第二章光度学课件.ppt

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1、第二章光度学第1页，此课件共41页哦几个光学量的定义几个光学量的定义1.1.光通量光通量 V V:可见光对人眼的刺激程度可见光对人眼的刺激程度,流明流明2.2.光照度光照度 E EV V :单位面积接受的光通量单位面积接受的光通量,Lx,Lx3.3.发光强度发光强度 I IV V：单位立体角发出的光通量单位立体角发出的光通量,cd,cd4.4.光亮度光亮度 L LV V：单位面积在单位立体角中发出的光通单位面积在单位立体角中发出的光通 量量,熙提熙提第2页，此课件共41页哦光通量光通量 V V=v v()：辐射能通量（辐射度学）辐射能通量（辐射度学）n视见函数视见函数v v():光对人眼视觉的

2、刺激程度光对人眼视觉的刺激程度n广义来说，光通量可以理解为光对光学仪器中接广义来说，光通量可以理解为光对光学仪器中接收器的作用程度，视见函数理解为光谱响应，表收器的作用程度，视见函数理解为光谱响应，表示光进入光学仪器中的有效成份。示光进入光学仪器中的有效成份。光通量的单位为流明（光通量的单位为流明（lmlm）第3页，此课件共41页哦光照度光照度E EV Vn照射在单位面积上的光通量照射在单位面积上的光通量n1 1勒克斯勒克斯=1=1流明流明/m/m2 2n点光源产生的照度（平方反比律）点光源产生的照度（平方反比律）n面光源产生的照度面光源产生的照度第4页，此课件共41页哦点光源的照度点光源的照

3、度第5页，此课件共41页哦面光源的照度面光源的照度第6页，此课件共41页哦发光强度发光强度 I IV V=(candle)(candle)n点光源在单位立体角中发出的光通量点光源在单位立体角中发出的光通量n发光强度是光度学中的基本参数发光强度是光度学中的基本参数点光源点光源第7页，此课件共41页哦亮度亮度L LV V发光体发出的光在空间的分布情况发光体发出的光在空间的分布情况n单位投影面积在指定的方向上的发光强度 n亮度的单位：lm/m2.cr=cd/m2 lm/cm2.cr=cd/cm2=sb(熙提)第8页，此课件共41页哦常见光源的亮度常见光源的亮度（单位面积的发光强度（单位面积的发光强度

4、 cd/m2）第9页，此课件共41页哦激光的亮度激光的亮度一个一个10mW的氦氖激光器，假设光束截面为的氦氖激光器，假设光束截面为1mm2，光束发散角，光束发散角2，其，其辐射射亮度亮度为B=1010 W/m2sr。10mW的激光器的的激光器的辐亮度比太阳的亮度比太阳的辐亮度高数千亮度高数千倍。倍。因此，用眼睛直接看激光是相当危因此，用眼睛直接看激光是相当危险的。的。n太阳的太阳的辐射亮度射亮度为B=3106 W/m2sr。n高度集束的激光，能量非常集中。举例说，在日常生活高度集束的激光，能量非常集中。举例说，在日常生活中我们认为太阳是非常亮的，但一台巨脉冲红宝石激光中我们认为太阳是非常亮的，

5、但一台巨脉冲红宝石激光器发出的激光却比太阳还亮器发出的激光却比太阳还亮200亿倍。当然，激光比太阳亿倍。当然，激光比太阳还亮，并不是因为它的总能量比太阳还大，而是由于它的还亮，并不是因为它的总能量比太阳还大，而是由于它的能量非常集中。例如，红宝石激光器发出的激光射束，能能量非常集中。例如，红宝石激光器发出的激光射束，能穿透一张穿透一张1/3厘米厚的钢板，但总能量却不足以煮熟一个鸡厘米厚的钢板，但总能量却不足以煮熟一个鸡蛋。蛋。第10页，此课件共41页哦像的亮度和照度像的亮度和照度n照度照度E E：像面上单位受光面积接受的光通像面上单位受光面积接受的光通 量量。（使照片感光的是（使照片感光的是“

