現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)第一章

現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)禹忠參考書目《光電檢測(cè)技術(shù)》曾光宇等編著清華大學(xué)出版社《光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用》郭培源付揚(yáng)編著北京航空航天大學(xué)出版社《激光光電檢測(cè)》呂海寶等編著國(guó)防科技大學(xué)出版社《光電檢測(cè)技術(shù)》雷玉堂等編著中國(guó)計(jì)量出版社Genesis1:1-5,TheBible(TheAuthorizedVersion)

InthebeginningGodcreatedtheheavenandtheearth.Andtheearthwaswithoutform,andvoid;anddarknesswasuponthefaceofthedeep.AndtheSpiritofGodmoveduponthefaceofthewaters.AndGodsaid,Lettherebelight:andtherewaslight.AndGodsawthelight,thatitwasgood:andGoddividedthelightfromthedarkness.AndGodcalledthelightDay,andthedarknesshecalledNight.Andtheeveningandthemorningwerethefirstday.創(chuàng)世紀(jì)1:1-5（和合本翻譯）

起初神創(chuàng)造天地。地是空虛混沌，淵面黑暗；神的靈運(yùn)行在水面上。神說(shuō)：“要有光”，就有了光。神看光是好的，就把光暗分開了。神稱光為晝，稱暗為夜。有晚上，有早晨，這是頭一日。2023/2/2光是如何產(chǎn)生的？1?=10–10

米=0.1納米光子給予電子具有了排斥這種引力的能量

從廣義上來(lái)講，光指的是光輻射，按波長(zhǎng)可分為X射線、紫外輻射、可見光和紅外輻射等。

而從狹義上講，人們所說(shuō)的“光”指的就是可見光，即對(duì)人眼產(chǎn)生目視刺激而形成“光亮”感的電磁輻射。光的電磁波譜

電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無(wú)線電波（

～Hz）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0.38～0.78μm的光才能引起人眼的視覺(jué)感，故稱這部分光為可見光。

光同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)，即波粒二象性。光電磁波理論量子理論光學(xué)與現(xiàn)代科技光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科，是物理學(xué)中一個(gè)重要的分支。通過(guò)分析100多年來(lái)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)我們發(fā)現(xiàn)：與光學(xué)直接或間接相關(guān)的獲獎(jiǎng)成果有40多項(xiàng)。這些獲獎(jiǎng)的光學(xué)研究工作對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展起到了非常重要的作用。特別值得一提的是無(wú)論是相對(duì)論還是量子力學(xué)的建立，都與光學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。例如：相對(duì)論的基本假定之一就是光速不變?cè)恚欢孔恿W(xué)的建立則是從對(duì)黑體輻射（普朗克）、氫原子的光譜結(jié)構(gòu)（玻爾）以及光電效應(yīng)（愛(ài)因斯坦）的討論開始的。光電子技術(shù)光學(xué)Optics

（古希臘）以幾何光學(xué)和物理光學(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)、經(jīng)緯儀、光譜儀）。以電磁輻射為研究對(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）。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)。光電子學(xué)Opto-electronics(1955)

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)。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。什么是光電檢測(cè)？光信號(hào)接收、處理、變換電信號(hào)光電系統(tǒng)框圖光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如光電檢測(cè)器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光學(xué)變換：通過(guò)各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來(lái)實(shí)現(xiàn)，作用是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。第一階段：傳統(tǒng)的光學(xué)裝置及儀器，不能勝任對(duì)復(fù)雜光信息高速采集和處理的要求。第二階段：半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，可以將探測(cè)器件及電路集成在一個(gè)整體中，也可以將具有多個(gè)檢測(cè)功能的探測(cè)器件集成在一個(gè)整體中。其價(jià)格低，體積小。例如，將圖形、物體等具有二維分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的檢測(cè)器件是把基本的光電探測(cè)器件組成許多網(wǎng)狀陣列結(jié)構(gòu)，引人注目的器件CCD就是一種將陣列化的光電探測(cè)與掃描功能一體化的固態(tài)圖像檢測(cè)器件。它是把一維或二維的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成時(shí)序電信號(hào)的器件，能廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制，尤其是圖像識(shí)別技術(shù)。像自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（AFIS)。光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展第三階段：光導(dǎo)纖維傳感器的出現(xiàn)，為光電檢測(cè)技術(shù)的小型化等開辟了廣闊的前景。光纖檢測(cè)可以解決傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)難以解決或無(wú)法解決的許多問(wèn)題。例如，在噪聲、干擾、污染嚴(yán)重的工業(yè)過(guò)程檢測(cè)，或者在海洋、反應(yīng)堆中，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備或智能機(jī)器人，必然會(huì)受到高壓、高溫、輻射等極端困難的條件，光纖檢測(cè)技術(shù)具有其獨(dú)特的智能化的優(yōu)越性。由于光信息傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)點(diǎn)，光纖檢測(cè)智能化將比其他檢測(cè)技術(shù)更具有吸引力。展望：隨著微處理技術(shù)的發(fā)展以及光電檢測(cè)技術(shù)與它的緊密結(jié)合，光電檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越智能化。例如:機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)。一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位….現(xiàn)代工程裝備中，檢測(cè)環(huán)節(jié)的成本約占50-70%光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用二、檢測(cè)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用

