第二章光度学

第二章光度学第1页，共41页，2023年，2月20日，星期一几个光学量的定义1.光通量V:可见光对人眼的刺激程度,流明2.光照度EV:单位面积接受的光通量,Lx3.发光强度IV：单位立体角发出的光通量,cd4.光亮度LV：单位面积在单位立体角中发出的光通量,熙提第2页，共41页，2023年，2月20日，星期一光通量V=v()

：辐射能通量（辐射度学）视见函数v():光对人眼视觉的刺激程度广义来说，光通量可以理解为光对光学仪器中接收器的作用程度，视见函数理解为光谱响应，表示光进入光学仪器中的有效成份。光通量的单位为流明（lm）第3页，共41页，2023年，2月20日，星期一光照度EV照射在单位面积上的光通量1勒克斯=1流明/m2点光源产生的照度（平方反比律）面光源产生的照度第4页，共41页，2023年，2月20日，星期一点光源的照度第5页，共41页，2023年，2月20日，星期一面光源的照度第6页，共41页，2023年，2月20日，星期一发光强度IV=(candle)点光源在单位立体角中发出的光通量发光强度是光度学中的基本参数点光源第7页，共41页，2023年，2月20日，星期一亮度LV

发光体发出的光在空间的分布情况单位投影面积在指定的方向上的发光强度亮度的单位：

lm/m2.cr=cd/m2lm/cm2.cr=cd/cm2=sb(熙提)第8页，共41页，2023年，2月20日，星期一常见光源的亮度

（单位面积的发光强度cd/m2）第9页，共41页，2023年，2月20日，星期一激光的亮度一个10mW的氦氖激光器，假设光束截面为1mm2，光束发散角2′，其辐射亮度为B=1010W/m2·sr。10mW的激光器的辐亮度比太阳的辐亮度高数千倍。因此，用眼睛直接看激光是相当危险的。太阳的辐射亮度为B=3×106W/m2·sr。高度集束的激光，能量非常集中。举例说，在日常生活中我们认为太阳是非常亮的，但一台巨脉冲红宝石激光器发出的激光却比太阳还亮200亿倍。当然，激光比太阳还亮，并不是因为它的总能量比太阳还大，而是由于它的能量非常集中。例如，红宝石激光器发出的激光射束，能穿透一张1/3厘米厚的钢板，但总能量却不足以煮熟一个鸡蛋。

第10页，共41页，2023年，2月20日，星期一像的亮度和照度照度E：像面上单位受光面积接受的光通量。（使照片感光的是“照度”问题）亮度L:

像面上单位面积在一定方向上发出的光通量。（用眼睛通过光学仪器来观察物体是“亮度”问题）第11页，共41页，2023年，2月20日，星期一投影仪的亮度和照度投影仪在屏幕上成像，“照度E”

即表示投射到这个屏幕上单位面积的光通量是多少？人眼看屏幕上的像，从屏幕上发出的光通量中有多少进入眼瞳中？即“亮度L”。它们之间的关系：L=E/第12页，共41页，2023年，2月20日，星期一

主观亮度—

D—人眼瞳孔的直径，f—人眼的焦距

B—物体的亮度（L）

k—与环境有关的系数

对于面光源来说，就是人眼视网膜上的照度，它与物体的距离无关；

用人眼直接观察物体的主观亮度称为天然主观亮度。第13页，共41页，2023年，2月20日，星期一

入瞳的直径“D”应该作出选择：眼瞳直径与望远镜出瞳直径选择其中“小”者（光阑的定义）当使用望远镜时的主观亮度第14页，共41页，2023年，2月20日，星期一例题设眼瞳直径为3mm；望远镜的物镜直径为75mm，当放大率为：20倍25倍50倍时，望远镜中的月亮的主观亮度与天然主观亮度之比。第15页，共41页，2023年，2月20日，星期一点光源的主观亮度在视网膜上所成的像的尺度还不足于占满一个单感光细胞（感光单元）点光源的主观亮度不取决于像的照度，而是取决于进入瞳孔的总的光通量。所以望远镜可以使点光源的主观亮度大大增加。利用望远镜观察星体时，星体的主观亮度增加了，而天空背景的主观亮度没有增加，因此，我们白天用望远镜也能看到星体。第16页，共41页，2023年，2月20日，星期一一些实际情况下的照度

