光電檢測技術(shù)與應(yīng)用課件

光電檢測技術(shù)第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測技術(shù)第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)主要教學(xué)內(nèi)容：2.1光的基本性質(zhì)2.2輻射與光度學(xué)量2.3半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識（重點）2.4光電效應(yīng)（重點）第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)主要教學(xué)內(nèi)容：2.1光的基本性質(zhì)牛頓——微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動理論惠更斯、楊氏和費涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波2.1光的基本性質(zhì)牛頓——微粒說結(jié)論：光是某一波段的電磁波聯(lián)系光學(xué)量和電磁學(xué)量、的關(guān)系式結(jié)論：光是某一波段的電磁波聯(lián)系光學(xué)量和電磁學(xué)量、的2.1光的基本性質(zhì)光量子說1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論1905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光子的能量與光的頻率成正比光具有波粒二象性2.1光的基本性質(zhì)光量子說2022/11/22光源傳輸轉(zhuǎn)運探測成像顯示2.1光的基本性質(zhì)光電檢測系統(tǒng)2022/11/21光源傳輸轉(zhuǎn)運探測成像顯示2.1光的基本2.1光的基本性質(zhì)物理發(fā)光有兩種基本形式：熱輻射和發(fā)光輻射（一）熱輻射（溫度輻射）源任何高于絕對溫度0K的物體都具有熱輻射。溫度輻射的頻率與強度取決于熱平衡時的溫度。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射。熱輻射光譜時連續(xù)光譜。熱輻射源遵循有關(guān)黑體的定律。應(yīng)用：熱輻射是紅外探測技術(shù)和溫度非接觸測量的依據(jù)2.1光的基本性質(zhì)物理發(fā)光有兩種基本形式：熱輻射和發(fā)光輻射2.1光的基本性質(zhì)常見熱輻射源：自然界一切物體都屬于熱輻射體太陽白熾燈太陽可以看成是一個直徑為1.392x109m的光球。大氣層外的太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射。在大氣層外，太陽對地球的輻射照度值在不同的光譜區(qū)所占的百分比為：紫外區(qū)（<0.38mm）6.46%可見區(qū)（0.38mm—0.78mm）46.25%紅外區(qū)（>0.78mm）47.29%2.1光的基本性質(zhì)常見熱輻射源：自然界一切物體都屬于熱輻射2.1光的基本性質(zhì)黑體及黑體輻射定律對于外來的輻射，物體有反射和吸收作用。如果一個物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為黑體。一個開有小孔的封閉空腔可看作是黑體。

黑體輻射問題所研究的是輻射（電磁波）與周圍物體處于平衡狀態(tài)時能量按波長（頻率）的分布。2.1光的基本性質(zhì)黑體及黑體輻射定律對于外來的輻射黑體及黑體輻射定律2.1光的基本性質(zhì)在頻率之間的輻射能量密度只與空腔的溫度T有關(guān)，而與空腔的形狀及其組成物質(zhì)無關(guān)。實驗曲線：實驗瑞利-瓊斯維恩T=1646k黑體輻射公式——Planck公式1918年P(guān)lanck獲得諾貝爾物理學(xué)獎。黑體及黑體輻射定律2.1光的基本性質(zhì)實驗瑞利-瓊斯維恩T=2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)黑體模擬器在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特征和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。2.1光的基本性質(zhì)黑體總輻射強度和它的溫度的四次方成正比。目前的黑體模擬器最高工作溫度為3000K，而實際應(yīng)用的大多數(shù)是在2000K以下。黑體模擬器在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)（二）發(fā)光輻射的產(chǎn)生方法激勵可以使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生光，外界需要提供足夠的激勵能。外界提供激勵能的形式可以有多種方式，常用的有以下幾種方法：電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、熱發(fā)光。發(fā)光與熱輻射的區(qū)別發(fā)光是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉(zhuǎn)換成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜熱輻射是熱平衡狀態(tài)的輻射，也稱溫度輻射。2.1光的基本性質(zhì)（二）發(fā)光輻射的產(chǎn)生方法激勵可以使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)光電檢測系統(tǒng)光源的選擇：根據(jù)測量對象要求選擇在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。在彩色攝影系統(tǒng)中，為獲得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈。在紫外分光光度計中，通常使用氘燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強的光源。在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。2.1光的基本性質(zhì)光電檢測系統(tǒng)光源的選擇：根據(jù)測量對象要求第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)主要教學(xué)內(nèi)容：2.1光的基本性質(zhì)2.2輻射與光度學(xué)量2.3半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.4光電效應(yīng)第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)主要教學(xué)內(nèi)容：1、輻射度單位體系：輻射度學(xué)是對光學(xué)輻射進行定量評價的一門實驗科學(xué)。是通過電磁光譜來處理輻射能的測量一、光輻射的計量方法：對光能進行定量研究2.2輻射與光度學(xué)量評價光電探測系統(tǒng)的性能，與輻射量和光度量有密切關(guān)系。2、光度學(xué)單位體系：光度學(xué)是研究光度測量的科學(xué)。在光度學(xué)中根據(jù)人眼的生理特性和某些約定的規(guī)范來評價輻射所產(chǎn)生的視覺效應(yīng)。適合于可見光區(qū)，包含人眼特性，參數(shù)角標為“u”1、輻射度單位體系：輻射度學(xué)是對光學(xué)輻射進行定量評價的一門實適合于整個電磁波輻射范圍。通過電磁光譜來處理輻射能的測量，是從物理（客觀）角度來計量。輻射度學(xué)主要研究頻率為3×1011～3×1016Hz的光輻射，對應(yīng)于0.01~1000μm微米的波長。波段范圍包括紅外、可見光、紫外線參數(shù)角標為“e”1、輻射度學(xué)量一、光輻射度的計量方法適合于整個電磁波輻射范圍。1、輻射度學(xué)量一、光輻射度的計量方2、光度學(xué)與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光，波長范圍為380～780nm納米。出發(fā)點是從人的生理學(xué)（主觀）角度來計量，是以人眼所能見到的光對大腦的刺激程度來進行計量。其參數(shù)角標為“u”

