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1、第1章 光电技术基础主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛2012.1贾湛制作第一部分 光学基础知识第一部分：光学基础知识第一部分：光学基础知识光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。1、几何光学几何光学光粒子性描述光粒子性描述2、波动光学波动光学光的波动性描述光的波动性描述3、光辐射度量学光辐射度量学几何光学不涉及光的电磁波本性，而是几何光学不涉及光的电磁波本性，而是几何光学不涉及光的电磁波本性，而是几何光学不涉及光的电磁波本性，而是研究光在透明介质中沿直线路径传播的研究光在透明介质中沿直线路径传播的研究光在透明介质中沿直线路径传播的研究光在透明介质中沿直线路径传播
2、的问题。问题。问题。问题。主要内容是：光的反射和折射，费马原主要内容是：光的反射和折射，费马原主要内容是：光的反射和折射，费马原主要内容是：光的反射和折射，费马原理，以及由这些基础理论导出的各种成理，以及由这些基础理论导出的各种成理，以及由这些基础理论导出的各种成理，以及由这些基础理论导出的各种成像知识。像知识。像知识。像知识。其中透镜成像知识是光电技术中非常重其中透镜成像知识是光电技术中非常重其中透镜成像知识是光电技术中非常重其中透镜成像知识是光电技术中非常重要的基础知识。要的基础知识。要的基础知识。要的基础知识。一.几何光学1.光的直线传播定律光的直线传播定律 在各向同性的均匀介质中，光沿
3、着直线传播。在各向同性的均匀介质中，光沿着直线传播。几何光学基本定律几何光学基本定律分层均匀媒质，每层中的分层均匀媒质，每层中的各段光线为直线。各层光各段光线为直线。各层光线的连接可形成一条折线。线的连接可形成一条折线。连续不均匀媒质视为无限多连续不均匀媒质视为无限多层无限薄的均匀媒质层构成层无限薄的均匀媒质层构成 光在传播过程中与其他光束相遇时，不改变各光在传播过程中与其他光束相遇时，不改变各自的传播方向，光束之间互不影响，各自独立地自的传播方向，光束之间互不影响，各自独立地传播。传播。 2.光的独立传播定律光的独立传播定律iiV1n n1 1sin sin i i =n=n2 2 sins
4、in V1V2n2n13.3.光的光的反射反射和和折射折射定律定律折射定律折射定律反射定律反射定律（Snell定律）定律）光在折射光在折射光在折射光在折射率为的率为的率为的率为的n n介质中传介质中传介质中传介质中传播速率为播速率为播速率为播速率为斯涅耳斯涅耳3103108 8m/sm/s全反射全反射当光从光密介质射向光疏介质，且入射角当光从光密介质射向光疏介质，且入射角 i 大于大于某一值某一值im时，只有反射而无折射光线，这一现象时，只有反射而无折射光线，这一现象称为光的全反射。称为光的全反射。 im 称为临界角，其满足：称为临界角，其满足：利用全反射可制作光导纤维！利用全反射可制作光导纤
5、维！漫射：漫射：当界面粗糙时当界面粗糙时,各入射点处各入射点处法线不平行法线不平行,即使入射光是平行的即使入射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散反射光和折射光也向各方向分散开开漫反射或漫折射。漫反射或漫折射。n2n1n0i0玻璃丝芯线玻璃丝芯线介介媒质媒质质质层层包包入射端入射端n2 n1n2n0n1i0ici1 光光程程：等等于于光光在在介介质质中中经经过过的的几几何何路路程程 l 与与该该介质的折射率介质的折射率 n 的乘积，即的乘积，即若光在非均匀介质中传播，则由若光在非均匀介质中传播，则由A到到B间的光程为间的光程为二）二）不难证明：不难证明：4.费马原理费马原理费马费马原理原理
6、原理原理光总是沿着光程光总是沿着光程(或者说所需的时间或者说所需的时间)为极值的路为极值的路径传播的，即光沿着光程径传播的，即光沿着光程(亦即所需时间亦即所需时间)为极小、为极小、极大或恒定的路径传播。极大或恒定的路径传播。用最小作用量原理证明折射定律用最小作用量原理证明折射定律用最小作用量原理证明折射定律用最小作用量原理证明折射定律iy1y2光竟然沿着最短路径光竟然沿着最短路径光竟然沿着最短路径光竟然沿着最短路径走，你从中能体会到走，你从中能体会到走，你从中能体会到走，你从中能体会到大自然的神奇吗？大自然的神奇吗？大自然的神奇吗？大自然的神奇吗？l= n2l2+ n1l1l1l2n2n10x
7、1xyxAB从从从从A A点到点到点到点到B B点点点点光程为：光程为：光程为：光程为：则光程则光程则光程则光程l l最短条件为：最短条件为：最短条件为：最短条件为：1. 1.单心（同心）光束单心（同心）光束单心（同心）光束单心（同心）光束由一点发出或相交于一点的光束。由一点发出或相交于一点的光束。发发光光点点 S 发发出出的的入入射射光光束束经经过过光光学学系系统统后后，变变成成以以另另一一点点 S为为中中心心的的同同心心光光束束，则则称称 S 为为物物点点，S为象点。为象点。2. 2.物与象物与象物与象物与象成象知识成象知识成象知识成象知识PPPP实像实像虚像虚像实象：有实际光线会聚的象点
