是 lm/W。 ··在蜡烛和煤灯等火焰光源的时代,发光效率估计在 0.1在蜡烛和煤灯等火焰光源的时代,发光效率估计在 0.1~~0.3 0.3 lm/W 之间。 lm/W 之间。 ··爱迪生发明的碳丝电灯泡,把发光效率提高到 2.5lm/W 左右。 爱迪生发明的碳丝电灯泡,把发光效率提高到 2.5lm/W 左右。 ··目前低压钠灯的发光效率约为 180 lm/W。 目前低压钠灯的发光效率约为 180 lm/W。 ··理论分析表明,接近白光的发光效率的理论极限是 250lm/W。 理论分析表明,接近白光的发光效率的理论极限是 250lm/W。 一些常用光源的发光效率一些常用光源的发光效率 光源名称 光源名称 发光效率 (lm/W) (lm/W) 光源名称 光源名称 发光效率 (lm/W) (lm/W) 发光效率 发光效率 红外物理 2-22钨丝灯 钨丝灯 1010~~20 20 钠光灯 钠光灯 60 左右 60 左右 卤素钨灯 卤素钨灯 30 左右 30 左右 超高压汞灯 超高压汞灯 6060~~70 70 荧光灯 荧光灯 3030~~60 60 镝等 镝等 80 左右 80 左右 氙灯 氙灯 4040~~60 60 金属卤素 放电灯 放电灯 80 左右 80 左右 金属卤素 碳弧灯 碳弧灯 4040~~60 60 LED 照明灯 LED 照明灯 4040~~100 100 2.4.9 光量 2.4.9 光量 光量定义为光通量与辐射照射持继时间的乘积,用光量定义为光通量与辐射照射持继时间的乘积,用 Q 表示。如果表示。如果光通量在所考虑的照射时间内是恒定的,则有 光通量在所考虑的照射时间内是恒定的,则有 tQvv    (2-35) (2-35) 光量的单位是 lm光量的单位是 lm··s。s。 如果光通量在所考虑的照射时间内不是恒定的,则有 如果光通量在所考虑的照射时间内不是恒定的,则有   dt)tQvv( (2-36) (2-36) 光量光量vQ 对于描述发光时间很短的闪光特别有用。 对于描述发光时间很短的闪光特别有用。 ··现将我国国家标准“光及有关电磁辐射的量和单位” 现将我国国家标准“光及有关电磁辐射的量和单位” GB3102.6-93 中有关的量和单位对应关系列于表 2-6。 GB3102.6-93 中有关的量和单位对应关系列于表 2-6。 表 2-6 光及有关电磁辐射的量和单位 表 2-6 光及有关电磁辐射的量和单位 辐射度量 辐射度量 光度量 光度量 量的名称(符号) 量的名称(符号) 单位的名称(符号) 单位的名称(符号) 量的名称(符号) 量的名称(符号) 单位的名称(符号) 单位的名称(符号) 辐射能通量 (辐射能通量 ( 或Radiant Flux Radiant Flux 或P ) 瓦特(W) 瓦特(W) 光通量(光通量() v ) Luminous Flux Luminous Flux 流明(lm) :1lm=cd流明(lm) :1lm=cd﹒sr) ﹒sr 红外物理 2-23辐射强度(辐射强度(I ) Radiant Intensity Radiant Intensity 瓦特每球面度(W/sr) 瓦特每球面度(W/sr) 发光强度(发光强度() vI ) ) Luminous Intensity Luminous Intensity 坎德拉(cd) :cd=lm/sr 坎德拉(cd) :cd=lm/sr 辐射出射度(辐射出射度(M ) Radiant Exitance Radiant Exitance 瓦特每平方米(W/m瓦特每平方米(W/m) 2 2)) 光出射度(光出射度(vM ) Luminous Exitance Luminous