一、光輻射度的計量方法2、光度學(xué)與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光二、輻射度的基本物理量輻射能（量）Qe

：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量。單位：焦耳[J]輻射通量Φe：光源在單位時間內(nèi)輻射的總能量稱為光源的輻射通量，也記為輻射功率e，是輻射能的時間變化率。單位：瓦[W]六個量：輻射能、輻射通量、輻射出射度、

輻射強度、輻射亮度、輻射照度二、輻射度的基本物理量輻射能（量）Qe：一種以電磁波的形式輻射強度Ie：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：[W/Sr]二、輻射度的基本物理量立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空間，2π角度覆蓋整個單位圓。在三維空間，4π的球面度立體角覆蓋整個單位球面。從一個球面上去除1球面度立體角的圓錐輻射強度Ie：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量例：一個處于均勻介質(zhì)中的各向同性的點輻射源的總輻射通量為e，則各個方向的Ie為多少？二、輻射度的基本物理量由得所以例：一個處于均勻介質(zhì)中的各向同性的點輻射源的總輻射通量為e輻射出射度Me

：輻射體在單位面積內(nèi)向半球面空間所輻射的通量或功率稱為輻射出射度（也稱輻射本領(lǐng)）。用來量度物體輻射能力的物理量。單位：[W/m2]二、輻射度的基本物理量輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。單位：[W/m2]Me與Ee區(qū)別：定義出發(fā)點不同。輻射出射度Me：輻射體在單位面積內(nèi)向半球面空間所輻射的通量二、輻射度的基本物理量例：一個輻射強度為Ie=1W/Sr的點光源，它的總輻射通量為多少？若用一半徑為R的球面將其包圍，則球面上的輻射照度為多少？由知（W/m2）二、輻射度的基本物理量例：一個輻射強度為Ie=1W/Sr的點輻射亮度Le定義：面輻射源在某一給定方向上的輻射通量?？梢员硎久孑椛湓囱夭煌较虻妮椛淠芰Σ町?。SddSd輻射亮度示意圖二、輻射度的基本物理量單位：[W/m2.Sr]輻射源表面的方向與亮度有關(guān)，當輻射強度方向dIe與面元ds的法線方向相同時，dIe最大，相應(yīng)亮度最大輻射亮度Le定義：面輻射源在某一給定方向上的輻射通量?？娠@然：一般輻射體的輻射亮度與空間方向有關(guān)。二、輻射度的基本物理量特殊輻射體：輻射體的輻射強度Ie在空間上的分布滿足為面源ds法線方向的輻射強度、輻射亮度顯然：一般輻射體的輻射亮度與空間方向有關(guān)。二、輻射度的基本物二、輻射度的基本物理量黑體為典型的余弦輻射體，其輻射亮度與方向角（，）無關(guān)，各個方向上都是均勻的?？梢郧蟪鲚椛淞炼葹長e0的余弦輻射體上某一面元ds向周圍半空間的輻射通量為為余弦輻射體的Me和Le之間的關(guān)系二、輻射度的基本物理量黑體為典型的余弦輻射體，其輻射亮度與方半球面積分半球面積分二、輻射度的基本物理量黑體為典型的余弦輻射體，其輻射亮度與方向角（，）無關(guān)，各個方向上都是均勻的。可以求出輻射亮度為Le0的余弦輻射體上某一面元ds向周圍半空間的輻射通量為為余弦輻射體的Me和Le之間的關(guān)系二、輻射度的基本物理量黑體為典型的余弦輻射體，其輻射亮度與方定義：單色輻射度量是該輻射度量在波長處的單位波長間隔內(nèi)的大小，是輻射度量隨波長的變化率。二、輻射度的基本物理量單色輻射度量輻射源所輻射的能量往往由很多波長的單色輻射組成。為研究光源對各種波長的輻射貢獻，特別提出單色輻射度量。輻射通量Φe——單色Φe(λ)輻射出射度Me——單色Me(λ)輻射強度Ie——單色Ie(λ)輻射亮度Le——單色Le(λ)輻射照度Ee——單色Ee(λ)定義：單色輻射度量是該輻射度量在波長處的單位波長間隔內(nèi)的大基本輻射度量的名稱、符號和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能Qe焦耳J輻射能密度

