信息光电子技术复习提纲

1信息光电子技术复习提纲题型：选择填空、简答、计算、应用分数比例：30:25:20:25基础/概念题1、可见光光谱范围、光子概念、光谱光视效率（视见函数） 、光功当量、光效45lm/W 意义可见光波长范围：380760nm （紫- 红）可见光频率范围： （红-紫）=3.910147.91014光子概念：光量子，简称光子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子（如电子和夸克）相比，光子没有静止质量, 光子有速度、能量、动量、质量，这意味着其在真空中的传播速度是光速。光谱光视效率：人眼的视觉神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。对绿光最敏感，对红、蓝光灵敏度较低。另外，由于受生理和心里作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称为“ 视见函数” 。（定义光谱光视效率 V()为某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能 Km 之比）光功当量： 是明视觉的最大光谱光视效率函数，亦称光功当量，=683/2它表示人眼对波长为 555nm 处光辐射产生光感觉效能。2、光通量、光照度、发光强度、光亮度定义及单位（简单计算）名称 单位 符号 定义 光强度 cd坎德拉(Candela) 光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。定义：发出频率为 （对应空气中5401012555nm 波长）的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为（1/683）Wsr 时，在该方向上的发光强度为1cd.光亮度 cd/m 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。光通量 lm流明(Lumen) 单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。为表明光强和光通量的关系，发光强度为 1cd 的均匀点光源在单位立体角（1 球面度） （1sr）内发出的光通量为 1lm。光照度 lx 勒克斯 1lm 的光通量均匀地照在面积为 1m上所产生的光照度是 1lux。习称“ 烛光米”。光效：光源所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。1. 烛光、国际烛光、坎德拉（candela ）的定义在每平方米 101325 牛顿的标准大气压下，面积等于 1/60 平方厘米的绝对“ 黑体”（即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体） ，在纯铂（Pt）凝固温度（约 2042K 获 1769）时，沿垂直方向的发光强度为 1 坎德拉。并且，烛光、国际烛光、坎德拉三个概念是有区别的，不宜等同。从数量上看，60 坎德拉等3于 58.8 国际烛光，亥夫纳灯的 1 烛光等于 0.885 国际烛光或 0.919 坎德拉。2. 发光强度与光亮度发光强度简称光强，国际单位是 candela（坎德拉）简写 cd。Lcd 是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为 I=F/，为立体角，单位为球面度（sr）,F 为光通量，单位是流明，对于点光源由 I=F/4 。光亮度是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。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。以下是部分光源的亮度值：单位 cd/m太阳：1.5*10 ；日光灯：（ 510）*10 ；月光（满月）：2.5*10 ；黑白电视机荧光屏：120 左右；彩色电视机荧光屏：80 左右。3. 光通量与流明光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。光通量的单位是流明，是英文 lumen 的音译，简写为 lm。绝对黑体在铂的凝固温度下，从 5.305*10cm面积上辐射出来的光通量为 1lm。为表明光强和光通量的关系，发光强度为 1 坎德拉的点光源在单位立体角（1 球面度）内发出的光通量为 1 流明。一只 40W 的日光灯输出的光通量大约是 2100 流明。4. 光照度与勒克斯光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文 lux 的音译，也可写为 lx。