华中科技大学《光电探测》11辐射度学与光度学

1、光电探测与信号处理光电探测与信号处理 第第1 1章章 光辐射探测的理论基础光辐射探测的理论基础 1.1 辐射度与光度学的基础知识辐射度与光度学的基础知识 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识 1.3 光电探测器概述光电探测器概述 主要介绍光电探测中的一些基本概念，主要介绍光电探测中的一些基本概念， 为为本课程的本课程的后续学习打下基础。后续学习打下基础。 - 光学波段光学波段 - 紫外可见光 10 15 6 1821912 101010101010103 24 X射线 射线 红外 电磁电磁波谱波谱 可见光波段 红外紫外 照明照明 显示显示 与人的眼睛有关！与人的眼睛有关！ 光电探测：本质上

2、说，定量地测量光辐射光电探测：本质上说，定量地测量光辐射信号信号的强度。的强度。 无线无线电波电波微微波波 辐射度学辐射度学与光度学与光度学 在光探测中，定量地描述辐射能强度的量有两类：在光探测中，定量地描述辐射能强度的量有两类： 一类是物理的一类是物理的辐射度学辐射度学量，量， 电磁辐射量能量度来电磁辐射量能量度来描述光辐射描述光辐射，客观物理量；客观物理量； 另一类是生理的另一类是生理的光度学光度学量，量， 是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激 大小的强度大小的强度 即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到即光度量是具有标准人眼视觉特

3、性的人眼所接收到 辐射量的度量。辐射量的度量。 因此，因此，辐射度量辐射度量和和光度量光度量两者在研究方法和概念上非两者在研究方法和概念上非 常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。 立体角的概念立体角的概念 在光辐射测量中，经常用到一个在光辐射测量中，经常用到一个 涉及到空间的几何量涉及到空间的几何量立体角。立体角。 任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的一定空任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的一定空 间内。因此，在进行有关光辐射的讨论和计算时，间内。因此，在进行有关光辐射的讨论和计算时， 也将是一个立体空间问题。也将是一个立体空间问题。 与平面角

4、度相似，把整个空间以某一点为中心划分与平面角度相似，把整个空间以某一点为中心划分 成若干立体角。成若干立体角。 定义定义: 一个任意形状椎面所包含的一个任意形状椎面所包含的空间空间称为称为 立体角。符号：立体角。符号： 或或 单位：单位：Sr （球面度）（球面度） A是半径为是半径为R的球面的一部的球面的一部 分，分， R A O 先以球面为例：先以球面为例： A l其边缘各点对球心其边缘各点对球心O连线所连线所 包围的那部分包围的那部分空间，空间，立体角。立体角。 单位立体角单位立体角： 在以在以O为球心、为球心、R为半径的球上，若立体角为半径的球上，若立体角截出的球面部分的面积截出的球面部

5、分的面积 为为R2，则此球面部分所对应的立体角称为单位立体角，或一球面度。，则此球面部分所对应的立体角称为单位立体角，或一球面度。dS 立体角的数值：立体角的数值： 部分球面面积部分球面面积A与球半径与球半径R平方之比，即平方之比，即 : 2 R A 一般情况：一般情况： 对于一个给定顶点对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积和一个随意方向的微小面积dS ，它们对应的立体角，它们对应的立体角 为为 为为dS 与投影面积与投影面积 dA的夹角的夹角，R为为O 到到dS中心的距离。中心的距离。 2 cos R dS d R dS dA o 特例：特例： 整个球面所对应的立体角：整个球面所对应

6、的立体角： 全球所对应的立体角全球所对应的立体角 (全球所对应的立体角是整个空间，又称为全球所对应的立体角是整个空间，又称为4空间空间.) 同理，半球所对应的立体角为同理，半球所对应的立体角为2空间。空间。 4 4 2 2 R R 一、辐射度学的基本物理量一、辐射度学的基本物理量 1辐射能辐射能Q Q 能量的概念能量的概念 辐射能是一种以辐射能是一种以电磁波电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单的形式发射、传播或接收的能量，单 位为位为J(焦耳焦耳)。 当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热 能、电能等。能、电能等。 dt dQ

