第二章光源基础知识选编课件.ppt

1、光电基础知识CCD器件中光源的选择和匹配CCD器件用到的光源半导体电磁波方式传播的粒子，称为光量子或者光子。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，物质的光电效应证明了光的量子性。 CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在0.21.1m的波长范围内。特种材料的红外CCD的波长响应可扩展到几个微米，即CCD的光谱响应范围从远紫外、近紫外、可见光到近红外区，甚至到中红外区。第一节 光电基础知识电磁波谱电磁波谱 光是一种电磁波，X射线、射线也都是电磁波。它们的电磁特性相同，只是频率或波长不同而已。将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。通常所说的光学区域或光学频

2、谱包括：红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高，一般采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1mm到10nm。波长/m无线电波微波红外线紫外线可见光 X 射线 射线宇宙射线1m103m106mm10910-310-610-9nm波长/nm10610200390455 4925775976227605x1036x1034x104300极远远近极远远中近红橙黄绿蓝紫电磁波谱图 远红外 (1 mm 20 m) 红外线红外线 (1mm 0.76 m) 中红外 (20 m 1.5 m) 近红外 (1.5 m 0.76 m) 红 色(760 nm 630 nm) 橙 色 (630 nm 600 nm) 黄

3、色 (600 nm 570 nm) 可见光可见光 (760 380nm) 绿 色 (570 nm 490 nm) 青 色(500 nm 450 nm)蓝 色 (450 nm 430 nm) 紫 色 (430 nm 380 nm) 近紫外 (380 nm 300 nm) 紫外光紫外光 (380 10nm) 中紫外(300 nm 200 nm)真空紫外(200 nm 10 nm)依照波长的长短以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：(1)无线电波波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；(2)微波波长从0.3米到10-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；(3)红外线波长从

4、10-3米到7.810-7米；红外线的热效应特别显著；(4)可见光这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。 (5)紫外线波长比可见光短的称为紫外线，它的波长从310-7米到610-10米，它有显著的化学效应和荧光效应。这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出；(6)伦琴射线这部分电磁波谱，波长从210-9米到610-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；X射线，它是由原子中的内层电子发射的，其波长范围约在10210-2米。(7)射线是波长从10-1010-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子

5、核反应中常有这种辐射伴随着发出。射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。 为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。 在辐射度单位体系中在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。 光度单位体系光度单位体系是一套反映视觉明暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。 立体角的单位叫球面度（Sr），1球面度是半径为1m的球面上，1m2的球面对球心所

6、张的立体角。AsAr(b)o= 2rS平面角的单位叫弧度，1弧度是半径为1m的圆上，1m长的圆弧对圆心所张的角。= rlloB(a)Ar先介绍一些基本概念先介绍一些基本概念: 平面角平面角和和立体角立体角。立体角是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度(如图所示)，定义为：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比。ddrddrrdSdsinsin222式中，为天顶角；?为方位角；d,d?分别为其增量。立体角的单位是球面度(sr)。 对于半径为r的球，其表面积等于4r2，所以一个光源向整个空间发出辐射能或者一个物体从整个空间接收

7、辐射能时，其对应的立体角为4球面度，而半球空间所张的立体角为2球面度。在 ，? 角度范围内的立体角 求空间一任意表面s对空间某一点o所张的立体角，可由o点向空间表面s的外边缘作一系列射线, 由射线所围成的空间角即为表面s对o点所张的立体角。因而不管空间表面的凹凸如何，只要对同一o点所作射线束围成的空间角是相同的，那么它们就有相同的立体角。 ddsin1. 辐射能辐射能(Radiant energy)和光能和光能以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，用符号以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳（表示，其计量单位为焦耳（J）。）。光能是光通量在可见光范围

8、内对时间的积分，以光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，表示，其计量单位为流明其计量单位为流明秒（秒（lms）。）。辐能密度w：单位体积元内的辐射能，即：w=dQ/dV2.辐射通量辐射通量(Radiant flux)和光通量和光通量(luminous flux) 辐辐(射射)通量或辐通量或辐(射射)功率是以辐射形式发射、传播或接功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐或接收的辐(射射)能称为辐能称为辐(射射)通量，以符号通量，以符号e表示，表示， 其计量其计量单位为瓦单位为瓦(

