第二章光麵射与光源 任何一种光电系统或光电子器件的使用和评 价都离不开特定的光辐射源[产生光辐射的物体, 即光源]与光辐射探测器,所以光辐射理论和光电 转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述 参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、 时间及空间稳定性,等等。本章将简要介绍光辐 射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比 较典型的光辐射源,以及光源调制技术;光辐射 探测的原理及相应器件的内容安排在第四章 2021/2/2 1
2021/2/2 1 第二章 光辐射与光源 任何一种光电系统或光电子器件的使用和评 价都离不开特定的光辐射源[产生光辐射的物体， 即光源]与光辐射探测器，所以光辐射理论和光电 转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述 参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、 时间及空间稳定性，等等。本章将简要介绍光辐 射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比 较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射 探测的原理及相应器件的内容安排在第四章
§2.1电磁波与光辐射 105 21.1电磁波的性质与电 极远 4×104 声频电磁振荡 磁波谱 3×1 103 麦克斯维证明光是电磁波的 无线电波 一种表现形式 151中 0° 红 622 毫米波 电磁波包括的范围很广,从 597 黄 102 577 可 红外光 无线电波到光波,从X射线 绿见 到γ射线,都属于电磁波的 光 紫外光 10 455 」范畴,波长覆盖很宽。光辐 X射线 10 射仅占电波谱的一极小波段 300 y射线 200一 极 字宙射线 图211电磁辐射波谱 2021/2/2
2021/2/2 2 §2.1 电磁波与光辐射 2.1.1 电磁波的性质与电 磁波谱 麦克斯维证明光是电磁波的 一种表现形式。 电磁波包括的范围很广，从 无线电波到光波，从X射线 到 射线，都属于电磁波的 范畴，波长覆盖很宽。光辐 射仅占电波谱的一极小波段
2.12光辐射 按辐射波长及人眼的生理视觉效应,光辐射被分成三个 波段:紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段 波长用nm作单位、在红外波段波长用μm作单位 单位长度内,波动重复的次数(一个波动拥有同样相位的次 数),称为波数。在光谱学中,波数即波长的倒数,量纲是[长 度]-1,单位惯常采用cm-1。 可见光可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分 390~770nm范围的范围内; 紫外辐射紫外辐射比紫光的波长更短,人眼不可感知,波长 范围是10~400nm。 红外辐射是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射,波 长范围为077~1000m。 2021/2/2
2021/2/2 3 2.1.2 光辐射 按辐射波长及人眼的生理视觉效应，光辐射被分成三个 波段：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段 波长用nm作单位、在红外波段波长用m作单位。 单位长度内，波动重复的次数（一个波动拥有同样相位的次 数），称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是[长 度]-1，单位惯常采用cm-1。 可 见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。 390~770 nm范围的范围内； 紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长 范围是10~400 nm。 红外辐射 是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射，波 长范围为0.77~1000 m
§2.2光辐射的度量 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 在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系 (物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量,脚 标“V表示光度物理量)。后者是考虑到人眼的 主观因素后的相应计量学科,其适用性局限于可 见光波段;前者则是对电磁辐射能量的客观计量, 适用于整个电磁波段。 2021/2/2
2021/2/2 4 §2.2 光辐射的度量 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 在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系 （物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量，脚 标“v”表示光度物理量）。后者是考虑到人眼的 主观因素后的相应计量学科，其适用性局限于可 见光波段；前者则是对电磁辐射能量的客观计量， 适用于整个电磁波段
2.2.1辐射量 ()辐射能辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总和;单个光 子的能量取决于波长或频率。辐射能一般用符号Qe表示,其单位 是焦耳(]) (2)辐射通量辐射通量￠又称为辐射功率,定义为单位时间内流过的三 辐射能量,即 (2.2-1) 单位:瓦特(W)或焦耳·秒-1(]s-1)。 2021/2/2
2021/2/2 5 2.2.1 辐射量 ⑴ 辐射能 辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总和；单个光 子的能量取决于波长或频率。辐射能一般用符号Qe表示，其单位 是焦耳（J）。 ⑵ 辐射通量 辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的 辐射能量，即 (2.2-1) 单位：瓦特（W）或焦耳·秒-1（J·s-1）
