1、光光 电电 技技 术术 滨州学院滨州学院 物理与电子科学系物理与电子科学系高光珍高光珍第第1 1章章 光电技术基础光电技术基础chvp/ 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。磁波方式传播的粒子。 光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，光子具有动量与能量，并分别表示为并分别表示为p与与E， 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。应，而光电效应
2、又充分证明了光的量子性。 hvE 式中式中h为普朗克常数为普朗克常数(6.626 10-34Js)；v为光的振动为光的振动频率频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度为光在真空中的传播速度(3108ms-1)。10156182191210101010101010324f/Hz图图1-1 1-1 电磁辐射光谱的分布电磁辐射光谱的分布红外红外紫外紫外可见光可见光X射线射线射线射线近红外近红外远红外远红外电磁波电磁波 图图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义(称为电磁称为电磁波谱波谱)。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电。电磁波谱的频率范围
3、很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波波(1021025Hz)的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-910-3m的范围。的范围。在这个范围内，只有在这个范围内，只有0.380.78m的光才能引起人眼的视觉感，的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。故称这部分光为可见光。1.1 光辐射的度量光辐射的度量 度量方法度量方法1.物理的计量方法辐射度参数 适用于整个电磁辐射谱区适用于整个电磁辐射谱区2.生理的计量方法光度参数 以人眼能见到的光对大脑的刺激程度来对光进行以
4、人眼能见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量。计量。 适用于可见光谱区域。适用于可见光谱区域。0.380.78m1.1 光辐射的度量光辐射的度量1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数与光源有关的辐射度参数与光度参数 1. 辐辐( (射射) )能和光能能和光能 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐(射射)能，用能，用符号符号Qe表示，其计量单位为焦耳表示，其计量单位为焦耳(J)。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，表示，其计量单位为流明秒其计量单位为流明秒(lms)。tQddeetQee 2
5、. 辐辐( (射射) )通量和光通量通量和光通量 辐辐(射射)通量或辐通量或辐(射射)功率是以辐射形式发射、传播或接收功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐接收的辐(射射)能称为辐能称为辐(射射)通量，以符号通量，以符号e表示，表示， 其计量单位其计量单位为瓦为瓦(W)，即，即 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为来除，其商定义为光通量
6、光通量v，即，即tQvv 若在若在t t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则上式时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则上式简化为简化为v的计量单位为流的计量单位为流(明明)（lm）。）。 显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，而光通显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，而光通量对时间的积分称为光能。量对时间的积分称为光能。tQddvv (1-3)(1-4)AMddee )(eedAAM3. 辐辐( (射射) )出出( (射射) )度和光出度和光出( (射射) )度度 对有限大小面积对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面的面光源，表面某点处的面元向半球面
7、空间内发射的辐通量空间内发射的辐通量de与该面元面积与该面元面积dA之比，定义为辐之比，定义为辐( (射射) )出出( (射射) )度度Me，即，即 (1-5)(1-6)Me的计量单位是瓦的计量单位是瓦( (特特) )每平方米每平方米W/mW/m2 2 。 面光源面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为向半球面空间内发射的总辐通量为AMvv )(vvdAAMAMddv 对于可见光，面光源对于可见光，面光源A A表面某一点处的面元向半球面空间表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量发射的光通量d dv v、与面元面积、与面元面积d dA A之比称为光出之比称为光出( (射射) )度度Mv，即，即