e焦耳／立方米Jm-3輻射通量（輻射功率）

e

e瓦特W輻射強度Ie瓦特／球面度Wsr-1輻射亮度Le

瓦特／球面度平方米Wm-2

sr-1輻射出射度Me瓦特／平方米Wm-2輻射照度Ee瓦特／平方米Wm-22基本輻射度量的名稱、符號和定義方程輻射能Qe焦耳J輻射能密度三、光度學(xué)基本物理量光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的。輻射度量下標為e，例如Qe，Φe，Ie，Me，Ee，光度量下標為v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可見光區(qū)（380~780nm)才有意義。輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)?；疚锢砹浚喊l(fā)光強度I

輻射量對人眼視覺的刺激值，是主觀的，不管輻射量大小，以看到為準。三、光度學(xué)基本物理量光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對光能Qv：按人眼的感覺強度進行度量的輻射能的大小。單位流明·秒[lm·s]光通量Φv：單位時間內(nèi)通過某一面積的光能量（功率。單位：流明［lm］。發(fā)光強度Iv：發(fā)出波長為555nm的單色輻射，在給定方向上的發(fā)光強度規(guī)定為1cd。三、光度學(xué)基本物理量光能Qv：按人眼的感覺強度進行度量的輻射能的大小。單位流明·36

發(fā)光強度Iv發(fā)光強度是表征光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出的光通量的空間分布的物理量。它可用點光源在單位立體角中發(fā)出的光通量來量度。d是點光源在某一方向d立體角內(nèi)的光通量。在國際單位制中，發(fā)光強度的單位為坎德拉（Candela），符號：cd。發(fā)光強度的單位是國際單位制中七個基本單位之一，光度學(xué)中其它單位均為導(dǎo)出單位。三、光度學(xué)基本物理量36發(fā)光強度Iv發(fā)光強度是表征光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出的光37

一般情況下，發(fā)光強度因方向而異，對于各向同性的點光源，設(shè)它在空間各方向發(fā)出的總光通量為，則其發(fā)光強度為：對于給定的發(fā)光體，光具組不能增加總的光通量，光具組的作用是把光通量重新分布。例如，使它比較集中在某些選定的方向上，而相應(yīng)地減小其它方向的發(fā)光強度。注意：僅當光源的限度相對觀察距離可以忽略時，才能作為點光源，才能用發(fā)光強度來描述它的發(fā)光特性。三、光度學(xué)基本物理量37一般情況下，發(fā)光強度因方向而異，對于各向同性的點光源，光照度Ev：被照表面的單位面積所接收的入射光的量，單位：勒克斯［lx］，相當于1平方米面積上接受到1個流明的光通量。三、光度學(xué)基本物理量光出射度:擴展源單位面積向2π空間發(fā)出的全部光通量。單位：Lm/m2(流明/平方米)A為擴展源面積A為被照面積照度是表征受照射面被照明程度的物理量。光照度Ev：被照表面的單位面積所接收的入射光的量，單位對點光源來說，照度為：上式稱為點光源的照度定律。它表示點光源產(chǎn)生的照度與點光源的發(fā)光強度及照射角的余弦成正比，與照射距離的平方成反比。當垂直照射時，＝0，照度最大；掠射時，＝90，照度最小，其值為零。三、光度學(xué)基本物理量對點光源來說，照度為：上式稱為點光源的照度定律。它表示點光源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50—500lx陰天室內(nèi)5—50lx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50~60lx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0.001lx晴天陽光直射地面照度約為100000lx光亮度：是用來表示面光源上某面元沿某方向的發(fā)光強度。設(shè)發(fā)光面上的面元ds發(fā)出的光，包圍在一個立體角d內(nèi)，這光束的軸線與ds的法線成一個角度，在光束軸線方向上的ds的投影面積為dscos。從立體角d中發(fā)出的光通量為d，則光源的亮度定義為：三、光度學(xué)基本物理量可見，光亮度等于單位投影面積上沿單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。光亮度：是用來表示面光源上某面元沿某方向的發(fā)光強度。設(shè)發(fā)光面單位：坎德拉/米2，