8、。实象：有实际光线会聚的象点。虚象：光线反向延长会聚的象点。虚象：光线反向延长会聚的象点。4.完善成象完善成象如果物点如果物点 S 发出的同心光束发出的同心光束球面波经光学系统后仍为一球面波经光学系统后仍为一同心（同心（S）光束球面波，则）光束球面波，则称称 S为为 S的完善象点。的完善象点。物点和相应的象点之物点和相应的象点之间各光线的光程相等间各光线的光程相等.3.光路的可逆性光路的可逆性当光线的方向返转时，它将当光线的方向返转时，它将逆着同一路径传播。逆着同一路径传播。完善成象条件：完善成象条件：平面反射镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、平面反射镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、
9、能成完善象的光学系统能成完善象的光学系统。 同心光束入射于两种同心光束入射于两种同心光束入射于两种同心光束入射于两种透明介质的平面分界面而发生折透明介质的平面分界面而发生折透明介质的平面分界面而发生折透明介质的平面分界面而发生折射时，折射光不再是同心光束，造成射时，折射光不再是同心光束，造成射时，折射光不再是同心光束，造成射时，折射光不再是同心光束，造成象差象差象差象差. .象差象差（aberration） 散焦散焦象差象差象差象差透镜透镜透镜透镜或反射镜等光或反射镜等光或反射镜等光或反射镜等光学系统所呈的学系统所呈的学系统所呈的学系统所呈的像与原物面貌像与原物面貌像与原物面貌像与原物面貌并非
10、完全相同并非完全相同并非完全相同并非完全相同的现象。的现象。的现象。的现象。 凸透镜凸透镜中间部分比边缘部分厚的透镜中间部分比边缘部分厚的透镜凹透镜凹透镜中间部分比边缘部分薄的透镜中间部分比边缘部分薄的透镜厚透镜厚透镜透镜厚度与球面曲率半径相比不能忽略透镜厚度与球面曲率半径相比不能忽略 薄透镜薄透镜透镜厚度与球面的曲率半径相比可忽略透镜厚度与球面的曲率半径相比可忽略主截面主截面包含主轴的任一平面包含主轴的任一平面透镜主轴透镜主轴连接透镜两球面曲率中心的直线连接透镜两球面曲率中心的直线透镜孔径透镜孔径透镜圆片的直径透镜圆片的直径物方焦平面物方焦平面过物方焦距且垂直于主轴的平面过物方焦距且垂直于主
11、轴的平面象方焦平面象方焦平面过象方焦距且垂直于主轴的平面过象方焦距且垂直于主轴的平面薄透镜薄透镜薄透镜成像薄透镜成像(1) 平行于主轴的光线平行于主轴的光线,折射后通折射后通过主焦点过主焦点 ; (2) 通过主焦点的光通过主焦点的光线线,折射后与主轴平行折射后与主轴平行; (3) 通过通过光心的光线光心的光线,按原方向无偏折行进。按原方向无偏折行进。F1F2ffPPxxpp透镜方程的牛顿形式透镜方程的牛顿形式:xx=f2透镜方程的高斯形式透镜方程的高斯形式:f1 1p+=p1 11 1透镜的横向放大率透镜的横向放大率薄透镜成像的放大率薄透镜成像的放大率 ( 像长与物长之比像长与物长之比 )等等
12、于像距与物距之比于像距与物距之比, 即即 y y=pp=M y y=f=M=x fp f=M=x fxf应用牛顿公式可得应用牛顿公式可得上述两式是薄透镜横向放大率的常用表达式。上述两式是薄透镜横向放大率的常用表达式。由图可得：由图可得：球差球差主轴上的一个物点通过透镜中央部分与通主轴上的一个物点通过透镜中央部分与通过透镜边缘部分所成的像并不在主轴的同一点上过透镜边缘部分所成的像并不在主轴的同一点上, 这种现象称为球差。这种现象称为球差。慧差慧差主轴外的一个物点通过透镜中央部分与通主轴外的一个物点通过透镜中央部分与通过透镜边缘部分所成的像过透镜边缘部分所成的像, 在同一象平面上得不到在同一象平面
13、上得不到同一个像点同一个像点, 而是得到一个类似慧星形状的亮斑而是得到一个类似慧星形状的亮斑,此此现象称为慧差。现象称为慧差。色差色差一束平行白光垂直通过透镜而聚焦时一束平行白光垂直通过透镜而聚焦时, 白白光中各种颜色的光的焦距并不相等光中各种颜色的光的焦距并不相等,紫光的焦距最紫光的焦距最短短, 此现象称为色差。此现象称为色差。透镜的透镜的像差像差显微镜是一种可获得较大放大率的透镜组合光学系显微镜是一种可获得较大放大率的透镜组合光学系统。统。Lo 为短焦距的凸透镜为短焦距的凸透镜,靠近观察物体靠近观察物体, 称为物称为物镜。镜。Le 靠近观察者眼睛的凸透镜靠近观察者眼睛的凸透镜, 称为目镜称
14、为目镜, 其作其作用相当于放大镜。用相当于放大镜。显微镜显微镜望远镜的放大率约等于物镜焦距与目镜焦距之比。望远镜望远镜这种望远镜又称这种望远镜又称为棱镜望远镜。为棱镜望远镜。它的优点是除了它的优点是除了能成正象之外能成正象之外,还由于光线在镜还由于光线在镜筒中往返了筒中往返了3次次, 物镜焦距约为镜物镜焦距约为镜筒的筒的3倍倍,用较短用较短的镜筒也能争取的镜筒也能争取较大的放大率较大的放大率,例如例如,6-15倍的倍的棱镜望远镜仍然棱镜望远镜仍然便于携带。此外便于携带。此外,两物镜的中心距两物镜的中心距离可做到比人的离可做到比人的双眼距离大一倍双眼距离大一倍左右左右,增强了景增强了景物的立体感
