光电信息技术物理基础
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光电信息技术物理基础
一、基本概念 在光度学和辐射度学中，测量对象(duìxiàng)都是光学
辐射，仅仅是所依据的评价标准不同。常用的光度量和辐 射度量如表。
第二页，共14页。
对于具有连续光谱的辐射，某种辐射度量Χe（如辐射强度、辐 射亮度等）的光谱密集度定义为：在包含给定(ɡěi dìnɡ)波长λ的 无限小波长间隔内，相应的辐射度量与该波长间隔之商，Χe,λ= dΧe /dλ。辐射度量的光谱密集度与波长的函数关系叫做该辐射 度量的光谱分布。对于光度量也可给出类似的定义。光度量和 辐射度量之间的关系可以表示为：
图1.2.1-2 距离平方反比法则和照度的余弦法则
第四页，共14页。
2、叠加原理： 若干辐射(fúshè)（光）源在一面元上建立的照度等于
各辐射(fúshè)（光）源单独建立的照度之和。 3、均匀漫射面及其特性：
均匀漫射面（包括漫反射、漫透射及自身发光的漫射 面）在任何方向都具有相等的亮度，因而在与面的法 线成θ角的方向上的辐射(fúshè)强度或发光强度Iθ = I0 cosθ，I0为漫射面在法线方向的辐射(fúshè)强度或发光 强度。
第八页，共14页。
图1.2.1-5黑体炉标定光谱辐射照度标准灯示意图
一定温度的黑体仅在有限的波长范围才能发出足够强
的辐射。因此，为要建立不同波长范围的积分辐射度标 准和光谱辐射度标准，就需要有不同温度的黑体炉。在 目前技术条件下，由高温黑体炉所建立的光谱辐射度标 准在短波方向只能达到250纳米。近十几年来,发展了同 步加速器辐射技术，可以作为从软X 射线、真空 (zhēnkōng)紫外辐射、紫外辐射、可见辐射、一直到近 红外辐射的原始标准。
图1.2.1-8标定(biāo dìnɡ)亮度计示意 图
第十三页，共14页。Fra bibliotek光度(guāngdù)测量方法分目视法和客观法。目视法是人眼直接参 与测量过程, 多用于作人眼的视觉试验，而光度(guāngdù)测量则用 客观法，或称物理接收器法。客观法所用接收器必须带有V(λ) 修正 滤光器(见图1.2.1-9),它的响应与所接收的光通量或照度直接相关。 因而一切使用客观法的光度(guāngdù)测量都归结为光通量或照度的 测量。
目前技术上最成熟的方法是在绝对辐射计前加V(λ)滤光器，使 它具有标准光度观察者的光谱响应特性（见图1.2.1-7 ）。由公 式Ev = K m E’e /τm 即可得到光源在辐射计入射光阑面上建立的 光照度值Ev 。式中E’e =τm ∫Ee,λV(λ)dλ,是经过V(λ)滤光器后为 辐射计实际测得的辐射照度, τm 是滤光器在波长555纳米处的透 射比。
ΧV = K m ∫Χe,λV(λ)dλ Χ’V = K’m ∫Χe,λV’(λ)dλ 式中ΧV和Χ’V分别为与Χe,相对应的明视觉光度量和暗视觉光度 量，K m ＝683流明／瓦，K’m≈1700流明／瓦，分别为明视觉 和暗视觉的最大光谱光视效能。
第三页，共14页。
二、基本原理 光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，
第十二页，共14页。
发光强度标准灯同时也是光照度标准灯。它在一定(yīdìng)距离处 的面上所建立的光照度可以根据距离平方反比法则计算得出，用来 标定光照度计。
当光照射均匀漫反射面时，若漫反射面的反射比为ρ，面上的照度 为E,则它的亮度为L = ρE/π。因此可用发光强度标准灯照射已知漫反 射比的标准漫反射板来标定亮度计（见图1.2.1-8）。