7、 2 2辐射通量辐射通量功率的的概念功率的的概念 辐射通量又称辐射功率辐射通量又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率，是辐射能的时间变化率 单位为单位为W(瓦瓦)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能， 3 3辐射强度辐射强度 I I 点辐射源在给定方向上单位点辐射源在给定方向上单位 立体角内的辐射通量立体角内的辐射通量. 单位：单位：Wsr (瓦每球面度瓦每球面度) I = d d 在所有方向上辐射强度在所有方向上辐射强度I都相同的都相同的点点辐射源（均匀辐射源）在有辐射源（均匀辐射源）在有 限立体角限立体角内发射的辐射通量为内发射的辐射通量为: = I

8、在空间所有方向在空间所有方向(4)上发射的辐射通量为：上发射的辐射通量为：=4I x y z 为总的辐射功率为总的辐射功率 4 4辐射出射度辐射出射度M M 辐出度辐出度 扩展辐射源单位面积所辐射的通量 即：M= 单位为W(瓦每平方米) d是扩展源表面dS在各方向上， 通常为半空间即2立体角所 发出的总的辐射通量， ds d dS 辐照度E和辐出度M的比较： 相同：单位相同， 区别：辐照度E是描述辐射接收面（探测器）所接收的 辐射特性 辐出度M则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 5 5辐射照度辐射照度E E 辐照度辐照度 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量， 即： E 单位：Wm2 (瓦

9、每平方米) dA是投射辐射通量d的元面积 d d A A 6 6辐射亮度辐射亮度 L L 辐射亮度定义为扩展源表面一 点处的面元在给定方向上单位 立体角、单位投影面积内发出 的辐射通量： 扩展辐射源扩展辐射源 cos 2 dSd d L 7 7光谱辐射量光谱辐射量 辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成。 为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量 作出相应的定义。 光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。 光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。 光谱辐射通量光谱辐射通量（） 辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐 射通量。辐射通量与波长的关系如图。 其关系式为： 单位

10、：Wm(瓦每微米)， 或Wnm(瓦每纳米)。 辐射源的总辐射通量： 前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐 射量相对应的关系：射量相对应的关系： 光谱辐照度： 光谱辐射出射度： 光谱辐射亮度： 1 5 2 1 ( , ) exp() 1 b C MT C T 例例1 1： 点辐射源的辐射强度为I，求空间任一面元的辐照度E。 已知：I op=l 夹角 求：E 二、光度学的基本物理量二、光度学的基本物理量 人眼的结构 ： 1 1光谱光视效率光谱光视效率 现象：现象：人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。 对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。 由

11、于受视觉生理和心理作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度 也有差异。 国际照明委员会（国际照明委员会（CIE）根据对不同的人的大量观察结果，确定了）根据对不同的人的大量观察结果，确定了 人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者标准光度观察者”光光 谱光视效率，或称之为视见函数谱光视效率，或称之为视见函数。 人眼的光谱光视效率的数值人眼的光谱光视效率的数值 波长（波长（nm）波长（波长（nm） 明视觉明视觉 明视觉明视觉 暗视觉暗视觉 暗视觉暗视觉 暗视觉光谱光视效率暗视觉光谱光视效率 虚线：虚线：亮度小于0.001cd/ 时的暗视觉光谱光

12、视效率， 用V()表示，此时的视觉 主要由人眼视网膜上分布 的杆状细胞刺激所引起的； 最大值：507nm V ( )V() 明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率 实线：实线：亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V() 表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细 胞的刺激所引起的，最大值在555nm处。 2 2光度学的基本物理量光度学的基本物理量 在辐射度量学中介绍的各个基本量、M、I、L和E对整个电磁波谱都 适用； 而在光度学中光度量和辐射度量的定义是一一对应的，只是光度量 只在光谱的可见波段(380nm780nm)才有意义。 为避免混淆，在光度量符号上加下标 “ v ”。 光度

