光電技術(shù)基礎(chǔ)

光電技術(shù)基礎(chǔ)1第一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日光電子技術(shù)一、學(xué)好本門(mén)課所需的知識(shí)內(nèi)容、本門(mén)課將會(huì)學(xué)到哪些知識(shí)不同專(zhuān)業(yè)方向要求不同二、本門(mén)課在光信息科學(xué)技術(shù)與電子信息科學(xué)技術(shù)兩個(gè)專(zhuān)業(yè)中的作用和地位本科階段、研究生階段三、《光電子技術(shù)》課程介紹1、從金屬、半導(dǎo)體、絕緣體三種特性材料來(lái)看光電子技術(shù)2、光學(xué)＝》電子學(xué)＝》光電子學(xué)＝》光子學(xué)四、引入兩個(gè)例子氣體濃度分析儀－1五、本門(mén)課與其它學(xué)科之間的聯(lián)系六、光的特性和基本參數(shù)介紹2第二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日《光電子技術(shù)》課程介紹1、光學(xué)Optics（可追溯到2000多年前）以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)各種光學(xué)儀器和設(shè)備（顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)、光譜儀）。以物理光學(xué)、電磁輻射為研究對(duì)象（黑體輻射）以光與物質(zhì)相互作用為主要研究?jī)?nèi)容（光電效應(yīng)、光探測(cè)器、新型光源）。3第三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日光學(xué)發(fā)展歷史：公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。

1665年，牛頓進(jìn)行太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽(yáng)光分解成簡(jiǎn)單的組成部分，這些成分形成一個(gè)顏色按一定順序排列的光分布——光譜。

牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，形成牛頓環(huán)。認(rèn)為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來(lái)。4第四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日惠更斯是光的微粒說(shuō)的反對(duì)者，他創(chuàng)立了光的波動(dòng)說(shuō)。托馬斯·楊圓滿(mǎn)地解釋了雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理。1860年前后，麥克斯韋的指出，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以一定速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱(chēng)為量子，光的量子稱(chēng)為光子。5第五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日1905年，愛(ài)因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。

1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺(tái)可見(jiàn)光的激光器；同年制成氦氖激光器。激光出現(xiàn)以后，光學(xué)出現(xiàn)非線(xiàn)性光學(xué)分支，發(fā)展非常迅速，應(yīng)用非常廣泛。6第六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日2、電子學(xué)Electronics(1910年)

研究電子運(yùn)動(dòng)的各種物理過(guò)程和物理現(xiàn)象并加以廣泛利用的科學(xué)。研究電磁波的振蕩、傳播，電信號(hào)的放大、變換，頻率的穩(wěn)定，混合，檢波等等半導(dǎo)體微電子學(xué)。3、光電子學(xué)Opto-electronics(1955年)

