光度学与色度学基础课件

1、材料特性的测量1探测器特性的测量2光学系统中杂散光的分析与计算3辐射测温仪4下页卫星多光谱扫描系统5第十一章 辐射度、光度与色度的应用 研究范畴：材料的辐射度特性主要是指其反射特性、透射特性、发射特性和吸收特性以及偏振特性、萤光特性等，材料的辐射度特性可定量或半定量地确定材料性质与成分的变化。 影响因素：材料的辐射特性除取决于其性质和成分外，还受表面状况、温度、厚度等影响。在描述材料特性时，一定要说明样品的状况以及测量的条件，否则描述只能是概略的。参比量：测量的参比量可是入射量，例如用测得的反射、透射、发射、吸收量和入射量的比值来表示待测材料相应特性。参比量也可是已知标准材料的辐射度特性，通过

2、比对测量，确定待测材料的辐射度特性，例如在分光光度计上测量样品的反射和透射特性。 11.1 材料特性的测量1、镜面反射比的测量(方法一)测量装置：一种测量材料抛光表面镜面反射比的装置。11.1.1 反射特性的测量图11-1 镜面反射比的测量 1、镜面反射比的测量(方法一)测量原理：在图11-1(a)中样品不放入，辅助镜在位置，出射辐射通量为 式中，0、1分别为入射和反射辐射通量；K是由几何参数决定的系数，m是辅助镜反射比。 在图11-1(b)中，辅助镜在位置B，而待测样品放在紧贴样品定位板处。11.1.1 反射特性的测量光经过辅助镜一次镜面反射和待测样品的两次镜面反射，光束的测量几何条件不变，

3、这样出射辐射通量2为 式中，是待测样品的镜面反射比。则 当入射或接收辐射能是单色光，例如用单色仪作光源时，测得的就是光谱镜面反射比。11.1.1 反射特性的测量1、镜面反射比的测量(方法二)图11-2是一种简单的镜面反射比测量方法。先将待测样品移开，探测器放在绕转台中心转动的臂上A1，探测器表面垂直入射光束，测得电压信号V1；继而，将待测样品放在通过转台中心的平面上，使光源有一定的入射角。探测器绕转台中心点转到位置A2，测得电压信号V2。则待测样品镜面反射比为 测量时所用的入射角取决于测量要求。11.1.1 反射特性的测量图11-2 一种镜面反射比测量装置 1、镜面反射比的测量(方法三) 当样

4、品有一定曲率半径时，可用图11-3的方法进行测量。积分球和探测器组成探测头，以避免光束直接成像在探测器表面以及两次测量光束会聚角不同而造成的测量误差；探测头的开孔尺寸应当使测量光束能完全被收容到积分球内；探测头分别在图中位置1和位置2取读数，由读数比即可求得待测样品球面的平均反射比。 11.1.1 反射特性的测量图11-3 凹面镜面反射比的测量装置 测量中要注意位置1和2光程长不同所造成的测量误差，即考虑两个位置中间大气层对测量的影响。在大气有明显吸收的谱段，整个装置可放在充氮罩或在真空中进行。在待测样品处于一定的入射角的条件下进行测量时，应当和样品工作状态尽可能一致。 镜面反射比测量中要注意

5、在样品材料表面微观缺陷或不平所造成的镜面反射成分以外还可能出现的散射。散射一般在镜面反射方向的附近，而这些散射光又不能被探测器接收，这样就造成了镜面反射比测量的误差。测量表面光洁净时，散射部分可只占反射光能的千分之几。 2、漫反射比的测量材料的漫反射特性有两种测量方法：一种是把其中包含的镜面反射部分除去，测量的是漫反射比d；另一种则是把镜面反射部分包括进去，测量的是反射比。 11.1.1 反射特性的测量图11-4 漫反射比的测量 在漫反射比测量时可在镜面反射方向加一陷光器，如用一内壁涂黑的弯角陷光器以吸收镜面反射成分。由于反射比值与光的入射角、接收角有关，为使反射比测量和反射比值的表示标准化，

6、推荐用下列测量几何条件：垂直/45，45/垂直，漫射/垂直，垂直/漫射，漫射/漫射。 2、漫反射比的测量(1)双球法(凡登埃克法：垂直-漫射反射比(0/d)在双光路分光光度计放反射样品和标准样品的两侧，分别装上参比板和辅助球。参比板和辅助球的内壁均匀涂上待测反射比的材料，它们在相同的条件下制作，故具有相同的反射比。入射到辅助球的辐射通量在辅助球内经多次反射，部分由辅助球射出进入分光光度计积分球。辅助球的平面等效反射比为 式中，S2是辅助球开孔面积；E是辅助球接收入射辐射通量后球壁上辐照度。11.1.1 反射特性的测量图11-5 凡登埃克双球法测 (0/d)式中，f是开口比，；R是辅助球的内半径

