付小宁版“光电检测技术与系统” 第二章-课件（PPT·精·选）.ppt

第二章光辐射与光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源[产生光辐射的物体,即光源]与光辐射探测器,所以光辐射理论和光电转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、时间及空间稳定性,等等。本章将简要介绍光辐射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比较典型的光辐射源,以及光源调制技术;光辐射探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。
4/16/2018
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§ 电磁波与光辐射
电磁波的性质与电磁波谱
麦克斯维证明光是电磁波的一种表现形式。
电磁波包括的范围很广,从无线电波到光波,从X射线到射线,都属于电磁波的范畴,波长覆盖很宽。光辐射仅占电波谱的一极小波段。
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光辐射
按辐射波长及人眼的生理视觉效应,光辐射被分成三个波段:紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm作单位、在红外波段波长用m作单位。
单位长度内,波动重复的次数(一个波动拥有同样相位的次数),称为波数。在光谱学中,波数即波长的倒数,量纲是[长度]-1,单位惯常采用cm-1。
可见光可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。390~770 nm范围的范围内;
紫外辐射紫外辐射比紫光的波长更短,人眼不可感知,波长范围是10~400 nm。
红外辐射是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射,~1000 m。
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§ 光辐射的度量
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,存在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系(物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量,脚标“v”表示光度物理量)。后者是考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科,其适用性局限于可见光波段;前者则是对电磁辐射能量的客观计量,适用于整个电磁波段。
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辐射量
⑴辐射能辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总和;单个光子的能量取决于波长或频率。辐射能一般用符号Qe表示,其单位是焦耳(J)。
⑵辐射通量辐射通量e又称为辐射功率,定义为单位时间内流过的辐射能量,即
 (-1)
单位:瓦特(W)或焦耳·秒-1(J· s-1)。
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⑶辐射出射度简称辐出度,从辐射源表面单位面积发射出的辐射通量,其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的定义式 (-2)
单位:瓦特·米-2(W/m2)。
⑷辐射强度辐射强度定义为:点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量,用Ie表示,即
(-3)
单位:瓦特·球面度-1(W·sr-1)。
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⑸辐射亮度辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。-1所示。
 (-4)
单位:瓦特/球面度·米2(W/sr·m2)。式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。
-1 辐射亮度示意图
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一般,辐射体的辐射强度与空间方向有关。当辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足式(2-5)时,称之为余弦辐射体或朗伯体
(-5)式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。联立式(-5)、(-4),易得余弦辐射体的辐射亮度为

(-6)
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的,与方向角无关。余弦辐射体的辐射出射度为
 (-7)
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⑹辐射照度辐照度定义为投射到接收器面元上的辐射通量与该面元面积dA之比。即
(-8)
单位:瓦特·米-2(W/m2)。
⑺单色辐射度量 对于单色光辐射,同样可以采用上述物理量表示,只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量,并且对所有辐射量X来说单色辐射度量Xe,λ与辐射度量Xe之间均满足
(-9)
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光度量
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位,在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示,其定义完全一一对应,-1所示。
辐射度物理量
对应的光度量
物理量名称
符号
定义或定义式
单位
物理量名称
符号
定义或定义式
单位
辐射能
辐射通量
辐射出射度
辐射强度
辐射亮度
辐射照度
Qe
e
Me
Ie
Le
Ee
e=dQe/dt
Me=dedS
Ie=de/d
Le=dIe/(dScos)
Ee=de/dA
J
W
W/m2
W/sr
W/m2·sr
W/m2
光量
光通量
光出射度
发光强度
(光)亮度