第二节 辐射体及其辐射特性 光电成像课件
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光电成像原理 02
§1.2 光电成像对视见光谱阈的延伸《光电成像原理》赵新彦南京邮电1《光电成像原理》赵新彦南京邮电5(,)(,)exp()(,)(,)exp()E r t E r j t d B r t B r j t d ωωωωωω⎧=⎪⎨=⎪⎩∫∫r r r r 表明：物空间的场分布与像空间的场分布的定量关系；广泛的电磁波都具有同一的传播规律。
结论：全部波段电磁波都可成为图像信息的载体。
2．证明广泛的（各种频率的）电磁波都具有同一的传播规律2222[](,)0[](,)0E r B r μεωωμεωω⎧∇+=⎨∇+=⎩r r 和的付氏变换和分别满足亥姆霍兹（）方程：(,)E r t r (,)H r t r (,)E r ωr (,)H r ωr Helmholtz 由方程和波动方程，可得波动方程的通解：Helmholtz《光电成像原理》赵新彦南京邮电72.短波限制：波长极短的辐射具有极强的穿透能力，难以在普通条件下聚焦成像。
光谱短波限：X射线、射线（10-11～10-12m）γγ亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、X射线、射线光电成像的有效波谱区：无线电超短波射线γ§1.3 光电成像对视见灵敏阈的延伸弱光图像光电变换增强强光图像图像探测灵敏阈：图像探测的极限值探测景物细节的因素：1.景物细节的辐射亮度；2.景物细节对光电成像系统接收孔径的张角；3.景物细节与背景之间的辐射对比度。
图像探测特性曲线：选定某一确定的辐射对比度，然后测定可探测到的图像细节的最小张角与最低辐射亮度的关系曲线。
定量表示了该光电成像系统的图像探测灵敏度。
图像探测方程：图像探测特性曲线的解析表达式图像信号与图像噪声的概念图像探测方程光电成像对视见灵敏阈的扩展《光电成像原理》赵新彦南京邮电8§1.4光电成像器件的类型按工作方式来分，光电成像器件可分为两大类：1.直视型光电成像器件:可用于直接观察。
器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。
现代光电成像技术概论 第2章 辐射源、目标及大气特性
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黑体辐射基本定律
普朗克假设E=nhv n=0,1,2… h=6.63*10-34 得到 与实际曲线吻合结果。
March, 2014
Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang
18
黑体辐射基本定律
波尔兹曼方程：
维恩位移定律
March, 2014
激光/微光选通夜视系统 激光扫描大屏幕 激光刻蚀机、激光打印机和激光视盘
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激光/微光选通夜视系统
通过大电流驱动与控制，发射出人们肉眼看不到 的红外光线去照亮被拍摄的目标物体。但由于激 光的光束细、亮度高，因此必须要根据所监视的 远距离目标的距离和范围，通过光学扩束准直镜 头将红外光束扩束照亮到所监视范围的目标场景 。红外线经物体反射后进入摄像机的长焦距镜头 到光敏面上成像。这时我们所看到的是由红外线 反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像 ，即此时由超低照度摄像机可拍摄到黑暗环境下 肉眼看不到的影像。这种影像，再通过传输系统 送到监控中心去记录与显示。
（1）E1泵浦到E3、E4 （2）E3，E4容易衰变到E2 （3）自发发射的光子触发E2到E1的 受激发射，激光波长694.3 nm （4）脉冲激光（每闪几次）
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激光的产生过程与特点
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光电成像原理第二章
13
黑体辐射定律
1、普朗克辐射定律 ( Planck’s radiation law) ——描述黑体辐射出射度随波长、温度变化的函数关系
M 0= (λ , T ) 2π hc 2 1 ⋅ λ5 e hc / λ kT − 1
给定温度下，辐射出射度随波长连续变
化，每条曲线只有一个最大值。
温度越高，辐射出射度越大，不同温度
2 R = = 2π I 1 − 1 + P ∫ dP A l0
当圆盘距点源足够远，即 l0 >> R
l ≈ l0
cos α ≈ 1 时
I I 2 P = S = πR 2 2 l0 l0
光电成像原理
6
3、 面辐射在微面元上的辐照度 辐射面元dA在接收面上O点 形成的照度