7、。 设分光光度计光束照射参比板和辅助球所测得的读数比为 故即为所要测的待测材料的光谱反射比。 这种测量反射比的方法精度很高(尤其待测材料反射比()很高时)，但辅助球制作比较困难，当材料层有一定厚度时，辅助球和分光光度计一侧开口要有良好的接缝是相当困难的，故主要用于计量部门测朗伯性能好、反射比高的标准反射样品光谱反射比。 11.1.1 反射特性的测量?2、漫反射比的测量(2)台劳法(垂直-漫射反射比(0/d)测量装置由一台分光光度计和一个积分球组成反射计，来自单色仪的单色光经摆动反射镜OM，形成两束交替照射的光束。在某一反射镜位置上，光束照到反射比0的待测样品上的反射辐射通量为0，再由它漫射到涂

8、层反射比为的积分球内。探测器D检测经样品漫射的光，产生信号V0；在另一反射镜位置，光束直接照到积分球的球壁上，探测器D检测来自积分球本身漫射的光，产生信号V。 其中，k是考虑到两种光束在积分球内反射情况不同而引入的修正系数。11.1.1 反射特性的测量图11-6 台劳法测光谱反射比的装置 由积分球理论得： 式中，A为积分球内表面积；As为放置样品的开口面积；Aw为球壁涂漫射层的表面积，其等于A减去As和其它开孔面积之和。则样品的光谱反射比为11.1.1 反射特性的测量用积分球测反射比能把反射辐射通量在2立体角内进行积分，测量较简单，各种孔的影响因素可通过计算较精确的估算出来，常用于测量(0/d

9、)光谱反射比，其相对测量误差可小于1%。测量时样品孔的面积要小，样品的反射比应尽可能和积分球涂层的反射比相近，这样可得到较高的测量精度。此外，球内涂层反射比要均匀，因为测量中光照射在球壁上得到的读数实际上是认为被照球壁的反射比是积分球整体涂层的反射比。 2、漫反射比的测量(3) 亮度因数(0/45)的测量 在光度导轨上积分球入射孔平面垂直光源光照方向，积分球入射孔面积为S，光源辐强度为I，光源至积分球的距离为l0，则积分球入射孔处的辐照度为 前后调节物镜，使待测表面调焦在积分球入射孔处。物镜后面用一个距积分球入射孔h处半径为r的光阑，这样物镜调焦不会影响测量结果。进入积分球的辐射通量为 式中，

10、L是待测表面在方向(,)的反射辐亮度；A是物镜的通光面积；F是物镜通光孔到积分球的角系数；是物镜的透射比。11.1.1 反射特性的测量，图11-7 (0/45)的一种测量装置 由图示关系可写出11.1.1 反射特性的测量，所以式中， 即图11-7(a)和(b)两个位置探测器的读数比。 为积分球在图11-7(a)位置所接收的辐射通量。由于r和h为已知参数，若已知物镜透射比，即可求得待测表面在任意接收角的亮度因数。当接收角为45时，测得(0/45)。3、反射因数的测量多数反射特性是用待测样品和已知反射比的标准样品比对测量，测得的是待测样品的反射比因数。常用的标准样品一般有两类： 11.1.1 反射

11、特性的测量 表面抛光的瓷板因镜面反射成分大而不具有朗伯漫射特性，但材料化学稳定性好，因而其反射比值非常稳定，便于表面清洁，主要用于测半球接收的反射比因数。 近似理想朗伯漫射特性的漫射板氧化镁：化学稳定性差，目前用得较少；硫酸钡：化学稳定性良好，不能用水洗。入射角小于60时，硫酸钡具有近似朗伯漫射特性；而当入射角大于60时，反射比下降稍快。聚四氟乙烯：其性能稳定，易于清洁，可用水洗。11.1.1 反射特性的测量硫酸钡聚四氟乙烯3、反射因数的测量测量装置：改变入射角和接收角，交替地将标准样品和待测样品移入测量光路，可测得不同入射角和接收角条件下的定向反射因数，但这种装置不能改变测量方位角。式中，标

12、准反射样品的反射比因数Rs(，)可由已知的(0, d)或(6,d)导出。用6入射是为防止垂直入射时光束有较强的逆反射辐射通量而影响测量，其基本要求是标准反射样品有较好的朗伯漫射特性。 11.1.1 反射特性的测量图11-10 定向反射因数的测量装置 样品透射比的表示和测量与反射比具有许多相似之处。随着入射和接收光方式的不同，透射比的测量可分为透射比、定向透射比、漫射透射比等。对于透明材料，介质中散射很小，透射比主要是指定向透射比；而对于半透明介质，入射光通过介质后，向前部空间2立体角散射，定向透射的程度随介质而异。11.1.2 透射比的测量图11-11 透射比的测量与表示法 1、测量说明 待测