第十一页，共14页。
图1.2.1-7 绝对辐射计 - V(λ)滤光器构成 光度基准(jīzhǔn)标定发光强度副基准(jīzhǔn)灯
由一组辐射计- V(λ)滤光器系统组成光度基准，用以标定一组 色温度为2856K 的标准灯的发光强度值，作为次级(cìjí)标准， 即发光强度副基准，且作保持发光强度单位──坎德拉。
图1.2.1-9 客观(kèguān)法光度测量 示意图 第十四页，共14页。
第五页，共14页。
三、标准与测量 1、辐射度标准与辐射测量
辐射度的原始标准有两种类型：标准辐射源和绝对辐射计。 前者主要是工作在不同温度下的黑体炉。根据斯忒藩－玻耳兹 曼定律，黑体的辐射亮度
Le = σT4/π
σ= 5.67032×10-8 W/(m2 ·K4叫斯忒藩-玻耳兹曼常数 (chángshù)，T为黑体的绝对温度。因此只要测得T，就能算得 Le 。对于实际的人工黑体,还必须根据黑体的腔型、尺寸和所 用材料的发射率确定黑体的发射率(即黑度系数)ε,εLe才为人工 黑体的辐射亮度。在黑体前面加光阑即可作为标定辐射计的标 准 。辐射计入射光阑面上的辐射照度为
第十页，共14页。
上述两种类型的原始标准各有其一定的适应范围，在实际工作 中，两者互为补充。
辐射测量可分为相对测量和绝对测量两类。前者测量两同名 辐射度量之间的比值，因此测量系统不用定标，但必须有良好 (liánghǎo)的线性。在某些情况下，如测量选择性光学材料的积 分反射比或透射比，还要求测量系统的接收器在所考虑的波长 范围内是中性的。绝对测量要求测量辐射量的量值，因此测量 系统必须由辐射度标准定标。 2、光度标准与光度测量
第九页，共14页。
各种电校准绝对辐射计能测量辐射束的功率值，也是一种(yī zhǒnɡ)重要的辐射度原始标准。其基本原理如图1.2.1-6 所示，
图1.2.1-6 吉勒姆(Gilham)型 绝对(juéduì)辐射计原理图
接收面吸收入射 辐射，并把它转 化成热能，使吸 收体温度升高 (shēnɡ ɡāo)而引 起某种物理效应 （如温差电动势 ）。然后遮断辐 射，向附着在吸 收体上的加热丝 通电流，使吸收 体受热升温引起 同等的物理效应 。
Ee =εσT4 r12 g/d2
g为几何因子,由d、r1和r2确定(见图1.2.1-3)。
第六页，共14页。
图1.2.1-3人工黑体标定辐射计示意图
根据普朗克定律，可以算出黑体辐射亮度的光谱密度 Le,λ=εc1π-1λ-5[exp(c2 /λT)-1]
式中c1和c2分别是第一和第二普朗克辐射常数。因而黑体 可作为光谱辐射亮度标准，通过(tōngguò)光谱测量系统标 定标准灯的光谱辐射亮度作为次级标准（见图1.2.1-4）。 为了消除光路不对称的影响，必须使用比较灯。
并且认为辐射的传播服从几何光学定律。 1、距离平方反比法则和照度的余弦法则： 点辐射(光)源在处于某方向的面元上建立的照度与点源 朝该方向的辐射（发光）强度(qiángdù)I成正比，与点源 和面元之间距离d的平方成反比，与面元法线和入射光线 夹角的余弦成正比（见图1.2.1-2 ），
E = cosθ/d2 。
第七页，共14页。
图1.2.1-4黑体炉标定光谱辐射亮度标准灯示意图 在黑体前面适当(shìdàng)位置加一开口面积已知的光阑，就可计 算一定距离处的漫射板上辐射照度的光谱密集度值。通过光谱测量 系统，可以作为光谱辐射照度标准标定光谱辐射照度标准灯在漫射 板上产生的辐射照度的光谱密度值,作为次级标准（见图1.2.1-5）。 在这种测量光路中，不用任何成像系统;而在光谱辐射亮度的测量光 路中,必须使用成像系统,这是两者不同之处。
