光学系统设计

6.1 概述
光学系统基本上分为三类： ① 照相系统 ② 显微系统 ③ 望远系统
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
辐射度量的基本单位 （辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量）
辐射能 ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳[J] 辐射通量Φe：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率，是辐射能 的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］ 辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：［］（2：球面度）
6.2 光辐射源及特征 ——万用黑体曲线
在特定温度下，某个波长λ对应的辐射出射度与λm对应的辐射出射度的比值与温度无关：
6.2 光辐射源及特征 ——非黑体源的辐射
对于实际的光源，其辐射出射度小于黑体的辐射出射度，它们的比值称为发射率：
6.2 光辐射源及特征 ——色温
实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见区和温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此 时黑体的温度就称此光源的色温。
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
光度量的最基本单位 （光度量是度量使人眼产生视觉效果的辐射的量）
光出射度：光源上每单位面积向半个空间（2π球面度）内发出的光通量. 光亮度：表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的
发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。
1. 大气中的传输特性 辐射通过大气时，气体分子、水汽、固体粒子及水滴的吸收与散射使辐射通量衰减。散射而引 起的衰减与辐射波长的关系是平滑的，而吸收引起的衰减则具有选择性。
6.2 光辐射源及特征 ——辐射的传输
2. 亮度定理 亮度是人对光的强度的感受。它是一个主观的量。亮度的单位是坎德拉/平方米（2）
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
辐射照度：投射在单位面积上的辐射通量。单位：［2］ 辐射出射度Ｍe ：辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［2］ 辐射亮度Ｌe ：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：［（m2．）］
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
名称 辐射能 辐射能密度
通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱叠加所组成。但其中有些光线偏蓝，有些则偏红， 色温就是专门用来量度和计算光线的颜色成分的方法。
例如：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯 为3800K；中午阳光为5600K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
光度量的最基本单位 （光度量是度量使பைடு நூலகம்眼产生视觉效果的辐射的量）
光量：表示光照的能量。 发光强度：光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。 单位：坎德拉（）［］，它是
国际单位制中七个基本单位之一。 光通量Φv：单位时间里通过某一面积的光能。单位：流明［］。 光照度：单位面积所接受的入射光通量 ，单位：勒克斯［］。
6.2 光辐射源及特征 ——辐射出射度的计算方法
当计算某一波段上的辐射出射度时，可以通过查表的方式进行计算：
M (T)[f(2,T)f(1,T)]M (T)d
0
f (2,T )
M (T )d
0
可以通过查表的方式得到 可由斯忒藩-玻尔兹曼定律计算
6.2 光辐射源及特征 ——光谱选择发射
具有光谱选择性的光辐射源是指其光谱出射度和黑体曲线不相匹配的光源。一般说来，它们具 有较窄的波长。
L1 L2
光学系统设计
6.1 概述 光学仪器从本质上讲是一种传递信息的工具
光源
噪声
噪声
目标 （信息源）
介质
光学系统和 机构
接收器
信号 处理
光学仪器中信息的传递
显示 储存 传输
6.1 概述
光学方法的独特有点：
①由于信息加载于光波，故是一种非接触和破坏测量，还可以进行远距离测量以及危险、恶劣环 境中测量。 ②光波传播速度快，可以进行实时测量和控制。 ③精度高。 ④具有很高的空间分辨率。 ⑤可进行图像处理技术。
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
辐射度量与光度量的关系 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，光度量下标为v。 光度量只在可见光区（波长为３８０-７８０)才有意义。
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
6.2 光辐射源及特征 ——普朗克黑体辐射定律
辐射通量， 辐射功率 辐射强度
辐射亮度
辐射出射度
辐射照度
符号 Q,
定义方程
单位 焦耳
符号 J
焦耳／立方米
3
w
wdQ/dv
瓦特
W
P
dQ/dt
Ｉ
瓦特／球面度
1
Id/d
Ｌ
瓦特／球面度/平方 2 1
Ld2 /d dc Ao s
米
Ｍ
＝ d/Idc Aos 瓦特／平方米
2
Md/dA
Ｅ
瓦特／平方米
2
Ed/dA
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单色辐射出射度Mλ(T)与热力学温度T的关系遵循 普朗克黑体辐射定律：
M(T)
C1
5
1
C2
eT 1
式中： C1=2πc2h C2 h——普朗克常数 k——波尔兹曼常数
6.2 光辐射源及特征 ——维恩位移定律
根据黑体的单色辐射出射度与温度、波长的关系可以看出： 相同温度时，不同波长光波的单色辐射出射度不相同，在某个波长处存在极值λm。 温度T越高，极值λm越小。
(a)砷化镓磷 (b)镓磷 (c)碳弧灯 (d)150W氙弧
6.2 光辐射源及特征 ——相干辐射源
相干长度是能够发生干涉的最大光程差。 ①振动方向相同； ②振动频率相同； ③相位相同或相位差保持恒定
6.2 光辐射源及特征 ——天然辐射源
太阳的辐照度
月亮和水星的辐照度
6.2 光辐射源及特征 ——辐射的传输
m
2897.8 T
λm以为μm单位 T以K为单位
6.2 光辐射源及特征 ——瑞利-金斯定律
M
(T)
C1
5
1
C2
eT 1
λT>>C2
M(T)CC21T4 2c4kT
6.2 光辐射源及特征 ——斯忒藩-玻尔兹曼定律
一个黑体辐射出射度M(T)与黑体本身的热力学温度Ｔ的四次方成正比，即： M(T)=σT4 式中σ=5.67051×10-8 (m2 K4)称为斯忒潘常数。