第1章第一节辐射度与光度学

第1章光辐射探测的理论基础

第一节辐射度与光度学基础知识第二节半导体的基础知识和光电探测器为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。在辐射度单位体系中，辐通量(又称为辐射功率)或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特(W)或者焦耳（J）。辐射度单位适用于整个电磁波段。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应。第一节辐射度与光度学基础知识§1.1光的本质牛顿（1642-1727）：粒子学说，解释了光的反射和折射，17、18世纪占上风；光压和光动量；惠更斯（1629-1695）：波动学说，解释了光的干涉和衍射，支持者：杨氏和费涅耳；1860年麦克斯韦方程组对光是电磁波的总结1900年：普朗克提出了黑体辐射的量子论，辐射能量是不连续的1905年：爱因斯坦提出了光量子的概念目前结论：光具有波粒二相性，传播时呈现波动性，与物体相互作用时呈现粒子性。关于光的本质研究还在继续。§1.2辐射度基本物理量

1.

辐射能Qe

辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波(主要指紫外、可见光和红外辐射)能量。辐射能一般用符号Q表示，其单位是焦耳(J)。

2.

辐射通量

辐射通量又称为辐射功率P，定义为单位时间内流过的辐射能，即

辐射通量的单位是瓦特(W/s)或焦耳/秒(J/s)

3.辐射出射度

辐射出射度M是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间（2）发射的辐射通量，即单位是W/m2。

4.辐射强度

辐射强度I定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用I表示，即辐射强度的单位是瓦特·球面度-1(W·sr-1)由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是P，则该点辐射体在各个方向的辐射强度I是常量，有5.辐射亮度辐射亮度L定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射强度除以有效面积。式中θ是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。辐射亮度的单位是瓦特/球面度·米2(W/sr·m2)。θdP6.辐射照度

在辐射接收面上的辐射照度E定义为照射在面元上的辐射通量dP与该面元的面积dA之比。即

单位是W/m2。

由辐射通量和辐射强度之间的关系式我们知道，一个辐射强度为1W·sr-1的点光源，总辐射通量等于4π瓦。

辐射出射度与辐射照度表达式和单位相同。区别：前者描述面辐射源向外发射的辐射特性，后者描述辐射接收面所接受的辐射特性。

7.单色辐射度量(光谱辐射度量）

对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量。并且对所有辐射量X来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足表1单色光辐射的名称、符号及单位度量名称符号定义式单位名称单位符号单色辐射通量PλdP/dλ瓦特/微米W/μm单色辐射出射度MλdM/dλ瓦特/(米2·微米)W/(m2·μm)单色辐射强度IλdI/dλ瓦特/(球面度·微米)W/(sr·μm)单色辐射亮度LλdL/dλ瓦特/(米2·球面度·微米)W/(m2·sr·μm)单色辐射照度EλdE/dλ瓦特/(米2·微米)W/(m2·μm)§1.3光度量基本物理量

由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反映人的亮暗感觉。标准光度观察者：人眼的平均灵敏度。人眼的感光细胞：白天锥状细胞，灵敏度低，能分辨颜色；夜晚为杆状细胞，灵敏度高，不能分辨颜色。试验表明：光谱光视效率，白天：555nm最大为1，V(λ)=1;夜晚：507nm处最大，V′(λ)=1。.光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学物理量Q，P，I，M，L，E相对应的Qv，Pv，Iv，Mv，Lv，Ev来表示，其定义完全一一对应，其关系如表2所示。光度量的单位是国际计量委员会(CIPM)规定的。在光度单位体系中，被选作基本单位的不是相应的光量或光通量而是发光强度，其单位是坎德拉(Candela:简化为cd)，为SI七个基本量单位之一（长度，质量，时间，电流，物质量，温度，发光强度）。坎德拉(cd)不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制(SI)的七个基本单位之一。它的定义是“一个光源发出频率为540×1012Hz（对应在空气中555nm波长）的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度为1/683W/sr，则该光源在该方向上的发光强度为1cd”。光度量的表达光度量只在可见光区（３８０－７８０nm)才有意义；辐射度量和光度量都是波长的函数；光通量为例：Km为视觉最大光谱光视效能，即辐射度量与光度量之间的比例系数，V(λ)为光谱光视效率，随波长而变化，具体参见课本P4表1-1.其它参量表示方法类似。坎德拉(cd)不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制(SI)的七个基本单位之一。它的定义是“一个光源发出频率为540×1012Hz（对应在空气中555nm波长）的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度为1/683W/sr，则该光源在该方向上的发光强度为1cd”。表2常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义式单位物理量名称符号定义式单位辐射能QeJ光量QvQv=∫Pvdtlm·s辐射通量PeP=dQ/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm辐射出射度MeM=dΦ/dSW/m2光出射度MvMv=dPv/dSlm/m2辐射强度IeI=dΦ/dΩW/sr发光强度Iv基本量cd辐射亮度LeL=dI/(dScosθ)W/m2·sr(光)亮度LvLv=dIv/(dScosθ)cd/m2辐射照度EeE=dΦ/dAW/m2(光)照度EvMv=dPv/dAlx辐射量和光度量总结一种为物理能的概念，一种为人眼的视觉概念；光谱度量：考虑光谱的分布情况进行定义区分光照度和光亮度，以及辐射照度和辐射亮度；光照度对于点光源满足距离