6、照度照度”问题）问题）n亮度亮度L:L:像面上单位面积在一定方向上发出的像面上单位面积在一定方向上发出的光通量光通量。（用眼睛通过光学仪器来观察物体是（用眼睛通过光学仪器来观察物体是“亮度亮度”问问题）题）第11页，此课件共41页哦投影仪的亮度和照度投影仪的亮度和照度n投影仪在屏幕上成像，投影仪在屏幕上成像，“照度照度E E”即表即表示投射到这个屏幕上单位面积的光通量示投射到这个屏幕上单位面积的光通量是多少？是多少？n人眼看屏幕上的像，从屏幕上发出的光人眼看屏幕上的像，从屏幕上发出的光通量中有多少进入眼瞳中？即通量中有多少进入眼瞳中？即“亮度亮度L L”。它们之间的关系：它们之间的关系：L=E

7、/L=E/第12页，此课件共41页哦 主观亮度主观亮度 D人眼瞳孔的直径，人眼瞳孔的直径，f人眼的焦距人眼的焦距B物体的亮度（物体的亮度（L）k与环境有关的系数与环境有关的系数对于面光源来说，就是人眼视网膜上的照度，它与物对于面光源来说，就是人眼视网膜上的照度，它与物体的距离无关；体的距离无关；用人眼直接观察物体的主观亮度称为天然主观亮度。用人眼直接观察物体的主观亮度称为天然主观亮度。第13页，此课件共41页哦入瞳的直径入瞳的直径“D”应该作出选择：眼瞳直径与望远镜应该作出选择：眼瞳直径与望远镜出瞳直径选择其中出瞳直径选择其中“小小”者（光阑的定义）者（光阑的定义）当使用望远镜时的主观亮度当使

8、用望远镜时的主观亮度第14页，此课件共41页哦例题例题n设眼瞳直径为设眼瞳直径为3mm3mm；n望远镜的物镜直径为望远镜的物镜直径为75mm75mm，当放大率为：，当放大率为：1.1.2020倍倍2.2.2525倍倍3.3.5050倍倍时，望远镜中的月亮的主观亮度与天然主观时，望远镜中的月亮的主观亮度与天然主观亮度之比。亮度之比。第15页，此课件共41页哦点光源的主观亮度点光源的主观亮度n在视网膜上所成的像的尺度还不足于占满一个在视网膜上所成的像的尺度还不足于占满一个单感光细胞（感光单元）单感光细胞（感光单元）n点光源的主观亮度不取决于像的照度，而是取决点光源的主观亮度不取决于像的照度，而是取

9、决于进入瞳孔的总的光通量。所以望远镜可以使点于进入瞳孔的总的光通量。所以望远镜可以使点光源的主观亮度大大增加。光源的主观亮度大大增加。n利用望远镜观察星体时，星体的主观亮度增加了，利用望远镜观察星体时，星体的主观亮度增加了，而天空背景的主观亮度没有增加，因此，我们白而天空背景的主观亮度没有增加，因此，我们白天用望远镜也能看到星体。天用望远镜也能看到星体。第16页，此课件共41页哦一些实际情况下的照度一些实际情况下的照度单位受照面积接受的光通量（单位受照面积接受的光通量（1lx=1lm/m2）第17页，此课件共41页哦光传播过程中光能量的传递光传播过程中光能量的传递n点光源形成的照度点光源形成的

10、照度n面光源形成的照度面光源形成的照度第18页，此课件共41页哦余弦辐射体余弦辐射体（发光强度的空间分布为（发光强度的空间分布为 ）余弦辐射体的各方向上的光亮度相同余弦辐射体的各方向上的光亮度相同第19页，此课件共41页哦余弦辐射体的应用余弦辐射体的应用n自发光漫射体：绝对黑体、面发光源自发光漫射体：绝对黑体、面发光源n漫透射体：乳白玻璃、毛玻璃漫透射体：乳白玻璃、毛玻璃n漫反射体；硫酸钡涂层漫反射体；硫酸钡涂层 可广泛地应用在需要均匀发光的场合，如仪器的均匀可广泛地应用在需要均匀发光的场合，如仪器的均匀照明体（分划板、投影光源等）、显示面板、野外广告灯照明体（分划板、投影光源等）、显示面板、