家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦---紅外測(cè)距傳感器數(shù)字體溫計(jì)：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)---光敏電阻電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換---駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測(cè)---光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對(duì)講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測(cè)---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：早期腫瘤檢測(cè)---正電子掃描（PET）三、檢測(cè)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用美軍研制的未來(lái)單兵作戰(zhàn)武器夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)。美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃---NMD四、檢測(cè)技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng):探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；攔截器：能識(shí)別真假?gòu)楊^，敵友方“阿波羅10”：火箭部分---2077個(gè)傳感器飛船部分---1218個(gè)傳感器檢測(cè)參數(shù)---加速度、溫度、壓力、振動(dòng)、流量、應(yīng)變、聲學(xué)神州飛船：185臺(tái)（套）儀器裝置五、檢測(cè)技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用通過(guò)上面的學(xué)習(xí)我們可以看出，光電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是:通過(guò)光電檢測(cè)——所有被研究的信息都將通過(guò)各種效應(yīng)（機(jī)、熱、聲、電、磁）調(diào)制到光載波上，然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)電子線路和計(jì)算機(jī)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)光學(xué)儀器的自動(dòng)化。因此，光電檢測(cè)作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義。所謂光電檢測(cè)，指的是對(duì)光信號(hào)的調(diào)制變換和接收解調(diào)兩個(gè)主要方面。高精度：從地球到月球激光測(cè)距的精度達(dá)到1米。高速度：光速是最快的。遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測(cè)和遙感。無(wú)電磁干擾：光波不受電磁波干擾。非接觸式檢測(cè)：不改變被測(cè)物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測(cè)量。壽命長(zhǎng)：光電檢測(cè)中通常無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測(cè)量裝置壽命長(zhǎng)，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對(duì)被測(cè)物無(wú)形狀和大小要求。數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)本專題學(xué)習(xí)要求：1.了解輻射度學(xué)和光度學(xué)的基本參量2.掌握各輻射度參量，以及各光度學(xué)參量之間的關(guān)系輻射度學(xué)輻射度學(xué)（Radiometry），它的產(chǎn)生是為了對(duì)光輻射場(chǎng)和通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的能量流進(jìn)行定量描述，它是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量，適用于整個(gè)電磁波段。輻射度學(xué)的特點(diǎn)1.輻射度學(xué)應(yīng)用輻射度單位體系中，輻通量（又稱輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射體有關(guān)的量，其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。2.輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。輻射度的相關(guān)物理量量的名稱符號(hào)定義式單位單位符號(hào)輻射能焦耳J輻射能密度焦耳/J/輻射通量瓦W輻射出射度瓦/W/輻射強(qiáng)度瓦/球面度W/sr輻射亮度瓦/*球面度W/*sr輻照度瓦/W/輻射能輻射場(chǎng)含有的總能量或者說(shuō)以輻射形式發(fā)射、傳播到接收器的總能量稱為輻(射)能(Radiantenergy)，用符號(hào)表示，其計(jì)單位為焦耳(J)輻射能密度

單位體積內(nèi)的輻射能稱為輻射能密度。它表征輻射能量的空間特性，可以用它的體密度來(lái)表示，其定義式為：式中

為單位體元dV的輻射場(chǎng)的輻射能，輻射能密度單位是焦耳/米3（J/m3）。輻射通量

輻射通量(Radiantflux)，又稱輻射功率是指在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻射能，即輻射能的時(shí)間變化率，其表示式為：式中，dQe是在dt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移的能量。輻射通量的單位為瓦（1W=1J/s）。輻射強(qiáng)度

