光電信息技術(shù)物理基礎(chǔ)

光學(xué)輻射是指波長為1納米到1毫米范圍的電磁輻射,它包括真空紫外輻射、紫外輻射、可見輻射和紅外輻射等部分。輻射度學(xué)就是對光學(xué)輻射進(jìn)展定量評價(jià)的一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)?？梢娸椛渥饔糜谌搜鬯鸬摹肮猕曈X得，是一種生理效應(yīng)，它與輻射的組成、強(qiáng)弱及人的視覺器官的生理特性和人的心思活動都有關(guān)系；光度學(xué)就是根據(jù)人類視覺器官的生理特性和某些商定的規(guī)范來評價(jià)輻射所產(chǎn)生的視覺效應(yīng)。

輻射度學(xué)來源于物理學(xué)上對物體熱輻射特性的研討。隨著光學(xué)輻射在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和科學(xué)研討等方面的運(yùn)用日益廣泛，輻射丈量的重要性也與日俱增。使光度技術(shù)從以目視法占統(tǒng)治的形狀，逐漸過渡到運(yùn)用各種光電和熱電接納器的物理方法，大大改善了丈量精度和提高了任務(wù)效率。另一方面，在輻射度技術(shù)中，也借用了光度學(xué)的表達(dá)方法來描畫輻射源和輻照場的各種輻射度特性，而建立起與光度學(xué)類似的實(shí)際體系。這兩門學(xué)科之間建立了嚴(yán)密的聯(lián)絡(luò)。一、根本概念

在光度學(xué)和輻射度學(xué)中，丈量對象都是光學(xué)輻射，僅僅是所根據(jù)的評價(jià)規(guī)范不同。常用的光度量和輻射度量如表。對于具有延續(xù)光譜的輻射，某種輻射度量Χe〔如輻射強(qiáng)度、輻射亮度等〕的光譜密集度定義為：在包含給定波長λ的無限小波長間隔內(nèi)，相應(yīng)的輻射度量與該波長間隔之商，Χe,λ=dΧe/dλ。輻射度量的光譜密集度與波長的函數(shù)關(guān)系叫做該輻射度量的光譜分布。對于光度量也可給出類似的定義。光度量和輻射度量之間的關(guān)系可以表示為：ΧV=Km∫Χe,λV(λ)dλΧ’V=K’m∫Χe,λV’(λ)dλ式中ΧV和Χ’V分別為與Χe,相對應(yīng)的明視覺光度量和暗視覺光度量，Km＝683流明／瓦，K’m≈1700流明／瓦，分別為明視覺和暗視覺的最大光譜光視效能。二、根本原理

光度學(xué)和輻射度學(xué)的研討對象主要是非相關(guān)光學(xué)輻射，并且以為輻射的傳播服從幾何光學(xué)定律。1、間隔平方反比法那么和照度的余弦法那么：點(diǎn)輻射(光)源在處于某方向的面元上建立的照度與點(diǎn)源朝該方向的輻射〔發(fā)光〕強(qiáng)度I成正比，與點(diǎn)源和面元之間間隔d的平方成反比，與面元法線和入射光線夾角的余弦成正比〔見圖1.2.1-2〕，E=cosθ/d2。圖1.2.1-2間隔平方反比法那么和照度的余弦法那么2、疊加原理：假設(shè)干輻射〔光〕源在一面元上建立的照度等于各輻射〔光〕源單獨(dú)建立的照度之和。3、均勻漫射面及其特性：均勻漫射面〔包括漫反射、漫透射及本身發(fā)光的漫射面〕在任何方向都具有相等的亮度，因此在與面的法線成θ角的方向上的輻射強(qiáng)度或發(fā)光強(qiáng)度Iθ=I0cosθ，I0為漫射面在法線方向的輻射強(qiáng)度或發(fā)光強(qiáng)度。三、規(guī)范與丈量