9、W)，即，即tQddeetQee 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能除以无穷小时间间隔收的所有可见光谱，光能除以无穷小时间间隔dt，其商定义，其商定义为光通量为光通量v，即，即tQddvvtQvvv的计量单位为流的计量单位为流(明明)（lm）。）。3.辐辐(射射)出出(射射)度度(Radiant Existance)和光出和光出(射射)度度 对有限大小面积对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面的面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量空间内发射的辐通量de与该面元面积与该面元面积dA之比，

10、定义为辐之比，定义为辐(射射)出出(射射)度度Me，即，即AMddeeMe的计量单位是瓦（特）每平方米的计量单位是瓦（特）每平方米W/m2面光源面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为向半球面空间内发射的总辐通量为)(eedAAM 对于可见光，面光源对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量间发射的光通量dv与面元面积与面元面积dA之比称为光出之比称为光出(射射)度度Mv，即即AMddv其计量单位为勒其计量单位为勒(克斯克斯)lx或或lm/m2 点光源在给定方向的立体角元点光源在给定方向的立体角元d内发射的辐通量内发射的辐通量de，与该方向立体角元

11、与该方向立体角元d之比定义为点光源在该方向的辐之比定义为点光源在该方向的辐(射射)强度强度Ie，即，即4.辐辐(射射)强度强度(Radiant Intensity)和发光强度和发光强度Iddee辐辐(射射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度强度的计量单位为瓦（特）每球面度 W/sr发光强度发光强度Iddvv 发光强度的单位是坎德拉发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎，简称为坎cd。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射为：在给定方向上能发射5401012Hz的单色辐射源，在此的单色辐射源，在此方

12、向上的辐强度为方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为，其发光强度定义为一个一个坎德拉坎德拉cd。 发光强度为发光强度为1cd的点光源，向给定方向的点光源，向给定方向1球面度球面度(sr)内发内发射的光通量定义为射的光通量定义为1流明（流明（lm）。发光强度为）。发光强度为1cd的点光源的点光源在整个球空间所发出的总光通量为在整个球空间所发出的总光通量为=4I12.566 lm。5.辐辐(射射)亮度亮度(Radiant luminance)和亮度和亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正

13、投影面积，称为辐射亮度面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即，即cosdddcosdde2eeAAIL式中，式中， 为所给方向与面元法线为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度之间的夹角。辐亮度Le的计量的计量单位为瓦（特）每球面度平方单位为瓦（特）每球面度平方米米W(srm2 )。AddAd 辐射亮度示意图 对可见光，亮度对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元在定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即的正投影面积，即cosdddcosddv2vvAAILLv的

14、计量单位是坎德拉每平方米的计量单位是坎德拉每平方米cd/m26.辐射效率辐射效率(Radiant efficiency)与发光效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量光源所发射的总辐射通量e与外界提供给光源的功率与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐之比称为光源的辐(射射)效率效率e；光源发射的总光通量；光源发射的总光通量v与与提供的功率提供的功率P之比称为发光效率之比称为发光效率v。它们分别为。它们分别为00ee100P%100vvP对限定在波长对限定在波长12范围内的辐效率范围内的辐效率001ee100d2P 1.辐照度与照度辐照度与照度 辐照度辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通

15、量是照射到物体表面某一点处面元的辐通量de除以该面元的面积除以该面元的面积dA的商，即的商，即AEddeeEe的计量单位是瓦（特）每平方米的计量单位是瓦（特）每平方米W/m2 对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dv除除以该面元面积以该面元面积dA称为光照度称为光照度Ev，即，即AEddvvAEvvEv的计量单位是勒（克斯）的计量单位是勒（克斯）lx。 辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。能量有

16、关。 照射到物体表面某一面元的辐照度照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间在时间t内的积内的积分称为辐照量分称为辐照量He，即，即ttEH0eed辐照量辐照量He的计量单位是焦尔每平方米的计量单位是焦尔每平方米 J/m2。 与辐照量与辐照量He对应的光度量是曝光量对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体，它定义为物体表面某一面元接收的光照度表面某一面元接收的光照度Ev在时间在时间t内的积分，即内的积分，即ttEH0vvdHv的计量单位是勒（克斯）秒的计量单位是勒（克斯）秒lx.s。 2.如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，那如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，那么该面元