11、野外广告灯箱等。箱等。第20页，此课件共41页哦 轴上像点的光照度轴上像点的光照度式中：式中：-光学系统的横向放大率光学系统的横向放大率 L-L-物体的亮度物体的亮度 -光学系统的透过率光学系统的透过率第21页，此课件共41页哦轴外像点的光照度轴外像点的光照度随视场的增大迅速地减低随视场的增大迅速地减低第22页，此课件共41页哦光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失三部分三部分：1、透射中的反射损失、透射中的反射损失 2、反射中的透射和吸收损失、反射中的透射和吸收损失 3、介质的吸收损失、介质的吸收损失通过光学仪器以后的光通量为通过光学仪器以后的光通量为:式中：式中：0进入光学仪器的光通量进

12、入光学仪器的光通量 透射面的反射率，通常透明玻璃的反射率为透射面的反射率，通常透明玻璃的反射率为10%-15%，镀增透膜以后，其反射率可，镀增透膜以后，其反射率可减低到减低到1%N1光学系统透射面的数目光学系统透射面的数目 N2光学系统反射面的数目光学系统反射面的数目 T 通过通过1cm厚度光学材料（玻璃）所吸收的光通量的比例（吸收率）厚度光学材料（玻璃）所吸收的光通量的比例（吸收率）f 反射面的反射率，反射面可以镀铝、镀银、镀金等，棱镜反射面可以做到全发射反射面的反射率，反射面可以镀铝、镀银、镀金等，棱镜反射面可以做到全发射 第23页，此课件共41页哦靶场光电探测仪器的靶场光电探测仪器的作用

13、距离作用距离n在一定条件下光学系统能够探测到的最远距离。n对于靶场光电探测仪器来说（如摄影机、电视系统、光电经纬仪、激光测距仪等），作用距离是一项很重要的参数；n最远作用距离主要是取决于光学系统的空间分辨率和接受光能量的能力。n光学系统的大口径、长焦距有利于作用距离的提高，但受大气抖动的限制，造价也大幅度的提高，有时不会去的好的效果。n调焦调光的质量，传动的平稳性，已启动振动等都会形成目标像点的弥散和目标与背景之间的对比度，最终影响到仪器 的作用距离。n实际使用中，外界条件对仪器的作用距离影响很大，如同样的光电经纬仪对某导弹进行跟踪时作用距离为200-300km，但在气象条件很佳时，作用距离可

14、以到500km。第24页，此课件共41页哦空间分辨率空间分辨率（可用角分辨率衡量）（可用角分辨率衡量）取决于：取决于：1，探测器的分辨能力，探测器的分辨能力2，光学系统的分辨能力，光学系统的分辨能力3，环境，如能见度等，环境，如能见度等目标需要分辨的细节取决于用户方的需求，如用户方需要能分辨目标的某目标需要分辨的细节取决于用户方的需求，如用户方需要能分辨目标的某部分机件的形状、尺寸和其它物理量，这就是目标需要分辨的细节。部分机件的形状、尺寸和其它物理量，这就是目标需要分辨的细节。对于点目标而言，作用距离主要取决于光能量及其天空背景。判别目标对于点目标而言，作用距离主要取决于光能量及其天空背景。

15、判别目标能否被探测到，主要有两点：能否被探测到，主要有两点：1，目标像在探测器（胶片）上的黑度，目标像在探测器（胶片）上的黑度能否达到一定的值即照度是否足够；能否达到一定的值即照度是否足够；2，目标与背景的对比度满足一定的，目标与背景的对比度满足一定的比值（比值（c=1:0.5）。）。第25页，此课件共41页哦背景的光度概念背景的光度概念n天空背景主要是由太阳光照射大气颗粒天空背景主要是由太阳光照射大气颗粒后散射形成的。后散射形成的。n背景的亮度与太阳的高度、观察方向、背景的亮度与太阳的高度、观察方向、季节、气候条件等因素有关（这可以在季节、气候条件等因素有关（这可以在相关的资料中查得）。相关

