信息光电基础(第345讲)讲义

1、信息光电子技术一数理基础（第一部分）第一章辐射度和光度学基础1. 0基本术语及概念辐射度学（Radiometry）测量电磁波能量及相关物理量的学科适用范围整个电磁波谱（技术手段）光度学（Photometry）研究方法1. 1辐射度量与光度学量一、辐射度学的基本概念1辐射能的传播频谱：P15直线性：几何特性衍射：波动性k /D（ 1-1-1 ）2辐射能的相干性（注意 P15）时间相干性傅立叶谱的有效范围约等于单个波列的持续时间的倒数1/ t空间相干性（试推导相干长度）讪 2 /（1-1-2）3辐射能的量子性电磁波的量子特性e h（1-1-3）其中：h-普朗克常数二、辐射度的基本物理量1辐射能符号

2、：Qe 单位：J （焦耳）2辐射通量定义： e dQe/dt符号：e 单位：（W-瓦特）3辐射强度定义：Ie d e/d（ 1-1-4）符号：le 单位：（W/sr）4辐射照度定义：Ee d e/dA单位：W/m25辐射出射度Me与辐射照度对应理解6辐射亮度Le定义：源表面一点处，给定方向上单位立体角、单位投影 面积内发出的辐射能通量。定向发射强度。1-1-7)2Le dI e /(dS cos ) d2 e /(d dS cos )7 (光)谱辐射能通量 定义：特定波长的辐射通量e( ) d e/d( 1-1-9 )单位： W/ m,W / nm总通量： e 0 e( )d ( 1-1-10

3、 ) 光谱辐射，光谱发射(出射度)类似 P18 对于线光谱或带光谱辐射源：e( )1-1-11)三、光度的基本物理量 光源：电磁波谱中可见波段的辐射源 1 光谱光视效率(视见函数) CIE , “标准光度观察者” 明视觉 V( )： 3cd /m2 ，锥体细胞 暗视觉 V'( )： 3cd /m2 ，杆状细胞 光视效率表 P19 2 光度的基本物理量 e,M e,Ie,Le,EeV,M V,IV ,LV,EV780V Km 380 e( ) V( )d( 1-1-12 )Km 680lm /W 光功当量 基本发光单位：坎德拉cd (Candela),流明(Im),勒克斯(lx) 作业：

4、 P57第 2 、 3 、 5 题。四、热辐射的基本物理量 热辐射的基本概念，热平衡辐射1 辐射本领 辐射体表面单位波长间隔、单位面积内的辐射通量。单位Wg m-m2M '( ,T) d e /d /dA ( 1-1-14 ) 2 吸收率定义：吸收体对特定单位波长间隔内吸收通量与入射通 量之比。( ,T) d 'e( )/d e( )( 1-1-15 )3 绝对黑体 温度辐射 M',b( ,T) M '( ,T)/ ( ,T)(1-1-16 )4 发射率( ,T) M' ( ,T)/M',b( ,T)(1-1-17 )比较上两式强辐射必然强吸收1

5、 2 辐射度学与光度学中的基本定律(第3-4 讲)热辐射源：黑体辐射源，线状、带状辐射源一、基尔霍夫( Kirchhoff )定律 P21要点：辐射本领，热平衡，波长及温度的普适函数，同温度 黑体' （ , , ,T） ' （ , , ,T） 非黑体的发射率和吸收率：（ 1-2-1 ）方向光谱发射率和方向光谱吸收率； 半球光谱发射率和半球光谱吸收率； 方向总发射率和方向总吸收率； 半球总发射率和半球总吸收率； 注意：其它发射率和吸收率相等满足的条件。 P24二、朗伯（ J. H. Lambert ）余弦定律 漫射体（表面） P24I ' I N cos（ 1-2-18

6、）L LN（ 1-2-19 ）三、距离平方反比定律点光源的空间发射特性E /R2试证明之（注意适用范围）（ 1-2-23 ）四、普朗克（ Planck ）定律 经典物理学的局限性，辐射与波长关系 P30 （1-2-37 ） （ 1-2-39 ） 光能量密度公式：五、斯蒂芬 - 玻耳兹曼（ Stefan-Boltzmann ）定律 P32 黑体辐射的 辐射度 与波长无关，仅与热力学温度的 4 次方呈 正比。m = t4(1-2-46 )式中：=5.673 10-12W/(cm2 K4)称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数六、维恩位移定律 P34 光谱辐射度的峰值波长与热力学温度成反比。m T 2898 m

7、K( 1-2-47 )作业： P57 第 7 、 8 题 1.3 辐射能的传输基础重点：掌握相关术语(物理量) ，了解光能量(信息) 传输的基本特性。一、辐射能传输的几何光学基础1 、亮度传输过程中的不变性基本亮度： L/n22、辐射能传输 p36 光学范围： G n n2 A 辐射通量是基本亮度与光学范围之积3、成像系统的辐射传输E2 E0 cos42 (1-3-16)式中： E0L1 /4/F 24、成像系统的特征参数( p38)一、几何范围与通量A G（ 1-3-18 ）注意：透射比（书中有误）二、辐射传输的波动光学基础麦克斯韦方程组，干涉，衍射，偏振三、辐射能传输损失（第 5讲）1、吸

8、收（吸收比)2、散射（散射比)3、反射（反射比)4、透射（透射比)p0p p p P（1-3-19）1（1-3-20）能量守恒介质中辐射能衰减：布格尔（Bouguer）定律（P41）指数衰减四、辐射能的大气传输大气特性五、辐射在介质中的传输六、习题（P57） 2/3/4/7/12补充习题一. 选择与填空题1真空中可见光的波长范围一般是指 2基尔霍夫定律说明黑体辐射发射本领是 和的函数3. 光子能量1.0 eV的光辐射波长是，属于光4一个各向同性点光源分别照明距离其2米和 10米的目标， 形成照度的大小之比为 A. 1: 5B. 1: 25C. 1: 1D.不确定5根据黑体辐射定律，以下物体颜色

9、时温度最低。A 白色B 蓝色C 紫色D 红色6. 光强度、光照度、光通量的单位分别是 、7. 光谱衰减系数的定义为 二、计算题1. 已知激光笔中激光二极管的光辐射为 2 mW,发散角为1 mrad,试求:1）光笔在 10米和 1000米处形成的光照度分别是多少？（注意 光功当量及转换）2）如果一个普通节能灯（视为点光源）能达到与光笔相同的光强度，电功率需要多大？（假定节能灯发光效率 60 lm/W）2. 如果一黑体辐射的峰值波长为0.65 m时辐射能力为1,当该黑体 的辐射能力提高 50%时，峰值波长为多少 ?3功率 100 W 的某单色探测源辐射在大气中传播的衰减系数为1/1000,准直传输1000 m后，功率将减少。4. 书中P32提到，光电对抗中，800-1500K是一个重要的温度范围， 为什么？此时辐射的峰值波长？三补充题1一只白炽灯,假定各向发光均匀,悬挂在离地面 3 米的高度,用照度计测得正下方地面照度 50lx，求该白炽灯的光通量？3. 普