信息光电基础(第345讲)

信息光电子技术—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/kD（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）2/cl（1-1-2）3辐射能的量子性电磁波的量子特性Eh（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：eQ单位：J（焦耳）2辐射通量定义：/eedQdt符号：e单位：（W-瓦特）3辐射强度定义：/eeIdd（1-1-4）符号：eI单位：（/Wsr）4辐射照度定义：/eeEddA单位：2/Wm5辐射出射度eM与辐射照度对应理解6辐射亮度eL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。2/(cos)/(cos)eeeLdIdSdddS（1-1-7）7（光）谱辐射能通量定义：特定波长的辐射通量()/eedd（1-1-9）单位：/,/WmWnm总通量：0()eed（1-1-10）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：()ee（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：23/cdm，锥体细胞暗视觉'()V：23/cdm，杆状细胞光视效率表P192光度的基本物理量,,,,eeeeeMILE,,,,VVVVVMILE780380()()VmeKVd（1-1-12）680/mKlmW—光功当量基本发光单位：坎德拉cd（Candela）,流明（lm）,勒克斯（lx）作业：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W/µm·m²'(,)//eMTdddA（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。'(,)()/()eeTdd（1-1-15）3绝对黑体温度辐射'',(,)(,)/(,)bMTMTT（1-1-16）4发射率'',(,)(,)/(,)bTMTMT（1-1-17）比较上两式—强辐射必然强吸收1．2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''(,,,)(,,,)TT（1-2-1）非黑体的发射率和吸收率：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）P24'cosNII（1-2-18）NLL（1-2-19）三、距离平方反比定律点光源的空间发射特性2/ER（1-2-23）试证明之（注意适用范围）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。4TM＝（1-2-46）式中：)/(W10673.54212Kcm－＝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。KmTm2898（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：2/nL2、辐射能传输p36光学范围：Ann2G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2402cosEE(1-3-16)式中：210/4/FLE4、成像系统的特征参数（p38）一、几何范围与通量GA（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、吸收（吸收比）2、散射（散射比）3、反射（反射比）4、透射（透射比）PPPPP0（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1.0eV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[]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2mW，发散角为1mrad,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60lm/W）2．如果一黑体辐射的峰值波长为0.65m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100W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1000m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.普通白炽灯降压使用有什么好处？灯的功率、光通量、发光效率和色温有何变化？为什么？4.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。5.“烛光里的妈妈”