15、。物的立体感。双筒望远镜双筒望远镜在物镜与目镜之间在物镜与目镜之间在物镜与目镜之间在物镜与目镜之间, , 用了一组全用了一组全用了一组全用了一组全反射棱镜将倒像转换成正像反射棱镜将倒像转换成正像反射棱镜将倒像转换成正像反射棱镜将倒像转换成正像反反射射式式物物镜镜可可以以免免除除折折射射式式物物镜镜由由于于折折射射而而产产生生的的色色差差, 如如果果是是抛抛物物面面反反射射式式凹凹镜镜还还可可以以免免除除球球差差。来来自自远远方方物物体体的的光光线线经经物物镜镜的的凹凹面面反反射射后后而而发发生生会会聚聚, 目目镜镜的的位位置置有有不不同同的的设设计计方方案案。反反射射式式望望远远镜镜物物镜镜的
16、的直直径径可可以以做做得得比比较较大大, 许许多多大大型型的的天天文文望望远远镜镜是是反反射射式式望望远远镜镜,直直径径有有的的大大到到 5m 甚甚至至 6m 。目目前前在在太太空空中中运运行行的的哈哈勃勃望望远镜远镜, 也是反射式望远镜。也是反射式望远镜。反射望远镜反射望远镜牛顿反射望远镜牛顿反射望远镜二.波动光学 波动光学建立在波动光学建立在Maxwell方程组的基础上，方程组的基础上，研究光的电磁波本性，包括光的反射、折射、研究光的电磁波本性，包括光的反射、折射、干涉、衍射以及偏振规律。干涉、衍射以及偏振规律。光是一种电磁波，光是一种电磁波，X 射线、射线、 射线也都是电磁波。射线也都是
17、电磁波。它们的电磁特性相同，只是频率或波长不同而已。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谱包为电磁波谱。通常所说的光学区域或光学频谱包括：括：红外线红外线(1 mm 0.76 m) 、可见光可见光(760 380 nm)和和紫外线紫外线(380 10 nm) 。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 4925775976227605103610341043
18、00极远远近极远远中近红橙黄绿蓝紫光电敏感器件的光谱响应范围远远超出人眼的视觉范围，可光电敏感器件的光谱响应范围远远超出人眼的视觉范围，可以从以从X光到红外辐射甚至于远红外，毫米波的范围。光到红外辐射甚至于远红外，毫米波的范围。电磁波谱图电磁波谱图光色光色 波长波长(nm) 频率频率(Hz) 中心波长中心波长 (nm) 红红 760622 660 橙橙 622597610 黄黄 597577 570 绿绿 577492540 青青 492470 480 兰兰 470455 460 紫紫 455400 430可见光谱可见光谱惠更斯原理惠更斯原理惠更斯第一个提出了波动学说比较完整的理论：惠更斯第一
19、个提出了波动学说比较完整的理论：惠更斯第一个提出了波动学说比较完整的理论：惠更斯第一个提出了波动学说比较完整的理论： 波在媒质中传播到的各点，都可看成新的子波波在媒质中传播到的各点，都可看成新的子波波在媒质中传播到的各点，都可看成新的子波波在媒质中传播到的各点，都可看成新的子波源。在以后的任一时刻，这些子波的包络面就源。在以后的任一时刻，这些子波的包络面就源。在以后的任一时刻，这些子波的包络面就源。在以后的任一时刻，这些子波的包络面就是该时刻的波前。是该时刻的波前。是该时刻的波前。是该时刻的波前。 导出折射定律导出折射定律i i由由由由惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯原理推导原理推导原理推导原理推导折
20、射定律折射定律折射定律折射定律与粒子说相反与粒子说相反l同一波前上的各点发出的都是相干次波。同一波前上的各点发出的都是相干次波。设设初初相相为为零零, ,面面积积为为S 的的波波面面 Q ，其其上上面面元元dS 在在P点引起的振动为点引起的振动为l各次波在空间某点相干叠加，就决定了该点波的强度。各次波在空间某点相干叠加，就决定了该点波的强度。原理数学表达原理数学表达F F取决于波面上取决于波面上ds处的波强度处的波强度, ,K K（）为倾斜因子）为倾斜因子. .当当r r很大时，在局部空间可近很大时，在局部空间可近似为平面简谐波。似为平面简谐波。2. 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理ds平面简
21、谐波动方程平面简谐波动方程而平面简谐波可以表达为波源传到任而平面简谐波可以表达为波源传到任意位置意位置x处的质点的振动：处的质点的振动：如图设如图设O点为波源，该质点作简谐点为波源，该质点作简谐振动振动令：令：（称波数）（称波数）平面平面平面平面简谐简谐波波波波动动方程：方程：方程：方程：由尤拉公式：由尤拉公式：所以所以波方程常写成波方程常写成复数形式复数形式复数形式复数形式：波的叠加和干涉波的叠加和干涉1.几列波相遇之后，仍然保持它们各自原有的特征（频率、波长、振幅、传播方向）不变，互不干扰。2.在相遇区域内任一点的振动，为各列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和。干涉现象干涉现象干涉