13、的透射样品应是表面平整的平行片，因为透射比是光能在样品中走过光程长的函数。样品应有一定的厚度。应对加入样品后是否会在与其它零件之间产生多次反射作出判断，必要时样品在测量光路中应稍稍倾斜一个角度。该倾角应引入到样品厚度的计算中。 作为比对测量用的透射比标准有多种。 空气；溶液；有色玻璃片等。 光谱透射比测量包括样品两个界面反射损失的透射比值，当界面的反射比()较高时，应考虑样品内的多次反射(如图11-13所示)。 设入射辐射通量为，透过介质的辐射通量为第一次透射辐射通量(1-)2i和在介质内多次反射后透过介质层的各次辐射通量之和，若不考虑干涉的影响，总透射辐射通量为 式中，i为样品材料的内透射比

14、。即透射比为 11.1.2 透射比的测量图11-12 几种用作标准的滤光片光谱透射比曲线 图11-13 介质内多次反射对透射比值的影响 2、透射比测量(1)积分球测量 用积分球测量透射比，主要测量垂直-漫射(0/d)或漫射-漫射(d/d)的透射比。图11-14为测量装置。积分球内安置一屏，以免由样品出射的光直射到探测器上；为避免入射到样品上的光由样品散射到积分球入射孔以外的部分，入射光的口径比积分球的入射口径小。 11.1.2 透射比的测量 测量时，将样品移入和移出光路，得到探测器两次读数的比值，但读数比并不能精确地代表样品的透射比。因为将待测样品移入光路时，一般与积分球入射孔有接触，以便将由

15、样品出射的2立体角内的辐射通量都收集到球内，但原先没有样品时，在积分球内的漫射光中由入射孔射出的那部分光将会部分反射回积分球，使探测器的输出信号增大。这种变化取决于积分球入射孔的面积和积分球内表面面积之比以及样品表面的反射比。图11-14 用积分球测(0,d)的装置原理2、透射比测量(1)积分球测量为此在积分球侧壁开一辅助孔c(图11-15)，孔内侧涂上和积分球内壁相同的涂料，则盖上辅助孔c就相当于c的积分球。 设积分球有三个孔：样品孔m，探测器孔e和辅助孔c，则 当辅助孔盖上、样品在位时, 探测器接收的辐射通量为 11.1.2 透射比的测量图11-15 加辅助孔以引入修正值当辅助孔打开，样品

16、拿去时 由(3)和(4)式可得 故 由(2)和(3)式，可得 式中，m1，11.1.2 透射比的测量式中，Se是探测器的面积；m是样品的反射比；fm和fe分别是样品孔和探测器孔面积与积分球内表面总面积之比。这里假定探测器孔的反射比为零，故没有efe项。 当辅助孔盖上、样品拿去时探测器接收的辐射通量为 这样(7)式可改写为 即由三次测量的读数比r0和r，以及已知球内开孔和球的面积比fe、fm和fc可由(6)和(8)式，求得样品的垂直-漫射(0/d)和漫射-漫射透射比(d/d)。11.1.2 透射比的测量2、透射比测量(2)目视测量 由光源发出的光分成左、右两路照亮测量光路；在样品架后有两组可通过

17、鼓轮调节光阑口径可变方孔光阑，以改变辐射通量；鼓轮上的刻度一排是黑色刻度，为透射比的数值，分度为0100；另一排是红色刻度，为光学密度D的数值。用菱形棱镜和分像棱镜使左右两路光进入两半视场。 11.1.2 透射比的测量图11-16 目视测透射比的装置 测量时先不放入待测样品，将两个鼓轮的透射比读数调到100，达到两半视场的光度平衡。然后把样品放入左样品架，则观察视场的一半将会变暗；转动左鼓轮，直到观察视场重新达到光度平衡，左鼓轮读数为l；取出待测样品，将它放入右侧样品架，重复上述过程，读得右鼓轮读数r。如此重复测量57次，求得它们的平均值和。则样品的透射比为11.1.2 透射比的测量11.1.