光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。將電子學(xué)使用的電磁波頻率提高到光頻，產(chǎn)生電子學(xué)所不可能產(chǎn)生的許多新功能。以前由電子方法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)現(xiàn)在用光學(xué)方法來(lái)完成光電子技術(shù)。7第七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日光電子學(xué)optoelectronics由光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合形成的技術(shù)學(xué)科。電磁波范圍包括X射線(xiàn)、紫外光、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)。光電子學(xué)涉及將這些輻射的光圖像、信號(hào)或能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或電能，并進(jìn)行處理或傳送；有時(shí)則將電信號(hào)再轉(zhuǎn)換成光信號(hào)或光圖像。以光波代替無(wú)線(xiàn)電波作為信息載體，實(shí)現(xiàn)光發(fā)射、控制、測(cè)量和顯示等。通常有關(guān)無(wú)線(xiàn)電頻率的幾乎所有的傳統(tǒng)電子學(xué)概念、理論和技術(shù)，如放大、振蕩、倍頻、分頻、調(diào)制、信息處理、通信、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)等，原則上都可延伸到光波段。在激光領(lǐng)域中，激光器提供光頻的相干電磁振蕩源，光電子學(xué)是指光頻電子學(xué)。光電子學(xué)有時(shí)也狹義地指光-電轉(zhuǎn)換器件及其應(yīng)用的領(lǐng)域。光電子學(xué)還包括光電子能譜學(xué)，它利用光電子發(fā)射帶出的信息研究固體內(nèi)部和表面的成分和電子結(jié)構(gòu)。光電子學(xué)及其系統(tǒng)的發(fā)展，依賴(lài)于光-電和電-光轉(zhuǎn)換、光學(xué)傳輸、加工處理和存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展，其關(guān)鍵是光電子器件。光電子器件主要有作為信息載體的光源（半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等）、輻射探測(cè)器(各種光-電和光-光轉(zhuǎn)換器)、控制與處理用的元器件（各種反射鏡、透鏡、棱鏡、光束分離器，濾光片第八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日、光柵、偏振片、斬光器、電光晶體和液晶等）、光學(xué)纖維（一維信息傳輸光纖波導(dǎo)、二維圖像傳輸光纖束、光能傳輸光纖束、光纖傳感器等）以及各種顯示顯像器件（低壓熒光管、電子束管、白熾燈泡、發(fā)光二極管、場(chǎng)致發(fā)光屏、等離子體和液晶顯示器件等）。將各類(lèi)元器件按各種可能方式組合起來(lái)可構(gòu)成各種具有重大應(yīng)用價(jià)值的光電子學(xué)系統(tǒng)，如光通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、微光夜視系統(tǒng)等。由光學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合而形成的新技術(shù)學(xué)科。第九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

光電子學(xué)是近代光學(xué)和近代電子學(xué)的融合，光電子學(xué)的發(fā)展得益于固體物理學(xué)、材料科學(xué)、微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微機(jī)械加工技術(shù)、近代化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，以光和電的能量與信息的轉(zhuǎn)換、傳播、接收為目標(biāo)，以光通信、光計(jì)算、光存儲(chǔ)、光傳感、激光醫(yī)療、激光武器等等為應(yīng)用領(lǐng)域，集“光、機(jī)、電、計(jì)、材”于一身，是一種先進(jìn)、前沿、實(shí)用的高新技術(shù)。10第十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日4、光子學(xué)Photonics(1970)

關(guān)于光子的科學(xué)及其應(yīng)用?！皬碾娮訉W(xué)類(lèi)推，光子學(xué)一詞描述光子在信息傳輸中的應(yīng)用，包括光子束的產(chǎn)生、導(dǎo)波、偏轉(zhuǎn)、調(diào)制、放大，圖象處理、存儲(chǔ)和探測(cè)”。激光光子時(shí)代的領(lǐng)銜主角。11第十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日二氧化硫氣體濃度分析儀

例1：引入兩個(gè)例子12第十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日一、引入兩個(gè)例子氣體濃度分析儀－2二、本門(mén)課與其它學(xué)科之間的聯(lián)系三、光的波粒二象性和電磁波譜四、輻射度學(xué)和光度學(xué)的參數(shù)

1、與光源有關(guān)的參數(shù)

2、與接收器有關(guān)的參數(shù)五、光譜輻射分布與量子流速率13第十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日紅外線(xiàn)氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖

例2：分析儀由紅外線(xiàn)輻射光源、氣室、紅外檢測(cè)器及電路等部分組成。光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3～10μm的紅外線(xiàn)，切光片將連續(xù)的紅外線(xiàn)調(diào)制成脈沖狀的紅外線(xiàn)，以便于紅外線(xiàn)檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)。測(cè)量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線(xiàn)的氣體（如N2等）。14第十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日光電子學(xué)與光電子技術(shù)傅立葉光學(xué)激光與紅外物理學(xué)非線(xiàn)性光學(xué)強(qiáng)光光學(xué)效應(yīng)電光效應(yīng)磁光效應(yīng)彈(聲)光效應(yīng)半導(dǎo)體光電子學(xué)光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)發(fā)光效應(yīng)非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)導(dǎo)波光學(xué)非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)介質(zhì)導(dǎo)波效應(yīng)光電子學(xué)復(fù)用傳感調(diào)制偏轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)光信號(hào)加載反饋中繼偏振隔離耦合波導(dǎo)光信號(hào)傳輸存儲(chǔ)全息濾波共軛頻譜卷積相關(guān)邏輯延遲放大補(bǔ)償整形解調(diào)光信號(hào)處理探測(cè)顯示光信號(hào)接收光電子技術(shù)光載波源混頻移頻鎖模調(diào)激光