22、现象干涉现象波叠加原理波叠加原理波叠加原理波叠加原理频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两列波相遇时，使某些地方振动始终加强，或者始终减弱的现象。光干涉就表现为明暗相间现象。相干条件相干条件相干条件相干条件: :(1)频率相同；(2)相位差恒定；(3)振动方向平行。合成的结果，频率不变，而A是1和2的函数相位差与光程差相位差与光程差 当当当当 1 1=2 2时相位差与光程差关系：时相位差与光程差关系：时相位差与光程差关系：时相位差与光程差关系：令令令令: :=2 2-1 1 光程差光程差光程差光程差其中：因光在不同的介质因光在不同的介质因光在不同的介质因光在不同的介质n n中有不同的波长中有不
23、同的波长中有不同的波长中有不同的波长=0 0/n/n，于是，于是，于是，于是令：令：令：令：=nr=nr光程光程光程光程则：则：则：则：则：则：则：则：干涉极大极小条件干涉极大极小条件 = = kk极大极大极大极大=（2k+12k+1）/2/2极小极小极小极小由：当：极大极大极大极大极小极小极小极小相消相消相消相消相长相长相长相长常常选择常常选择 1 1=2 2，则因，则因，则因，则因于是相干极大极小条件为：光振动主要是电场强度的振动：光强度光强度光强度光强度I I正比于电场强度的平方：正比于电场强度的平方：正比于电场强度的平方：正比于电场强度的平方：若两光强度相等的光干涉若两光强度相等的光干
24、涉，= = kIkI=4I=4I1 1明明明明=（2k+12k+1）/2/2 I= 0 I= 0 暗暗暗暗明明条纹位置条纹位置明明条纹位置条纹位置明明条纹位置条纹位置杨氏双缝实验杨氏双缝实验=rdsin=dx/d则由明纹条件= = kk，明纹位置为：(分振幅法分振幅法)两条光线的光程差两条光线的光程差 薄膜干涉薄膜干涉反射光反射光2 2反射光反射光1 1S12考虑光从光疏进入光密介考虑光从光疏进入光密介质时介面上存在相位突变质时介面上存在相位突变即半波损失即半波损失, ,则应修正为则应修正为: : 光程差光程差暗纹公式暗纹公式 牛顿环牛顿环 反射光反射光1 1反射光反射光2 2入射光入射光光线
25、垂直入射光线垂直入射肥肥皂皂膜膜干干涉涉现现象象光的衍射光的衍射菲涅尔用半波带方法讨菲涅尔用半波带方法讨论单缝衍射。把缝分割论单缝衍射。把缝分割成偶数个半波带，则成偶数个半波带，则P 点为暗纹。（相邻半点为暗纹。（相邻半波带的光相干抵消）波带的光相干抵消）单缝衍射单缝衍射单缝衍射单缝衍射暗暗暗暗纹纹纹纹公式：公式：公式：公式：bsinbsin= =KK光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，所发生的偏离直线传播的现象。讨论方法：将衍射光看讨论方法：将衍射光看成无穷多束光相干叠加。成无穷多束光相干叠加。衍射现象是否明显：取决于障碍物线度衍射现象是否明显：取决于障碍物线度b b与波长与波长 的对
26、比。的对比。波长越大，障碍物越小，衍射越明显。波长越大，障碍物越小，衍射越明显。光衍射理论的应用：夫琅禾费光衍射理论的应用：夫琅禾费光衍射理论的应用：夫琅禾费光衍射理论的应用：夫琅禾费发明发明发明发明衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅，它是当今频谱，它是当今频谱，它是当今频谱，它是当今频谱析必不可少的工具。析必不可少的工具。析必不可少的工具。析必不可少的工具。夫琅禾费夫琅禾费夫琅禾费夫琅禾费菲涅尔菲涅尔菲涅尔菲涅尔衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅通常在1cm内刻有成千上万条狭缝，相当于多光束干涉，光栅形成的光谱线尖锐、明亮。光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件。透射光栅反
27、射光栅Ox为dsin=k光栅方程（光栅方程（光栅方程（光栅方程（d=d=b+bb+b 称光栅常数）称光栅常数）称光栅常数）称光栅常数）全息光栅机制光栅自自然然光光可可用用两两个个相相互互独独立立、没没有有固固定定相相位位关关系系、等等振振幅幅且且振振动动方方向相互垂直的线偏振向相互垂直的线偏振。自自然然光光的的表表示示法法部部分分偏偏振振光光的分解的分解部部 分分 偏偏振光振光平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强部分偏部分偏振光的振光的表示法：表示法：光的偏振光的偏振电磁波是横波，电磁波是横波，E E、H H、u u三者都相三者都相互垂直。光是一种电磁波，可引起互垂直。光是一种电磁波，可引
28、起人的视觉的只有人的视觉的只有E E矢量（光矢量）。矢量（光矢量）。线线偏偏振振光光的表示法的表示法自然光在一定情况下振动面不对称，自然光在一定情况下振动面不对称，形成形成部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光可用偏振片将自然光变成偏振光，并改变偏振面可用偏振片将自然光变成偏振光，并改变偏振面 = I1 cos2I0/2马吕斯定律马吕斯定律 自然光入射到媒质表面时，反射光都是部分偏振光自然光入射到媒质表面时，反射光都是部分偏振光。 当入射角当入射角i满足布儒斯特角满足布儒斯特角i0时，反射光为线偏振光。时，反射光为线偏振光。布儒斯特定律布儒斯特定律右旋圆右旋圆偏振光偏振光右右旋旋椭椭圆圆偏振光偏