（cd/m2)

德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家朗伯（J.Lambert，1728－1777）最早通過實驗發(fā)現(xiàn)，許多發(fā)光體的亮度不隨方向

而變化。這相當于即發(fā)光體的發(fā)光強度隨方向作余弦變化，這樣的發(fā)光體稱為余弦發(fā)光體或朗伯光源。三、光度學(xué)基本物理量單位：坎德拉/米2，（cd/m2)德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家描述輻射場的基本物理量小節(jié)：輻射量光譜輻射量光度量通量強度亮度出射度照度三、光度學(xué)基本物理量描述輻射場的基本物理量小節(jié)：輻射量光譜輻射量光度量通量注意:1.光度量的定義和輻射度量的定義只一字之差，“輻射”——“光”。2.從表達式可直接說出定義及物理意義3.從表達式可直接說出單位4.出射度和照度的表達式相同、單位也相同，注意一個是發(fā)射，一個是接收。5.發(fā)光強度和亮度的概念不僅適用于自身發(fā)光的物體，還可以推廣到反射體.三、光度學(xué)基本物理量注意:1.光度量的定義和輻射度量的定義只一字之差，“輻射三個發(fā)射量的區(qū)別和關(guān)系輻射強度I

輻射出射度M輻射亮度L

源特點點源面源面源輻射特點立體角內(nèi)2π空間立體角內(nèi)三、光度學(xué)基本物理量三個發(fā)射量的區(qū)別和關(guān)系輻射強度I輻射出射度M輻射亮度L光譜光視效能是評定輻射量對人眼視覺刺激值的參數(shù)。四、光度量與輻射度量之間的關(guān)系光視效能：是描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少響應(yīng)的單色光通量的關(guān)系式，即光視效能K()定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比值，即輻射通量代表的是光源面積元ds在單位時間內(nèi)輻射的總能量的多少，而我們感興趣的只是能夠引起人眼視覺的那一部分。光譜光視效能是評定輻射量對人眼視覺刺激值的參數(shù)。四、光度量與光譜光視效能K()實際上是波長為的光輻射的功光當量。換言之，波長為的1W的輻射通量相當于K()的光通量。最大光譜光視效能Km是指波長為555nm輻射的功光當量。即Km為最大功光當量，在國際單位制中，四、光度量與輻射度量之間的關(guān)系光譜光視效能K()實際上是波長為的光輻射的功光當量。換言由前面可以看到，光通量與輻射通量具有相同的量綱，對555nm波長的光，1W的輻射通量相當于683lm的光通量，則我們可以寫作：1瓦特＝683流明注意：流明與瓦特之間的換算關(guān)系隨波長不同而異，對波長為的單色光，有1瓦特＝683V()流明四、光度量與輻射度量之間的關(guān)系V()為視見函數(shù)由前面可以看到，光通量與輻射通量具有相同的量綱，對555nm實驗表明：在較明亮的環(huán)境下（如白天），人眼對0＝555nm的黃綠光最敏感，其Km最大?？梢杂靡曇姾瘮?shù)V()來表示人眼的相對光譜相應(yīng)特性。并規(guī)定波長0＝555nm的光的視見函數(shù)值為1。四、光度量與輻射度量之間的關(guān)系視見函數(shù)（單色光視效率）

V()

：是光視效能的歸一化結(jié)果。當＝555nm時，有V(555)＝1為最大；

為其它值時，則V()<1。K——波長的光視效能Km——555nm波長光的光視效能實驗表明：在較明亮的環(huán)境下（如白天），人眼對0＝555nm設(shè)波長為的光和波長為555nm的光產(chǎn)生相同視覺強度時所需要的輻射通量分別為Φe