被光均匀照射的物体，在 1 平方米面积上得到的光通量是 1 流明时，它的照度是 1 勒克斯。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。例如汽车4前灯、手电筒、摄影灯等。以下是各种环境照度值：单位 lux黑夜：0.001 0.02；月夜：0.02 0.3；阴天室内：550；阴天室外：50500；晴天室内：1001000；夏季中午太阳光下的照度：约为 10*9 次方；阅读书刊时所需的照度：5060；家用摄像机标准照度： 1400。3、黑体辐射、普朗克定律、斯蒂芬-玻耳兹曼定律、维恩位移定律基本意义、掌握黑体辐射波长-温度- 辐射度之间联系（计算方法）黑体辐射：黑体是一种理想的物质；它能百分百吸收射在它上面的辐射而没有任何反射；使它显示成一个完全的黑体。在某一特定温度下。黑体辐射出它的最大能量。称为黑体辐射。黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。普朗克定律：是用于描述在任意温度 T 下，从一个 黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。斯蒂芬-玻耳兹曼定律：黑体辐射的总能量与波长无关，仅与热力学温度的 4 次方成正比。黑体的辐射出射度： （ 为斯蒂芬-玻耳兹曼常数）=4 维恩位移定律：光谱辐射出射度的峰值波长与热力学温度成反比，随着温度升高，峰值波长向短波方向移动，这就是物体温度升高时，其颜色从红到白再到蓝的原因。 =28984、辐射衰减、光谱衰减系数、布格尔定律、会简单计算辐射衰减：指辐射能在传输过程中的损失，包括界面上的反射、介质内的吸收和散射等。 （吸收、散射、反射、透射）光谱衰减系数 ：定义为介质单位长度上由于衰减而引起的光谱辐射功率的相对减小量。 （在介质内部不必计算界面上的反射）=+布格尔定律：表示辐射功率随传输距离按指数规律衰减。P(x)为在 x 处的光谱辐5射功率。()=(0)5、附加思考：P58 第 12 题用红外分光光度计分析某种气体，发现在 4.3um 处有一个吸收峰，该波长的红外辐射经过 20m 的吸收长度后，其辐射通量下降到起始值的 16%，计算吸收系数并分析气体成份探测的基本原理。大气是多种气体分子和悬浮微粒组成的混合体，按混合比可分为均匀不变组分和可变组分。氮(78%) 和氧 (20.9%)都是同核双原子分子，没有固定的电偶极矩，故没有选择性的吸收谱带，氩、氢、氖、氪、氙含量很小，无红外吸收，对红外有选择性吸收的是二氧化碳(2.7um 、4.3um、15um 有强吸收带)、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮，含量小，吸收不显著，距离长时显著。大气中的可变组分，主要是水蒸气，对红外辐射传输影响最大（1.38um, 1.87um,2.7um,6.27um） ，其含量随温度、高度和位置而变。另一种可变组分时臭氧，它的总含量很少，分布也不均匀。在海平面处很难观察到，在 60km 以上也很少，主要集中在 25km 高度处。臭氧的吸收峰在 9.6um 处。只有当辐射在竖直方向穿过很厚的大气层时才需考虑臭氧的吸收。大气中含有许多悬浮的微粒，通常称为气溶胶，半径尺寸在102um 1mm 之间，其核心是细小的灰尘、碳粒、盐晶粒、烟、燃烧生成物和微生物等，常称为霾，半径很少超过 0.5um，但温度较高时水汽在其上凝聚形成半径超过 1um 的水滴或冰晶，即云和雾，半径多在 515um 之间。气溶胶的空间分布随时间及地区而变，并随着离地面高度的增加，其浓度迅速下降。气溶胶使红外辐射因吸收和散射而衰减对红外辐射的吸收随相对湿度的增加而增大。66、光电发射的红限-P106在入射光线频率范围内，光电阴极存在着临界波长。当光波波长等于这个临界波长时，光电子刚刚能从阴极逸出。这个波长通常称为光电发射的“红限”，或称为光电发射的阈波长（光电阴极的长波阈 0） 。显然，在红限处光电子的初速（即动能）应该为零。因此 ，临界频率 ，所以临界波长为0=0 0=00=0=0=1.240最短波长的可见光（380nm）在表面逸出功（功函数）不超过 3.2eV 的阴极材料中产生光电发射。而最长波长的可见光（780nm）则只有在功函数低于 1.6eV的阴极材料中才会产生光电发射。7、热释电效应 P109热释电效应是指某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷，它是通过所谓的热释电材料实现的。