O α l dω
dp I cos α E = = dA l2
点源在微面元法线上时
I E= 2 l
－－距离平方反比定律
5
光电成像原理
2、点源向圆盘发射的辐射功率 点源到微面元辐射功率的积分
l α O l0 dρ dθ ρ R
dP = EdA
其中
E=
I cos α l2
dA = ρ dθ d ρ
−1 2
2 R 1 sin 2 β 0 = 2 l0 1 + ( R l0 )2
2π
β0
E=
LA 1 lo2 1 + ( R lo )2
8
光电成像原理
5、 成像系统像平面的辐照度
物空间面元ds0，亮度为L0，成像在像空间面元ds1，确定其照度E ds0发射的光通量
τ
ds0 u0 n0 l
黑体辐射定律
1、普朗克辐射定律 ( Planck’s radiation law) ——描述黑体辐射出射度随波长、温度变化的函数关系
M 0= (λ , T ) 2π hc 2 1 ⋅ λ5 e hc / λ kT − 1
给定温度下，辐射出射度随波长连续变
化，每条曲线只有一个最大值。
温度越高，辐射出射度越大，不同温度
2 R = = 2π I 1 − 1 + P ∫ dP A l0
当圆盘距点源足够远，即 l0 >> R
l ≈ l0
cos α ≈ 1 时
I I 2 P = S = πR 2 2 l0 l0
光电成像原理
6
3、 面辐射在微面元上的辐照度 辐射面元dA在接收面上O点 形成的照度
O α l dω
dp I cos α E = = dA l2
点源在微面元法线上时
I E= 2 l
－－距离平方反比定律
5
光电成像原理
2、点源向圆盘发射的辐射功率 点源到微面元辐射功率的积分
l α O l0 dρ dθ ρ R
dP = EdA
其中
E=
I cos α l2
dA = ρ dθ d ρ
−1 2
2 R 1 sin 2 β 0 = 2 l0 1 + ( R l0 )2
2π
β0
E=
LA 1 lo2 1 + ( R lo )2
8
光电成像原理
5、 成像系统像平面的辐照度
物空间面元ds0，亮度为L0，成像在像空间面元ds1，确定其照度E ds0发射的光通量
τ
ds0 u0 n0 l
大学物理波粒二象性黑体辐射和光电效应及康普顿散射PPT课件
只适于长波，有所谓的“紫外灾难”。
三. 普朗克(Planck)公式(1900年)
1.普朗克公式
MB
瑞利 — 金斯公式 (1900年)
M B
(T )
1
3
2πhc2 ehc kT 1
普朗克常数 h = 6.626×10-34 J·s
（为得到这一公式，普朗克提出 了能量量子化假设）
维恩公式(1896年)
入射光线
AK
OO
OO
OO
G
V
B OO
光电效应实验装置
1)饱和电流Is
当加速电势差增加到一定值时 ，电流达到饱和，说明所有电子都 到达阳极。
在同样加速电压下，光强越强 ，光电流越大。
结论1：单位时间内，光电 子数和入射光的光强有关.
光电效应伏安特性曲线
I
遏 止 电 势
饱 和
电I s
流
光强较强 光强较弱
3、电子的发现（ 1897年） J•J•汤姆孙 (Jospeh John Thomson,1856～1940)
1856年出生于英格兰的曼彻斯特附 近的苏格兰人家庭.1870年进入曼彻斯特 的一所专科学校，本打算学工科，但却 对物理学逐渐发生了兴趣。1876年，他 靠奖学金入剑桥大学读书，此后便在那 里度过了他的一生.领导卡文迪许实验室 达三十余年之久 .
1.热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。
入射
反射
吸收
透射
辐射
❖ 物体辐射电磁波的同体的温度不再变化，此时
物体的热辐射称为平衡热辐射。
2.单色辐出度 —- 在一定温度T 下，物体单位表面在单位时间
内发射的波长在λ~ λ +d λ 范围内的辐射能与波长
【精编】第二章-辐射要点PPT课件
不同，从而昼夜 长短不同。
• 太阳高度角（h）：太阳光线与地平面的夹角，范围为[0,90]。正午太阳 高度角一天内最大。
• 任一地点任一时刻太阳高度角的计算公式如下：
sinh =sinφsinδ+cosφcosδcos ω
φ—纬度 ,δ—太阳赤纬 , ω—时角 正午为00 ,上午为负,下午为正,每小时为150 • 赤纬（δ）：太阳直射点所在的地理纬度。太阳直射点在南北回归线之
间移动，赤纬变化范围为[-23.5°，23.5°]，赤纬在北半球为正，南半 球为负。夏至（6月22日）直射北回归线， δ=23.5°；冬至（12月22日） 直射南回归线，春、秋分太阳直射赤道，δ=-23.5° 。
• 昼夜长短变化特点：
• 时间变化特征：对于同纬度地区来讲，昼夜长 短随太阳直射点而变；正午太阳高度角越大， 昼长越长，太阳直射时正午太阳高度角最大， 为90°；夏半年昼长大于夜长，冬半年夜长大 于昼长，春秋分昼夜平分。
171.0 5.85…………………..