17、可看作是一个辐射源表面，即其辐射出射度在数值么该面元可看作是一个辐射源表面，即其辐射出射度在数值上等于照射辐照度。上等于照射辐照度。地球表面的辐照度是其各个部分(面元)接收太阳直射以及天空向下散射产生的辐照度之和；而地球表面的辐射出射度则是其单位表面积向宇宙空间发射的辐射通量。 说明：说明：1.不要把辐照度不要把辐照度Ee与辐出度与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位相同，混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来

18、定义的。3.3.本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当作辐射体，则光谱辐出度部分。若把反射体当作辐射体，则光谱辐出度MMerer( ( ) () (r r 代代表反射表反射) )与辐射体接收的光谱辐照度与辐射体接收的光谱辐照度E Ee e( ( ) )的关系为的关系为)()(eeerEM式中，式中， e e( ( ) )为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对上为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对上式的波长积分，得到反射体的辐出度式的波长积分，得到反射体的辐出度 )d()(eeeEM朗伯辐射体及其辐射特性对于磨得很光或镀得

19、很亮的反射镜，当一束光入射到它上面时，反射光具有很好的方向性，即当恰好逆着反射光线的方向观察时，感到十分耀眼，而在偏离不大的角度观察时，就看不到反射光。对于一个表面粗糙的反射体或漫射体，就观察不到上述现象。除了漫反射体以外，对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯辐射体朗伯辐射体。 绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。在实际问题的分析中，常采用朗伯体作为理想的模型。 朗伯余弦定律 朗伯体反射或发射辐射的空间分布可表示为 按照朗伯辐射体亮度不随角度 变化的定义，得即即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立体角内发射(或反射

20、)的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角的余弦成正比朗伯余弦定律。朗伯体的辐射强度按余弦规律变化，因此，朗伯辐射体又称为余弦辐射体。 ddcos2ALdcos0dAIdAILcos0II 朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系 极坐标对应球面上微面元dA的立体角d 设朗伯微面元dS亮度为L，则辐射到dA上的辐射通量为 在半球内发射的总通量为 按照出射度的定义得 或朗伯体辐射空间坐标 ddsind2rdAddsdLdsincos22020sincosddsLdsdLML LdsM对于处在辐射场中反射率为的朗伯漫反射体( =1为理想漫反射体)，不论辐射从何方向入射，它除吸收(1- )的入射辐射通量外，其它

21、全部按朗伯余弦定律反射出去。因此，反射表面单位面积发射的辐射通量等于入射到表面单位面积上辐射通量的倍。即M=E，故EL 举例：举例：已知太阳辐亮度L0等于2107/m2/sr，太阳的半径r0等于6.957108m，地球的半径re为6.374106m，太阳到地球的年平均距离l为1.4961011m，求太阳的辐射出射度M0、辐射强度I0、辐射通量0以及地球接收的辐射通量e、地球大气层边沿的辐照度Ee。解: 太阳可假定为朗伯光源，则太阳的辐射出射度M0=L0=6.2832107(W/m2) 若认为太阳是一均匀发光体，则太阳的辐射通量 0=4r02M0=3.82110 26(W)太阳的辐射强度: I0

22、=0/4=3.0411025 (W/sr) 地球对太阳的立体角：=re2/l2=5.70310-9 (sr) 也就是说，地球只接收了太阳总辐射能的5.710-9/4=4.5410-10。 地球接收到的太阳的辐射通量: e= I0=1.7341017 (W) 地球大气层边沿的辐照度: Ee= I0/l2=1358.79 (W/m2) 几种典型光辐射量的计算公式几种典型光辐射量的计算公式1.点源对微面元的照度点源对微面元的照度 如图, 设O为点源，受照微面元dA距点源的距离为l，其平面法线n与辐射方向夹角为，dA对点源O所张立体角为若点源在该方向的辐射强度为I，则向立体角d发射的通量d为 如果不考

23、虑传播中的能量损失，则微面元的照度为 即点源对微面元的照度与点源的发光强度成正比，与距离平方成反比，并与面元对辐射方向的倾角有关。当点源在微面元法线上时，上式变为 这就是距离平方反比定律距离平方反比定律。 2cosldAd2coslIdAIdd2coslIdAdE2lIE 点源对微面元的照度 应该指出，点源实际尺寸不一定很小，甚至成为一个点，而是按辐射源线度尺寸与接收面距离的比例来区分是点源或面源。距地面遥远的一颗星，实际尺寸很大，但观察者看到的却是一个“点”。同一辐射源在不同场合，既可是点源，又可是面源，例如飞机的尾喷管，在1km以上的距离测量时是点源，而在3m的距离测量时，则表现为一个面源