從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，在單位時(shí)間內(nèi)，單位立體角（錐面所圍成的空間區(qū)域稱為立體角。它的數(shù)學(xué)定義為以球心為頂點(diǎn)的錐面在球的表面切割出的面積與球半徑的平方比值。由此可得，一個(gè)錐體的頂端在球心，底在球面上，底面積等于球半徑的平方，這錐體所包的立體角就稱為單位立體角）所輻射出的能量稱為輻射強(qiáng)度（Radiantintensity），其表達(dá)式為：式中dΦe為輻射源在dω立體角（Solidangle）所輻射出來(lái)的輻射功率。輻射強(qiáng)度的單位是瓦(特)每球面度（W/sr）。立體角：數(shù)學(xué)定義輻射出射度

輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量或功率稱為輻射出射度（Radiantexitance）或稱為輻射發(fā)射度，計(jì)量單位是瓦/米2（W/m2），其表達(dá)式為：式中dΦe為輻射源在各方向上（通常為半空間立體角

）所發(fā)出的總的輻射通量。引入輻射出射度概念，是為了描述面輻射源表面上各微面源所發(fā)出的輻射通量差異。輻照度

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，稱為輻照度(Radiantirradiance)，其表達(dá)式為：輻照度的單位為瓦/米2（W/m2）。

請(qǐng)注意，輻射出射度與輻照度的表達(dá)式和單位完全相同，其區(qū)別在于輻射出射度描述的是面輻射源的向外發(fā)射的輻射特性，而后者描述的是輻射接收面所接收的輻射特性。輻照度

平面角度大小的定義（弧長(zhǎng)除以半徑）推廣到三維空間中，定義“立體角”為：球面面積與半徑平方的比值輻射亮度

輻射亮度(Radiance)Le是單位投影面積、單位立體角上的輻出度。即在與輻射表面dA的法線成θ角的方向上，輻射亮度等于該方向上的輻射強(qiáng)度dIe與輻射表面在該方向垂直表面上的投影面積之比，其表達(dá)式為：式中dA為光源的表面元；θ為光源表面的法線與給定方向的夾角。

輻射亮度的單位為瓦/米2×球面度（W/(m2×sr)）。通常Le的數(shù)值與輻射源的性質(zhì)有關(guān)，并隨給定方向而變。若Le不隨方向而變，則Ie正比于cosθ,即：式中I0是面元dA沿其法線方向的輻射強(qiáng)度。滿足上式的特殊光源稱為余弦輻射體，也稱均勻漫反射體或朗伯體。光譜輻射分布任何輻射源發(fā)射的輻射能或輻通量均有一定的光譜分布特性,也就說(shuō)在不同的波長(zhǎng)上基本輻射量的值是不同的。前面介紹的幾個(gè)基本輻射量，都有相應(yīng)的光譜輻射量。光譜輻射量又稱為輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長(zhǎng)的變化率。

定義

為輻射場(chǎng)在波長(zhǎng)處的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻通量，其計(jì)量單位為瓦每微米或瓦每納米，由此則可以得到所有波長(zhǎng)的總輻射通量為:其他的輻射參數(shù)，如輻射出度、輻射強(qiáng)度、輻射亮度等，可以類似地定義光譜輻射量，即:式中，通用符號(hào)Xe(λ)是波長(zhǎng)的函數(shù)，代表輻射場(chǎng)在波長(zhǎng)處的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的光譜輻射量，如光譜輻射出度Me(λ)、光譜輻射強(qiáng)度Ie(λ)、光譜輻射亮度Le(λ)等。注意：

這里必須指出，傳統(tǒng)的輻射度學(xué)理論能否成立是基于幾個(gè)假設(shè)：其一，輻射能是不相干的，因而不必考慮干涉效應(yīng)。其次，輻射度學(xué)的概念建立在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上。即輻射能在傳播過(guò)程中，其空間分布不會(huì)偏離開一條由幾何射線所確定的路線。最后，假設(shè)光場(chǎng)的能量流在透明介質(zhì)（非吸收介質(zhì)）時(shí)候，遵守能量守恒定律。習(xí)題一：