149.9 6.67…………………..
爱因斯坦和爱因斯坦值： 采用爱因斯坦值“E”作为光量 子 所 携 带 的 能 量 ， 即 1mol 光 量 子 ， 也 叫 1 个 爱 因 斯 坦 （ 6.02×1023个光量子）所携带的能量 E =e×6.02×1023。1 个爱因斯坦指的是6.02×1023个光量子数。
δ是斯第芬—波尔兹曼常数5.67×10-8J/( m2.k4)。
该定律表明：物体温度越高，其放射能力越强。
如物体是灰体，则公式前加ε得： ET=εδT4
ET的单位为W/m2，是辐射通量密度单位。
作业1：求太阳和地球发射的辐射通量密度(W/m2）？
已知：太阳半径＝6·96×105Km，T=6000K，ε＝1.0； 地球平均半径＝6.37×103Km，T=288K，ε＝0.95。
• 太阳高度角（h）：太阳光线与地平面的夹角，范围为[0,90]。正午太阳 高度角一天内最大。
• 任一地点任一时刻太阳高度角的计算公式如下：
sinh =sinφsinδ+cosφcosδcos ω
φ—纬度 ,δ—太阳赤纬 , ω—时角 正午为00 ,上午为负,下午为正,每小时为150 • 赤纬（δ）：太阳直射点所在的地理纬度。太阳直射点在南北回归线之
间移动，赤纬变化范围为[-23.5°，23.5°]，赤纬在北半球为正，南半 球为负。夏至（6月22日）直射北回归线， δ=23.5°；冬至（12月22日） 直射南回归线，春、秋分太阳直射赤道，δ=-23.5° 。
• 昼夜长短变化特点：
• 时间变化特征：对于同纬度地区来讲，昼夜长 短随太阳直射点而变；正午太阳高度角越大， 昼长越长，太阳直射时正午太阳高度角最大， 为90°；夏半年昼长大于夜长，冬半年夜长大 于昼长，春秋分昼夜平分。
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149.9 6.67…………………..
爱因斯坦和爱因斯坦值： 采用爱因斯坦值“E”作为光量 子 所 携 带 的 能 量 ， 即 1mol 光 量 子 ， 也 叫 1 个 爱 因 斯 坦 （ 6.02×1023个光量子）所携带的能量 E =e×6.02×1023。1 个爱因斯坦指的是6.02×1023个光量子数。
δ是斯第芬—波尔兹曼常数5.67×10-8J/( m2.k4)。
该定律表明：物体温度越高，其放射能力越强。
如物体是灰体，则公式前加ε得： ET=εδT4
ET的单位为W/m2，是辐射通量密度单位。
作业1：求太阳和地球发射的辐射通量密度(W/m2）？
已知：太阳半径＝6·96×105Km，T=6000K，ε＝1.0； 地球平均半径＝6.37×103Km，T=288K，ε＝0.95。
辐射基本知识精选版演示课件.ppt
辐射类型和能量范围
辐射权重因子
光子 中子
所有能量
1
电子和子
所有能量
1
能量<10keV
5
中子
10-100keV
10
100keV-2MeV
20
2-20MeV
10
>20MeV5质子能量>2MeV5
粒子，裂变碎片，
20
重核
精选文摘
26
组织权重因子
组织或器官
性腺 红骨髓 结肠 肺 胃 膀胱 乳腺
组织权重因 子，WT 0.20 0.12 0.12 0.12 0.12 0.05
精选文摘
24
剂量
剂量
剂量是受辐射照射的物质所接受或吸收的辐射的 一种量度。
吸收剂量，国际单位 Gy（戈瑞） 剂量当量HTR ,考虑射线因素，国际单位 Sv(西弗) 有效剂量E，考虑组织因子，，国际单位 Sv(西弗)
不可以测量，可以根据人受照的情况，计算得出
精选文摘
25
各种射线的辐射权重因子，WR
在核技术应用领域内所涉及的重带电 粒子能量绝大部分在10keV到10MeV之间， 在此能量范围内的重带电粒子穿透物质 时，在气体内最多穿透几厘米，在液体 和固体内最多穿透几十微米的深度后就 全部停滞在该物质内。
精选文摘
21
带电离子电离
带电的电离辐射在穿透物质时主要通过库仑力发 生4种相互作用：
电离辐射分为直接电离辐射和间接电离辐 射。
精选文摘
18
电离
电离前
电离后
精选文摘
19
电离
由α粒子和β粒子产生的电离（直接电 离）
体内α源比体内β源对人产生的伤害更大
《光电成像》PPT课件
37
❖ 电子束的偏转：电子束能够扫描到靶上任何 一处，充分阅读每一个像素信息。
❖ 电子束垂直上靶：当电子束上靶与靶面上积 累的正电荷中和后才能使其转变成视频信号 输出， 那么电子束能否上靶，不仅与电子 的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。 由靶网和调制电极附近的校正线圈来完成。
❖ 利用扫描电子束，解决了多像元的连线和顺 序接通问题。扫描电子束的焦斑即是像元的 大小15~25 m。
30
2. 从原理角度对摄像管的基本要求: ① 要能将图像按空间位置顺序划分成像素， 并作光电转换；
② 像素元素要多，尺寸要小（ m）；
③ 信息的转换和传输速度要快； ④ 要有高灵敏度和宽的动态范围； ⑤ 可靠、方便。