16、的资料中查得）。n一般靶场测试设备中考虑背景的亮度为一般靶场测试设备中考虑背景的亮度为 B 0.5sbB 0.5sb第26页，此课件共41页哦背景在探测器（或胶片）上的照度n天空背景的亮度Bb=(0.2-0.5)sb，与太阳高度、观察方向有关，通常要求观察方向与太阳的夹角大于45。nD/f:系统的相对孔径，直接影响到测角精度和采样能力。焦距越长，测角精度越高，但视场越小，跟踪越困难，结构越庞大，造价越高。nK1:光学系统对背景光谱的透过率第27页，此课件共41页哦仪器设计时需要考虑的仪器设计时需要考虑的目标光度特性目标光度特性（总体设计时的匹配原则）（总体设计时的匹配原则）n点目标和面目标点目

17、标和面目标（点目标测量几何轨迹及其运动参量，（点目标测量几何轨迹及其运动参量，如速度、加速度等，面目标主要是测量其姿态，如目标的攻角、倾斜、如速度、加速度等，面目标主要是测量其姿态，如目标的攻角、倾斜、滚动、非正常现象等）滚动、非正常现象等）n自发光体和非自发光体自发光体和非自发光体n自发光体的光谱特性自发光体的光谱特性 （要求与仪器的光电探测器的光谱特性相匹配）（要求与仪器的光电探测器的光谱特性相匹配）n目标表面的光学反射特性目标表面的光学反射特性 （反射率和光谱特性等）（反射率和光谱特性等）第28页，此课件共41页哦 点目标在光电探测器或胶片上的 照度 式中：B B 目标的亮度目标的亮度

18、D/f D/f光学系统的相对孔径光学系统的相对孔径 光学系统的遮拦比光学系统的遮拦比 K Ka a 大气透过率大气透过率 K K1 1 光学系统对目标的光谱折射率光学系统对目标的光谱折射率 k k2 2 光谱的滤光系数光谱的滤光系数 1 1 目标分辨细节对仪器的张角目标分辨细节对仪器的张角 实际像点弥散均方根值实际像点弥散均方根值 第29页，此课件共41页哦 面目标在光电探测器或胶片上的面目标在光电探测器或胶片上的 照度照度式中：式中：DD光学系统的口径光学系统的口径 AA目标在观察方向上的有效辐射面积目标在观察方向上的有效辐射面积 光学系统的遮拦比光学系统的遮拦比 K Ka a 大气透过率大

19、气透过率 K K1 1 光学系统对目标的光谱折射率光学系统对目标的光谱折射率 k k2 2 光谱的滤光系数光谱的滤光系数 1 1 目标分辨细节对仪器的张角目标分辨细节对仪器的张角 实际像点弥散均方根值实际像点弥散均方根值 第30页，此课件共41页哦光电探测仪器光电探测仪器光能量的传递模式光能量的传递模式光学系统胶片判读仪人眼CCD信息处理目标背景大气输出第31页，此课件共41页哦光的大气传输特性光的大气传输特性n大气对光信号的散射n大气对光信号的吸收n大气的能见度：识别以天空为背景的黑色物体时，常把识别对比度阈值为0.02时得到的最大距离为能见度。n大气透过率：大气中的悬浮粒子，如云、雨、雾、

20、霾、烟尘等对光散射和吸收对目标和背景的光亮度和对比度都产生很大的影响。n大气的扰动：大气折射率和大气密度随气压和气温而变化，当大气折射率和密度不均匀的时候，传递物点光学信息的波前将会产生变形，这种变化是随机的，因而称之为扰动。第32页，此课件共41页哦大气能见度大气能见度式中：式中：A A大气的散射系数大气的散射系数 C CTHTH50%50%人群能够识别目标的对比度阈值人群能够识别目标的对比度阈值第33页，此课件共41页哦大气透过率大气透过率n式中：式中：Z Z天顶距天顶距 大气质量大气质量第34页，此课件共41页哦如何提高目标测量的如何提高目标测量的作用距离作用距离 1.长焦距物镜长焦距物