单位受照面积接受的光通量（1lx=1lm/m2）第17页，共41页，2023年，2月20日，星期一光传播过程中光能量的传递点光源形成的照度面光源形成的照度第18页，共41页，2023年，2月20日，星期一余弦辐射体

（发光强度的空间分布为）

余弦辐射体的各方向上的光亮度相同第19页，共41页，2023年，2月20日，星期一余弦辐射体的应用自发光漫射体：绝对黑体、面发光源漫透射体：乳白玻璃、毛玻璃漫反射体；硫酸钡涂层可广泛地应用在需要均匀发光的场合，如仪器的均匀照明体（分划板、投影光源等）、显示面板、野外广告灯箱等。第20页，共41页，2023年，2月20日，星期一轴上像点的光照度

式中：β-光学系统的横向放大率

L-物体的亮度

τ-光学系统的透过率第21页，共41页，2023年，2月20日，星期一轴外像点的光照度

随视场的增大迅速地减低第22页，共41页，2023年，2月20日，星期一光学系统中的光能损失

三部分：1、透射中的反射损失

2、反射中的透射和吸收损失

3、介质的吸收损失通过光学仪器以后的光通量为:式中：Φ0—进入光学仪器的光通量

ρ—透射面的反射率，通常透明玻璃的反射率为10%-15%，镀增透膜以后，其反射率可减低到1%N1—光学系统透射面的数目N2—光学系统反射面的数目T—通过1cm厚度光学材料（玻璃）所吸收的光通量的比例（吸收率）f—反射面的反射率，反射面可以镀铝、镀银、镀金等，棱镜反射面可以做到全发射

第23页，共41页，2023年，2月20日，星期一靶场光电探测仪器的作用距离在一定条件下光学系统能够探测到的最远距离。对于靶场光电探测仪器来说（如摄影机、电视系统、光电经纬仪、激光测距仪等），作用距离是一项很重要的参数；最远作用距离主要是取决于光学系统的空间分辨率和接受光能量的能力。光学系统的大口径、长焦距有利于作用距离的提高，但受大气抖动的限制，造价也大幅度的提高，有时不会去的好的效果。调焦调光的质量，传动的平稳性，已启动振动等都会形成目标像点的弥散和目标与背景之间的对比度，最终影响到仪器的作用距离。实际使用中，外界条件对仪器的作用距离影响很大，如同样的光电经纬仪对某导弹进行跟踪时作用距离为200-300km，但在气象条件很佳时，作用距离可以到500km。第24页，共41页，2023年，2月20日，星期一空间分辨率（可用角分辨率衡量）

取决于：

1，探测器的分辨能力

2，光学系统的分辨能力

3，环境，如能见度等

目标需要分辨的细节取决于用户方的需求，如用户方需要能分辨目标的某部分机件的形状、尺寸和其它物理量，这就是目标需要分辨的细节。

对于点目标而言，作用距离主要取决于光能量及其天空背景。判别目标能否被探测到，主要有两点：1，目标像在探测器（胶片）上的黑度能否达到一定的值即照度是否足够；2，目标与背景的对比度满足一定的比值（c=1:0.5）。第25页，共41页，2023年，2月20日，星期一背景的光度概念天空背景主要是由太阳光照射大气颗粒后散射形成的。背景的亮度与太阳的高度、观察方向、季节、气候条件等因素有关（这可以在相关的资料中查得）。一般靶场测试设备中考虑背景的亮度为

B≤0.5sb第26页，共41页，2023年，2月20日，星期一背景在探测器（或胶片）上的照度天空背景的亮度Bb=(0.2-0.5)sb，与太阳高度、观察方向有关，通常要求观察方向与太阳的夹角大于45°。D/f:系统的相对孔径，直接影响到测角精度和采样能力。焦距越长，测角精度越高，但视场越小，跟踪越困难，结构越庞大，造价越高。K1:光学系统对背景光谱的透过率第27页，共41页，2023年，2月20日，星期一仪器设计时需要考虑的

目标光度特性（总体设计时的匹配原则）点目标和面目标（点目标测量几何轨迹及其运动参量，如速度、加速度等，面目标主要是测量其姿态，如目标的攻角、倾斜、滚动、非正常现象等）自发光体和非自发光体自发光体的光谱特性（要求与仪器的光电探测器的光谱特性相匹配）目标表面的光学反射特性