24、。通常认为，当距离比辐射源线度尺寸大10倍以上时，就可以看成点源。 2.2.点源向圆盘发射的辐射通量点源向圆盘发射的辐射通量分析点源向圆盘发射的辐射通量可用于计算距点源一定距离的光学系统或接收器接收的辐射通量。如图，点源O发出光辐射，距点源l0处有一与辐射方向垂直半径为R的圆盘。由于圆盘有一定大小, 由点源至圆盘上各点的距离不等，故圆盘辐照度不均匀。 圆盘上微面元dA接收的辐射通量为由于 ，代入上式，并对和积分，得到半径R的圆盘接收的全部辐射通量点源对圆盘的辐射 dAlIEdAd2cosdddA 20200/cosllll2/12002/3202200)(1 12)(lRIdldIldR当圆盘

25、距点源足够远时，即l0R，ll0，cos1，则圆盘接收的通量为即圆盘可认为是微面元，圆盘上各点辐照度相等。 SlIRlI202203.3.面辐射在微面元上的辐照度面辐射在微面元上的辐照度如图, 设A为面辐射源，Q为受照面，n1为微面元dA的法线，与辐射方向夹角为，n2为Q平面O点处的法线，与入射辐射方向的夹角为，dA到O点的距离为l。对面源A上微面元dA，运用距离平方反比定律得O点形成的辐照度dE。 式中，I为面元dA在方向上的发光强度，与该方向上发光亮度L间有如下关系代入上式得面辐射源A对O点处微面元所形成的照度值E，得 2coslIdEcosdALIdLldALdEcoscoscos2AA

26、dLdEEcos面源的辐照度一般情况下，面辐射源在各个方向上的亮度是不等的。但对各方向亮度相等的朗伯辐射源，上式可简化为式中， 是立体角d在Q平面的投影, 故称上式为立体角投影定律。 AsLdLEcosAsdcos4.4.朗伯辐射体产生的辐照度朗伯辐射体产生的辐照度如图，朗伯扩展源为半径R的圆盘A，取圆环状面元dA1=rdrd?，由前面式子可知，由于 =，则环状面元上发射的辐射在距圆盘为l0的某点Ad处的辐照度为 由图的几何关系得rdrdlLdE22cos,cos0ll tan0lr 朗伯圆盘辐射体的辐照度ddLdEdldrcossin,cos20则圆盘扩展源在轴上点产生的辐照度为 02022

27、00sinsincossin0MLddLE进一步讨论扩展源近似为点源的条件。由图可得 20202202202)/(11sinlRlRlRR因为圆盘的面积A为R2，故上式可改写为 2020)/(11lRlLAE若圆盘可近似作为点源，则其在同一点产生的辐照度为 200lLAE 于是, 由上上式精确计算的辐照度与上式点源近似计算的辐照度的相对误差为 02200tan)(lREEE显然，如果R/l01/10，即当l010R或0 5.7时，相对误差f，即物距远大于光学系统的焦距，则 )(411/)(41220fDfDLE需要指出：在一般应用中，光学系统的相对孔径D/ f 较小，因此，常采用如下简化式 2

28、00)(41fDLE对于夜视系统的光学系统，由于属于低信噪比系统，往往需要加大光学系统的孔径，通常要求光学系统的F数(FN=f /D)尽量小，FN1, 则采用上式导致的相对误差为 220)(4141fDFEEEN显然，当FN1时，相对误差将达到25%。 1.光源的光谱辐射分布参量光源的光谱辐射分布参量 光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量辐射量的光谱密度的光谱密度Xe,，简称为光谱辐射量，即，简称为光谱辐射量，即dde, eXX式中，通用符号式中，通用符号X