29、振光 y yx z传播方向传播方向 /2xE 0圆偏振光圆偏振光和和椭圆偏振光椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个圆电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个圆或椭圆轨迹。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右或椭圆轨迹。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋偏振光，凡逆时针旋转的称左旋偏振光旋偏振光，凡逆时针旋转的称左旋偏振光 旋光是两列相位差不等旋光是两列相位差不等于于0 0或或的沿同一方向传的沿同一方向传播的频率相等、振动方播的频率相等、振动方向相互垂直的线偏振光向相互垂直的线偏振光叠加
30、产生的。叠加产生的。、；旋光旋光： 方解石方解石一束光入射到各向异性的介质后出现两一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象称双折射现象。束折射光线的现象称双折射现象。o 光光e 光光晶体的双折射现象晶体的双折射现象一束折射光始终在入射面内，并一束折射光始终在入射面内，并 遵从折射定律，称为遵从折射定律，称为寻常光寻常光，简，简称称 o 光光。一束折射光一般不在折。一束折射光一般不在折射面内，不遵从折射定律，射面内，不遵从折射定律， 即称即称为为非常光非常光，简称，简称 e 光光 。两束折射。两束折射光是光矢量振动方向不同（相互光是光矢量振动方向不同（相互垂直）的线偏振光。垂直）的线偏
31、振光。当光在晶体内沿一个特殊方向传当光在晶体内沿一个特殊方向传播时不发生双折射，这个方向称播时不发生双折射，这个方向称为为晶体的光轴晶体的光轴晶体的光轴晶体的光轴。单轴晶体单轴晶体单轴晶体单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体双轴晶体双轴晶体双轴晶体: : 有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体三.光辐射度量学 1）辐射度学：辐射度学：辐射度学：辐射度学：对对电磁辐射电磁辐射能量进行客观计能量进行客观计量的学科称辐射度学量的学科称辐射度学；辐射度学主要研究频率为31011 31016Hz的光辐射，对应于0.011000m微米的波长。波段范围包括红外、可见光、紫外线。2）光度学：光度学
32、：光度学：光度学：在可见光波段内，考虑到人眼在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学的主观因素后的相应计量学科称为光度学。答：答：辐射辐射度量度量对辐射的对辐射的物理（或客观）计量，物理（或客观）计量，适用于整个电磁适用于整个电磁辐射。辐射。光光度量度量对可见光的对可见光的生理（或主观）的计生理（或主观）的计量只适用于量只适用于0.380.78um 光谱区域。光谱区域。问：问：辐射度量与光度量的根本区别？辐射度量与光度量的根本区别？1.1.11.1.11.1.11.1.1与光源有关参数与光源有关参数与光源有关参数与光源有关参数1. 辐（射）能辐（射）能Q Qe e和和光能
33、光能 Q Qv v 辐能辐能 Q Qe e 以辐射形式发射、传播或接收以辐射形式发射、传播或接收的能量。单位：焦耳（的能量。单位：焦耳（J）。）。 光能光能 Q Qv v 是在可见光范围内一种与能量是在可见光范围内一种与能量有关的感觉量，单位：流明秒（有关的感觉量，单位：流明秒（lms）。）。 光能不变时：光能不变时：单位：流单位：流(明明)（lm）。）。光通量定义：光通量定义：辐射能不变时：辐射能不变时：又称辐（射）功率又称辐（射）功率单位：瓦（单位：瓦（W）辐通量辐通量定义：定义：2. 辐（射）通量辐（射）通量e和和光通量光通量v3.辐辐(射射)出出(射射)度和光出度和光出(射射)度度光源
34、表面某点处单光源表面某点处单位面积上的辐通量位面积上的辐通量Me的计量单位是瓦（特）每平方米的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2。显然光源总辐通量：显然光源总辐通量：辐出度：辐出度：光出度：光出度：光源总光通量：光源总光通量：单位为单位为勒勒(克司克司)lx或或lm/m2给定方向的单给定方向的单位立体角内发位立体角内发射的辐通量射的辐通量辐射强度：辐射强度：单位：每球面度瓦特单位：每球面度瓦特Wsr。各向同性的光源（或点光源）总通量为：各向同性的光源（或点光源）总通量为：发光强度：发光强度：发光强度的。发光强度的。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重年第十六届国际计量大会通过决议，
35、将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射新定义为：在给定方向上能发射5.401014Hz的单色辐射源，在此方的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉，其发光强度定义为一个坎德拉cd。坎德拉（坎德拉（candela）简称：简称：坎坎cd单位：单位：4. 4.辐辐辐辐( (射射射射) )强度和发光强度强度和发光强度强度和发光强度强度和发光强度该情况下立体角为该情况下立体角为的通量的通量:e=Ie v=Iv5.辐辐(射射)亮度和亮度亮度和亮度光源表面某一点处的面元光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直
