第1章第一節(jié)輻射度與光度學(xué)

第1章光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)

第一節(jié)輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第二節(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)和光電探測(cè)器為了對(duì)光輻射進(jìn)行定量描述，需要引入計(jì)量光輻射的物理量。而對(duì)于光輻射的探測(cè)和計(jì)量，存在著輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。在輻射度單位體系中，輻通量(又稱為輻射功率)或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特(W)或者焦耳（J）。輻射度單位適用于整個(gè)電磁波段。光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見(jiàn)光波段。以上兩類單位體系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)。第一節(jié)輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)§1.1光的本質(zhì)牛頓（1642-1727）：粒子學(xué)說(shuō)，解釋了光的反射和折射，17、18世紀(jì)占上風(fēng)；光壓和光動(dòng)量；惠更斯（1629-1695）：波動(dòng)學(xué)說(shuō)，解釋了光的干涉和衍射，支持者：楊氏和費(fèi)涅耳；1860年麥克斯韋方程組對(duì)光是電磁波的總結(jié)1900年：普朗克提出了黑體輻射的量子論，輻射能量是不連續(xù)的1905年：愛(ài)因斯坦提出了光量子的概念目前結(jié)論：光具有波粒二相性，傳播時(shí)呈現(xiàn)波動(dòng)性，與物體相互作用時(shí)呈現(xiàn)粒子性。關(guān)于光的本質(zhì)研究還在繼續(xù)。§1.2輻射度基本物理量

1.

輻射能Qe

輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪?主要指紫外、可見(jiàn)光和紅外輻射)能量。輻射能一般用符號(hào)Q表示，其單位是焦耳(J)。

2.

輻射通量

輻射通量又稱為輻射功率P，定義為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射能，即

輻射通量的單位是瓦特(W/s)或焦耳/秒(J/s)

3.輻射出射度

輻射出射度M是用來(lái)反映物體輻射能力的物理量。定義為輻射體單位面積向半空間（2）發(fā)射的輻射通量，即單位是W/m2。

4.輻射強(qiáng)度

輻射強(qiáng)度I定義為：點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，用I表示，即輻射強(qiáng)度的單位是瓦特·球面度-1(W·sr-1)由輻射強(qiáng)度的定義可知，如果一個(gè)置于各向同性、均勻介質(zhì)中的點(diǎn)輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是P，則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度I是常量，有5.輻射亮度輻射亮度L定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射強(qiáng)度除以有效面積。式中θ是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。輻射亮度的單位是瓦特/球面度·米2(W/sr·m2)。θdP6.輻射照度

在輻射接收面上的輻射照度E定義為照射在面元上的輻射通量dP與該面元的面積dA之比。即

單位是W/m2。

由輻射通量和輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系式我們知道，一個(gè)輻射強(qiáng)度為1W·sr-1的點(diǎn)光源，總輻射通量等于4π瓦。

輻射出射度與輻射照度表達(dá)式和單位相同。區(qū)別：前者描述面輻射源向外發(fā)射的輻射特性，后者描述輻射接收面所接受的輻射特性。

7.單色輻射度量(光譜輻射度量）

對(duì)于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過(guò)均定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)的輻射度量。并且對(duì)所有輻射量X來(lái)說(shuō)單色輻射度量與輻射度量之間均滿足表1單色光輻射的名稱、符號(hào)及單位度量名稱符號(hào)定義式單位名稱單位符號(hào)單色輻射通量PλdP/dλ瓦特/微米W/μm單色輻射出射度MλdM/dλ瓦特/(米2·微米)W/(m2·μm)單色輻射強(qiáng)度IλdI/dλ瓦特/(球面度·微米)W/(sr·μm)單色輻射亮度LλdL/dλ瓦特/(米2·球面度·微米)W/(m2·sr·μm)單色輻射照度EλdE/dλ瓦特/(米2·微米)W/(m2·μm)§1.3光度量基本物理量

由于人眼的視覺(jué)細(xì)胞對(duì)不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反映人的亮暗感覺(jué)。標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者：人眼的平均靈敏度。人眼的感光細(xì)胞：白天錐狀細(xì)胞，靈敏度低，能分辨顏色；夜晚為桿狀細(xì)胞，靈敏度高，不能分辨顏色。試驗(yàn)表明：光譜光視效率，白天：555nm最大為1，V(λ)=1;夜晚：507nm處最大，V′(λ)=1。.光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)物理量Q，P，I，M，L，E相對(duì)應(yīng)的Qv，Pv，Iv，Mv，Lv，Ev來(lái)表示，其定義完全一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表2所示。光度量的單位是國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)規(guī)定的。在光度單位體系中，被選作基本單位的不是相應(yīng)的光量或光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其單位是坎德拉(Candela:簡(jiǎn)化為cd)，為SI七個(gè)基本量單位之一（長(zhǎng)度，質(zhì)量，時(shí)間，電流，物質(zhì)量，溫度，發(fā)光強(qiáng)度）?？驳吕?cd)不僅是光度體系的基本單位，而且也是國(guó)際單位制(SI)的七個(gè)基本單位之一。它的定義是“一個(gè)光源發(fā)出頻率為540×1012Hz（對(duì)應(yīng)在空氣中555nm波長(zhǎng)）的單色輻射，若在一給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr，則該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd”。光度量的表達(dá)光度量只在可見(jiàn)光區(qū)（３８０－７８０nm)才有意義；輻射度量和光度量都是波長(zhǎng)的函數(shù)；光通量為例：Km為視覺(jué)最大光譜光視效能，即輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，V(λ)為光譜光視效率，隨波長(zhǎng)而變化，具體參見(jiàn)課本P4表1-1.其它參量表示方法類似?？驳吕?cd)不僅是光度體系的基本單位，而且也是國(guó)際單位制(SI)的七個(gè)基本單位之一。它的定義是“一個(gè)光源發(fā)出頻率為540×1012Hz（對(duì)應(yīng)在空氣中555nm波長(zhǎng)）的單色輻射，若在一給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr，則該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd”。表2常用輻度量和光度量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系輻射度物理量對(duì)應(yīng)的光度量物理量名稱符號(hào)定義式單位物理量名稱符號(hào)定義式單位輻射能QeJ光量QvQv=∫Pvdtlm·s輻射通量PeP=dQ/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm輻射出射度MeM=dΦ/dSW/m2光出射度MvMv=dPv/dSlm/m2輻射強(qiáng)度IeI=dΦ/dΩW/sr發(fā)光強(qiáng)度Iv基本量cd輻射亮度LeL=dI/(dScosθ)W/m2·sr(光)亮度LvLv=dIv/(dScosθ)cd/m2輻射照度EeE=dΦ/dAW/m2(光)照度EvMv=dPv/dAlx輻射量和光度量總結(jié)一種為物理能的概念，一種為人眼的視覺(jué)概念；光譜度量：考慮光譜的分布情況進(jìn)行定義區(qū)分光照度和光亮度，以及輻射照度和輻射亮度；光照度對(duì)于點(diǎn)光源滿足距離