Q本門(mén)課與其它學(xué)科之間的聯(lián)系15第十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日光電子器件光源器件光傳輸器件光控制器件光探測(cè)器件光存儲(chǔ)器件光盤(pán)光驅(qū)調(diào)制器偏轉(zhuǎn)器光開(kāi)關(guān)光雙穩(wěn)器件光電導(dǎo)型光伏型熱伏型各種傳感器相干光源非相干光源光學(xué)元件光波導(dǎo)光纖16第十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日光線(xiàn)數(shù)學(xué)電荷物體材料幾何光學(xué)現(xiàn)代光學(xué)光子學(xué)初等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)計(jì)算科學(xué)電學(xué)電子學(xué)微電子學(xué)機(jī)械學(xué)微細(xì)加工微米加工納米加工晶體學(xué)材料科學(xué)外延生長(zhǎng)材料工程計(jì)算器計(jì)算機(jī)光電子學(xué)集成電路光電子集成納米管光子晶體人工智能光計(jì)算機(jī)激光器探測(cè)器19世紀(jì)50年代80年代20世紀(jì)20年代40年代50年代60年代70年代80年代90年代21世紀(jì)光電子技術(shù)發(fā)展概圖17第十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日1、光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。即光是以電磁波方式傳播的粒子。

以牛頓為代表的一些人提出了微粒說(shuō)，認(rèn)為光是按照慣性定律沿直線(xiàn)飛行的微粒流。這一學(xué)說(shuō)直接說(shuō)明了光的直線(xiàn)傳播定律，并能對(duì)光的反射（reflection）和折射（refraction）作一定的解釋。光的微粒說(shuō)差不多統(tǒng)治了十七、十八兩世紀(jì)（一）、光的波粒二象性18第十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日和牛頓同時(shí)代的惠更斯（1629-1695）從聲和光某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在一種特殊彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波。這個(gè)理論也能解釋光的反射和折射等現(xiàn)象。但惠更斯沒(méi)有指出光現(xiàn)象的周期性，沒(méi)有提到波長(zhǎng)的概念，而且認(rèn)為光是縱波。因而他的理論是很不完善的。十九世紀(jì)初，托馬斯·楊（1773-1829）和菲涅耳（1788-1827）等人的實(shí)驗(yàn)和理論工作，解釋了光的干涉和衍射現(xiàn)象，初步測(cè)定了光的波長(zhǎng)，并根據(jù)光的偏振現(xiàn)象，確認(rèn)光是橫波。十九世紀(jì)六十年代，麥克斯韋建立了電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在，指出電磁波的速度與光速相同。因此麥克斯韋確信光是一種電磁波。這個(gè)理論在1888年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。19第十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日為了解釋黑體輻射，1900年普朗克（1858-1947）提出了光的量子假說(shuō)，認(rèn)為各種頻率的電磁波，只能象粒子似的以一定最小份額的能量發(fā)生（稱(chēng)為能量子）。另一個(gè)顯示光的微粒性的重要現(xiàn)象是光電效應(yīng)，即愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)。最后人們認(rèn)識(shí)到波動(dòng)性和粒子性是光的客觀屬性，一方面光是電磁波，具有波動(dòng)的性質(zhì)，有一定的頻率和波長(zhǎng)；另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和動(dòng)量的物質(zhì)粒子。在一定條件下某種特性占優(yōu)勢(shì)，條件改變后，另一種特性表現(xiàn)較為明顯。例如：20第二十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日光在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的干涉、衍射現(xiàn)象中波動(dòng)性較為明顯，這時(shí)光可看成一列一列的光波組成；而當(dāng)光與實(shí)物相互作用時(shí)，粒子性較為明顯，此時(shí)光看成一個(gè)個(gè)光子組成的粒子流（二）、光波是電磁波均勻介質(zhì)中21第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)表明，光對(duì)人眼、膠片、光電池、光化學(xué)作用、光合作用等起作用的主要是電矢量。因此習(xí)慣上把電矢量叫做光矢量，主要討論電矢量的振動(dòng)和傳播。光速、頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系：C：光在真空中的傳播速度（3×108m·s-1）；V：光的頻率(s-1)；光矢量每秒振動(dòng)的次數(shù)，光振動(dòng)的周期T是完成一次振動(dòng)所需的時(shí)間,二者關(guān)系為：：光在真空中的波長(zhǎng)。振動(dòng)狀態(tài)經(jīng)歷一個(gè)周22第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日期在真空中傳播的距離。三者之間關(guān)系為：光子具有動(dòng)量與能量，并分別表示為與，h為普朗克常數(shù)（6.626×10-34J·s）；E為一個(gè)光子的能量，光的能量就是所有光子能量的總和，光與物質(zhì)（原子或分子）交換能量時(shí)，光子只能整個(gè)的被吸收或發(fā)射。上述二式把表征粒子性的動(dòng)量和能量與表征波動(dòng)性的頻率和波長(zhǎng)聯(lián)系起來(lái)，體現(xiàn)了光的波粒二象性23第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