一、基本概念 在光度学和辐射度学中，测量对象(duìxiàng)都是光学
辐射，仅仅是所依据的评价标准不同。常用的光度量和辐 射度量如表。
第二页，共14页。
对于具有连续光谱的辐射，某种辐射度量Χe（如辐射强度、辐 射亮度等）的光谱密集度定义为：在包含给定(ɡěi dìnɡ)波长λ的 无限小波长间隔内，相应的辐射度量与该波长间隔之商，Χe,λ= dΧe /dλ。辐射度量的光谱密集度与波长的函数关系叫做该辐射 度量的光谱分布。对于光度量也可给出类似的定义。光度量和 辐射度量之间的关系可以表示为：
图1.2.1-2 距离平方反比法则和照度的余弦法则
第四页，共14页。
2、叠加原理： 若干辐射(fúshè)（光）源在一面元上建立的照度等于
各辐射(fúshè)（光）源单独建立的照度之和。 3、均匀漫射面及其特性：
均匀漫射面（包括漫反射、漫透射及自身发光的漫射 面）在任何方向都具有相等的亮度，因而在与面的法 线成θ角的方向上的辐射(fúshè)强度或发光强度Iθ = I0 cosθ，I0为漫射面在法线方向的辐射(fúshè)强度或发光 强度。
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图1.2.1-5黑体炉标定光谱辐射照度标准灯示意图
一定温度的黑体仅在有限的波长范围才能发出足够强
的辐射。因此，为要建立不同波长范围的积分辐射度标 准和光谱辐射度标准，就需要有不同温度的黑体炉。在 目前技术条件下，由高温黑体炉所建立的光谱辐射度标 准在短波方向只能达到250纳米。近十几年来,发展了同 步加速器辐射技术，可以作为从软X 射线、真空 (zhēnkōng)紫外辐射、紫外辐射、可见辐射、一直到近 红外辐射的原始标准。
图1.2.1-8标定(biāo dìnɡ)亮度计示意 图
第十三页，共14页。Fra bibliotek光度(guāngdù)测量方法分目视法和客观法。目视法是人眼直接参 与测量过程, 多用于作人眼的视觉试验，而光度(guāngdù)测量则用 客观法，或称物理接收器法。客观法所用接收器必须带有V(λ) 修正 滤光器(见图1.2.1-9),它的响应与所接收的光通量或照度直接相关。 因而一切使用客观法的光度(guāngdù)测量都归结为光通量或照度的 测量。
目前技术上最成熟的方法是在绝对辐射计前加V(λ)滤光器，使 它具有标准光度观察者的光谱响应特性（见图1.2.1-7 ）。由公 式Ev = K m E’e /τm 即可得到光源在辐射计入射光阑面上建立的 光照度值Ev 。式中E’e =τm ∫Ee,λV(λ)dλ,是经过V(λ)滤光器后为 辐射计实际测得的辐射照度, τm 是滤光器在波长555纳米处的透 射比。
ΧV = K m ∫Χe,λV(λ)dλ Χ’V = K’m ∫Χe,λV’(λ)dλ 式中ΧV和Χ’V分别为与Χe,相对应的明视觉光度量和暗视觉光度 量，K m ＝683流明／瓦，K’m≈1700流明／瓦，分别为明视觉 和暗视觉的最大光谱光视效能。
第三页，共14页。
二、基本原理 光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，
第十二页，共14页。
发光强度标准灯同时也是光照度标准灯。它在一定(yīdìng)距离处 的面上所建立的光照度可以根据距离平方反比法则计算得出，用来 标定光照度计。
当光照射均匀漫反射面时，若漫反射面的反射比为ρ，面上的照度 为E,则它的亮度为L = ρE/π。因此可用发光强度标准灯照射已知漫反 射比的标准漫反射板来标定亮度计（见图1.2.1-8）。