18、3 发射率和吸收比的测量 要由测得的辐射温度反演出物体的真实温度，必须知道物体表面的发射率。材料发射率是分析研究表面热辐射、辐射致冷、辐射能吸收等的重要参数。 发射率不仅与材料性质、表面状态有关，还和材料温度有关。 常用的发射率测量方法主要有三种： 测反射比法 辐射法 测热法11.1.3 发射率和吸收比的测量1、测反射比法 (1) 测量原理 通过光谱反射比确定材料表面光谱发射率的基础是能量守恒定律。对于不透明材料，其光谱定向吸收比a(,) =1(,) =(,)，故测得光谱定向反射比后，可求得表面的光谱定向发射率。 更多的是测量定向-半球反射比或半球-定向反射比，此时有 测量方法是用前述的积分球

19、测。测量时，积分球涂层在测量谱段内应有高的反射比，以便测量系统有足够的信噪比。 在中、远红外谱段，应注意把样品的反射辐射通量和样品自发射的辐射通量分开。一般方法是对照射辐射进行调制，并对探测器接收辐射通量产生的电信号进行交流放大，则样品自发射辐射产生的直流信号就可滤除。(2) 测量装置 激光光源经调制由反射镜射入积分球照在样品上，2mm左右厚的样品安放在加热器中，积分球下部有冷却水循环，以防积分球涂层过热损坏。探测器输出信号经放大被检测。 11.1.3 发射率和吸收比的测量11.1.3 发射率和吸收比的测量如果要测量在温度T0Tmax范围内的反射比, 材料应当先加温到Tmax，恒温一段时间后冷

20、却下来，并逐渐升温(或降至)所要求的测量温度。这样做为防止材料在逐渐升温过程中表面氧化，使得测量时材料反射比发生变化。图11-17 一种发射率测量装置 图11-18 碳化镁、氧化钽的光谱发射率曲线 11.1.3 发射率和吸收比的测量2、辐射测试法 辐射法测发射率是用待测样品和同温下的黑体或已知发射率的标准品进行比对测量。(1)与黑体比对测量式中，p表示样品；b表示黑体。(2)与标准品比对测量式中，p表示样品；s表示标准品。总发射率可表示为图11-19 辐射法测发射率的装置 待测样品与黑体控制在相同的温度；高反射比的扇形开口调制板使黑体与待测样品的辐射能交替送入单色仪；探测器采用光电倍增管和热电

21、偶等。当测可见谱段信号时，单色仪用溶融石英等棱镜，探测器用光电倍增管，测量样品和黑体的温度不能太低，否则得不到足够的信噪比。测量红外谱段时，单色仪棱镜应更换成岩盐等，探测器用热电偶，可在较低的温度(如500)进行测量。11.1.3 发射率和吸收比的测量3、测热法 (1)测量装置当样品热传导可以忽略的情况下，测热法假设样品消耗的电功率完全转变为辐射功率。图11-20 一种用测热法测发射率的装置 样品固定在真空筒内的电功率加热板上，加热板一侧有热电偶，以精确测量样品的温度；样品前部有一表面涂黑的热罩，其内部通入液氮，使辐射罩致冷到液氮温度；真空筒前部是一石英窗，在测量吸收比时，由窗口射入辐射能。由

22、于测量系统在真空室内，没有对流，当热传导损失很小时，辐射能交换基本上是辐射传输。 11.1.3 发射率和吸收比的测量3、测热法 (2)发射率样品接收的能量：电功率P=VI，温度T0的冷辐射罩射到样品上的辐射能Q0，其与样品发射的辐射能Q以及样品加温板等功率消耗Qi相等时，样品温度达到稳定 或式中，A、和T分别是样品的面积、发射率和温度；A0、0和T0分别是冷辐射罩的内表面面积、发射率和温度；F0将辐射能传到样品表面的角系数；s是样品的吸收比。 测量装置设计使Qi很小，而01。设样品对冷辐射罩的角系数为，且近似等于1，则有 代入(1)式，有 即 用热电偶测得样品温度T，用电功率计测得使样品保持温

23、度T所要消耗的电功率，且T0=77K，即可求得样品的半球总发射率。 11.1.3 发射率和吸收比的测量11.1.3 发射率和吸收比的测量3、测热法 (3)吸收比由窗品入射已知辐照度的准直光束，光束应完全投射在样品表面，则式中，入射辐射能Qs=sAE；E是入射辐照度；是窗的透射比。 调节电功率，使样品温度仍稳定在，这时消耗的电功率为P(P)，则 吸收比的测量除了测量反射比、发射率的方法外，还可使用其它许多种方法。 材料特性的测量1探测器特性的测量2光学系统中杂散光的分析与计算3辐射测温仪4下页卫星多光谱扫描系统5第十一章 辐射度、光度与色度的应用 11.2 探测器特性的测量1、测量方法 用已知光

24、谱响应度的探测器和待测探测器进行对比测量（存在种类不同，光敏面面积不同、响应不均匀的问题） 用平坦响应热探测器和待测探测器比对测量，得到待测探测器的相对光谱响应，再用已知光谱辐射度量的光源测量探测器的响应度（热探测器的光谱响应特性先进行标定）11.2 探测器特性的测量2、测量装置 高强度光源照射双单色仪的狭缝，由出射狭缝出射，光能经反射镜会聚后照射一真空热电偶和待测探测器。两者输出信号经放大后送入电子比率计，其输出和示波器的y轴相连；单色仪的波长手轮由步进电机驱动，将表示波长的信号送入示波器x轴；示波器画出待测探测器相对用作参比标准的真空热电偶的光谱响应曲线。待测探测器的相对光谱响应 式中，