36、于给定方以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。向平面上的正投影面积。辐射亮度：辐射亮度：为所给方向与面元法线之间的夹角。为所给方向与面元法线之间的夹角。每球面度每平方米瓦特每球面度每平方米瓦特（Wsr m2）单位：单位：亮度：亮度：单位：每平方米坎德拉（尼特单位：每平方米坎德拉（尼特 ）cd/m2dSdSd立体角立体角立体角立体角 余弦辐射体余弦辐射体严格讲，只有绝对黑体才是真严格讲，只有绝对黑体才是真正的余弦辐射体，粗糙表面的正的余弦辐射体，粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等也可辐射体或反射体及太阳等也可近似地看作余弦辐射体。近似地看作余弦辐射体。即光强度余弦分布的光源称作即光强度余弦分
37、布的光源称作余弦余弦辐射体辐射体或朗伯辐射体或朗伯辐射体。如图满足如图满足对余弦辐射体有对余弦辐射体有余弦辐射体的余弦辐射体的Me与与Le、Mv与与Lv的的关系为关系为可见，余弦辐射体亮度在可见，余弦辐射体亮度在各个方向一样。各个方向一样。光源发射的总辐射通量与光源发射的总辐射通量与外界提供给光源的功率比外界提供给光源的功率比辐辐(射射)效率：效率：发光效率：发光效率：光源发射的总光通量与光源发射的总光通量与提供的功率之比提供的功率之比辐效率辐效率e无量纲，发光效率无量纲，发光效率v单位：单位：流明每瓦流明每瓦lmW-1。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式中式中,e称为
38、称为称为称为光谱辐射通量。光谱辐射通量。6. 6.辐辐辐辐( (射射射射) )效率与发光效率效率与发光效率效率与发光效率效率与发光效率 1.1.21.1.2与接收器有关的参数与接收器有关的参数 1.辐照度与照度辐照度与照度物体表面某一点处单位面物体表面某一点处单位面积照射到的辐通量积照射到的辐通量单位：瓦（特）每平方米单位：瓦（特）每平方米Wm2若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则若把反射体当做辐射体，则若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度光谱辐出度Mer（）（）（r 代表反代表反射）与辐射体接收的射）与辐射体接收的光谱辐照度光谱辐照度Ee（）的关系为）的关系
39、为式中式中,e（）为辐射度光谱反射比，是）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式（波长的函数。对式（1-24）的波长积分，）的波长积分，得到反射体的辐出度得到反射体的辐出度Ev的计量单位是的计量单位是勒勒（克司克司）lx或或lm/m2对接收光的反射体，同样有对接收光的反射体，同样有 式中，式中，v（）为光度光谱反射比，是波长的函数。为光度光谱反射比，是波长的函数。同样对可见光，光照度同样对可见光，光照度：满月在天顶时的地面照度大约是满月在天顶时的地面照度大约是0.2lx夜间无月时的地面照度大约夜间无月时的地面照度大约10-4lx数量级数量级2.2.辐照量和曝光量辐照量和曝光量 辐照量照量照射到
40、物体表面某一面元的辐照照射到物体表面某一面元的辐照度度Ee在时间在时间t内的积分内的积分单位是单位是焦尔每平方米焦尔每平方米 J/m2如果面元上的辐照度如果面元上的辐照度Ee不变，则为不变，则为 同样定义曝光量同样定义曝光量面元上的光照度面元上的光照度Ev不变为：不变为： 单位是单位是勒（克司）秒勒（克司）秒lx.s1.2 1.2 光谱辐射分布与量子流速率光谱辐射分布与量子流速率 1. 1. 光源的光谱辐光源的光谱辐光源的光谱辐光源的光谱辐射分布参量射分布参量射分布参量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。光源的辐射度参量Xe,随波长的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲
41、线。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度Xe,，简称为光谱辐射量，即 式中，Xv,代表光谱光通量v,、光谱光出射度Mv,、光谱发光强度Iv,和光谱光照度Ev,等。式中，通用符号Xe,是波长的函数，代表所有的光谱辐射量，如光谱辐射通量e,、光谱辐射出度Me,、光谱辐射强度Ie,、光谱辐射亮度Le,、光谱辐照度Ee,等。同样定义光谱光度量，即绝对光谱辐射量相对光谱辐射量峰值波长处的光谱辐射量 若积分区间从1=0到2，得到光源发出的所有波长的总辐射通量光源在波长12之间的辐通量e与总辐通量e之比称为该光源的比辐射qe，即qe没有量纲。 光源在波长12范围内发射的辐射通量为2. 2.