第十一页，共14页。
图1.2.1-7 绝对辐射计 - V(λ)滤光器构成 光度基准(jīzhǔn)标定发光强度副基准(jīzhǔn)灯
由一组辐射计- V(λ)滤光器系统组成光度基准，用以标定一组 色温度为2856K 的标准灯的发光强度值，作为次级(cìjí)标准， 即发光强度副基准，且作保持发光强度单位──坎德拉。
图1.2.1-9 客观(kèguān)法光度测量 示意图 第十四页，共14页。
第五页，共14页。
三、标准与测量 1、辐射度标准与辐射测量
辐射度的原始标准有两种类型：标准辐射源和绝对辐射计。 前者主要是工作在不同温度下的黑体炉。根据斯忒藩－玻耳兹 曼定律，黑体的辐射亮度
Le = σT4/π
σ= 5.67032×10-8 W/(m2 ·K4叫斯忒藩-玻耳兹曼常数 (chángshù)，T为黑体的绝对温度。因此只要测得T，就能算得 Le 。对于实际的人工黑体,还必须根据黑体的腔型、尺寸和所 用材料的发射率确定黑体的发射率(即黑度系数)ε,εLe才为人工 黑体的辐射亮度。在黑体前面加光阑即可作为标定辐射计的标 准 。辐射计入射光阑面上的辐射照度为
第十页，共14页。
上述两种类型的原始标准各有其一定的适应范围，在实际工作 中，两者互为补充。
辐射测量可分为相对测量和绝对测量两类。前者测量两同名 辐射度量之间的比值，因此测量系统不用定标，但必须有良好 (liánghǎo)的线性。在某些情况下，如测量选择性光学材料的积 分反射比或透射比，还要求测量系统的接收器在所考虑的波长 范围内是中性的。绝对测量要求测量辐射量的量值，因此测量 系统必须由辐射度标准定标。 2、光度标准与光度测量
第九页，共14页。
各种电校准绝对辐射计能测量辐射束的功率值，也是一种(yī zhǒnɡ)重要的辐射度原始标准。其基本原理如图1.2.1-6 所示，
图1.2.1-6 吉勒姆(Gilham)型 绝对(juéduì)辐射计原理图
接收面吸收入射 辐射，并把它转 化成热能，使吸 收体温度升高 (shēnɡ ɡāo)而引 起某种物理效应 （如温差电动势 ）。然后遮断辐 射，向附着在吸 收体上的加热丝 通电流，使吸收 体受热升温引起 同等的物理效应 。
Ee =εσT4 r12 g/d2
g为几何因子,由d、r1和r2确定(见图1.2.1-3)。
第六页，共14页。
图1.2.1-3人工黑体标定辐射计示意图
根据普朗克定律，可以算出黑体辐射亮度的光谱密度 Le,λ=εc1π-1λ-5[exp(c2 /λT)-1]
式中c1和c2分别是第一和第二普朗克辐射常数。因而黑体 可作为光谱辐射亮度标准，通过(tōngguò)光谱测量系统标 定标准灯的光谱辐射亮度作为次级标准（见图1.2.1-4）。 为了消除光路不对称的影响，必须使用比较灯。
并且认为辐射的传播服从几何光学定律。 1、距离平方反比法则和照度的余弦法则： 点辐射(光)源在处于某方向的面元上建立的照度与点源 朝该方向的辐射（发光）强度(qiángdù)I成正比，与点源 和面元之间距离d的平方成反比，与面元法线和入射光线 夹角的余弦成正比（见图1.2.1-2 ），
E = cosθ/d2 。
第七页，共14页。
图1.2.1-4黑体炉标定光谱辐射亮度标准灯示意图 在黑体前面适当(shìdàng)位置加一开口面积已知的光阑，就可计 算一定距离处的漫射板上辐射照度的光谱密集度值。通过光谱测量 系统，可以作为光谱辐射照度标准标定光谱辐射照度标准灯在漫射 板上产生的辐射照度的光谱密度值,作为次级标准（见图1.2.1-5）。 在这种测量光路中，不用任何成像系统;而在光谱辐射亮度的测量光 路中,必须使用成像系统,这是两者不同之处。