31
❖ 摄像管的基本功能：
光电变换 光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差） 信号阅读部分——扫描输出
❖ 成像器件讲究像质。 ❖ 光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电
子光学系统，所以象散和场曲比较严重，特别在 光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。 ❖ 光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。
14
光电阴极 A
P D
荧光屏
E
F 象散
Q 清晰 B C 象散
场曲
❖ 利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。
16
❖ 将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成 球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善 了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤 平板展开成平面像。
聚焦 极
光纤面 光电阴 阳 荧光
板
极 极屏
光纤面 板
17
❖ 3、紫外变像管 ❖ 紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发
射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于 200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与 光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学 等方面的研究。
❖ 电子束的偏转：电子束能够扫描到靶上任何 一处，充分阅读每一个像素信息。
❖ 电子束垂直上靶：当电子束上靶与靶面上积 累的正电荷中和后才能使其转变成视频信号 输出， 那么电子束能否上靶，不仅与电子 的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。 由靶网和调制电极附近的校正线圈来完成。
❖ 利用扫描电子束，解决了多像元的连线和顺 序接通问题。扫描电子束的焦斑即是像元的 大小15~25 m。
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2. 从原理角度对摄像管的基本要求: ① 要能将图像按空间位置顺序划分成像素， 并作光电转换；
② 像素元素要多，尺寸要小（ m）；
③ 信息的转换和传输速度要快； ④ 要有高灵敏度和宽的动态范围； ⑤ 可靠、方便。
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❖ 摄像管的基本功能：
光电变换 光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差） 信号阅读部分——扫描输出
❖ 成像器件讲究像质。 ❖ 光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电
子光学系统，所以象散和场曲比较严重，特别在 光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。 ❖ 光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。
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光电阴极 A
P D
荧光屏
E
F 象散
Q 清晰 B C 象散
场曲
❖ 利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。
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❖ 将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成 球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善 了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤 平板展开成平面像。
聚焦 极
光纤面 光电阴 阳 荧光
板
极 极屏
光纤面 板
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❖ 3、紫外变像管 ❖ 紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发