和Φe555，則其視見函數(shù)為：四、光度量與輻射度量之間的關(guān)系設(shè)波長為的光和波長為555nm的光產(chǎn)生相同視覺例：實驗結(jié)果，1.6mW，600nm的紅光才能引起與1mW的555nm的黃綠光相同的明暗感覺，則對于波長為600nm的光的視見函數(shù)值為：也就是說，人的視覺對600nm的紅光的敏感程度只有555nm黃綠光的0.63。四、光度量與輻射度量之間的關(guān)系紅外光和紫外光無論具有多大的輻射通量都不能引起人眼的視覺反應(yīng)，其視見函數(shù)值為零，所以稱為不可見光。例：實驗結(jié)果，1.6mW，600nm的紅光才能引起與1mW的對大量正常眼的測量值統(tǒng)計平均后得到視見函數(shù)曲線如圖。實線為白天光照下的曲線，稱為明視見函數(shù)；虛線為夜間光照下的曲線，稱為暗視見函數(shù)。由圖可見，暗視見函數(shù)曲線的峰值向短波方向移動了約50nm。四、光度量與輻射度量之間的關(guān)系對大量正常眼的測量值統(tǒng)計平均后得到視見函數(shù)曲線如圖。實線為白圓盤的輻射強度和輻射功率

設(shè)圓盤的輻射亮度為L，面積為A，如圖所示。圓盤在與其法線成θ角的方向上的輻射強度為

式中I0=LA，為圓盤在其法線方向上的輻射強度。

圓盤輻射照度例題圓盤向半球空間發(fā)射的輻射功率為Ф，按輻射亮度的定義有圓盤的輻射強度和輻射功率圓盤輻射照度例因為球坐標的dΩ=sinθdθdφ，按輻射強度的定義，求得

或按朗伯源的輻射規(guī)律M

=πL，同樣可得因為球坐標的dΩ=sinθdθdφ，按輻射強度的定義，求得小結(jié)1、光電檢測系統(tǒng)中常見輻射型光源和發(fā)光光源。2、光輻射的兩種計量方法。

3、輻射度學(xué)基本物理量。4、光度學(xué)基本物理量。5、輻射度學(xué)量和光度學(xué)量之間的關(guān)系

小結(jié)1、光電檢測系統(tǒng)中常見輻射型光源和發(fā)光光源。謝謝！謝謝！光電檢測技術(shù)第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測技術(shù)第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)主要教學(xué)內(nèi)容：2.1光的基本性質(zhì)2.2輻射與光度學(xué)量2.3半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識（重點）2.4光電效應(yīng)（重點）第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)主要教學(xué)內(nèi)容：2.1光的基本性質(zhì)牛頓——微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動理論惠更斯、楊氏和費涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波2.1光的基本性質(zhì)牛頓——微粒說結(jié)論：光是某一波段的電磁波聯(lián)系光學(xué)量和電磁學(xué)量、的關(guān)系式結(jié)論：光是某一波段的電磁波聯(lián)系光學(xué)量和電磁學(xué)量、的2.1光的基本性質(zhì)光量子說1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論1905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光子的能量與光的頻率成正比光具有波粒二象性2.1光的基本性質(zhì)光量子說2022/11/22光源傳輸轉(zhuǎn)運探測成像顯示2.1光的基本性質(zhì)光電檢測系統(tǒng)2022/11/21光源傳輸轉(zhuǎn)運探測成像顯示2.1光的基本2.1光的基本性質(zhì)物理發(fā)光有兩種基本形式：熱輻射和發(fā)光輻射（一）熱輻射（溫度輻射）源任何高于絕對溫度0K的物體都具有熱輻射。溫度輻射的頻率與強度取決于熱平衡時的溫度。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射。熱輻射光譜時連續(xù)光譜。熱輻射源遵循有關(guān)黑體的定律。應(yīng)用：熱輻射是紅外探測技術(shù)和溫度非接觸測量的依據(jù)2.1光的基本性質(zhì)物理發(fā)光有兩種基本形式：熱輻射和發(fā)光輻射2.1光的基本性質(zhì)常見熱輻射源：自然界一切物體都屬于熱輻射體太陽白熾燈太陽可以看成是一個直徑為1.392x109m的光球。大氣層外的太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射。在大氣層外，太陽對地球的輻射照度值在不同的光譜區(qū)所占的百分比為：紫外區(qū)（<0.38mm）6.46%可見區(qū)（0.38mm—0.78mm）46.25%紅外區(qū)（>0.78mm）47.29%2.1光的基本性質(zhì)常見熱輻射源：自然界一切物體都屬于熱輻射2.1光的基本性質(zhì)黑體及黑體輻射定律對于外來的輻射，物體有反射和吸收作用。如果一個物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為黑體。一個開有小孔的封閉空腔可看作是黑體。