1.如果置于各向同性均勻介質(zhì)的點(diǎn)輻射源輻射強(qiáng)度為Ie,試計(jì)算其在整個(gè)空間所有方向上發(fā)射的輻射能通量.如果是各向異性的點(diǎn)輻射源呢？解答根據(jù)輻射強(qiáng)度定義，在所有方向上輻射強(qiáng)度都相同的點(diǎn)輻射源在有限立體角ω內(nèi)發(fā)射的輻射通量為：在空間所有方向上發(fā)射的輻射能通量為：對(duì)于各向異性輻射源Ie=Ie(φ,θ),對(duì)于φ與θ的定義如圖，這樣，點(diǎn)輻射源在整個(gè)空間發(fā)射的輻射通量為：2.黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度與方向有關(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。證明余弦輻射體的輻射出射度M與輻射亮度L，滿足M=πL2.黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度與方向有關(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。證明余弦輻射體的輻射出射度M與輻射亮度L，滿足M=πL解：余弦輻射體表面某面元dA處向半球面空間發(fā)射的通量為：對(duì)上式在半球面空間內(nèi)積分：由上式得到余弦輻射體的M與L關(guān)系為：M=πL

光度學(xué)光度學(xué)（Photometry）是研究可見光輻射強(qiáng)弱的學(xué)科，可見光度學(xué)實(shí)質(zhì)上是輻射度學(xué)的一部分。光度學(xué)適用于波長(zhǎng)在0.38μm~0.78μm范圍內(nèi)的電磁輻射－可見光波段，它使用的參量稱為光度學(xué)量。以人的視覺(jué)習(xí)慣為基礎(chǔ)建立。光度學(xué)量描述光輻射能為人眼接受所引起的視覺(jué)刺激大小的強(qiáng)度，是生理量。光度學(xué)就是根據(jù)人類視覺(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)。光度——對(duì)光的量度1729年布給為比較天體亮度發(fā)明了目視光度計(jì)，這標(biāo)志著光度學(xué)的誕生。1760年Lamber創(chuàng)立了光度學(xué)的基本體系，成為光度學(xué)的重要奠基人。1881年國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)燭光為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1909年美、法、英等國(guó)決定用一組碳絲白熾燈來(lái)保持發(fā)光強(qiáng)度單位,取名為“國(guó)際燭光”,符號(hào)為“ic”。1937年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)決定用鉑點(diǎn)黑體作為光度原始標(biāo)準(zhǔn)（即光度基準(zhǔn)），并規(guī)定其亮度為60熙提(1熙提＝1燭光／厘米)。由此導(dǎo)出的發(fā)光強(qiáng)度單位叫坎德拉,符號(hào)為“cd”,從1948年1月1日起實(shí)行。至此，全世界才有了統(tǒng)一的光度標(biāo)準(zhǔn)。人眼結(jié)構(gòu)人眼感光細(xì)胞

人眼的視覺(jué)細(xì)胞分為兩種，它們分別是錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞。椎體細(xì)胞負(fù)責(zé)感受色彩，它分為視紅椎體細(xì)胞、視綠椎體細(xì)胞和視藍(lán)椎體細(xì)胞。桿狀細(xì)胞負(fù)責(zé)感光，它對(duì)光的靈敏度比錐體細(xì)胞強(qiáng)很多。

人對(duì)不同波長(zhǎng)光的感受人的視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)各種不同波長(zhǎng)的光的感光靈敏度是不一樣的，對(duì)綠光最靈敏，對(duì)紅光、藍(lán)光靈敏度要低得多。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對(duì)許多人的觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)光的平均相對(duì)靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率或稱視見函數(shù)曲線V(λ)對(duì)應(yīng)于亮適應(yīng)條件下觀察到的明視覺(jué)的不同波長(zhǎng)下的靈敏度，而V’(λ)則是完全暗適應(yīng)條件下觀察到的暗視覺(jué)的靈敏度曲線。這可以理解為白天和夜間人眼的光譜光視效率是不同的。V(λ)的峰值在555nm處，V’(λ)的峰值在507nm處。

