Y06610802現(xiàn)代檢測技術(shù)基礎Chapter three

1、1光譜輻射度量光譜輻射度量光度量光度量第三章第三章 光電檢測技術(shù)基礎光電檢測技術(shù)基礎 3.2 光電效應光電效應光電導效應光電導效應光生伏特效應光生伏特效應光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 3.1 輻射度量與光度量輻射度量與光度量2光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì)n牛頓牛頓微粒說微粒說n根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋n不能解釋較為復雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振不能解釋較為復雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振n波動理論波動理論n惠更斯、楊氏和費涅耳等惠更斯、楊氏和費涅耳等n解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象n麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波麥克斯韋電磁理論：光

2、是一種電磁波3光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì)n光量子說光量子說n1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論射的量子論n1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出光量子的概念提出光量子的概念n光子的能量與光的頻率成正比光子的能量與光的頻率成正比n光具有波粒二象性光具有波粒二象性4輻射度量與光度量輻射度量與光度量n 3.1.1 光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì)1.波動性波動性： =c= nmHZ= 3 1010cm/s 2.粒子性粒子性： 光電效應：光吸收與發(fā)射光電效應：光吸收與發(fā)射光量子光量子粒子性粒子性 c光子能量光子能量: E= h

3、 = h c 描述波動性的基本關系式：描述波動性的基本關系式： = (nm) 真空中光速真空中光速光的頻率光的頻率6.62610-34 J s5 射線射線10-2nmX射線射線10-110nm 紫外紫外200nm 可見光可見光380780nm 紅外紅外 780nm 近紅外區(qū)近紅外區(qū) 1 500nm 中紅外區(qū)中紅外區(qū)10 000nm遠紅外區(qū)遠紅外區(qū) 1000 000nm微波微波1mm無線電波無線電波103cm (人耳可聞聲波頻率是人耳可聞聲波頻率是: 1620 000 Hz) 紫外紫外 | 紫紫 | 藍藍 | 青青 | 綠綠 | 黃黃 | 橙橙 | 紅紅 | 紅外紅外 380 450 480 5

4、00 560 600 650 750 nm 輻射度量與光度量輻射度量與光度量n3 電磁波譜電磁波譜6輻射度量與光度量輻射度量與光度量n 3.1.2 光輻射度量光輻射度量1 輻射能輻射能Qe以輻射的形式發(fā)射以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻、傳播或接收的能量稱為輻射能射能. 單位單位: J2 輻射能密度輻射能密度we光源在單位體積內(nèi)的輻射能光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光源的輻稱為光源的輻射能密度射能密度. 它表征輻射能量的空間特性它表征輻射能量的空間特性. 定定義為義為: we=dQe/dV V為體積為體積, we的單位是的單位是: J/m37輻射度量與光度量輻射度量與光度量在單位時間內(nèi)通

5、過某一定面積的輻射能在單位時間內(nèi)通過某一定面積的輻射能稱為通稱為通過該面積的輻射通量過該面積的輻射通量. 表達式為表達式為 e=dQe/dt 單位單位: w (1w=1 J/s)4 輻射強度輻射強度Ie從一個點光源發(fā)出的從一個點光源發(fā)出的, 在單位時間在單位時間、單位立單位立體角所輻射出的能量體角所輻射出的能量稱為輻射強度稱為輻射強度.表達式表達式為為: Ie=de/d de為輻射源在為輻射源在d立立體角所輻射出來體角所輻射出來的輻射功率的輻射功率. 單位是瓦單位是瓦/球面度球面度(w/sr)3 輻射通量輻射通量e8輻射度量與光度量輻射度量與光度量輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量或功率稱為輻射體

6、在單位面積內(nèi)所輻射的通量或功率稱為輻射出射度輻射出射度. 這是用來量度物體輻射能力的物這是用來量度物體輻射能力的物理量理量. 表達式為表達式為 Me=de/dA 式中式中, de為輻射體面元為輻射體面元dA向一切方向所發(fā)出向一切方向所發(fā)出的輻射通量的輻射通量.5 輻射出射度輻射出射度Me9輻射度量與光度量輻射度量與光度量輻射體在單位面積輻射體在單位面積、單位球面度、單位球面度內(nèi)所輻射的通內(nèi)所輻射的通量或功率稱為輻射亮度量或功率稱為輻射亮度.在與輻射表面在與輻射表面dA的法的法線方向上線方向上, 輻射亮度等于該方向上的輻射強度輻射亮度等于該方向上的輻射強度dIe與輻射表面在該方向垂直面上的投影面