25、r()是相对光谱响应。 图11-22 探测器相对光谱响应的测量装置 材料特性的测量1探测器特性的测量2光学系统中杂散光的分析与计算3辐射测温仪4下页卫星多光谱扫描系统5第十一章 辐射度、光度与色度的应用 11.3 光学系统中杂散光的分析和计算 杂散光形成原因： 光学系统杂散光主要由系统中镜筒、隔圈、光阑等表面的散射、衍射，光学零件内部或微观不平度、灰尘、油膜、气泡等所造成的散射，以及探测器、底片、像平面等接收器表面和光学零件表面、机械结构元件表面之间的多次反射等造成。杂散光平： 即杂散光量占入射辐射通量的百分数，用s/0来表示。光学系统设计时要用各种光阑限制非成像光束的进入，设计较好的光学系统

26、到达像平面的杂散光等非成像光束与入射光束相比要差几个数量级，良好的消杂散光设计，可使杂散光平下降到10-10以下。杂散光分析的步骤： 分析有哪些表面参与杂散光的传输以及这些表面怎样参与传输； 表面的散射特性如何； 表面对像面杂散光贡献的分析与计算。11.3 光学系统中杂散光的分析和计算 11.3.1 参与杂散光传输的表面分析 利用几何近轴光学把所有参与散射的镜筒、光阑、隔圈等通过它们各自的前部或后部光学系统投影到物或像空间，光学系统简化成没有光学元件的一系列限制并参与散射光能的圆柱形、圆锥形或其它形状的表面。 直接被光源照射又能被像平面直接“看”到的表面是一次散射表面 (图11-25)。一次散

27、射表面越少越好，因为其对像平面杂散光平的贡献较大。 直接受光照射又不能被像平面直接“看”到，或者能被像平面直接“看”到而又不是直接被照射的表面就是二次、三次或三次以上的散射表面。图11-25 散射表面的确定 调整结构，去掉视场外光源直接照射像平面的情况，找出对应不同视场外光源和不同像面所对应的一次、二次散射表面部分。 对系统中有可能对杂散光贡献较大的部分，加一些遮光罩、挡光隔圈等，使系统抗杂散光的能力增加，并防止杂散光平计算后对结构作过多的调整。 11.3.1 参与杂散光传输的表面分析 11.3.2 表面的散射特性 1、结构表面的散射特性 根据辐射换热关系，求出表面元dAs散射到表面元dAc的

28、散射辐射通量 式中，Ls(s,s)是在(s,s)方向上dAs的辐亮度；Fsc是表面元dAs到dAc的角系数 则 式中，d(i,i)投射到表面dAs上的辐射通量；E(i,i)是表面dAs上的辐照度；GCF(s, c)是表面元dAc对dAs的投影立体角。 11-26 表面元dAs对辐射能的传输 dAs表明由表面dAs传输到表面元dAc的辐射通量等于入射到dAs上辐射通量乘以dAs的双向反射分布函数以及dAc和dAs表面元的投影立体角。要减少接收表面元dAc接收的杂散辐射通量，?途径一是减少散射表面dAs的BRDF值，例如，用无光黑漆、黑绒以及挡光环；途径二是减少GCF(s,c)，例如尽量减少参与散

29、射的表面面积。在已知传输路径、系统结构的情况下，可求出投影立体角GCF(s, c)。11.3.2 表面的散射特性 ?11.3.2 表面的散射特性 2、镜表面的散射特性 反射镜表面由于微观不平度、灰尘、油膜等，使反射光除包括按反射定律的镜面反射成分外，还有在镜面反射以外的部分散射光(图11-27)。 J.E.Harvey证明: 对于表面粗糙度小于光波长的光滑表面，散射具有位移不变的特性。把相对散射强度的对数作为纵坐标，0= arcsinarcsin0的对数作为横坐标，则对于任意入射角，散射特性是不变的(图11-28)。可以看到：曲线在-0=0两侧近似对称地按指数衰减。以双对数坐标绘制图11-28

30、可得图11-29。利用这一规律可大大减少表征镜面反射表面BRDF值所需要的数据量。 测量时用波长0的单色光进行，对于其它波长，可用下式表达 当镜面反射成分小的表面，这种位移不变性不复存在。 图11-27 散射函数的表示 图11-28 散射的位移不变性 图11-29 散射函数的对数坐标表示 11.3.2 表面的散射特性 3、挡光环的散射特性 对于某些散射贡献大(例如暴露在系统外部接收较强入射辐射能)的表面，只要结构允许，可采用挡光环的结构形式进行消光处理。(1)挡光环的结构 通常结构为一系列等或不等间隔排列的直挡光环，也可是斜向分布的挡光环或锥形安置的挡光环。为了使环的内表面既小又不形成夹角，往

