光電技術(shù) 第5版 課件 第1章1.1節(jié) 光輻射的度量

光電技術(shù)第4版課件天津大學(xué)第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)光電技術(shù)的理論基礎(chǔ)建立在光的波粒二象性之上，光以電磁波方式傳播的粒子。光的粒子性

光的量子性成功地解釋光與物質(zhì)作用引起的光電效應(yīng)，光電效應(yīng)充分證明了光的量子性。

光輻射是電磁波譜的一小部分，波長(zhǎng)從幾納米到幾毫米，可見(jiàn)光只為一小部分，在0.38～0.78μm范圍。光電傳感器的光譜響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人眼，從X光到紅外輻射甚至于遠(yuǎn)紅外、毫米波都有相應(yīng)的傳感器，能借助于各種光電傳感器件對(duì)整個(gè)電磁波譜范圍內(nèi)進(jìn)行光電信息變換。為更好學(xué)習(xí)與掌握光電技術(shù)，必須充分認(rèn)識(shí)和理解輻射度與光度的度量問(wèn)題。輻度量與光度量的基本概念與差異幅度量——物理（客觀）的計(jì)量輻射的度量系統(tǒng)。光度量——以人眼所能見(jiàn)到，引起大腦刺激效應(yīng)定義的主觀量。是統(tǒng)計(jì)的，人為規(guī)定的，國(guó)際照明委員會(huì)統(tǒng)計(jì)人類(lèi)各種眼睛對(duì)可見(jiàn)光刺激程度而規(guī)定的度量系統(tǒng)。在計(jì)量方法上它們有相同之處，為此，常用相同的符號(hào)表示。常用下腳標(biāo)

“e”和“v”加以區(qū)別。1.1光輻射的度量1.1.1與光源有關(guān)的輻度參數(shù)與光度參數(shù)光源在輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射連續(xù)光譜或單色光譜能量的參數(shù)。

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）。2.輻通量和光通量

輻通量或輻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、傳播或接收的輻能稱(chēng)為輻通量，以符號(hào)Φe表示，其計(jì)量單位為瓦（W），即1.輻能和光能（1.1-1）3.輻出度和光出度輻通量對(duì)時(shí)間的積分稱(chēng)為輻能，光通量對(duì)時(shí)間的積分稱(chēng)為光能。（1.1-3）

對(duì)有限大小面積A的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻出度Me，即

Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]?？梢?jiàn)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)光譜光能與時(shí)間間隔dt之比被定義為光通量Φv，即（1.1-5）

光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱(chēng)為光出度Mv，即4.輻強(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強(qiáng)度Ie，即計(jì)量單位為瓦每球面度（W／sr）。對(duì)可見(jiàn)光，有類(lèi)似的定義為發(fā)光強(qiáng)度（1.1-7）（1.1-10）（1.1-13）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1cd。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

IV=4πIＶ＝12.566lm5.輻亮度和亮度光源表面某一點(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，即為所給方向與面元法線之間的夾角。

（1.1-15）

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）。

若Le，Lv與光源發(fā)射輻射的方向無(wú)關(guān)的光源稱(chēng)為余弦輻射體或朗伯輻射體。

黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。

粗糙表面的輻射體或反射體及太陽(yáng)等是一個(gè)近似的余弦輻射體。6.輻效率與發(fā)光效率光源所發(fā)射的總輻射通量Φe，與外界提供給光源的功率P之比稱(chēng)為光源的輻效率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。即輻效率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)的輻效率為Φeλ稱(chēng)為光源輻射通量的光譜密集度，也稱(chēng)為光譜輻射通量。1.1.2與接收器有關(guān)的輻度參數(shù)與光度參數(shù)從接收器的角度討論輻射度與光度的參數(shù)，稱(chēng)為與接收器有關(guān)的輻度參數(shù)與光度參數(shù)。接收器可以是探測(cè)器，也可以是反射輻射的反射器，或兩者兼有的器件。1.輻照度與照度將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，稱(chēng)為輻照度ee，即ee的計(jì)量單位是瓦每平方米（W／m2）。（1.1-22）注意區(qū)別輻照度Ee與輻出度Me。兩者計(jì)量單位相同，定義不同。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。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)（下標(biāo)r代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度Ee(λ)的關(guān)系為ρe(λ)為輻射度光譜反射比，是波長(zhǎng)的函數(shù)。積分，得到反射體的輻出度對(duì)可見(jiàn)光，用照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA，其值稱(chēng)為光照度ev，即對(duì)接收光的反射體同樣有或ρv（λ）為光度光譜反射比，是波長(zhǎng)的函數(shù)。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

與之對(duì)應(yīng)的光度量是曝光量Hv，定義為Hv的計(jì)量單位是勒秒（lx.s）。上述輻度與光度計(jì)量量可以用如下圖表給予總結(jié)輻

射

度

參

量光度

參

量名

稱(chēng)符號(hào)定

義單

位名

稱(chēng)符號(hào)定

義單

位輻能Qe

J[焦（耳）]光

量Qv

lm·s[流(明)秒]輻通量

輻功率ΦeW[瓦（特）]光通量(光功率)Φvlm[流(明)]輻出度MeW/m2[瓦（特）每平方米]光出射度Mvlm/m2[流(明)每平方米]輻強(qiáng)度IeW/sr[瓦（特）每球面度]發(fā)光強(qiáng)度IvCd[坎德拉]輻亮度LeW/（sr·m2）[瓦（