当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时，薄片温度升高，极化强度 Ps 下降，表面电荷减少，相当于“释放”一部分电荷，称为热释电。分析简答题1、光谱测量，多光谱测量，遥感的基本特点光谱发射率是物体辐射特性的一个重要参量,对其测量可以了解材料的辐射特性,地物景像被逐点扫过，并逐点分波段测量，从而获得多光谱的遥感图像信息。景物辐射来自物体对阳光和天空背景光的反射或物体自身的热辐射等，光谱范围从可见光到红外波段。辐射的光谱特性反映物体的性质和状态。多光谱扫描仪是从红外行扫描仪演变来的。60 年代为了获取红外图像，用红外探测器扫描方式对景物的红外辐射逐点进行探测，形成图像。这种仪器用于航空遥感时仅在与7飞行方向相垂直的方向上作行扫描，利用飞机运动而形成二维图像，故称行扫描仪。只要在这种扫描仪上加上分光器件和适当的光电探测器，就可以在很宽的光谱范围内工作，发展成多光谱扫描仪。多光谱扫描仪是从机载红外行扫描器演变而来的。最初的行扫描器使用单一的红外波段。为了充分利用地物波谱的差异来识别地物，后来研制成使用可见光和红外多个波段同时扫描的仪器，即多光谱扫描仪，可用以获取每个像元（像素）的谱辐射量。扫描仪安装在飞行器上。扫描仪的扫描镜旋转,使接收的瞬时视场作垂直于飞行方向的运动, 从而实现行扫描。由于飞行器的向前运动，扫描仪遂完成二维扫描。地物景像被逐点扫过，并逐点分波段测量，从而获得多光谱的遥感图像信息。特点：多光谱扫描仪的优点是：工作波段宽，从近紫外、可见光到热红外波段，波长范围达 0.35 20 微米；各波段的数据容易配准。（高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域,它利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获得有关数据，它包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命,它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质 ,在高光谱遥感中能被探测。 ）多光谱遥感，是利用具有两个以上波谱通道的传感器对地物进行同步成像的一种遥感技术，它将物体反射辐射的电磁波信息分成若干波谱段进行接收和记录。多光谱遥感不仅可以根据影像的形态和结构的差异判别地物，还可以根据光谱特性的差异判别地物，扩大了遥感的信息量。航空摄影用的多光谱摄影与陆地卫星所用的多光谱扫描均能得到不同谱段的遥感资料，分谱段的图像或数据可以通过摄影彩色合成或计算机图像处理，获得比常规方法更为丰富的图像，也为地物影像计算机识别与分类提供了可能。光谱分辨率在 数量级范围内的遥感称为多光谱遥感101自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射，吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称为地物的光谱8特性。遥感的特点：(1)大面积的同步观测：遥感平台越高，视角越宽广，可以同步探测到的地面范围就越广。(2)时效性：获得资料的速度快，周期短，时效性强。(3)数据的综合性和可比性 ：获取的数据综合反映了地球上许多自然、人文信息，且数据来源连续，具有可比性。(4)经济性：与传统方法相比具有更高的 经济效益和社会效益。(5)局限性：许多电磁波有待开发，还需发展 高光谱遥感以及与其他手段相配合。遥感是指非接触的，远距离的探测技术。一般指运用传感器/遥感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的探测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。遥感器波段宽度窄化，针对性更强，可以突出特定地物反射峰值波长的微小差异；同时，成像光谱仪等的应用，提高了地物光谱分辨力，有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性。2、孔径光阑、光瞳、视场光阑、窗的定义，简单分析(1) 孔径光阑（入射光瞳与出射光瞳）对轴上点光束起限制作用的光孔或屏。系统孔径光阑经前面物镜组在物空间所成的像称为光学系统的入射光瞳，经后面物镜组在像空间所成的像称为光学系统的出射光瞳。出瞳和入瞳在该系统中是物像关系。L1 D L2 D1思考题：上图中有那些光阑？孔径光阑在哪里？9入射光瞳在哪里？出射光瞳在哪里？(2) 视场光阑（入射窗和出射窗）限制物平面或物空间能通过光学系统最大范围的光孔或屏。决定光学系统视场大小。视场光阑经其前面物镜组在物方空间成像称为该光学系统的入射窗，视场光阑经其后面物镜