射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于 200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与 光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学 等方面的研究。
光电成像原理 03
Review§1.4光电成像器件的类型按工作方式来分，光电成像器件可分为两大类：1.直视型光电成像器件:可用于直接观察。
器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。
2.非直视型光电成像器件:可见光或辐射图像→视频电信号。
只完成摄像功能，不直接输出图像。
《光电成像原理》赵新彦南京邮电1一、直视型光电成像器件工作原理：入射辐射图像光电效应电子图像电场、电磁场二次发射作用增强的电子图像激发荧光屏可见光图像根据工作的辐射波段区分为两种：（1）变像管：入射图像的光谱与输出图像的光谱完全不同。
完成图像的电磁波谱转换，使不可见辐射图像通过像管变成可见图像。
（2）像增强器：接受微弱可见光图像。
输入的光学图像及其微弱，经过器件内电子图像的能量和数量的增加使输出图像增强。
Review《光电成像原理》赵新彦南京邮电2《光电成像原理》赵新彦南京邮电3二、非直视型光电成像器件工作原理：基本结构：电真空式：光敏靶、电子枪、扫描系统，真空管固体式：光敏面阵、电荷耦合转移读出电路电子束扫描入射辐射图像光电效应电荷图像电荷耦合转移视频信号处理、传输显像装置输出图像（）ReviewReview辐射度学与光度学基础知识辐射度学与光度学：研究光的度量的学科。
辐射度量：物理的计量方式，适用于整个电磁辐射谱区。
光度量：从生理角度，以人眼所见的光辐射对大脑的刺激程度来进行计量。
适用于可见光谱区。
《光电成像原理》赵新彦南京邮电5直视型光电成像器件变像管像增强器非直视型光电成像器件直视型光电成像器件：非直视型光电成像器件：光电转换上升过程的滞后<< 下降过程的滞后。
光电成像脉冲响应函数上升斜率近似为∞脉冲响应函数主要决定于光电转换的衰减特性。
噪声（广义）：干扰：噪声：噪声：直视型光电成像器件非直视型光电成像器件视频信噪比:前置放大器输出端的视频信号与噪声之比。
显示信噪比:考虑到人眼接收的效能，取人眼的时间常数作为有效积分时间的信噪比值。
第2章第2部分辐射温度及辐射源1优秀课件
任意光源的颜色只能说与某一温度黑体的颜色相近， 不可能完全相同。相关色温就是发射体和某温度的 黑体有最相近的颜色时黑体的温度。
MRD (Micro Reciprocal Degrees)
国际照明委员会1960-UCS均匀色度图
由不同黑体温度对应的 色坐标点所连成的曲 线——普朗克轨迹。只 要发射体的色坐标落在 普朗克轨迹上，则这一 点对应的黑体温度就是 发射体的色温。
➢ 所谓“和黑体有相近色”并不严格，相近可表示很接 近，也可以是相差甚远但却能找到一个与某温度黑体 的色最近似的相关色温值，因此上图中直线族的长度 是有限度的，约与±15麦克亚当(MacAdam)阈值单位 (表示人眼恰能分辨色差异阈值的单位)相当；
➢ “色差异多大就不能用相关色温表示”也不完全准确， 等相关色温线提供了衡量待测色和黑体色之间近似差 异程度的可能，任意发射体的色坐标离普朗克轨迹越 远，用黑体色来描述发射体色的可能性就越小。
普朗克黑体辐射定律gustavrobertkirchhoff18241887maxplanck18581947wilhelmwien18641928josefstefan18351893ludwigboltzmann18441906p44p39温度和波长是描述黑体热辐射能量的重要参数黑体的对于非黑体的辐射体其发射的热辐射能量或辐射特性也可以用温度和波长来描述非黑体分为灰体和选择体二者发射的辐射能都比黑体的小即辐射发射率随波长变化辐射发射率一般地各种发射辐射能的物体表面在不同的温度下可能具有不同的光谱辐射特性其发射的辐射能比黑体发射的辐射能小且发射率是波长温度的函数
由于待测辐射体的温度是客观的，若取不同的测量波 长值, 则辐亮度温度值可能随着改变。因此, 工业光学高温 计常用中心波长为0.65m的一个窄谱段来测温。
MRD (Micro Reciprocal Degrees)
国际照明委员会1960-UCS均匀色度图
由不同黑体温度对应的 色坐标点所连成的曲 线——普朗克轨迹。只 要发射体的色坐标落在 普朗克轨迹上，则这一 点对应的黑体温度就是 发射体的色温。
➢ 所谓“和黑体有相近色”并不严格，相近可表示很接 近，也可以是相差甚远但却能找到一个与某温度黑体 的色最近似的相关色温值，因此上图中直线族的长度 是有限度的，约与±15麦克亚当(MacAdam)阈值单位 (表示人眼恰能分辨色差异阈值的单位)相当；