29、e,是波长的函数，代表所有的光谱辐射量，是波长的函数，代表所有的光谱辐射量，如光谱辐射通量如光谱辐射通量e,、光谱辐射出度、光谱辐射出度Me,、光谱辐射强度、光谱辐射强度Ie,、光谱辐射亮度光谱辐射亮度Le,、光谱辐照度、光谱辐照度Ee,等。等。 同样，以符号同样，以符号Xv,表示光源在可见光区单位波长范围内发表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为射的光度量称为光度量光度量的光谱密度，简称为光谱光度量，即的光谱密度，简称为光谱光度量，即 ddv,vXX式中，式中，Xv,代表光谱光通量代表光谱光通量v,、光谱光出射度、光谱光出射度Mv,、光谱发、光谱发光强度光强度Iv,和光谱光照度和光

30、谱光照度Ev,等。等。 光源的辐射度参量光源的辐射度参量Xe,随波长随波长的分布曲线称为该光源的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。的绝对光谱辐射分布曲线。 该曲线任一波长该曲线任一波长 处的处的Xe,除以峰值波长除以峰值波长 max处的光谱辐射处的光谱辐射量最大值量最大值Xe,max的商的商Xe,r，称为光源的相对光谱辐射量，即，称为光源的相对光谱辐射量，即 max, e, er, eXXX 相对光谱辐射量相对光谱辐射量Xe,r与波长与波长 的关系称为光源相对光谱辐射的关系称为光源相对光谱辐射分布。分布。 光源在波长光源在波长 1 2 范围内发射的辐射通量范围内发射的辐射通量 21,

31、eed 若积分区间从若积分区间从 1=0到到 2 ，得到光源发出的所有波长的，得到光源发出的所有波长的总辐射通量总辐射通量 0r, emax, e0, eedd 光源在波长光源在波长 1 2之间的辐通量之间的辐通量 e e与总辐通量与总辐通量 e之比称之比称为该光源的比辐射为该光源的比辐射qe，即，即 0, e21, eeddq式中，式中，qe没有量纲。没有量纲。 2.量子流速率量子流速率 光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长源在给定波长 处处, 由由 到到 +d 波长范围内发射的辐射通量波长范围内发射的辐射通量d e除以

32、该波长除以该波长 的光子能量的光子能量hv，得到光源在该波长得到光源在该波长 处每秒处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe, ，即，即 hvhvNddd, ee, e 光源在波长光源在波长 为为0范围内发射的总量子流速率范围内发射的总量子流速率 0, emax, e0, eeddrhchvN对可见光区域，光源每秒发射的总光子数对可见光区域，光源每秒发射的总光子数d76. 038. 0, evhcN量子流速率量子流速率Ne或或Nv的计量单位为光子数每秒的计量单位为光子数每秒1/s。 辐射度参数和光度参数的关系380nm760nm光度参数辐射度参数人眼的视

33、觉灵敏度人眼的视觉灵敏度明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=555nm处的光谱辐射亮度小于其他波长的光谱辐射亮度。把波长=555nm的光谱辐射亮度被其他波长的光谱辐射亮度除得的商，定义为正常人眼的V()，即,555,)(enmeLLV对正常人眼的柱状细胞，以微弱的各色单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为507nm处的光谱辐射亮度Le,507nm小于其他波长的光谱辐射亮度Le, 。把Le,507nm与Le,的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率。 ,507,)(enmeLLVV/()也是一个无量纲的相对

34、值，它与波长的关系如图中的虚线所示。暗视觉光谱光视效率暗视觉光谱光视效率图为人眼的明视觉光谱光视效率V()和暗视觉光谱光视效率V/()。4005006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 长(nm)光视 效 率光谱光视效率曲线evKevmmKKKV1光谱光视效能光谱光视效能 光谱光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多光谱光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。即光视效能少相应的单色光通量。即光视效能K 定义为同一波长下测定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值，即得的光通量与辐射通量的比值，即 单位：流明单位：流明/瓦特瓦特(lm/W

35、)通过测定，在辐射频率通过测定，在辐射频率540 1012Hz(波长波长555nm)处，处，K 有最有最大值，其数值为大值，其数值为Km=683lm/W。单色光谱光视效率是。单色光谱光视效率是K 用用Km归一化的结果，其定义为归一化的结果，其定义为人眼的光谱光视效能人眼的光谱光视效能无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其刺激的程度与V() Le,成正比。对于明视觉，刺激程度平衡的条件为对于明视觉，刺激程度平衡的条件为)(,VXKXemV式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量XV,对辐射度参量Xe,的转换常数，其值为683lm/W。对于暗视觉，刺激程度平衡的条件为对于暗视觉，刺激程度平衡