7、積與輻射表面在該方向垂直面上的投影面積之比之比. 表達式為表達式為 Le=dIe/dAcos 式中式中, dA為光源的表面源為光源的表面源; 為光源表面的法為光源表面的法線與給定方向間的夾角線與給定方向間的夾角. 單位單位: 瓦瓦/米米2 球面度球面度6 輻射亮度輻射亮度Le10輻射度量與光度量輻射度量與光度量為了評定輻射體對裝置的作用為了評定輻射體對裝置的作用,要引入輻照度的要引入輻照度的概念概念,它表示單位面積內(nèi)所接收到的輻射通量它表示單位面積內(nèi)所接收到的輻射通量. 其表達式為其表達式為 Ee=de/dA單位單位: 瓦瓦/米米2 (W/m2)7 輻照度輻照度Ee11基本輻射度量的名稱、符號

8、和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能Q,焦耳J輻射能密度焦耳立方米Jm-3輻射通量，輻射功率瓦特W輻射強度瓦特球面度Wsr-1輻射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1輻射出射度瓦特平方米Wm-2輻射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/12輻射度量與光度量輻射度量與光度量n 3.1.3 光譜輻射度量光譜輻射度量為了表征輻射為了表征輻射,不僅要知道輻射的總通量和強度不僅要知道輻射的總通量和強度,還應知道其光譜組份還應知道其光譜組份.為了研究各種波長的光所為了研究各種波長的光所分別輻射的能量分別輻射的能量,還需要引

9、入光譜輻射度量的概還需要引入光譜輻射度量的概念念.光譜輻射度量是單位波長間隔內(nèi)的光輻射度量光譜輻射度量是單位波長間隔內(nèi)的光輻射度量.光譜輻射通量光譜輻射通量: 由于光源發(fā)出的各種波長的光由于光源發(fā)出的各種波長的光譜輻射通量譜輻射通量一般一般是不同的是不同的, 所以所以, 若在若在到到+d 間隔內(nèi)的輻射通量是間隔內(nèi)的輻射通量是de , 則在波長則在波長處的光譜輻射通量為處的光譜輻射通量為: : =d=de e( ()/d13輻射度量與光度量輻射度量與光度量n 3.1.4 光度量光度量除了特殊用途的光源除了特殊用途的光源( (如紅外光源和紫外光源如紅外光源和紫外光源) )外外, ,大量光源是作為照

10、明用的大量光源是作為照明用的. .由于照明的效果由于照明的效果最終是以人眼來評定的最終是以人眼來評定的, ,因此照明光源的光學因此照明光源的光學特性必須用基于人眼視覺的光學參量即光度量特性必須用基于人眼視覺的光學參量即光度量來描述來描述. .視見函數(shù)視見函數(shù)V(V() )國際照明委員會國際照明委員會(CIE)根據(jù)許多人的大量觀根據(jù)許多人的大量觀察結(jié)果察結(jié)果, 用平均值的方法用平均值的方法, ,確定了人眼對各確定了人眼對各種波長的光的平均相對靈敏度種波長的光的平均相對靈敏度, ,稱為稱為”標準標準光度觀察者光度觀察者”的光譜光視效率的光譜光視效率v(), , 或視或視見函數(shù)見函數(shù).14輻射度量與

11、光度量輻射度量與光度量視見函數(shù)視見函數(shù)V(V() )當當=555nm=555nm時時,v(,v()=1)=1最大最大, , 是一個無量是一個無量綱的數(shù)綱的數(shù). .光度量是人眼對相應輻射度量的視覺強度光度量是人眼對相應輻射度量的視覺強度值值. .由于人眼對不同波長的光的感光靈敏度由于人眼對不同波長的光的感光靈敏度不一樣不一樣, ,能量相同而波長不同的光能量相同而波長不同的光, ,在人眼在人眼中引起的視覺強度不同中引起的視覺強度不同. .15輻射度量與光度量輻射度量與光度量光通量是光輻射通量對人眼引起的視覺強度值光通量是光輻射通量對人眼引起的視覺強度值.若在波長若在波長到到+d+d間隔內(nèi)光源的輻射

12、通量為間隔內(nèi)光源的輻射通量為e,e,dd, ,則光通量的表示式為則光通量的表示式為 =kme,V()dV()d =kme,V()d 單位為流明單位為流明(lm)式中式中, Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù); V()為人眼的光譜光視效率為人眼的光譜光視效率, 積分限的變化是積分限的變化是由于對波長小于由于對波長小于380nm和大于和大于780nm的不可見的不可見光光, V()=0.1 光通量光通量16輻射度量與光度量輻射度量與光度量比例系數(shù)比例系數(shù)Km也叫做最大光譜光視效能也叫做最大光譜光視效能Km=683 lm/W. 它表示波長為它表示波長為555nm處處,