➢ “色差异多大就不能用相关色温表示”也不完全准确， 等相关色温线提供了衡量待测色和黑体色之间近似差 异程度的可能，任意发射体的色坐标离普朗克轨迹越 远，用黑体色来描述发射体色的可能性就越小。
普朗克黑体辐射定律gustavrobertkirchhoff18241887maxplanck18581947wilhelmwien18641928josefstefan18351893ludwigboltzmann18441906p44p39温度和波长是描述黑体热辐射能量的重要参数黑体的对于非黑体的辐射体其发射的热辐射能量或辐射特性也可以用温度和波长来描述非黑体分为灰体和选择体二者发射的辐射能都比黑体的小即辐射发射率随波长变化辐射发射率一般地各种发射辐射能的物体表面在不同的温度下可能具有不同的光谱辐射特性其发射的辐射能比黑体发射的辐射能小且发射率是波长温度的函数
由于待测辐射体的温度是客观的，若取不同的测量波 长值, 则辐亮度温度值可能随着改变。因此, 工业光学高温 计常用中心波长为0.65m的一个窄谱段来测温。
光电材料课件 第一章辐射源极其特性
Km 683 lm /W
在可见光范围之外， 视见函数基本为0
人眼对可见光区域外
光度学参量只适用于电磁波谱中很窄的可没有见视光觉区反应域
第二节：朗伯辐射体及其辐射特性
• 定义：
– 各方向的辐亮度不变的辐射体称为朗伯辐射体
• 常见的朗伯辐射体
– 荧光屏 – 绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。
表示以上各辐射度学参量的光谱分布特征
名称
光谱辐射功 率
光谱辐射出 射度
光谱辐射强 度
光谱辐射亮 度
光谱辐射照 度
符号
意义
在指定波长处单位波长间
P 隔的辐射功率
在指定波长处单位波长间
M 隔的辐射出射度
I
在指定波长处单位波长间 隔的辐射强度
L
在指定波长处单位波长间 隔的辐射亮度
E
在指定波长处单位波长间 隔的辐射照度
第一章 辐射源及其特性
第一节：辐射度量及光度量
• 光电器件所接收到的辐射信息均为来自景 物的反射、散射或辐射的电磁波
• 本节目标：
– 掌握辐射度量的物理意义 – 灵活运用辐射度量和光度量进行计算
一、电磁波谱
108m的长电振荡到 10-16m的宇宙射线
全波段电磁波都可成为信息的载体
光辐射习惯上规定约从103μm到10-2μm，只占电磁波谱的一小部分。
E
L0
D 2
2
D 2
2
l
'2
1 4
L0
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2
1
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1 4
L0
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2
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l
f
' 2
成像理论第二章02
• 当X光子进入生物组织后，与电子相互作用，形 成高速电子和散射线。 • 高速电子在通过组织时，与沿途原子相互作用， 使其电离或激发，所以这些都产生化学变化和 生物损伤。 • 有些高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生轫 致辐射，这些轫致辐射与散射线又像原射线一 样继续与物质的原子作用，重复上述过程。 • 通常一个入射X线光子的全部能量都转移给电子， 平均需30次左右的相互作用
• 原子序数、光子能量与三种基本作用的 关系 • 在0.01～10MeV这个常见范围，几乎所 有效应都是由光电效应、康普顿效应、 电子对效应这三个基本过程产生
四、其他作用
• 1、相干散射 • 射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程称 为相干散射。 • 否则就是非相干散射，康普顿效应是非相干散 射 • 相干散射：瑞利散射、核的弹性散射、德布罗 克散射 • 当入射光子在低能范围0.5～200keV时，瑞利 散射概率不可忽视，因此相干散射主要是指瑞 利散射
二、康普顿效应
• 1、康普顿效应又称康普顿散射，是射线光子能 量被部分吸收而产生散射线的过程。
• 具有能量为hv的入射光子与原子的轨道电子相 互作用时，光子交给轨道电子一部分能量后， 其频率发生改变并与入射方向成φ角射出（散射 光子），获得足够能量的轨道电子则脱离原子 束缚与光子入射方向成θ的方向射出（反冲电 子），这个作用过程成为康普顿效应
光电效应示意图
爱因斯坦光电方程
放出光电子的原子变为 正离子，原子处于不稳 定的激发态，其电子空 位很快被外层电子跃入 填充，同时放出特征X 线光子。有时特征X线 在离开原子前，又将外 层电子击脱，该电子称 俄歇电子
E hv EB