（反射率和光谱特性等）第28页，共41页，2023年，2月20日，星期一

点目标在光电探测器或胶片上的

照度

式中：B—目标的亮度

D/f—光学系统的相对孔径

ε—光学系统的遮拦比

Ka—大气透过率

K1—光学系统对目标的光谱折射率

k2—光谱的滤光系数

σ1—目标分辨细节对仪器的张角

σ—实际像点弥散均方根值

第29页，共41页，2023年，2月20日，星期一

面目标在光电探测器或胶片上的

照度

式中：D—光学系统的口径

A—目标在观察方向上的有效辐射面积

ε—光学系统的遮拦比

Ka—大气透过率

K1—光学系统对目标的光谱折射率

k2—光谱的滤光系数

σ1—目标分辨细节对仪器的张角

σ—实际像点弥散均方根值

第30页，共41页，2023年，2月20日，星期一光电探测仪器

光能量的传递模式光学系统胶片判读仪人眼CCD信息处理目标背景大气输出第31页，共41页，2023年，2月20日，星期一光的大气传输特性大气对光信号的散射大气对光信号的吸收大气的能见度：识别以天空为背景的黑色物体时，常把识别对比度阈值为0.02时得到的最大距离为能见度。大气透过率：大气中的悬浮粒子，如云、雨、雾、霾、烟尘等对光散射和吸收对目标和背景的光亮度和对比度都产生很大的影响。大气的扰动：大气折射率和大气密度随气压和气温而变化，当大气折射率和密度不均匀的时候，传递物点光学信息的波前将会产生变形，这种变化是随机的，因而称之为扰动。第32页，共41页，2023年，2月20日，星期一大气能见度式中：A—大气的散射系数

CTH—50%人群能够识别目标的对比度阈值第33页，共41页，2023年，2月20日，星期一大气透过率式中：Z—天顶距

—大气质量第34页，共41页，2023年，2月20日，星期一如何提高目标测量的作用距离

长焦距物镜有利于放大目标的成像细节，从而增大目标的测量距离；大口径有利于像面照度的增加，也能增大作用距离；采用光谱滤光技术可以减少背景中的不需要的光谱成分，提高被测目标的对比度，增加作用距离；自适应光学：利用光子探测手段实时检测光学成像系统波面误差所造成的像点弥散，再按自动控制原理将其进行补充和校正。自适应光学技术可以有效地补偿大气抖动等外界因素造成的目标能量分散，因而可以提高像面照度和对比度，使作用距离大大提高。第35页，共41页，2023年，2月20日，星期一光学仪器中常用的光源热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器第36页，共41页，2023年，2月20日，星期一热辐射光源1，太阳：

直径为139万公里的火球，光谱能量分布为5900Kd黑体辐射，平均辐射亮度为2×107W/m2sr，平均亮度1.95×109cd/m2,太阳常数（地球接收到的太阳辐射能的总数）1359W/m22，黑体:

1，黑体的吸收率α=1，这意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能。

2，尽管在自然界并不存在绝对黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。

3，黑体模型为一个球壳形的空腔，使空腔壁面保持均匀的温度，并在空腔上开一个小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射。而每经历一次吸收，辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为所投入的辐射能完全在空腔内部被吸收。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。

4，小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小，小孔就越接近黑体。若这个比值小于0.6%，当内壁吸收率为60%时，计算表明，小孔的吸收率可达99.6%。应用这种原理建立的黑体模型作为热辐射研究的标准物体。在黑体辐射的实验研究以及为实际物体提供辐射的比较标准等方面都十分有用。3，白炽灯：

连续光谱，白炽灯可以是真空、充惰性气体和卤素化合物。第37页，共41页，2023年，2月20日，星期一气体放电光源在电场作用下，把发光气体激励出电子和离子，气体即成为导电体，电子和离子在电场中得到能量引起原子的激发。当原子从高能级回到低能级时就会发出可见光、紫外、红外光等。发光效率高，寿命长，结构紧凑。汞灯、钠灯、金属卤化物灯、氙灯等第38页，共41页，2023年，2月20日，