1、輻射度規(guī)范與輻射丈量

輻射度的原始規(guī)范有兩種類型：規(guī)范輻射源和絕對輻射計(jì)。前者主要是任務(wù)在不同溫度下的黑體爐。根據(jù)斯忒藩－玻耳茲曼定律，黑體的輻射亮度Le=σT4/πσ=5.67032×10-8W/(m2·K4叫斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，T為黑體的絕對溫度。因此只需測得T，就能算得Le。對于實(shí)踐的人工黑體,還必需根據(jù)黑體的腔型、尺寸和所用資料的發(fā)射率確定黑體的發(fā)射率(即黑度系數(shù))ε,εLe才為人工黑體的輻射亮度。在黑體前面加光闌即可作為標(biāo)定輻射計(jì)的規(guī)范。輻射計(jì)入射光闌面上的輻射照度為Ee=εσT4r12g/d2g為幾何因子,由d、r1和r2確定(見圖1.2.1-3)。圖1.2.1-3人工黑體標(biāo)定輻射計(jì)表示圖根據(jù)普朗克定律，可以算出黑體輻射亮度的光譜密度Le,λ=εc1π-1λ-5[exp(c2/λT)-1]式中c1和c2分別是第一和第二普朗克輻射常數(shù)。因此黑體可作為光譜輻射亮度規(guī)范，經(jīng)過光譜丈量系統(tǒng)標(biāo)定規(guī)范燈的光譜輻射亮度作為次級規(guī)范〔見圖1.2.1-4〕。為了消除光路不對稱的影響，必需運(yùn)用比較燈。在黑體前面適當(dāng)位置加一開口面積知的光闌，就可計(jì)算一定間隔處的漫射板上輻射照度的光譜密集度值。經(jīng)過光譜丈量系統(tǒng)，可以作為光譜輻射照度規(guī)范標(biāo)定光譜輻射照度規(guī)范燈在漫射板上產(chǎn)生的輻射照度的光譜密度值,作為次級規(guī)范〔見圖1.2.1-5〕。在這種丈量光路中，不用任何成像系統(tǒng);而在光譜輻射亮度的丈量光路中,必需運(yùn)用成像系統(tǒng),這是兩者不同之處。圖1.2.1-4黑體爐標(biāo)定光譜輻射亮度規(guī)范燈表示圖圖1.2.1-5黑體爐標(biāo)定光譜輻射照度規(guī)范燈表示圖一定溫度的黑體僅在有限的波長范圍才干發(fā)出足夠強(qiáng)的輻射。因此，為要建立不同波長范圍的積分輻射度規(guī)范和光譜輻射度規(guī)范，就需求有不同溫度的黑體爐。在目前技術(shù)條件下，由高溫黑體爐所建立的光譜輻射度規(guī)范在短波方向只能到達(dá)250納米。近十幾年來,開展了同步加速器輻射技術(shù)，可以作為從軟X射線、真空紫外輻射、紫外輻射、可見輻射、不斷到近紅外輻射的原始規(guī)范。各種電校準(zhǔn)絕對輻射計(jì)能丈量輻射束的功率值，也是一種重要的輻射度原始規(guī)范。其根本原理如圖1.2.1-6所示，接納面吸收入射輻射，并把它轉(zhuǎn)化成熱能，使吸收體溫度升高而引起某種物理效應(yīng)〔如溫差電動勢〕。然后遮斷輻射，向附著在吸收體上的加熱絲通電流，使吸收體受熱升溫引起同等的物理效應(yīng)。圖1.2.1-6吉勒姆(Gilham)型絕對輻射計(jì)原理圖上述兩種類型的原始規(guī)范各有其一定的順應(yīng)范圍，在實(shí)踐任務(wù)中，兩者互為補(bǔ)充。輻射丈量可分為相對丈量和絕對丈量兩類。前者丈量兩同名輻射度量之間的比值，因此丈量系統(tǒng)不用定標(biāo)，但必需有良好的線性。在某些情況下，如丈量選擇性光學(xué)資料的積分反射比或透射比，還要求丈量系統(tǒng)的接納器在所思索的波長范圍內(nèi)是中性的。絕對丈量要求丈量輻射量的量值，因此丈量系統(tǒng)必需由輻射度規(guī)范定標(biāo)。

2、光度規(guī)范與光度丈量目前技術(shù)上最成熟的方法是在絕對輻射計(jì)前加V(λ)濾光器，使它具有規(guī)范光度察看者的光譜呼應(yīng)特性〔見圖1.2.1-7〕。由公式Ev=KmE’e/τm即可得到光源在輻射計(jì)入射光闌面上建立的光照度值Ev。式中E’e=τm∫Ee,λV(λ)dλ,是經(jīng)過V(λ)濾光器后為輻射計(jì)實(shí)踐測得的輻射照度,τm是濾光器在波長555納米處的透射比。圖1.2.1-7絕對輻射計(jì)-V(λ)濾光器構(gòu)成光度基準(zhǔn)標(biāo)定發(fā)光強(qiáng)度副基準(zhǔn)燈由一組輻射計(jì)-V(λ)濾光器系統(tǒng)組成光度基準(zhǔn)，用以標(biāo)定一組色溫度為2856K的規(guī)范燈的發(fā)光強(qiáng)度值，作為次級規(guī)范，即發(fā)光強(qiáng)度副基準(zhǔn)，且作堅(jiān)持發(fā)光強(qiáng)度單位──坎德拉。發(fā)光強(qiáng)度規(guī)范燈同時也是光照度規(guī)范燈。它在一定間隔處的面上所建立的光照度可以根據(jù)間隔平方反比法那么計(jì)算得出，用來標(biāo)定光照度計(jì)。當(dāng)光照射均勻漫反射面時，假設(shè)漫反射面的反射比為ρ，面上的照度為E,那么它的亮度為L=ρE/π。因此可用發(fā)光強(qiáng)度規(guī)范燈照射知漫反射比的規(guī)范漫反射板來標(biāo)定亮度計(jì)〔見圖1.2.1-8〕。圖1.2.1-8標(biāo)定亮度計(jì)表示圖光度丈量方法分目視法和客觀