光度學(xué)參量物理量名稱符號(hào)定義式單位光量lms(流明秒)光通量lm（流明）光出射度lm/m2（流明/米2）發(fā)光強(qiáng)度基本量cd坎德拉（流明/球面度）亮度cd/m2(坎德拉/米2)照度lx勒克斯（流明/米2）QvvMvIvLvEvQv=vdtv=IvdωMv=dv/dALv=dIv/(dAcos)Ev=dv/dA光量Qv

光量有時(shí)也稱為光能，是人眼可見的那部分輻射能，是光通量Φ在可見光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分：光量的單位為流明?秒（lm?s）。Qv=vdt光通量v

光通量是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射(傳輸或接收)的光能,即光通量是光能的時(shí)間分辨率。由于光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量所受到的視覺(jué)刺激值,而評(píng)定此刺激值的基礎(chǔ)是光譜光視效率V(λ),即人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光能量產(chǎn)生感覺(jué)的效率。光譜輻射通量為Φe(λ)的可見光輻射，所產(chǎn)生的視覺(jué)刺激量，即光通量為:式中，K(λ)為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)。等號(hào)左邊Φv是光通量，其單位是流明（lm）；等號(hào)右邊的Φe(λ)是輻射通量，單位是瓦（W），所以K(λ)的單位為流明/瓦Φv(λ)=K(λ)Φe(λ)=KmV(λ)Φe(λ)

K(λ)峰值記為Km，對(duì)于明視覺(jué)Km=683lm/W。它表明在波長(zhǎng)555nm處，即人眼光譜光視效率最大（V(λ)=1）處，光輻射產(chǎn)生光感覺(jué)的效能為：1W的輻射能通量產(chǎn)生的光通量為683lm；換句話說(shuō)，此時(shí)1lm相當(dāng)于1/683W。

總光通量與輻通量之間的關(guān)系為：Φv=KmΦe(λ)V(λ)dλ

光出射度

光源表面給定點(diǎn)處單位面積向半球面空間內(nèi)發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的光出射度，計(jì)量單位為單位為流明每平方米（lm/m2），其表達(dá)式為：式中，dΦv為給定點(diǎn)處的面元dA發(fā)出的光通量。MvMv=dv/dA發(fā)光強(qiáng)度Iv

光源在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度：

式中dΦv為光源在給定方向上的立體角元dω內(nèi)發(fā)出的光通量。

發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉（Candela,記作cd）?？驳吕菄?guó)際單位制中7個(gè)基本單位之一。其定義為：坎德拉（cd）是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度。該光源發(fā)出頻率為540×1012赫茲的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度強(qiáng)度為1/683瓦特每球面度。亮度Lv

光源表面一點(diǎn)處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dIv與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度：式中，θ為給定方向與面元法線間的夾角。亮度的法定計(jì)量單位為坎德拉每平方米（cd/m2）。照度Ev

被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量稱為該點(diǎn)的照度：式中，dΦv為給定點(diǎn)處的面元dA上的光通量。照度的法定計(jì)量單位為勒克斯（lx）（lm/m2）。Ev=dv/dA照度和亮度的區(qū)別不要把照度跟亮度的概念混淆起來(lái)。它們是兩個(gè)完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度與光源至被照面的距離的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物體表面是面光源時(shí)的發(fā)光特性。如果光源與觀察者眼睛之間沒(méi)有光吸收現(xiàn)象存在，那么亮度值與二者間距離無(wú)關(guān)。輻射度學(xué)和光度學(xué)區(qū)別：1.適用范圍輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波譜。光度學(xué)適用于可見光波段。2.參量性質(zhì)不同輻射度學(xué)量是客觀物理參量。光度學(xué)量生理量，由人眼感覺(jué)確定。聯(lián)系：1.都是描述光輻射的強(qiáng)弱。2.所用物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)。①

光源的光度和輻射度特性的測(cè)量。用作人工照明的光源，需要測(cè)量其各種光度特性，如總光通量、發(fā)光強(qiáng)度的空間分布、發(fā)光體的亮度等，作為生產(chǎn)廠控制產(chǎn)品質(zhì)量和照明工程設(shè)計(jì)的依據(jù)?，F(xiàn)代光源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)上用作照明的范圍，而越來(lái)越廣泛地用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、醫(yī)療保健、科學(xué)研究、空間技術(shù)等方面；而現(xiàn)代照明也不單純是提供一定數(shù)量的可見光，還要求具有一定的顯色特性，并提供或限制某些紅外和紫外輻射,因而還要求測(cè)量光源的各種輻射度特性,如總的輻射功率、輻射的光譜組成、輻射強(qiáng)度的空間分布、輻射亮度等。根據(jù)光譜組成計(jì)算其色度特性和顯色指數(shù)作為評(píng)價(jià)光源品質(zhì)、適用范圍和實(shí)際應(yīng)用的依據(jù)。對(duì)光照?qǐng)龊洼椪請(qǐng)龅墓庹斩?、輻射照度和光亮度的分布的測(cè)量，也是實(shí)際工作中廣泛應(yīng)用的一個(gè)方面。光度學(xué)和輻射度學(xué)的應(yīng)用可以歸納為三個(gè)方面