13、 即人即人眼光譜光視效率最大眼光譜光視效率最大V()=1 處處, 與與1W的輻射的輻射能通量相當?shù)墓馔繛槟芡肯喈數(shù)墓馔繛?83 lm; 換句話說換句話說,此時此時1 lm相當于相當于1/683W.1 光通量光通量17輻射度量與光度量輻射度量與光度量光源在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量光源在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量, 稱為光源在該方向上的發(fā)光強度稱為光源在該方向上的發(fā)光強度 I=d/d式中式中, d為光源在給定方向上的立體角元為光源在給定方向上的立體角元d內(nèi)發(fā)內(nèi)發(fā)出的光通量出的光通量.發(fā)光強度的單位為坎德拉發(fā)光強度的單位為坎德拉(cd).2 發(fā)光強度發(fā)光強度I18輻射度量

14、與光度量輻射度量與光度量光源表面給定點處單位面積向半空間內(nèi)發(fā)出的光光源表面給定點處單位面積向半空間內(nèi)發(fā)出的光通量通量, 稱為光源在該點的光出射度稱為光源在該點的光出射度: M=d/dA式中式中, d為給定點處的面元為給定點處的面元dA發(fā)出的光通量發(fā)出的光通量.單位為單位為lm/m2.需要指出的是需要指出的是, 光源表面包括自身不發(fā)光而在受到光源表面包括自身不發(fā)光而在受到光照后成為光源的表面光照后成為光源的表面.3 光出射度光出射度M19輻射度量與光度量輻射度量與光度量被照明物體給定點處單位面積上的入射光通量稱被照明物體給定點處單位面積上的入射光通量稱為該點的照度為該點的照度: E=d/dA式中

15、式中, d為給定點處的面元為給定點處的面元dA上的光通量上的光通量.單位為勒克斯單位為勒克斯(lx)或或 (lm/m2).用點光源照明時用點光源照明時,被照面的照度與光源的發(fā)光強度被照面的照度與光源的發(fā)光強度I成正比成正比, 而與被照面到光源的距離而與被照面到光源的距離l的平方成反比的平方成反比: E=I/l24 光照度光照度E20光源表面一點處的面元光源表面一點處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強在給定方向上的發(fā)光強度度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比影面積之比, 稱為光源在該方向上的亮度稱為光源在該方向上的亮度: L=dI/(dA co

16、s)式中式中, 為給定方向與面元法線間的夾角為給定方向與面元法線間的夾角.照度與亮度的區(qū)別照度與亮度的區(qū)別:照度表征受照面的明暗程度照度表征受照面的明暗程度,照度與光源至被照面照度與光源至被照面的距離的平方成反比的距離的平方成反比. 而亮度是表征任何形式的光而亮度是表征任何形式的光源或被照射物表面是面光源時的發(fā)光特性源或被照射物表面是面光源時的發(fā)光特性. 如果光如果光源與觀察者眼睛之間沒有光吸收現(xiàn)象存在源與觀察者眼睛之間沒有光吸收現(xiàn)象存在,那么亮那么亮度值與二者間距離無關。度值與二者間距離無關。5 光亮度光亮度L21輻射度量與光度量輻射度量與光度量光通量光通量對時間的積分對時間的積分, 稱為光

17、亮稱為光亮: Q=dt式中式中, 為給定點處的面元發(fā)出的光通量為給定點處的面元發(fā)出的光通量.光亮的單位為流明光亮的單位為流明 秒秒 (lm s).6 光亮光亮Q22晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50500lx陰天室內(nèi)550lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機熒光屏100lx閱讀書刊時所需的照度5060lx在40W白熾燈下1m遠處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx23光電效應光電效應當光照射到物體上使物體發(fā)射電

18、子當光照射到物體上使物體發(fā)射電子,或?qū)щ娐拾l(fā)或?qū)щ娐拾l(fā)生變化生變化,或產(chǎn)生光電動勢等或產(chǎn)生光電動勢等,這種因光照而引起這種因光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應.光電效應可歸納為兩大類光電效應可歸納為兩大類(也有分為三類的也有分為三類的):(1) 物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應外光電效應. 這種效應多發(fā)生于金屬和金屬氧這種效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物化物. 光電管，光電倍增管。光電管，光電倍增管。(2)物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運動而不會逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電部運動而不會逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應效應.這種效應多發(fā)生于半導體內(nèi)這種效應多發(fā)生于半導體內(nèi). 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應又可分為光電導效應（光電阻）和光生伏特效又可分為光電導效應（光電阻）和光生伏特效應（光電池）應（光電池）.24光電效應光電效應n 3.2.1 光電導效應光電導效應大多數(shù)硫化物大多數(shù)硫化物,氧化物氧化物,鹵化物都可發(fā)生光電導效鹵化物都可發(fā)生光電導效應應,特別是特別是:CdS, PbS有顯著的光電導效應有顯著的光電導效應. CdS-CdSe固熔體也有顯著的光電導效應固熔體