第1章第一節(jié)輻射度與光度學(xué)

第1章光輻射探測的理論基礎(chǔ)

第一節(jié)輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)知識第二節(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識和光電探測器為了對光輻射進(jìn)行定量描述，需要引入計量光輻射的物理量。而對于光輻射的探測和計量，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電磁波段。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，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，但所用的物理符號一一對應(yīng)。第一節(jié)輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)知識§1.1光的本質(zhì)牛頓（1642-1727）：粒子學(xué)說，解釋了光的反射和折射，17、18世紀(jì)占上風(fēng)；光壓和光動量；惠更斯（1629-1695）：波動學(xué)說，解釋了光的干涉和衍射，支持者：楊氏和費涅耳；1860年麥克斯韋方程組對光是電磁波的總結(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，傳播時呈現(xiàn)波動性，與物體相互作用時呈現(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、可見光和紅外輻射)能量。輻射能一般用符號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，定義為單位時間內(nèi)流過的輻射能，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，如果一個置于各向同性、均勻介質(zhì)中的點輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是P，則該點輻射體在各個方向的輻射強(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，一個輻射強(qiáng)度為1W·sr-1的點光源，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）

對于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過均定義為單位波長間隔內(nèi)對應(yīng)的輻射度量。并且對所有輻射量X來說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、符號及單位度量名稱符號定義式單位名稱單位符號單色輻射通量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

由于人眼的視覺細(xì)胞對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。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亮暗特性的光輻射計量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)物理量Q，P，I，M，L，E相對應(yīng)的Qv，Pv，Iv，Mv，Lv，Ev來表示，其定義完全一一對應(yīng)，其關(guān)系如表2所示。光度量的單位是國際計量委員會(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:簡化為cd)，為SI七個基本量單位之一（長度，質(zhì)量，時間，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，而且也是國際單位制(SI)的七個基本單位之一。它的定義是“一個光源發(fā)出頻率為540×1012Hz（對應(yīng)在空氣中555nm波長）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)；光通量為例：Km為視覺最大光譜光視效能，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，隨波長而變化，具體參見課本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，而且也是國際單位制(SI)的七個基本單位之一。它的定義是“一個光源發(fā)出頻率為540×1012Hz（對應(yīng)在空氣中555nm波長）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應(yīng)關(guān)系輻射度物理量對應(yīng)的光度量物理量名稱符號定義式單位物理量名稱符號定義式單位輻射能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；光照度對于點光源滿足距離