31、往做成锥形，并在锥角处有一定的曲率半径。 图11-30 几种挡光环的结构11.3.2 表面的散射特性 3、挡光环的散射特性 (2)挡光环等效BRDF挡光环的消光能力采用等效BRDF表示，即把挡光环看成具有甚低BRDF值的反射表面。能够采用等效BRDF公式来描述挡光环的条件是：挡光环的大于。入射辐射通量i在挡光环内表面两次漫射在2方向的出射辐射通量0为 直挡光环的等效BRDFd1为 式中， ； BRDFb是涂黑挡光环表面的BRDF。 11.3.2 表面的散射特性 11.3.2 表面的散射特性 挡光环圆角处散射BRDFd2：入射在挡光环边缘上的辐射通量 式中，是边缘上的辐照度；是挡光环的宽度；r是

32、挡光环的高度； 是挡光环边缘某点处法线和水平表面的夹角。 出射辐射通量 式中，d是接收辐射通量0的表面所对的立体角。 挡光环边缘的总出射辐射通量 图11-32 挡光环边缘散射的计算入射到挡光环间隔内的总辐射通量 这样，由于边缘散射形成的挡光环等效BRDFd2为 11.3.2 表面的散射特性 11.3.2 表面的散射特性 挡光环边缘衍射效应BRDFd3：式中，Wd02/4; d0是挡光环等效反射表面的内径(图11-30(a)；r1是前一散射源到挡光环的距离(图11-26)；r2是挡光环到后一散射接收表面的距离。 挡光环的总等效BRDFd：11.3.3 表面对像表面杂散光平的贡献 杂散光计算是要找

33、出各散射表面对最后像平面各部分杂散光平的贡献。 图11-33给出一个光学系统像平面以及其中三个镜管在物空间的投影位置和尺寸。为了计算从某视场角入射的光能经镜管散射到像平面上的杂散光量，先把各镜管分别在轴向和方位上分成若干块和区，分块/区的数目取决于所需计算的精度，散射光较强的部分可分细一些。每一块可用三个数字来表示其位置：第一个数表示轴向段号，第二个数表示方位区号，第三个数表示镜筒部件号，例如(1，3，2)表示第二镜管上第一轴向段的第三方位区。 图11-33 各散射面分块图则像平面(Zc, Pc, C)接收的杂散光辐射通量等于各块/区散射到像平面杂散光辐射通量之和。 图11-34 空间望远镜的

34、消杂散光结构设入射光位置是(x，y，n)，由(1，1，2)散射到(1，3，3)上杂散光辐射通量等于 11.3.3 表面对像表面杂散光平的贡献 材料特性的测量1探测器特性的测量2光学系统中杂散光的分析与计算3辐射测温仪4下页卫星多光谱扫描系统5第十一章 辐射度、光度与色度的应用 11.4 辐射测温仪 辐射测温优点： 实时测量、 分辨能力高、 测温能力强。辐射测温方式 ： 测量辐射温度，由已知被测对象的发射率进行温度修正，确定其真实温度。当被测对象发射率很高时，辐射温度代替真实温度的误差很小。 采用双谱段的双色高温计，只要被测对象在双谱段的发射率近似相等，则不必知道被测对象的发射率，即可直接测得被

35、测对象的真实温度。 在两个选定的相差不大的窄谱段1、2上，因一般物体在两个谱段的平均发射率也很相近，可认为1和2相等。由双光路分别测量被测物体的两个温度信号V1、V2，利用维恩近似式，可以得到两者之比Q 则双谱段测温原理：11.4 辐射测温仪 双色高温计结构：图11-36给出硫化铟滤光片透射曲线及硅光电二极管组合的响应曲线。不同黑体温度时两个硅光电二极管的输出电压信号及其比值如图11-37。可以看出：Q和温度T的关系近乎线性，偏离线性的最大偏差tmax=10，约1的误差。 图11-36 双通道系统的响应曲线 图11-37 比值Q和T的关系曲线 11.4 辐射测温仪 11.4.1 测温参数对测温

36、精度的影响 系统测量误差对测温精度的影响 对公式 的T求导数，有即 对一定的允许测温相对误差T/T，1和2相差越小，允许的仪器相对测量误差dQ/Q就越小，例如=1000，允许测温相对误差T/T=0.1%，则用1=0.65m, 2=0.75m，允许的相对测量误差dQ/Q0.3%；如果1=0.65m, 2=0.85m，则允许的相对测量误差dQ/Q0.52%。需要注意：1和2相差越大，把1和2看成相等所产生的误差也越大，这是一个矛盾。 11.4.1 测温参数对测温精度的影响 (2)有效波长确定误差的影响 有效波长e：设对应温度T1和T2的黑体，如果在某一波长e，其单色辐亮度之比等于仪器接收谱段内测得