圖1-1為電磁波按波長(zhǎng)的分布及各波長(zhǎng)區(qū)域的定義（稱(chēng)為電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)電波（102～1025Hz）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長(zhǎng)區(qū)域從幾納米到幾毫米，即10-9～10-3m的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的視覺(jué)感，故稱(chēng)這部分光為可見(jiàn)光。紅外紫外可見(jiàn)光10156182191210101010101010324f/Hz圖1-1電磁波譜的分布X射線(xiàn)Γ射線(xiàn)近紅外遠(yuǎn)紅外電磁波24第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日波長(zhǎng)/m無(wú)線(xiàn)電波微波紅外線(xiàn)紫外線(xiàn)可見(jiàn)光X射線(xiàn)射線(xiàn)宇宙射線(xiàn)1m103m106mm10910-310-610-9nm波長(zhǎng)/nm106102003904554925775976227605x1036x1034x104300極遠(yuǎn)遠(yuǎn)近極遠(yuǎn)遠(yuǎn)中近紅橙黃綠藍(lán)紫電磁波譜圖25第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日通常所說(shuō)的光學(xué)區(qū)域或光學(xué)頻譜包括：紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)。由于光的頻率極高1012～1016Hz，一般采用波長(zhǎng)表征，光譜區(qū)域的波長(zhǎng)范圍約從1mm到10nm。

遠(yuǎn)紅外 (1mm~20m)紅外線(xiàn)(1mm~0.76m) 中紅外 (20m~1.5m)

近紅外 (1.5m~0.76m)

紅色 (760nm~630nm)

橙色 (630nm~600nm)

黃色 (600nm~570nm)可見(jiàn)光

(760~380nm)

綠色 (570nm~490nm)

青色 (500nm~450nm)

藍(lán)色 (450nm~430nm)

紫色 (430nm~380nm)

近紫外 (380nm~300nm)紫外光(380~10nm)

中紫外 (300nm~200nm)