36、的条件为式中，K/m为人眼的暗视觉最灵敏波长的光度参量X/V,对辐射度参量Xe,的转换常数，其值为1725lm/W。)(,VXKXemV引入K()，并令)()(,VKXXKmeV)()(,VKXXKmeV在人眼最敏感的波长m=555nm， m/=507nm处，分别有V(m) =1， V/(m/) =1，这时K(m)=Km， K/(m/)=K/m。因此， Km， K/m分别称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。常见光源的光视效能 例：已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？解：He-Ne激光器输出的光

37、为光谱辐射通量，可以计算出它发出的光通量为,)(emeeVVKK =6830.24310-3 =0.492(lm)标准钨丝灯发光光谱分布如图1-7所示，图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射分布Xe,r、光谱光视效率V()和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积V() Xe,r，积分 为V() Xe,r曲线所围的面积A1，而积分 为面积A2。因此，可得标准钨丝灯的光视效能Kw为nmnmredVX760380,)(0,dXre1 .1721AAKKmwlm/W例如，对于色温为2856K的标准钨丝灯，其光视效能为17.1 lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为e=100W时，其光通量为v=1710l

38、m。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。任何任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波， 这这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要取决于物体的区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要取决于物体的温度。下面介绍热辐射的一些基本定律。温度。下面介绍热辐射的一些基本定律。热辐射

39、基本定律热辐射基本定律1. 单色吸收比和单色反射比。任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。 吸收比。被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用 表示。 反射比。反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用 表示。对于不透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即 若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即 ，则称该物体为绝对黑体

40、（简称黑体）。)(T)(T1)()(TT1)(T)()()()()(2211TMTTMTTMbvvvvvbvM2. 基尔霍夫辐射定律 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即 为黑体的单色辐射出射度。) 1(2)(/52TkhcbvBehcTM212 hcCBkhcC/2)mW/cm(11)(/512TCbveCTM2121cmW10)000020. 0741832. 3(CKm10)000045. 0438786. 1 (42C3. 普朗克公式黑体处于温度T时，在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出式

41、中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为波尔兹曼常数。令 ， ，则： 第一辐射常数， 第二辐射常数。下图为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。可见：对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）。单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。黑体辐射单色辐射出射度的波长分布01234560102030401000K1200K1400K1600K1800K2000K (m)单色辐射出射度 Mvb(W/cm2

42、m)TTCeTC2/12421)(TCCTMbvKm107 . 75T4.瑞利-琼斯公式当 很大时， ，可得到适合于长波长区的瑞利-琼 斯公式在 时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。T5.维恩公式当 很小时， ，可得到适合于短波长区的维恩 公式在 区域时，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。TCTCee/221TCbveCTM/512)(Km2698Tm)Km(9 .2897Tm4)(TTMvb)KsJ/m(10670. 54286.维恩位移定律普朗克公式对波长求微分后令其等于0，则单色辐射出射度最大值对应的波长 与绝对温度满足7.斯忒藩-玻尔兹曼定律 为斯忒藩为斯忒藩- -玻尔兹曼

43、常数。斯忒玻尔兹曼常数。斯忒 藩藩- -玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。而与黑体的其他性质无关。8.色温 当热辐射体发射的可见光区域的光谱辐射分布具有与某黑体的可见光部分的光谱辐射分布相同的形状时，以黑体的温度来标志该热辐时体的温度称为热辐射体的色温。色温度并非热辐射光源本身的温度。至于非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。色温越高的辐射体，可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越大。第二节 CCD器件中光源的选择

44、和匹配光源选择的基本要求光源选择的基本要求1.波长（光谱）特性波长（光谱）特性2.发光强度发光强度 （光功率）（光功率）3.光源稳定性（强度、波长）光源稳定性（强度、波长）1.对光源发光光谱特性的要求对光源发光光谱特性的要求 一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要，光源发光光谱与探测器的光谱响应要匹配。例如：红外探测器必须配套红外光源通常的硅探测器（如CCD相机）必须匹配0.4-1.1微米范围内光谱的光源。2.对光源发光强度的要求 为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。3.对光源稳定性的要求 稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电