42、量子流速率量子流速率 光源在给定波长处,由到+d波长范围内发射的辐射通量de除以该波长的光子能量hv，得到光源在该波长处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,，即光源在波长为0范围内每秒发射的总光子数为：（1-39）光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。量子流速率Ne或Nv的计量单位为辐射元的光子数每秒1/s。对可见光区域，光源每秒发射的总光子数对激光激光近似单色光即e是常数为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？答：答：答：答：光度量是生理（或主观）的计量方法，且只适用于光度量是生理（或主观）的计量方法，且只适用于光度量是生理（
43、或主观）的计量方法，且只适用于光度量是生理（或主观）的计量方法，且只适用于0.380.78um 0.380.78um 的可见光谱区域，超过这个谱区，光度参的可见光谱区域，超过这个谱区，光度参的可见光谱区域，超过这个谱区，光度参的可见光谱区域，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流速率是指光子流动速率是一数没有任何意义。而量子流速率是指光子流动速率是一数没有任何意义。而量子流速率是指光子流动速率是一数没有任何意义。而量子流速率是指光子流动速率是一个客观量，且计算范围在整个电磁辐射，所以其计算公个客观量，且计算范围在整个电磁辐射，所以其计算公个客观量，且计算范围在整个电磁辐射，所以其计算公个
44、客观量，且计算范围在整个电磁辐射，所以其计算公式中不能出现光度量。式中不能出现光度量。式中不能出现光度量。式中不能出现光度量。1.3 物体热辐射物体通常以两种不同形式发射辐射能量。物体通常以两种不同形式发射辐射能量。第一种称为热辐射。第二种称为发光。第一种称为热辐射。第二种称为发光。1.黑体辐射定律黑体辐射定律能够吸收外来一切电磁辐射的物体称为黑体能够吸收外来一切电磁辐射的物体称为黑体 。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。碳黑可近似看作黑体可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体吸收系数吸收系数=吸收辐射能吸收辐射能/入射辐射能入射辐射能黑体的吸收系数
45、为黑体的吸收系数为1，发射系数也为，发射系数也为1。小孔没有反射2.2.2.2.普朗克辐射定律普朗克辐射定律普朗克辐射定律普朗克辐射定律 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,（角标（角标“s”表示黑体）由表示黑体）由普朗克公式普朗克公式表示为表示为式中，式中，k为波尔兹曼常数为波尔兹曼常数；h为普朗克常数为普朗克常数；T为绝对为绝对温度；温度；c为真空中的光速。为真空中的光速。 Me,s,黑体光谱辐亮度Le,s,和光谱辐强度Ie,s,分别为3.斯特藩-玻尔兹曼定律每一条曲线都有一每一条曲线都有一个最大值，最大值个最大值，最大值的位置随温度升
46、高的位置随温度升高向短波方向移动向短波方向移动4.维恩位移定律峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度成反比。例例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5，（，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少多少W/m2？（？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少）正常人体的峰值辐射波长为多少m？峰值光谱辐射出射度？峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？（为多少？（3）人体）人体发烧到发烧到38时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度谱辐射出射度Me,s,m又为多少？又为多少？解解
47、：（：（1）人体正常绝对温度为）人体正常绝对温度为T=36.5+273=309.5K，由斯特藩由斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为出射度为(m)=9.36mWcm-2m-1=3.72Wcm-2m-1（3）人体发烧到）人体发烧到38时峰值辐射波长为时峰值辐射波长为 发烧时的峰值光谱辐射出射度为发烧时的峰值光谱辐射出射度为 =3.81Wcm-2m-1峰峰值光光谱辐射出射度射出射度为（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为根据根据(m)峰值光谱辐射出射度为=1.3092856510-15=248
48、.7Wcm-2m-1总辐射出射度为例例1-2 将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解：解： 标准钨丝灯的温度为标准钨丝灯的温度为TW=2856K，因此它的峰值辐射波长为，因此它的峰值辐射波长为 3. 辐射体的分类及其温度表示辐射体的分类及其温度表示辐射体辐射体的分类的分类灰体灰体=常数常数1选择性辐射体选择性辐射体=()1定义定义发射率：发射率：辐射温度辐射温度Te 当热辐射体发射的当热辐射体发射的总总辐通量与黑体的总辐通量相辐通量与黑体的总辐通量相等时等时, 以
49、黑体的温度标度该热辐射体的温度以黑体的温度标度该热辐射体的温度 。色温色温Tf 当热辐射体在当热辐射体在可见光区域可见光区域发射的光谱辐射分布与黑体发射的光谱辐射分布与黑体光谱分布相同时光谱分布相同时, 以黑体的温度来标度该热辐射体的温度。以黑体的温度来标度该热辐射体的温度。亮温度亮温度TV 当热辐射体在可见光区域当热辐射体在可见光区域某一波长某一波长的辐射亮度黑体的辐射亮度黑体相应辐射亮度相同时相应辐射亮度相同时, 以黑体的温度来标度该热辐射体的温度。以黑体的温度来标度该热辐射体的温度。黑体黑体 =1非黑体非黑体 辐射度参数与光度参数在可见光谱范围内经常相互使用，有辐射度参数与光度参数在可见
50、光谱范围内经常相互使用，有些光电传感器件采用光度参数标定其特性参数，而另一些器些光电传感器件采用光度参数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转件采用辐射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。换是很重要的。1.4辐射度参数与光度参数的关系辐射度参数与光度参数的关系光度参数是光度参数是与人的视觉与人的视觉特征有关的特征有关的眼睛的视场可达眼睛的视场可达150，但，但只是在视轴周围只是在视轴周围68的范的范围内能够清晰识别。围内能够清晰识别。1.人眼的视觉锥状细胞：锥状细胞：明视觉明视觉光亮度大于光亮度大于1010-3-3cd/mcd/m2