• 光电效应实质：物质吸收X线使其产生电离过程 • 此过程中产生次级粒子：（1）负离子（光电子、 俄歇电子）（2）正离子（失去电子的原子） （3）特征辐射 • 2、光电效应发生概率——三方面因素限制 • （1）物质原子序数Z的影响——光电效应的概 4 率与Z的四次方成正比： 光电效应概率 Z
辐射源及其特性 光电成像课件
到达地面的太阳辐射有衰减， 且各波段的衰减不均衡；在多 个波段有凹陷；
到达地面的太阳辐射分布与太 阳高度、大气状态等关系很大。
光电成像原理 5
光电成像原理 6
地球
地球表面的辐射主要由反射和散射 的太阳辐射以及自身热辐射组成。
白天，以反射和散射太阳辐射为主， 地球辐射分布与太阳类似，峰值波 长位于0.5 m 附近，辐射波段集中 在0.3～2.5 m波段。
大气散射的性质与强度取决于大气分子或气溶胶粒子的半径及被散 射光的波长。
大气散射形式主要有：选择性散射－－瑞利(Rayleigh)散射、米氏 (Mie)散射 无选择性散射
瑞利散射
半径a小于波长的1/10以下的微粒引起的散射。 4
光电成像原理 19
大气分子对可见光的散射为瑞利散射。 波长愈短，散射能力愈强。 瑞利散射对不同波长的电磁波有不同的散射能力，属于选择性散射。 大气分子的密度、大小随季节、纬度、气候条件而变动，不同地区
光电成像原理 10
➢ 气体放电灯——根据气压不同，气体发光原理不同，发出 的光辐射性质不同，可以是线光谱，也可以是连续光谱。
分为低压、高压和超高压三类，低压汞灯、镝灯，高压汞 灯，高压氙灯等 ➢ 半导体发光二极管——P型半导体和N型半导体组合而成， 电致发光。
红光二极管、红外发光二极管，白光二极管 ➢ 激光光源——准直单色光
大气散射系数 大气吸收系数
m p m p
k m m p p
大气透过率
m
•
m
•
p
•
p
光电成像原理 24
4、大气窗口
电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。
光电成像原理 25
典型的大气窗口有：
到达地面的太阳辐射分布与太 阳高度、大气状态等关系很大。
光电成像原理 5
光电成像原理 6
地球
地球表面的辐射主要由反射和散射 的太阳辐射以及自身热辐射组成。
白天，以反射和散射太阳辐射为主， 地球辐射分布与太阳类似，峰值波 长位于0.5 m 附近，辐射波段集中 在0.3～2.5 m波段。
大气散射的性质与强度取决于大气分子或气溶胶粒子的半径及被散 射光的波长。
大气散射形式主要有：选择性散射－－瑞利(Rayleigh)散射、米氏 (Mie)散射 无选择性散射
瑞利散射
半径a小于波长的1/10以下的微粒引起的散射。 4
光电成像原理 19
大气分子对可见光的散射为瑞利散射。 波长愈短，散射能力愈强。 瑞利散射对不同波长的电磁波有不同的散射能力，属于选择性散射。 大气分子的密度、大小随季节、纬度、气候条件而变动，不同地区
光电成像原理 10
➢ 气体放电灯——根据气压不同，气体发光原理不同，发出 的光辐射性质不同，可以是线光谱，也可以是连续光谱。
分为低压、高压和超高压三类，低压汞灯、镝灯，高压汞 灯，高压氙灯等 ➢ 半导体发光二极管——P型半导体和N型半导体组合而成， 电致发光。
红光二极管、红外发光二极管，白光二极管 ➢ 激光光源——准直单色光
大气散射系数 大气吸收系数
m p m p
k m m p p
大气透过率
m
•
m
•
p
•
p
光电成像原理 24
4、大气窗口
电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。
光电成像原理 25
典型的大气窗口有：
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查表 yi f xi
M 0i,T B T 5•fx i
绘制 ~M0,T
光电成像原理 15
2、波段辐射计算
0 12M M 0 0 ,,T Td d 0 2M 0,T 0 M d0 ,T 0 1M d 0,Td
12M 0 T 4 ,T0 x2fx dx f x0 xd 1x fxdxzx2zx1 0
Zt
t
0
f
xdx
0
f
xdx
则 M ,T 1 2 M 0 ,T d Z x 2 Z x 1 •T 4
光电成像原理 16
例题
已知太阳峰值辐射波长 m0.48m
物体不能吸收某波长的辐射，则 它也不能发射该波长的辐射，反 之亦然。
只要确定物体的温度和吸收系数， 就可以确定物体的热辐射强度。
光电成像原理 8
黑体(Black Body)
通过KirchБайду номын сангаасoff Law，我们定义一类物体，能完全吸收 入射在它表面的辐射能的理想物体，称为黑体(Black Body) 或绝对黑体。
x m
c2hck1.4388 10 2m •K
则 x•m •T2898x
yfx142.32
x5
exp4.9651x 1
M 0 , T M 0 m , T • f x B T 5 f x
光电成像原理 14
1、光谱辐射计算
设定黑体温度T
确定 m M0m,T