真空紫外(200nm~10nm)26第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日輻射度學(xué)（radiometry）和光度學(xué)（photometry）基本知識(shí)單色光的顏色可以用波長(zhǎng)來(lái)表征，波長(zhǎng)不同，顏色不同；那么，光的強(qiáng)弱用什么來(lái)表征呢？從輻射度學(xué)和光度學(xué)中提出一些物理量來(lái)表征。輻射在本質(zhì)上是一種能量的形式，如光輻射、熱輻射、磁輻射。輻射過(guò)程伴隨著能量的轉(zhuǎn)移。輻射度學(xué)(客觀)

是對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。適用于整個(gè)電磁波段。在輻射度學(xué)中使用的單位與其它形態(tài)能量單位一致。

光電子技術(shù)基礎(chǔ)27第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日輻射度學(xué)主要研究頻率為3×1011～3×1016Hz的光輻射，對(duì)應(yīng)于0.01~1000μm的波長(zhǎng)。波段范圍包括紅外、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)。與輻射度學(xué)類(lèi)似，光度學(xué)只處理人眼可感知的光，即可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為380～780nm，超過(guò)這個(gè)范圍，光度學(xué)參數(shù)沒(méi)有意義。用下標(biāo)e和v來(lái)區(qū)別光度學(xué)（主觀）

是研究光度測(cè)量的科學(xué)。在光度學(xué)中根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)器官的生理特性和某些約定的規(guī)范來(lái)評(píng)價(jià)輻射所產(chǎn)生的視覺(jué)效應(yīng)，使用單位與人眼生理特性有關(guān)（同一功率的不同顏色的可見(jiàn)光引起的視覺(jué)效果不同）。28第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

1.輻（射）能和光能

以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱(chēng)為輻（射）能，用符號(hào)Qe表示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。光能是光通量在可見(jiàn)光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，以Qv表示，其計(jì)量單位為流明秒（lm·s）。

1.1、輻射度學(xué)和光度學(xué)的參數(shù)1.1.1與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)29第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日2.輻（射）通量和光通量輻（射）通量或輻（射）功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說(shuō)，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能稱(chēng)為輻（射）通量，以符號(hào)Φe表示，其計(jì)量單位為瓦（W），即30第三十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)可見(jiàn)光，光源表面在無(wú)窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見(jiàn)光譜，光能被無(wú)窮短時(shí)間間隔dt來(lái)除，其商定義為光通量Φv，即

（1-3）若在t時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時(shí)間改變，則式（1-3）簡(jiǎn)化為

（1-4）

Φv的計(jì)量單位為流(明)（lm）。顯然，輻（射）通量對(duì)時(shí)間的積分稱(chēng)為輻（射）能，而光通量對(duì)時(shí)間的積分稱(chēng)為光能。

光通量，指人的眼睛所能感覺(jué)的光輻射功率,它等于單位時(shí)間的光輻射能量和視見(jiàn)函數(shù)的乘積。由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光的視見(jiàn)函數(shù)不同,所以不同波長(zhǎng)的光的輻射功率相等時(shí),其光通量并不相等。31第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日3.輻(射)出(射)度和光出(射)度

對(duì)有限大小面積A的輻射源，表面某點(diǎn)處的面元向空間內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即

（1-5）

Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。輻射源A向空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為

（1-6）

32第三十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

對(duì)于可見(jiàn)光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向空間發(fā)射的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱(chēng)為光出(射)度Mv，即

（1-7）

其計(jì)量單位為勒(克司)[lx]或[lm/m2]。對(duì)均勻發(fā)射輻射的面光源有

（1-8）

由式（1-7），面光源向空間發(fā)射的總光通量為（1-9）33第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日4.輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度

對(duì)點(diǎn)輻射源在給定方向的立體角元dΩ內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe，與該方向立體角元dΩ之比定義為點(diǎn)輻射源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦每球面度

[W／sr]。

（1-10）34第三十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日輻射源在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的輻通量為各向同性的輻射源向所有方向發(fā)射的總輻通量為