黑體輻射問題所研究的是輻射（電磁波）與周圍物體處于平衡狀態(tài)時能量按波長（頻率）的分布。2.1光的基本性質(zhì)黑體及黑體輻射定律對于外來的輻射黑體及黑體輻射定律2.1光的基本性質(zhì)在頻率之間的輻射能量密度只與空腔的溫度T有關(guān)，而與空腔的形狀及其組成物質(zhì)無關(guān)。實驗曲線：實驗瑞利-瓊斯維恩T=1646k黑體輻射公式——Planck公式1918年P(guān)lanck獲得諾貝爾物理學(xué)獎。黑體及黑體輻射定律2.1光的基本性質(zhì)實驗瑞利-瓊斯維恩T=2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)黑體模擬器在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特征和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。2.1光的基本性質(zhì)黑體總輻射強度和它的溫度的四次方成正比。目前的黑體模擬器最高工作溫度為3000K，而實際應(yīng)用的大多數(shù)是在2000K以下。黑體模擬器在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)（二）發(fā)光輻射的產(chǎn)生方法激勵可以使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生光，外界需要提供足夠的激勵能。外界提供激勵能的形式可以有多種方式，常用的有以下幾種方法：電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、熱發(fā)光。發(fā)光與熱輻射的區(qū)別發(fā)光是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉(zhuǎn)換成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜熱輻射是熱平衡狀態(tài)的輻射，也稱溫度輻射。2.1光的基本性質(zhì)（二）發(fā)光輻射的產(chǎn)生方法激勵可以使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)2.1光的基本性質(zhì)光電檢測系統(tǒng)光源的選擇：根據(jù)測量對象要求選擇在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。在彩色攝影系統(tǒng)中，為獲得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈。在紫外分光光度計中，通常使用氘燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強的光源。在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。2.1光的基本性質(zhì)光電檢測系統(tǒng)光源的選擇：根據(jù)測量對象要求第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)主要教學(xué)內(nèi)容：2.1光的基本性質(zhì)2.2輻射與光度學(xué)量2.3半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.4光電效應(yīng)第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)主要教學(xué)內(nèi)容：1、輻射度單位體系：輻射度學(xué)是對光學(xué)輻射進行定量評價的一門實驗科學(xué)。是通過電磁光譜來處理輻射能的測量一、光輻射的計量方法：對光能進行定量研究2.2輻射與光度學(xué)量評價光電探測系統(tǒng)的性能，與輻射量和光度量有密切關(guān)系。2、光度學(xué)單位體系：光度學(xué)是研究光度測量的科學(xué)。在光度學(xué)中根據(jù)人眼的生理特性和某些約定的規(guī)范來評價輻射所產(chǎn)生的視覺效應(yīng)。適合于可見光區(qū)，包含人眼特性，參數(shù)角標為“u”1、輻射度單位體系：輻射度學(xué)是對光學(xué)輻射進行定量評價的一門實適合于整個電磁波輻射范圍。通過電磁光譜來處理輻射能的測量，是從物理（客觀）角度來計量。輻射度學(xué)主要研究頻率為3×1011～3×1016Hz的光輻射，對應(yīng)于0.01~1000μm微米的波長。波段范圍包括紅外、可見光、紫外線參數(shù)角標為“e”1、輻射度學(xué)量一、光輻射度的計量方法適合于整個電磁波輻射范圍。1、輻射度學(xué)量一、光輻射度的計量方2、光度學(xué)與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光，波長范圍為380～780nm納米。出發(fā)點是從人的生理學(xué)（主觀）角度來計量，是以人眼所能見到的光對大腦的刺激程度來進行計量。其參數(shù)角標為“u”

一、光輻射度的計量方法2、光度學(xué)與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光二、輻射度的基本物理量輻射能（量）Qe

：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量。單位：焦耳[J]輻射通量Φe：光源在單位時間內(nèi)輻射的總能量稱為光源的輻射通量，也記為輻射功率e，是輻射能的時間變化率。單位：瓦[W]六個量：輻射能、輻射通量、輻射出射度、

輻射強度、輻射亮度、輻射照度二、輻射度的基本物理量輻射能（量）Qe：一種以電磁波的形式輻射強度Ie：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：[W/Sr]二、輻射度的基本物理量立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空間，2π角度覆蓋整個單位圓。在三維空間，4π的球面度立體角覆蓋整個單位球面。從一個球面上去除1球面度立體角的圓錐輻射強度Ie：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量例：一個處于均勻介質(zhì)中的各向同性的點輻射源的總輻射通量為e，則各個方向的Ie為多少？二、輻射度的基本物理量由得所以例：一個處于均勻介質(zhì)中的各向同性的點輻射源的總輻射通量為e輻射出射度Me