13、学中相应量：V、MV、IV、LV和 EV 与辐射度量：、 M、 I、 L和E之间的对应关系由表给出。 辐射度量辐射度量 符号符号 单位单位 光度量光度量符号符号 单位单位 辐射能辐射能 QJ(焦焦)光光 量量 QV lms 辐射通量辐射通量 W（瓦）（瓦）光通量光通量Vlm（流明）（流明） 辐照度辐照度EWm 2 光照度光照度EVlx=lm/m2 辐出度辐出度MWm2光出射度光出射度 MV lm/m2 辐射强度辐射强度 IWsr-1发光强度发光强度 IVcd=lm/sr （坎德拉） 辐射亮度辐射亮度 L Wsr-1m2 光亮度光亮度LV lm/(m2.sr) 辐射度量和光度量的对照表辐射度量和

14、光度量的对照表 由于人眼对相同能量、不同波长的可见光辐射 能所产生的光感觉是不同的， 因而按人眼的视觉特性V()来评价的辐射通量 即为光通量V，这两者的关系为： 式中，Km为最大光谱光视效率， 亦称为光功当量 780 380 )()(dVK mV 例如：光通量例如：光通量V的定义的定义 Km表示人眼对波长为555nmV(555)=1光辐射产生光 感觉的效能。 按国际实用温标IPTS68的理论计算值为 Km683 ( lm/W ) Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行 准确的换算。 由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。 同理，其它光度量与辐射量之间的关系 ： 780 380 )()(

15、dVXKX mV 1.最基本的是最基本的是发光强度发光强度单位：坎德拉单位：坎德拉(Candela) cd； 国际单位制中七个基本单位之一。 定义：频率为5401012Hz(对应在空气中555nm波长) 的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1683W/sr 时，在该方向上的发光强度为1cd。 2.光通量光通量的单位是流明的单位是流明(lm) 1lm它是发光强度为1cd的点光源在单位立体角内1sr 发出的光通量。 3.3.光照度光照度的单位：勒克斯的单位：勒克斯(lx) 1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1面积上所产 生的光照度。 4.4.光光亮度的单位：亮度的单位：lm/(m2.sr) c

16、d/m2 常用：熙提(sb)Sb=lm/(cm2.sr) 常见光源常见光源亮度：亮度： 晴天 ：10000 cd/m2 晴天日落后 ：1 cd/m2 蜡烛火焰：约0.5sb 钨丝灯泡：约500sb 典型照度：典型照度： 办公室工作： 20100 lx 满月的地面： 0.2 lx 晴朗夏日采光良好的室内： 100 500 lx 780 380 )()(dVK mV 左边是光通量，其单位是流明(lm)： 右边的()d是光谱辐射通量，单位是瓦(w/nm）， V()是光视效率，所以等号右边引进一个系数Km，从 而使两边的单位一致。 显然Km的单位为流明瓦(lm/W)称为最大光谱光视 效能 Km683

17、lmW 表示在人眼光谱光视效率最大(555nm)处，1W的辐射 能通量相当的光通量为683lm； 换句话说，此时1lm相当于1683W。 解：取空间任意一点P，OP=x， P点所在球面的面积为：s=4x2 通过s的光通量： =I= 4 (lm) 因为是点光源，均匀辐射， 则P点的光照度： EV= /s= 4 / 4x2=1/x2 当x=1m， EV=1 （lx) 当x=2m， EV=0.25 （lx) 思考题：在思考题：在O点处，有一点光源，发光强度为点处，有一点光源，发光强度为1cd， 求：空间任意一点求：空间任意一点P的光照度的光照度EV=? 思考：若光源为思考：若光源为1W的灯泡，的灯泡，