②

材料和媒質(zhì)的光度和輻射度特性的測(cè)量在光學(xué)工業(yè)、照明工程、遙感技術(shù)、色度學(xué)和大氣光學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。各種材料、樣板及若干種工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，需要測(cè)定它們?cè)诟鞣N幾何條件下的積分的和光譜的反射比或透射比。在各種條件下大氣對(duì)光學(xué)輻射的傳輸特性的測(cè)量。這些都必須利用光度和輻射度技術(shù)。③

各種光學(xué)輻射探測(cè)器如太陽(yáng)能電池、硅光電二極管、光電管、光電倍增管、熱電偶、熱電堆以及各種光敏和熱敏元件，廣泛用于光學(xué)輻射的探測(cè)、測(cè)量?jī)x器、控制系統(tǒng)和換能裝置等方面。也需要用光度和輻射度技術(shù)測(cè)定它們的積分靈敏度、光譜靈敏度及響應(yīng)的線性等特性，為合理的有效的使用提供依據(jù)。1.2黑體輻射理論熱物體的顏色？冷物體的顏色？比較兩個(gè)50瓦的燈泡和1個(gè)100瓦的燈泡產(chǎn)生的亮度，那個(gè)更亮？太陽(yáng)的溫度推算？本專題學(xué)習(xí)要求：1.了解黑體輻射理論的基本概念。2.掌握簡(jiǎn)單的黑體輻射公式。

我們能夠感覺(jué)到或者看到熱物體發(fā)出的輻射。實(shí)際上任何0K以上溫度的物體都會(huì)發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。最為常見的熱輻射源為白熾燈和太陽(yáng)。

相對(duì)于熱輻射光源而言，光電檢測(cè)系統(tǒng)常用的另一類光源，不是靠加熱保持溫度使輻射維持下去，而是靠外部能量激發(fā)的輻射。這個(gè)過(guò)程稱為發(fā)光，為了區(qū)別于熱輻射，有時(shí)也稱為冷光。最為常見的冷光光源有：LED,LD。熱輻射光源和冷光的區(qū)別

熱輻射發(fā)射的是連續(xù)光譜，且輻射是溫度的函數(shù)，它是輻射源與周圍物體之間熱量傳遞的一種方式。

冷光光譜是非連續(xù)光譜，且不是溫度的函數(shù)。研究熱輻射的意義研究熱輻射的重要性在于：其一，光電檢測(cè)系統(tǒng)中使用的很多光源實(shí)際上是熱輻射源。其次，很多探測(cè)器系統(tǒng)的噪聲來(lái)自于熱效應(yīng)，因此熱輻射理論是理解熱噪聲?；鶢柣舴蚨稍诮o定溫度的熱平衡條件下，任何物體的輻射發(fā)射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng)的比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，只是波長(zhǎng)及溫度的普適函數(shù)，且等于該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻射出射度基爾霍夫定律是符合能量守恒定律的

實(shí)驗(yàn)表明：不同的材料，輻射能力和吸收能力不同。輻射能力強(qiáng)的物體吸收能力也強(qiáng)。普適函數(shù)

在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與吸收比之比應(yīng)相同，是一個(gè)與材料和形狀無(wú)關(guān)，僅與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)的普適函數(shù)。例不同材料、不同溫度的物體A1A2A3

A1A2A3經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間后，達(dá)到熱平衡，溫度相同。A1A2A3黑體輻射的熱動(dòng)力特征黑體：能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長(zhǎng)的輻射，并且在每一個(gè)方向都能最大可能地發(fā)射任意波長(zhǎng)輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。即：對(duì)于黑體：