：輻射體在單位面積內(nèi)向半球面空間所輻射的通量或功率稱為輻射出射度（也稱輻射本領(lǐng)）。用來量度物體輻射能力的物理量。單位：[W/m2]二、輻射度的基本物理量輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。單位：[W/m2]Me與Ee區(qū)別：定義出發(fā)點不同。輻射出射度Me：輻射體在單位面積內(nèi)向半球面空間所輻射的通量二、輻射度的基本物理量例：一個輻射強度為Ie=1W/Sr的點光源，它的總輻射通量為多少？若用一半徑為R的球面將其包圍，則球面上的輻射照度為多少？由知（W/m2）二、輻射度的基本物理量例：一個輻射強度為Ie=1W/Sr的點輻射亮度Le定義：面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。可以表示面輻射源沿不同方向的輻射能力差異。SddSd輻射亮度示意圖二、輻射度的基本物理量單位：[W/m2.Sr]輻射源表面的方向與亮度有關(guān)，當輻射強度方向dIe與面元ds的法線方向相同時，dIe最大，相應(yīng)亮度最大輻射亮度Le定義：面輻射源在某一給定方向上的輻射通量?？娠@然：一般輻射體的輻射亮度與空間方向有關(guān)。二、輻射度的基本物理量特殊輻射體：輻射體的輻射強度Ie在空間上的分布滿足為面源ds法線方向的輻射強度、輻射亮度顯然：一般輻射體的輻射亮度與空間方向有關(guān)。二、輻射度的基本物二、輻射度的基本物理量黑體為典型的余弦輻射體，其輻射亮度與方向角（，）無關(guān)，各個方向上都是均勻的。可以求出輻射亮度為Le0的余弦輻射體上某一面元ds向周圍半空間的輻射通量為為余弦輻射體的Me和Le之間的關(guān)系二、輻射度的基本物理量黑體為典型的余弦輻射體，其輻射亮度與方半球面積分半球面積分二、輻射度的基本物理量黑體為典型的余弦輻射體，其輻射亮度與方向角（，）無關(guān)，各個方向上都是均勻的?？梢郧蟪鲚椛淞炼葹長e0的余弦輻射體上某一面元ds向周圍半空間的輻射通量為為余弦輻射體的Me和Le之間的關(guān)系二、輻射度的基本物理量黑體為典型的余弦輻射體，其輻射亮度與方定義：單色輻射度量是該輻射度量在波長處的單位波長間隔內(nèi)的大小，是輻射度量隨波長的變化率。二、輻射度的基本物理量單色輻射度量輻射源所輻射的能量往往由很多波長的單色輻射組成。為研究光源對各種波長的輻射貢獻，特別提出單色輻射度量。輻射通量Φe——單色Φe(λ)輻射出射度Me——單色Me(λ)輻射強度Ie——單色Ie(λ)輻射亮度Le——單色Le(λ)輻射照度Ee——單色Ee(λ)定義：單色輻射度量是該輻射度量在波長處的單位波長間隔內(nèi)的大基本輻射度量的名稱、符號和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能Qe焦耳J輻射能密度

e焦耳／立方米Jm-3輻射通量（輻射功率）

e

e瓦特W輻射強度Ie瓦特／球面度Wsr-1輻射亮度Le

瓦特／球面度平方米Wm-2

sr-1輻射出射度Me瓦特／平方米Wm-2輻射照度Ee瓦特／平方米Wm-22基本輻射度量的名稱、符號和定義方程輻射能Qe焦耳J輻射能密度三、光度學(xué)基本物理量光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的。輻射度量下標為e，例如Qe，Φe，Ie，Me，Ee，光度量下標為v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可見光區(qū)（380~780nm)才有意義。輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)。基本物理量：發(fā)光強度I

輻射量對人眼視覺的刺激值，是主觀的，不管輻射量大小，以看到為準。三、光度學(xué)基本物理量光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對光能Qv：按人眼的感覺強度進行度量的輻射能的大小。單位流明·秒[lm·s]光通量Φv：單位時間內(nèi)通過某一面積的光能量（功率。單位：流明［lm］。發(fā)光強度Iv：發(fā)出波長為555nm的單色輻射，在給定方向上的發(fā)光強度規(guī)定為1cd。三、光度學(xué)基本物理量光能Qv：按人眼的感覺強度進行度量的輻射能的大小。單位流明·92

