光电信息技术物理基础

光学辐射是指波长为1纳米到1毫米范围的电磁辐射,它包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。辐射度学就是对光学辐射进行定量评价的一门实验科学。可见辐射作用于人眼所引起的“光”感觉，是一种生理效应，它与辐射的组成、强弱及人的视觉器官的生理特性和人的心理活动都有关系；光度学就是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。辐射度学起源于物理学上对物体热辐射特性的研究。随着光学辐射在工业、农业、军事和科学研究等方面的应用日益广泛，辐射测量的重要性也与日俱增。使光度技术从以目视法占统治的状态，逐渐过渡到使用各种光电和热电接收器的物理方法，大大改善了测量精度和提高了工作效率。另一方面，在辐射度技术中，也借用了光度学的表达方法来描述辐射源和辐照场的各种辐射度特性，而建立起与光度学相似的理论体系。这两门学科之间建立了紧密的联系。,一、基本概念在光度学和辐射度学中，测量对象都是光学辐射，仅仅是所依据的评价标准不同。常用的光度量和辐射度量如表。,对于具有连续光谱的辐射，某种辐射度量e（如辐射强度、辐射亮度等）的光谱密集度定义为：在包含给定波长的无限小波长间隔内，相应的辐射度量与该波长间隔之商，e,=de/d。辐射度量的光谱密集度与波长的函数关系叫做该辐射度量的光谱分布。对于光度量也可给出类似的定义。光度量和辐射度量之间的关系可以表示为：V=Kme,V()dV=Kme,V()d式中V和V分别为与e,相对应的明视觉光度量和暗视觉光度量，Km683流明瓦，Km1700流明瓦，分别为明视觉和暗视觉的最大光谱光视效能。,二、基本原理光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为辐射的传播服从几何光学定律。1、距离平方反比法则和照度的余弦法则：点辐射(光)源在处于某方向的面元上建立的照度与点源朝该方向的辐射（发光）强度I成正比，与点源和面元之间距离d的平方成反比，与面元法线和入射光线夹角的余弦成正比（见图1.2.1-2），E=cos/d2。,图1.2.1-2距离平方反比法则和照度的余弦法则,2、叠加原理：若干辐射（光）源在一面元上建立的照度等于各辐射（光）源单独建立的照度之和。3、均匀漫射面及其特性：均匀漫射面（包括漫反射、漫透射及自身发光的漫射面）在任何方向都具有相等的亮度，因而在与面的法线成角的方向上的辐射强度或发光强度I=I0cos，I0为漫射面在法线方向的辐射强度或发光强度。,三、标准与测量1、辐射度标准与辐射测量辐射度的原始标准有两种类型：标准辐射源和绝对辐射计。前者主要是工作在不同温度下的黑体炉。根据斯忒藩玻耳兹曼定律，黑体的辐射亮度Le=T4/=5.6703210-8W/(m2K4叫斯忒藩-玻耳兹曼常数，T为黑体的绝对温度。因此只要测得T，就能算得Le。对于实际的人工黑体,还必须根据黑体的腔型、尺寸和所用材料的发射率确定黑体的发射率(即黑度系数),Le才为人工黑体的辐射亮度。在黑体前面加光阑即可作为标定辐射计的标准。辐射计入射光阑面上的辐射照度为Ee=T4r12g/d2g为几何因子,由d、r1和r2确定(见图1.2.1-3)。,图1.2.1-3人工黑体标定辐射计示意图,根据普朗克定律，可以算出黑体辐射亮度的光谱密度Le,=c1-1-5exp(c2/T)-1式中c1和c2分别是第一和第二普朗克辐射常数。因而黑体可作为光谱辐射亮度标准，通过光谱测量系统标定标准灯的光谱辐射亮度作为次级标准（见图1.2.1-4）。为了消除光路不对称的影响，必须使用比较灯。,在黑体前面适当位置加一开口面积已知的光阑，就可计算一定距离处的漫射板上辐射照度的光谱密集度值。通过光谱测量系统，可以作为光谱辐射照度标准标定光谱辐射照度标准灯在漫射板上产生的辐射照度的光谱密度值,作为次级标准（见图1.2.1-5）。在这种测量光路中，不用任何成像系统;而在光谱辐射亮度的测量光路中,必须使用成像系统,这是两者不同之处。,图1.2.1-4黑体炉标定光谱辐射亮度标准灯示意图,图1.2.1-5黑体炉标定光谱辐射照度标准灯示意图,一定温度的黑体仅在有限的波长范围才能发出足够强的辐射。因此，为要建立不同波长范围的积分辐射度标准和光谱辐射度标准，就需要有不同温度的黑体炉。在目前技术条件下，由高温黑体炉所建立的光谱辐射度标准在短波方向只能达到250纳米。近十几年来,发展了同步加速器辐射技术，可以作为从软X射线、真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射、一直到近红外辐射的原始标准。,各种电校准绝对辐射计能测量辐射束的功率值，也是一种重要的辐射度原始标准。其基本原理如图1.2.1-6所示，,接收面吸收入射辐射，并把它转化成热能，使吸收体温度升高而引起某种物理效应（如温差电动势）。然后遮断辐射，向附着在吸收体上的加热丝通电流，使吸收体受热升温引起同等的物理效应。,图1.2.1-6吉勒姆(Gilham)型绝对辐射计原理图,上述两种类型的原始标准各有其一定的适应范围，在实际工作中，两者互为补充。辐射测量可分为相对测量和绝对测量两类。前者测量两同名辐射度量之间的比值，因此测量系统不用定标，但必须有良好的线性。在某些情况下，如测量选择性光学材料的积分反射比或透射比，还要求测量系统的接收器在所考虑的波长范围内是中性的。绝对测量要求测量辐射量的量值，因此测量系统必须由辐射度标准定标。2、光度标准与光度测量目前技术上最成熟的方法是在绝对辐射计前加V()滤光器，使它具有标准光度观察者的光谱响应特性（见图1.2.1-7）。由公式Ev=KmEe/m即可得到光源在辐射计入射光阑面上建立的光照度值Ev。式中Ee=mEe,V()d,是经过V()滤光器后为辐射计实际测得的辐射照度,m是滤光器在波长555纳米处的透射比。,图1.2.1-7绝对辐射计-V()滤光器构成光度基准标定发光强度副基准灯,由一组辐射计-V()滤光器系统组成光度基准，用以标定一组色温度为2856K的标准灯的发光强度值，作为次级标准，即发光强度副基准，且作保持发光强度单位坎德拉。,发光强度标准灯同时也是光照度标准灯。它在一定距离处的面上所建立的光照度可以根据距离平方反比法则计算得出，用来标定光照度计。当光照射均匀漫反射面时，若漫反射面的反射比为，面上的照度为E,则它的亮度为L=E/。因此可用发光强度标准灯照射已知漫反射比的标准漫反射板来标定亮度计（见图1.2.1-8）。,图1.2.1-8标定亮度计示意图,光度测量方法分目视法和客观法。目视法是人眼直