37、的黑体总辐亮度之比，那末e称为温度T1T2内仪器的有效波长。即用一“单色波长响应”仪器的测量结果和有一定光谱响应宽度的仪器测量黑体所得的信号比等效。式中，R()是探测器的光谱响应度；()是测温仪的光谱透射比。 利用维恩近似式，有 由仪器测温范围T1T2，可求得对应i谱段的仪器有效波长e。由此可分别确定对应测量谱段的有效波长，并由其代表1和2。11.4.1 测温参数对测温精度的影响 11.4.1 测温参数对测温精度的影响 (2)有效波长确定误差的影响 对公式 的求导数，可估计出波长精度对测温的影响。 进一步利用 式，有 以T=1200，1=0.888m, 2=1.034m代入，在dT=1时，d1

38、=0.166nm。这说明对仪器确定有效波长的精度要求很高，这一精度往往很难实现，这也是双色高温计测温精度不能达到很高的一个重要因素。这种仪器更多地作为温控的实时监测手段。 11.4.1 测温参数对测温精度的影响 (3) 被测物体发射率的影响 由色温定义，写出色温 Tc 和物体真实温度 T 之间的关系为 由物体真实温度 T 和亮温 Tb 的关系，有 合并以上两式，有 这样，得色温和亮温的关系式为 式中 Tb1 和 Tb2 分别为两个谱段测得的亮温。 11.4.1 测温参数对测温精度的影响 (3) 被测物体发射率的影响 由物体真实温度和亮温的关系 ，代入色温与亮温关系可得 令 ，则 ，有 对于1=

39、0.888m 及 2=1.034m，金属钨 k=0.049，铁 k=0.0468，钴 k=0.0448，镍k=0.0148，碳化硅k=0.0244。图11-40给出钢在不同温度时由公式计算得到的测温误差。可以看出：发射率越高，测温误差越小，例如图中=0.7，0.8和0.9时，=0.7的测温误差最大。 图11-40 钢在不同T和时的测温误差 11.4.2 辐射测温仪使用中应注意的问题 (1) 仪器的标定 常用的标定方法是用黑体作为标定源，仪器在距黑体一定距离上测黑体的温度。标定在几个黑体温度下进行。黑体的辐射精度主要取决于热电偶等感温元件测黑体温度的精度。黑体的开口直径应当足够大，为仪器测量视场

40、角对应面积的1.5倍左右，以使仪器视场对应黑体炉发射腔的深部，获得较均匀的腔温度。 (2) 测量距离 确定仪器到待测表面距离时考虑待测表面尺寸。当待测表面尺寸太小时，仪器不能正确测量温度。仪器给定的“距离系数”是仪器到待测表面的距离和最小可测对象直径的比值。例如，当待测表面最窄部位为20cm, 而仪器的距离系数为12:1时，仪器距待测表面距离不应大于2012=240cm。 (3) 环境照明光的考虑 仪器用于生产现场监测温度时，现场自然光会被测物体表面反射到仪器视场内，影响测量结果，故测量应当避开自然光照射被测表面，此外，被测物体附近不应有其它热源。11.4.2 辐射测温仪使用中应注意的问题 材

41、料特性的测量1探测器特性的测量2光学系统中杂散光的分析与计算3辐射测温仪4下页卫星多光谱扫描系统5第十一章 辐射度、光度与色度的应用 11.5 卫星多光谱扫描系统 多光谱扫描系统是地球资源卫星中的主要仪器。它是利用卫星绕地球旋转或者卫星绕自旋轴转动，对地球表面进行扫描成像，得到分谱段数字图像经数据传输系统或由其它卫星中继，传送到地面站，再经过各种图像信息处理，供各使用部门应用。图11-41 HCMR的光学系统图 热成像辐射仪(HCMR)：图11-41是HCMR光学系统图, 系统工作在0.55 1.1m及10.512.5m两个谱段，前一谱段属于反射谱段，测量地面景物反射太阳辐射的信息；后一谱段属

42、于热红外谱段，主要接收地球景物自发射的辐射信息。由于一天之中太阳照射地表面的辐照度的变化，形成午后地表温度最高，午夜地表温度最低，地球景物昼夜温度变化的特征热惯性是判别地景性质的重要依据。11.5 卫星多光谱扫描系统 工作原理：扫描镜由电机带动旋转，将地景入射辐射折转90，再经由主镜和次镜组成的Dall- Kirkham主光学系统将直径203mm的光束会聚，在离开次镜时光束直径为25mm。光束经透射可见至近红外辐射、反射远红外辐射的分色片。可见光/近红外光路经透镜、滤光片聚焦在硅光电二极管上，滤光片阻隔波长小于0.55m的光通过, 滤光片和硅光电二极管的截止波长形成谱段0.55 1.1m。长波