(3)辐射出射度简称辐出度,从辐射源表面单位面积发射出的辐射通 量,其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的 定义式 、a (2.2-2) d s 单位:瓦特·米-2(W/m2)。 (4)辐射强度辐射强度定义为: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Ie表示,即 、dp (22-3) 单位:瓦特·球面度-1(W·sr-1) 2021/2/2
2021/2/2 6 ⑶ 辐射出射度 简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通 量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的 定义式 (2.2-2) 单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑷ 辐射强度 辐射强度定义为：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Ie表示，即 (2.2-3) 单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）
(5)辐射亮度辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。 如图2.2-1所示。 discos日 daus cos日 (224) 单位:瓦特/球面度·米2(W/srm2)。式中是给定方向和辐射源面 元法线间的夹角。 ds 图2.2-1辐射亮度示意图 d 2 2021/2/2
2021/2/2 7 ⑸ 辐射亮度 辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。 如图2.2-1所示。 (2.2-4) 单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。式中是给定方向和辐射源面 元法线间的夹角。 图2.2-1 辐射亮度示意图
般,辐射体的辐射强度与空间方向有关。当辐射体的辐射强度 在空间方向上的分布满足式(2-5)时,称之为余弦辐射体或朗伯体 e e0 COS 式中e0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。联立式(225)、 (2.2-4),易得余弦辐射体的辐射亮度为 ds (2.2-6) 可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的,与方向角O无关。余弦辐射 体的辐射出射度为 d更 丌 (22-7) ds 2021/2/2
2021/2/2 8 一般，辐射体的辐射强度与空间方向有关。当辐射体的辐射强度 在空间方向上的分布满足式(2-5)时，称之为余弦辐射体或朗伯体 (2.2-5) 式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。联立式(2.2-5)、 (2.2-4)，易得余弦辐射体的辐射亮度为 (2.2-6) 可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射 体的辐射出射度为 (2.2-7)
(6)辐射照度辐照度定义为投射到接收器面元上的辐射通量与该面元 面积dA之比。即 dA (2.28) 单位:瓦特米-2(W/m2)。 ()单色辐射度量 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Xe,λ与辐射度量Xe之间均满足 X x。dA (22-9) 2021/2/2
2021/2/2 9 ⑹ 辐射照度 辐照度定义为投射到接收器面元上的辐射通量与该面元 面积dA之比。即 (2.2-8) 单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑺ 单色辐射度量 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Xe,λ与辐射度量Xe之间均满足 (2.2-9)
2.22光度量 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 域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示,其定义完 全一一对应,其关系如表22-1所示。 辐射度物理量 对应的光度量三 物理量名称符号定义或定义式单位物理量名符号定义或定义式单位 称 辐射能Qd=dhW 光量 O 0.]a. dt IS 辐射通量 光通量 A=L d2 m 辐射出射度M MEdg ds W/m 光出射度M 辐射强度1.,4元02W发光强度 M=do/ds Im/m 辐射亮度L.4=cos 基本量 辐射照度E动44Wm2r(光亮度L L=d dIcos d/m Wm2(光照度E E=d④aA 2021/2/2 10
2021/2/2 10 2.2.2 光度量 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 域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完 全一一对应，其关系如表2.2-1所示。 辐射度物理量 对应的光度量 物理量名称 符号 定义或定义式 单位 物理量名 称 符号 定义或定义式 单位 辐射能 辐射通量 辐射出射度 辐射强度 辐射亮度 辐射照度 Qe e Me I e Le Ee e＝dQe /dt Me=d e dS I e=d e /d Le=dIe /(dScos) Ee=d e /dA J W W/m2 W/sr W/m2·sr W/m2 光量 光通量 光出射度 发光强度 (光)亮度 (光)照度 Qv v Mv I v Lv Ev Qv= v dt v=I v d Mv=dv /dS 基本量 Lv=dIv /(dScos) Ev=dv /dA lm·s lm lm/m2 cd cd/m2 lx