根據(jù)以上定義，如果一個(gè)物體在任何溫度下都能將照射于其上的任何波長(zhǎng)的輻射能全部吸收，并且不會(huì)有任何的反射與透射，則該物體稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。實(shí)際中是不存在絕對(duì)黑體的，但在一定的情況下某些物體可以視為黑體。例如，用不透明材料制成的一空心容器，壁上開一小孔，可看成黑體。黑體輻射

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，人們總結(jié)出黑體輻射定律來(lái)描述黑體的輻射特性。

黑體輻射定律包括：1.普朗克輻射定律2.斯忒藩-玻爾茲曼定律3.維恩位移定律。黑體輻射圖中每一條曲線都有一個(gè)最大值最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動(dòng)普朗克輻射定律

普朗克于1900年建立了黑體輻射定律的公式。在推導(dǎo)過(guò)程中，普朗克考慮將電磁場(chǎng)的能量按照物質(zhì)中帶電振子的不同振動(dòng)模式分布。得到普朗克公式的前提假設(shè)是這些振子的能量只能取某些基本能量單位的整數(shù)倍，這些基本能量單位只與電磁波的頻率v有關(guān)，并且和頻率v成正比,即E=hv，h為普朗克常數(shù)。普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射度Me,s,λ（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示為：式中，k為波爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；c為真空中的光速。黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,λ分別為：圖1-2繪出了黑體輻射的相對(duì)光譜輻亮度Le,s,λr與波長(zhǎng)的等溫關(guān)系曲線。圖中每一條曲線都有一個(gè)最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動(dòng)。斯忒藩-波爾茲曼定律將上式對(duì)波長(zhǎng)λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度：

式中，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)。由上面的式子可以看出，Me,s與T的四次方成正比。

σ由下面的公式?jīng)Q定：

由于該定律首先由斯忒藩(J.Stefan)和玻爾茲曼(L.Boltzmann)分別獨(dú)立提出，故上面的式子也稱為黑體輻射的斯忒藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）。維恩位移定律

將普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)λ求微分后令其等于0，則可以得到峰值光譜輻射出射度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm與絕對(duì)溫度T的關(guān)系為：

(μm)

可見，峰值光譜輻出度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻射出射度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

將其帶入普朗克公式中，得到黑體的峰值光譜輻出度：W·cm-2·μm-1·K-5

以上三個(gè)定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。1.3半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成為電能是內(nèi)光電效應(yīng)探測(cè)器件的工作基礎(chǔ)。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收過(guò)程，通常用折射率、消光系數(shù)和吸收系數(shù)來(lái)表征。這些參數(shù)和半導(dǎo)體電學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系，可通過(guò)麥克斯韋方程組來(lái)導(dǎo)出。2023/2/2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收當(dāng)角頻率為ω和光通量為?0

的光垂直地照射到半導(dǎo)體表面上的時(shí)候，設(shè)距離表面x處的光通量為?x，則發(fā)現(xiàn)光通量的變化量d?(x)與該點(diǎn)的光通量?(x)成正比，即：d?(x)=?α?(x)dx這里α稱為吸收系數(shù)(absorptioncoefficient）

單位是cm?1。2023/2/2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收利用初始條件x=0的光通量?(0)=?0，解上述微分方程，可以得到：?(x)=?0e?αx現(xiàn)考慮沿x方向傳播的平面電磁波，則其電矢量可以用下列公式表示：E(x)=E0exp[iω(t?x/v)]E0為振幅，v是平面波沿x方向傳播的速度。2023/2/2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收光在半導(dǎo)體中的速度比在真空中的速度小,如果設(shè)半導(dǎo)體的折射率為n’,則根據(jù)v=c/n’,(c為真空中的光速),可以得到：E(x)=E0exp[iωt?inω/c·x]半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率不為0,n’為復(fù)數(shù)，設(shè)n’=n?ik,所以：E(x)=E0exp(?ωkx/c)exp[iω(t?n/c·x)]2023/2/2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收根據(jù)光通量為?(x)與|E(x)|2成正比的關(guān)系?(x)=?0exp[?2ω/c·k(ω)x]V.s.?(x)=?0e?αx得到：α=2ωk/c=4πk/λλ為自由空間中光的波長(zhǎng)，k為消光系數(shù)2023/2/2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收消光系數(shù)k，決定光衰減；光波在半