發(fā)光強度Iv發(fā)光強度是表征光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出的光通量的空間分布的物理量。它可用點光源在單位立體角中發(fā)出的光通量來量度。d是點光源在某一方向d立體角內(nèi)的光通量。在國際單位制中，發(fā)光強度的單位為坎德拉（Candela），符號：cd。發(fā)光強度的單位是國際單位制中七個基本單位之一，光度學(xué)中其它單位均為導(dǎo)出單位。三、光度學(xué)基本物理量36發(fā)光強度Iv發(fā)光強度是表征光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出的光93

一般情況下，發(fā)光強度因方向而異，對于各向同性的點光源，設(shè)它在空間各方向發(fā)出的總光通量為，則其發(fā)光強度為：對于給定的發(fā)光體，光具組不能增加總的光通量，光具組的作用是把光通量重新分布。例如，使它比較集中在某些選定的方向上，而相應(yīng)地減小其它方向的發(fā)光強度。注意：僅當光源的限度相對觀察距離可以忽略時，才能作為點光源，才能用發(fā)光強度來描述它的發(fā)光特性。三、光度學(xué)基本物理量37一般情況下，發(fā)光強度因方向而異，對于各向同性的點光源，光照度Ev：被照表面的單位面積所接收的入射光的量，單位：勒克斯［lx］，相當于1平方米面積上接受到1個流明的光通量。三、光度學(xué)基本物理量光出射度:擴展源單位面積向2π空間發(fā)出的全部光通量。單位：Lm/m2(流明/平方米)A為擴展源面積A為被照面積照度是表征受照射面被照明程度的物理量。光照度Ev：被照表面的單位面積所接收的入射光的量，單位對點光源來說，照度為：上式稱為點光源的照度定律。它表示點光源產(chǎn)生的照度與點光源的發(fā)光強度及照射角的余弦成正比，與照射距離的平方成反比。當垂直照射時，＝0，照度最大；掠射時，＝90，照度最小，其值為零。三、光度學(xué)基本物理量對點光源來說，照度為：上式稱為點光源的照度定律。它表示點光源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50—500lx陰天室內(nèi)5—50lx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50~60lx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0.001lx晴天陽光直射地面照度約為100000lx光亮度：是用來表示面光源上某面元沿某方向的發(fā)光強度。設(shè)發(fā)光面上的面元ds發(fā)出的光，包圍在一個立體角d內(nèi)，這光束的軸線與ds的法線成一個角度，在光束軸線方向上的ds的投影面積為dscos。從立體角d中發(fā)出的光通量為d，則光源的亮度定義為：三、光度學(xué)基本物理量可見，光亮度等于單位投影面積上沿單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。光亮度：是用來表示面光源上某面元沿某方向的發(fā)光強度。設(shè)發(fā)光面單位：坎德拉/米2，

（cd/m2)

德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家朗伯（J.Lambert，1728－1777）最早通過實驗發(fā)現(xiàn)，許多發(fā)光體的亮度不隨方向

而變化。這相當于即發(fā)光體的發(fā)光強度隨方向作余弦變化，這樣的發(fā)光體稱為余弦發(fā)光體或朗伯光源。三、光度學(xué)基本物理量單位：坎德拉/米2，（cd/m2)德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家描述輻射場的基本物理量小節(jié)：輻射量光譜輻射量光度量通量強度亮度出射度照度三、光度學(xué)基本物理量描述輻射場的基本物理量小節(jié)：輻射量光譜輻射量光度量通量注意:1.光度量的定義和輻射度量的定義只一字之差，“輻射”——“光”。2.從表達式可直接說出定義及物理意義3.從表達式可直接說出單位4.出射度和照度的表達式相同、單位也相同，注意一個是發(fā)射，一個是接收。5.發(fā)光強度和亮度的概念不僅適用于自身發(fā)光的物體，還可以推廣到反射體.三、光度學(xué)基本物理量注意:1.光度量的定義和輻射度量的定義只一字之差，“輻射三個發(fā)射量的區(qū)別和關(guān)系輻射強度I

輻射出射度M輻射亮度L

源特點點源面源面源輻射特點立體角內(nèi)2π空間立體角內(nèi)三、光度學(xué)基本物理量三個發(fā)射量的區(qū)別和關(guān)系輻射強度I輻射出射度M輻射亮度L光譜光視效能是評定輻射量對人眼視覺刺激值的參數(shù)。四、光度量與輻射度量之間的關(guān)系光視效能：是描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少響應(yīng)的單色光通量的關(guān)系式，即光視效能K()定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的