Exitance 勒克斯(lx):lx=lm/m勒克斯(lx):lx=lm/m) 2 2 辐射亮度(辐射亮度(L ) Radiance Radiance 瓦特每球面度平方米 瓦特每球面度平方米 [(W/sr[(W/sr﹒) ﹒m m2 2)])] 光亮度(光亮度(v L ) Luminance Luminance 坎德拉每平方米 坎德拉每平方米 ) (cd/m(cd/m2 2)=)=[lm/(sr.m[lm/(sr.m2 2)])] 辐射照度(辐射照度(E ) Irradiance Irradiance 瓦特每平方米(W/m瓦特每平方米(W/m) 2 2)) 光照度(光照度(v E ) Illuminance Illuminance 勒克斯(lx):lx=lm/m勒克斯(lx):lx=lm/m) 2 2 2.5 朗伯余弦定律 2.5 朗伯余弦定律 ··红外辐射源大都不是定向发射辐射的,它们所发射的辐射通量红外辐射源大都不是定向发射辐射的,它们所发射的辐射通量在空间的角分布并不均匀,往往有很复杂的角分布。 在空间的角分布并不均匀,往往有很复杂的角分布。 ··对于一个磨得很光或镀得很好的反射镜,当有一束光入射到它对于一个磨得很光或镀得很好的反射镜,当有一束光入射到它上面时,反射的光线具有很好的方向性,只有恰好逆着反射光线的方上面时,反射的光线具有很好的方向性,只有恰好逆着反射光线的方向观察时,才感到十分耀眼,这种反射称为镜面反射。 向观察时,才感到十分耀眼,这种反射称为镜面反射。 ··对于一个表面粗糙的反射体,其反射的光线没有方向性,在各对于一个表面粗糙的反射体,其反射的光线没有方向性,在各个方向观察时,感到没有什么差别,这种反射称为漫反射。 个方向观察时,感到没有什么差别,这种反射称为漫反射。 ··朗伯余弦定律:对于理想的漫反射体,所反射的辐射功率的空朗伯余弦定律:对于理想的漫反射体,所反射的辐射功率的空间分布由下式描述 间分布由下式描述 ABPcos2 (2-37) (2-37) 式中式中B是一个与方向无关的常数。也就是说,理想反射体单位表面积是一个与方向无关的常数。也就是说,理想反射体单位表面积 红外物理 2-24向空间某方向单位立体角反射(发射)的辐射功率,和该方向与表面向空间某方向单位立体角反射(发射)的辐射功率,和该方向与表面法线夹角的余弦成正比。 法线夹角的余弦成正比。 朗伯面:朗伯面:遵守朗伯余弦定律的辐射表面; 遵守朗伯余弦定律的辐射表面; 朗伯源:朗伯源:相应的辐射源。 相应的辐射源。 2.5.1 朗伯辐射源的辐射亮度 2.5.1 朗伯辐射源的辐射亮度 对于朗伯辐射源,其辐射亮度的表示式为 对于朗伯辐射源,其辐射亮度的表示式为 BAPLAcoslim200 (2-38) (2-38) 此式表明:此式表明:朗伯辐射源的辐射亮度是一个与方向无关的常量。 朗伯辐射源的辐射亮度是一个与方向无关的常量。 2.5.2 朗伯辐射源的特征 2.5.2 朗伯辐射源的特征 如图 2-6 所示,小朗伯辐射源在与法线成如图 2-6 所示,小朗伯辐射源在与法线成 角方向上的辐射强度角方向上的辐射强度  I 为 为    coscos0IALPI (2-39) (2-39) 其中其中ALI0为其法线方向上的辐射强度。 为其法线方向上的辐射强度。 应用:应用:实际应用中,为了确定一个辐射面或漫反射面接近理想朗实际应用中,为了确定一个辐射面或漫反射面接近理想朗 红外物理 2-25伯面的程度,通常可以测量其辐射强度分布曲线。如果辐射强度分布伯面的程度,通常可以测量其辐射强度分布曲线...

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