21、镜有利于放大目标的成像细节，从而增大目标的测量距离；2.大口径大口径有利于像面照度的增加，也能增大作用距离；3.采用光谱滤光技术光谱滤光技术可以减少背景中的不需要的光谱成分，提高被测目标的对比度，增加作用距离；4.自适应光学：自适应光学：利用光子探测手段实时检测光学成像系统波面误差所造成的像点弥散，再按自动控制原理将其进行补充和校正。自适应光学技术可以有效地补偿大气抖动等外界因素造成的目标能量分散，因而可以提高像面照度和对比度，使作用距离大大提高。第35页，此课件共41页哦光学仪器中常用的光学仪器中常用的光源光源n热辐射光源n气体放电光源n固体发光光源n激光器第36页，此课件共41页哦热辐射光

22、源热辐射光源1，太阳：，太阳：直径为139万公里的火球，光谱能量分布为5900Kd 黑体辐射，平均辐射亮度为2107W/m2sr，平均亮度1.95109cd/m2,太阳常数（地球接收到的太阳辐射能的总数）1359W/m22，黑体，黑体:1，黑体的吸收率=1，这意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能。2，尽管在自然界并不存在绝对黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。3，黑体模型为一个球壳形的空腔，使空腔壁面保持均匀的温度，并在空腔上开一个小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射。而每经历一次吸收，辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可

23、以认为所投入的辐射能完全在空腔内部被吸收。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。4，小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小，小孔就越接近黑体。若这个比值小于0.6%，当内壁吸收率为60%时，计算表明，小孔的吸收率可达99.6%。应用这种原理建立的黑体模型作为热辐射研究的标准物体。在黑体辐射的实验研究以及为实际物体提供辐射的比较标准等方面都十分有用。3，白炽灯：，白炽灯：连续光谱，白炽灯可以是真空、充惰性气体和卤素化合物。第37页，此课件共41页哦气体放电光源气体放电光源n在电场作用下，把发光气体激励出电子和离子，气体即成为导电体，电子和离子在电场中得到能量引起原子的激发。当原子从高能级

24、回到低能级时就会发出可见光、紫外、红外光等。n发光效率高，寿命长，结构紧凑。n汞灯、钠灯、金属卤化物灯、氙灯等第38页，此课件共41页哦固体发光光源固体发光光源n应用电致发光效应（在电场中将电能直接转换成（在电场中将电能直接转换成光能的现象）光能的现象）n发光二极管LED由PN结组成的半导体（少数载流子在（少数载流子在PN结区的诸如与复合而产生发光的一种半导体结区的诸如与复合而产生发光的一种半导体光源），光源），低电压、小电流发光器件，功耗小，性能稳定，寿命长，小型，耐冲击等。n应用于仪器仪表显示、指示灯等。第39页，此课件共41页哦激光光源激光光源n气体激光器：气体激光器：氦氖激光器、亚离子

25、激光器、二氧化碳激光器、准分子激光器等n固体激光器：固体激光器：工作物质为掺入具有发射激光能力的金属离子、具备特殊能力的光学玻璃或光学晶体n染料激光器：染料激光器：以染料为工作介质，溶解在有机溶液中，在特定波长光的激发下产生一定带宽的荧光光谱。通过调整谐振腔里的色散元件，可获得不同波长的激光输出，则为可调谐的染料激光器。n半导体激光器：半导体激光器：工作原理与发光二极管相似，PN结为激活物质，两个与结平面垂直的晶体面即为谐振腔。体积小、质量轻、效率高、寿命长，广泛应用于光通信、光学测量自动控制中。按工作物质分：气体激光器、固体激光器、染料激光器按工作物质分：气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等和半导体激光器等第40页，此课件共41页哦光探测器件光辐射到物体表面会产生光电效应或热光辐射到物体表面会产生光电效应或热电效应，以此可以进行光辐射的测量电效应，以此可以进行光辐射的测量n光电效应：物体吸收光子，引起电学性质发生变化。利用此现象制成的探测器为光电探测器。n热电效应：热电效应：物体吸收热辐射，温度升高，引起电学性能的变化。利用此现象制成的 探测器为热电探测器。第41页，此课件共41页哦