选择 i
xi i m
光电成像原理
5、 成像系统像平面的辐照度
物空间面元ds0，亮度为L0，成像在像空间面元ds1，确定其照度E
ds0发射的光通量
dPL0ds0sin2u0
ds1上的照度
EddsP1 L0
n12 n02
sin2u1
ds0 u0
n0
D D’
f’
， ， 一般情况下，n0 n1 1 D D 1 l f
第二节 辐射体及其辐射特性
朗伯辐射体及其辐射特性 黑体及其辐射定律 典型辐射源及其辐射特性
光电成像原理 1
几种典型情况光辐射量的计算
1、 点源对微面元的照度 点源的辐射强度为I，向立体
n l
O
d
角d发射的辐通量为
dA
dpI•dI•dAl•2cos
Edp Icos
dA l2
点源在微面元法线上时
I
E l2
2、斯蒂芬－玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzman Law）
M0(T) M0,TdT4
5.67108Wm2K4
0
反映黑体全辐射出射度随温度变化的定量关系；黑体全辐射出 射度随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比，因此， 温度的微小变化，就会引起辐射出射度很大的变化。
光电成像原理 12
半功率(3db)波长
1 •T 1728
2•T5270
0 ~ 1, 4% 1 ~2,67%
2 ~,29%
中心波长
光3电•成T像原4理110
0~3,50% 3 ~,50%13
黑体辐射的计算
M M 00m ,,T T m 5 eex x p ph h ccm kkT T 1 1 1
令 y M0 ,T M0 m,T
给定温度下，辐射出射度随波长连续变 化，每条曲线只有一个最大值。
温度越高，辐射出射度越大，不同温度 的曲线不同，具有唯一性。
随着温度的升高，辐射出射度峰值所对 应的波长向短波方向移动。
光电成像原理 11
其他表述方式
M0(,T)
2
c3
h5
h
e kT 1
L 0(,T)M 0,T2 hc 52ehc1 kT1
黑体 1
灰体 1 与波长无关 选择体 1 随波长及温度而变化
➢ 任意辐射体的辐射：
M T T •M 0 T
光电成像原理 10
黑体辐射定律
1、普朗克辐射定律 ( Planck’s radiation law) ——描述黑体辐射出射度随波长、温度变化的函数关系
M0(,T)2h 5c2ehc/1kT1
l
E14L0D f2 114D f2
由于一般光学系统的 D/f’ 比较小，实际应用中简化为
ds1 u1
n1 l’
2
E光电14成像L原0理 Df
6
黑体及其辐射定律
热辐射及其性质
——物体因温度而辐射能量的现象称为热辐射
➢ 任何温度高于绝对零度(-273.15C)的物体，均以电磁波 的形式向外辐射能量，同时也吸收外来电磁波辐射。
1
➢ 黑体的光谱辐射出射度与温度之间存在精确的定量关系。
M0 f ,T
➢ 自然界中不存在绝对黑体，为了描述非黑体的辐射特性， 引入“辐射发射率”及“比辐射率”
e e0
M M0
光电成像原理 9
➢ 非透明物体的比辐射率与吸收率相等。
➢ 是波长和温度的函数，与辐射体表面性质有关。
➢ 0,1 根据比辐射率不同，一般将辐射体分为三类：
－－距离平方反比定律
光电成像原理 2
2、点源向圆盘发射的辐射功率
点源到微面元辐射功率的积分
l
dPEdA
O
其中
E
I
cos
l2
dAdd
l0
P AdP2I11lR0212
当圆盘距点源足够远，即 l0 R l l 0
P I R2 I S
l02
l02
光电成像原理
cos1 时
d d
R
3
光电成像原理
➢ 物体吸收的辐射能多于同一时间放出的辐射能，其总能 量增加，温度升高；反之，总能量减少，温度降低。
➢ 辐射能入射到物体表面，一般发生三种作用：吸收、反 射、透射。对于不透明物体定义：
吸收本领 反射本领
且 1
光电成像原理 7
➢ 物体的发射本领(辐射出射度)与吸收本领间存在确定的比 例关系
基尔霍夫定律(Kirchhoff Law)
——热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸收本领之比，
和物体本身性质无关，是波长和温度的普适函数
一定温度下，物体对某一波长的
M 11M 22 ...M0fT
辐射产生强吸收，则发射该波长 的辐射越强；若为弱吸收，则辐 射亦弱。
M 11 M 22...M 0f,T
3、维恩位移定律（Wien’s Displacement Law）
——黑体的光谱辐射是单峰函数，利用极值条件，求得黑 体辐射出射度峰值波长。
m a x• T b 2 8 9 7 .9m •K
特征随波着长温度的升高，辐射最大关值系对式应的峰值波长向短波能方量向分移布动。
峰值波4长、最大M 辐0m射M 定0律m ,T maB xT •5 T2B 89 81.28621011W 0mm ~~2• m,m ,27• 55K % %5