（1-11）（1-12）輻射源被看成點(diǎn)時(shí)，用面積來(lái)度量不太適合，而是用立體角(solidangle)來(lái)描述。立體角的度量單位為球面度sr(steradians)。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(gè)單位圓。在三維空間，4π的球面度立體角覆蓋整個(gè)單位球面。35第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)可見(jiàn)光，與式（1-9）類(lèi)似，定義發(fā)光強(qiáng)度為對(duì)各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為

一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡(jiǎn)稱(chēng)為坎[cd]。1979年第十六屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉[cd]。

由式（1-13），對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（lm）。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。

（1-13）（1-14）36第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日5.輻(射)亮度和亮度

輻射源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱(chēng)為輻射亮度Le，即

式中，為所給方向與面元法線(xiàn)之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單位為瓦每球面度平方米[W／（sr·m2）]。

（1-15）37第三十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日一般輻射體的輻射強(qiáng)度的數(shù)值隨給定方向而變。有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上的分布滿(mǎn)足滿(mǎn)足上式的特殊光源稱(chēng)為余弦輻射體。余弦輻射體也稱(chēng)均勻漫反射體或朗伯體。除了黑體、灰體外，實(shí)驗(yàn)表明，拋毛乳白玻璃的透視光或反射光，拋毛乳白板的反射光以及氧化鎂、硫酸鋇等表面的反射光很接近于理想的余弦輻射體。白雪對(duì)陽(yáng)光的反射也符合余弦輻射體的規(guī)律。對(duì)余弦輻射體，即服從朗伯定律的輻射體，可以推算出：

即余弦輻射體的輻射出射度在數(shù)值上為其輻射亮度的π倍38第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日（1-16）對(duì)可見(jiàn)光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即

Lv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米[cd／m2]。6.輻(射)效率與發(fā)光效率

輻射源所發(fā)射的總輻射通量Φe與外界提供給輻射源的功率P之比稱(chēng)為輻射源的輻(射)效率ηe；光源發(fā)射的總光通量Φv與提供的功率P之比稱(chēng)為發(fā)光效率ηv。39第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日它們分別為

輻效率ηe無(wú)量綱，發(fā)光效率ηv的計(jì)量單位是流明每瓦[lm·W-1]。對(duì)限定在波長(zhǎng)λ1～λ2范圍內(nèi)的輻效率

Φeλ稱(chēng)為光源輻射通量的光譜密集度，簡(jiǎn)稱(chēng)為光譜輻射通量。

（1-19）（1-20）（1-21）40第四十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日1.1.2與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)

從接收器的角度討論輻射度學(xué)與光度學(xué)的參數(shù)。接收光源發(fā)射輻射的接收器可以是探測(cè)器，也可以是反射輻射的反射器，或兩者兼有。與接收器有關(guān)的輻射度學(xué)參數(shù)與光度學(xué)參數(shù)有以下2種。

1.輻照度與照度

輻照度Ee是照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，即Ee的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。

（1-22）41第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（1-22）簡(jiǎn)化為注意，不要把輻照度Ee與輻出度Me混淆起來(lái)。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來(lái)定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來(lái)定義的。

(1-23)42第四十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻出度Mer（λ）（r

代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度Ee（λ）的關(guān)系為式中,ρe（λ）為輻射度光譜反射比，是波長(zhǎng)的函數(shù)。對(duì)式（1-24）的波長(zhǎng)積分，得到反射體的輻出度

(1-25)

(1-24)43第四十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

對(duì)可見(jiàn)光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA稱(chēng)為光照度Ev，即（1-26）Ev的計(jì)量單位是勒（克司）[lx]。

對(duì)接收光的反射體，同樣有

（1-27）（1-28）式中，ρv（λ）為光度光譜反射比，是波長(zhǎng)的函數(shù)。

44第四十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日2.輻照量和曝光量

輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號(hào)常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時(shí)間t內(nèi)的積分稱(chēng)為輻照量He，即

（1-29）輻照量He的計(jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫?/p>

[J/m2]。

如果面元上的輻照度Ee與時(shí)間無(wú)關(guān)，式（1-29）可簡(jiǎn)化為

（1