43、红外辐射光路经锗透镜、红外透射窗、滤光片聚焦在碲镉汞探测器上，系统通过辐射制冷方式向外空间辐射热达到致冷目的，使红外探测器冷却到115。图11-43 遥感器对地球扫描的形成 由于扫描镜的扫描方向和卫星航迹相垂直，构成与航迹垂直的对地球扫描(图11-43)；卫星绕地球转动，得到沿卫星航迹方向的扫描；扫描镜每转一个约半个像元对应的瞬时视场角，电子系统采样一次；扫描镜扫描一次得到1500个采样点，对应1260个像元。图11-42 分谱段的相对响应曲线 11.5 卫星多光谱扫描系统 11.5 卫星多光谱扫描系统 11.5.1 对探测器工作性能要求的估算 已知地球大气层外太阳的光谱辐照度及遥感器工作时间

44、被测地区的太阳高度角范围、地景反射比的范围、大气状况，可用大气传输模式来计算出辐射仪工作的动态范围，即入瞳处辐照度的变化范围。已有的大气传输模式有美国LOWTRAN模式以及其它更精确的计算模式。卫星实测结果表明：这些大气传输模式计算结果和实测的结果一致性较好。图11-44给出在近似相同的大气条件下用LOWTRAN计算和卫星实测的地表光谱亮度。图11-44 用LOWTRAN计算和实测结果的比较可以看出：大气传输的影响十分明显，且大气消光具有光谱特性，即大气影响需要考虑光谱特性。11.5.1 对探测器工作性能要求的估算 可见谱段(0.551.1m) 已知系统工作条件：卫星高度620km；辐射仪焦距

45、f=256mm；有效入瞳直径=166.6mm；光学系统透射比=0.45；探测器尺寸Ad=0.210.21 mm2。以仪器光谱响应的半峰值对应的波长范围0.56 1.04m为工作波段，可得仪器在谱段内的平均辐亮度 式中，R1()是仪器的响应函数；L()、E0()分别是地球大气层外太阳光谱辐亮度和太阳光谱辐照度值。11.5.1 对探测器工作性能要求的估算 根据使用要求，当地景反射比为1时，探测系统的信噪比SNR应等于10，即噪声等效反射比差(NE表示产生相当噪声的信号所需要的地景反射比的差值，是衡量系统辐射探测灵敏度的一个重要指标) 地景反射比为 时，探测器表面的辐照度 探测器接收的辐射功率 信号

46、的频带宽度: 噪声的频带宽度:探测器比探测率 :式中，NEP是噪声等效辐功率辐射仪总扫描角为60(=1.047rad)，每一像元对应0.83mard，一次扫描共有1.047/(0.830.001)=1260个像元。扫描镜每秒转14圈，则每个探测元上信号积分时间 11.5.1 对探测器工作性能要求的估算 11.5.1 对探测器工作性能要求的估算 红外谱段(10.512.5m) 热红外谱段有效入瞳直径D=203mm；焦距f=190.2mm；D/f=1.067；探测器尺寸为0.0160.016cm2；光谱透射比为0.54；半峰值响应对应的波长范围为10.512.12m；辐射仪的动态测温范围为260K

47、340K，对应的量化值为0255。 在不同温度下在谱段内的平均辐亮度 式中，M0(,T)是黑体的光谱辐出度值：RI()是在红外谱段的仪器函数。 在热红外谱段，辐亮度信号的变化是由于地景温度和地景发射率的变化引起。由于大气温度很低，其变化引起的辐亮度变化可以忽略。故 用维恩近似式，对辐亮度 ，求偏导可得到 由T=340时Q=255以及T=260时Q=0可求得平均辐亮度与量化值Q之间的关系式 11.5.1 对探测器工作性能要求的估算 11.5.1 对探测器工作性能要求的估算 与地景发射率变化(由=1-得d/=d/=0.01)相当的280K地景温度相对变化 热红外谱段的噪声等效温差NETD表示产生相当噪声大小的信号需要的地景温度差，是衡量系统探测灵敏度的一个重要指标，即NETD=T/(SNR) 。 根据对系统灵敏度的要求，在T=280时，NETD=0.4K。由于 用黑体辐亮度公式代入，信噪比对温度的导数为 所以， 。由平均波长=11.31m, 得信噪比SNR=154。则 其中，280时对应的量化值为Q280=255(280-260)/(340-260)=63.75。代入平均辐亮度与量化值Q之间的关系式 可得 上面通过对仪器探测地景反射比差或温度差的要