45、或稳流电源供电，所用光源应预先进行老化处理。 当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。计量用标准光源通常采用高精度仪器控制下的稳流源供电。4.对光源其它方面的要求 灯丝结构和形状 发光面积大小和构成 灯泡玻壳的形状和均匀性 光源的发光效率和空间分布摄像摄像是为了真实地记录物体的结构、状态和颜色。而从是为了真实地记录物体的结构、状态和颜色。而从色度学知道，物体的颜色和照明光源的光谱功率分布有色度学知道，物体的颜色和照明光源的光谱功率分布有关。人们对物体的观察一般是在日光照射下形成的。所关。人们对物体的观察一般是在日光照射下形成的。所以摄像要在日光和近似日光的环境中可以进行。由

46、于氙以摄像要在日光和近似日光的环境中可以进行。由于氙气发光的光谱功率分布接近于日光的光谱功率分布，所气发光的光谱功率分布接近于日光的光谱功率分布，所以摄像时可以采用大功率的以摄像时可以采用大功率的氙灯氙灯作为照明光源。作为照明光源。CCD器件中光源的选择检测系统检测系统一般分为两种：一种是通过测量被检测物体的像来测一般分为两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检测物体量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布确定被检测物体的某些特征参数。对于第一种，的空间频谱分布确定被检测物体的某些特征参数。对于第一种，选用选用白炽灯或卤

47、钨灯白炽灯或卤钨灯作为照明光源；对于第二种，选用作为照明光源；对于第二种，选用激光激光作作为光源，因为激光能满足单色性好、相干性好和光束准直精度为光源，因为激光能满足单色性好、相干性好和光束准直精度高等要求。高等要求。CCD器件的光谱响应范围为器件的光谱响应范围为0.21.1m，峰值响，峰值响应波长多为应波长多为0.55m，氦氖气体激光器氦氖气体激光器的波长为的波长为0.6328m，光谱响应灵敏度接近于其峰值的响应波长的光谱灵敏度，光谱响应灵敏度接近于其峰值的响应波长的光谱灵敏度，与其他激光器相比，用相同功率光束照明，可以得到较大的输与其他激光器相比，用相同功率光束照明，可以得到较大的输出信号

48、。而且，这种激光器制造技术成熟，结构简单，使用方出信号。而且，这种激光器制造技术成熟，结构简单，使用方便，价格便宜，所以经常用它作为光源。便，价格便宜，所以经常用它作为光源。照明的匹配CCD器件是积分型器件，输出电流信号既和器件是积分型器件，输出电流信号既和CCD器件光器件光敏面上的照度有关，也和两次取样的间隔时间，即积分敏面上的照度有关，也和两次取样的间隔时间，即积分时间有关。若以时间有关。若以I代表其输出电流信号，代表其输出电流信号，E代表光敏面的代表光敏面的照度，照度，t代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有有KQKEtIEtQ K是比例系

49、数；是比例系数；，称为曝光量，单位，称为曝光量，单位lx*s。对于既定元件，曝光量应限定在一定的范围之内，其上限为饱和曝光量 。对于摄像和以光度测量为基础的CCD应用系统，光敏面上任何光敏单元上的曝光量 均应低于 ，否则将产生画面亮度失真，或产生大的测量误差。satQQsatQ 因为 ，所以可通过适当选择CCD器件光敏面上照度E和两次采样间隔时间t两个参数来达到 。但是，采样间隔时间t一般由驱动器的转移脉冲周期 确定，常为一确定值。所以调节曝光量通常是通过调节CCD光敏面上的光照度来实现。要求光敏面上任何点的照度应满足 。 光敏面的照度也不能太低。如果某些点的照度低于CCD器件的灵敏阈，这些较

50、暗部便无法测出，从而降低画面亮度的层次或产生测量误差。最好是把光敏面上的最大照度 调节为略低于 ，以充分利用器件的动态范围。EtQ satQQ tQEsatmaxEtQsatSHT式中， 和 分别为光学系统的像方和物方介质的折射率； 为光学系统的透过率； 为物体的亮度； 为像方孔径角； 为所考虑点对应的视场角。 对于CCD应用系统，CCD器件光敏面的照度就是经光学系统成像的像面照度或者是经光学系统进行傅里叶变换后的谱面照度。 发光特性接近余弦辐射体的物体经光学系统成像，其轴上像点的照度 和轴外像点照度 可分别用下列两式表示0EEULKnnE220sin)(40cosEEnnKLU对于观察或测量