51、2 0.38-0.780.38-0.78m明敏明敏=0.555 m柱状细胞：柱状细胞：暗视觉暗视觉光亮度小于光亮度小于10-3cd/m2 0.33-0.73m暗敏暗敏=0.507m双极细胞 锥状细胞杆状细胞锥状细胞2.2.人眼的光谱光视效能人眼的光谱光视效能 实验知:人眼的最灵敏波长明视效能为Km=683lm/W人眼的最灵敏波长暗视效能为Km=1725lm/W 。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。单位：流明/瓦特（lm/W）明视效能暗视效能可推出Xe,表示任意辐射度量， Xv,表示任意光度量。定义：人眼的定义：人眼的明视觉光明视觉光谱光视效率谱光视效率V（）为）
52、为定义：人眼的定义：人眼的暗视觉光暗视觉光谱光视效率谱光视效率V（）为）为无量纲无量纲V（m）=1V（m）=1显然显然明视觉光谱光视效能明视觉光谱光视效能暗视觉光谱光视效能暗视觉光谱光视效能由此可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。由此可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。实际计实际计算公式算公式其中其中V（）和）和V（）通过查）通过查表表1-3得到得到（P15）例例1-3 已知某已知某He-Ne激光器的输出功率为激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少，试计算其发出的光通量为多少lm？v,=KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm)He-Ne激光器输出的光为
53、激光器输出的光为=0.6328m的的光谱辐射通量，查表光谱辐射通量，查表1-3可知可知V()=0.24，则，则解：解： 3.3.辐射体光视效能辐射体光视效能 (1-61)一个热辐射体发射的总光通量一个热辐射体发射的总光通量v与总辐射通量与总辐射通量e之比，称为该辐射体的光视效能之比，称为该辐射体的光视效能K，即，即对发射连续光谱辐射的热辐射体对发射连续光谱辐射的热辐射体辐辐(射射)效效率：率：发光效率：发光效率：其中辐射体的辐射体的光视效率光视效率 标准钨丝灯发光光谱的分布如图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 、光谱光视效率V（）、光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积 ，
54、为曲线所围面积Al，为面积为面积A2。而积分lm/W则算出面积就可得：例如，对于色温为例如，对于色温为 2 856 K的标准钨丝灯其光视效的标准钨丝灯其光视效能为能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为，当标准钨丝灯发出的辐射通量为e100W时，其光通量为时，其光通量为 v = 1710lm。由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯越多，光视效能越高，光度量也越高。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
55、检测光照分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。度时，照度将显著下降。光辐射基本物理量总结光辐射基本物理量总结辐射量光谱辐射量光度量通量强度亮度出射度照度lmcdcd/m2lm/m2lx参数参数转换光谱光视效率光谱光视效率光谱光谱光光度量度量光谱光谱光视光视效能效能Km=683lm/W（明视）Km=1725lm/W（暗视）光视效能光视效能光通量光通量辐射通量辐射通量习题1. 辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？子流速率的计算公式中不能出现光度量？答：答：辐射度量辐射度量对辐射的物理（或
56、客观）计量，适用对辐射的物理（或客观）计量，适用于整个电磁辐射。于整个电磁辐射。光度量光度量对可见光的生理（或主观）的计量，只对可见光的生理（或主观）的计量，只适用于适用于0.380.78um 光谱区域。光谱区域。光度量是生理（或主观）的计量方法，且只适用于光度量是生理（或主观）的计量方法，且只适用于可见光谱区域，超过这个谱区，光度参数没有任何可见光谱区域，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流速率是指光子流动速率是一个客观意义。而量子流速率是指光子流动速率是一个客观量，且计算范围在整个电磁辐射，所以其计算公式量，且计算范围在整个电磁辐射，所以其计算公式中不能出现光度量。中不能出现光度量
57、。通量通量强度强度亮度亮度出度出度照度照度辐辐射射源源物物体体Wsrm2某方向看某点的某方向看某点的Wm2某点的某点的Wm2某点的某点的W总的总的W/sr某方向的某方向的1.2 试写出试写出 e 、M e 、Ie 、L e 等辐射度量参数之间等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。的关系式，说明它们与辐射源的关系。 1.3 何谓余弦辐射体？余弦辐射体的主要特性有哪些？何谓余弦辐射体？余弦辐射体的主要特性有哪些？即光强度余弦分布的光源称作余弦辐射体即光强度余弦分布的光源称作余弦辐射体或朗伯辐或朗伯辐射体射体。余弦辐射体亮度在各个方向一样。余弦辐射体亮度在各个方向一样。黑体为理想的余弦
58、辐射体。黑体为理想的余弦辐射体。余弦辐射体有余弦辐射体有如图满足如图满足答：答：1.7一束波长为0.5145输出功率为3W的氩离子激光束均匀地投射到0.2cm2d的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多少？若屏幕的反射系数为0.8，其光出射度为多少？屏幕每分钟接收多少个光子？解：由题意有=3mW，又查表得V（0.5145um）=0.6082光通量v,= KmV ()e,=6830.60823=1.246103lm屏幕上的光照度Ev =v,/A =1.246103/（0.210-4）=6.23107lx若屏幕的反射系数是0.8，则光出射度为Mv,=0.8Ev =0.86.23107=4.984107lx设屏幕每分钟接收的光子数目为N，则Nh=Nhc /=v,60（1-0.8）所以N=v,60（1-0.8）/hc=600.230.514510-6/（31086.6310-34）=9.311019个/分钟课后答案网