8、 其计量单位为勒其计量单位为勒( (克司克司)lx或或lm/m2。 对均匀发射辐射的面光源有对均匀发射辐射的面光源有由式由式(1-7) )，面光源向半球面空间发射的总光通量为，面光源向半球面空间发射的总光通量为(1-8)(1-7)(1-9)Iddee (1-10) Idee(1-11)4. 辐辐( (射射) )强度和发光强度强度和发光强度 对点光源在给定方向的立体角元对点光源在给定方向的立体角元d d内发射的辐通量内发射的辐通量d de e，与该方向立体角元与该方向立体角元d d之比定义为点光源在该方向的辐之比定义为点光源在该方向的辐( (射射) )强强度度I Ie e，即，即辐辐( (射射)
9、 )强度的计量单位为瓦强度的计量单位为瓦( (特特) )每球面度每球面度 W/srW/sr。 点光源在有限立体角点光源在有限立体角内发射的辐通量为内发射的辐通量为 Iddvv (1-13) Idvv(1-14) 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。对可见光，与式对可见光，与式(1-9)(1-9)类似，定义发光强度为类似，定义发光强度为对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为 40eee4dII(1-12)各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量
10、为 发光强度的单位是坎德拉发光强度的单位是坎德拉(candela)(candela)，简称为坎，简称为坎cdcd。19791979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射为：在给定方向上能发射54054010101212HzHz的单色辐射源，在此方的单色辐射源，在此方向上的辐强度为向上的辐强度为(1/683)W/sr(1/683)W/sr，其发光强度定义为，其发光强度定义为一个坎德拉一个坎德拉cdcd。 由式（由式（1-131-13），对发光强度为），对发光强度为1cd1cd的点光源，向的点光源，向给定方向给定方向1
11、 1球面度球面度(sr)(sr)内发射的光通量定义为内发射的光通量定义为1 1流明流明(lm)(lm)。发光强度为发光强度为1cd1cd的点光源在整个球空间所发出的点光源在整个球空间所发出的总光通量为的总光通量为=4=4I I12.566 lm12.566 lm。 5. 辐辐( (射射) )亮度和亮度亮度和亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度L Le e，即即 cosdddcosdde2eeAAIL (1-15)式中，为所给方
12、向与面元法线之间的夹角。辐亮度式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度L Le e的计量单的计量单位为瓦位为瓦( (特特) )每球面度平方米每球面度平方米W/(srmW/(srm2 2 ) )。 对可见光，亮度对可见光，亮度L Lv v定义为光源表面某一点处的面元在给定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即投影面积，即 cosdddcosddv2vvAAIL (1-16)L Lv v的计量单位是坎德拉每平方米的计量单位是坎德拉每平方米cd/mcd/m2 2 。 若若L Le e ，L
13、 Lv v与光源发射辐射的方向无关，且由式（与光源发射辐射的方向无关，且由式（1-151-15）、）、（1-161-16）表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。）表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。余弦辐射体。 SLddcosd 式中，式中， 。 ddsind 2020ddcossinddd ALAL 余弦辐射体表面某面元余弦辐射体表面某面元d dS S处向半球面
14、空间发射的处向半球面空间发射的通量为通量为 对上式在半球面空间内积分的结果为对上式在半球面空间内积分的结果为由上式得到由上式得到余弦辐射体余弦辐射体的的M Me e与与L Le e、M Mv v与与L Lv v的关系为的关系为eeML vvML (1-17)(1-18)6. 辐辐( (射射) )效率与发光效率效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量光源所发射的总辐射通量e e与外界提供给光源与外界提供给光源的功率的功率P P之比称为光源的辐之比称为光源的辐( (射射) )效率效率e e；光源发射的；光源发射的总光通量总光通量v v与提供的功率与提供的功率P P之比称为发光效率之比称为发光效率v
15、v。它。它们分别为们分别为 辐效率辐效率e无量纲，发光效率无量纲，发光效率v的计量单位是流明每瓦的计量单位是流明每瓦lmW-1。00ee100 P Pvv (1-19)(1-20)001ee100d2 P （1-21） 对限定在波长对限定在波长12范围内的辐效率范围内的辐效率 式中式中,e称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。谱辐射通量。1.1.2 与接收器有关的辐射度参数与光度与接收器有关的辐射度参数与光度参数参数 AEddee (1-22) 从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与接收器从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与接收器有关
16、的辐射度参数与光度参数。接收光源发射辐射的接收器可有关的辐射度参数与光度参数。接收光源发射辐射的接收器可以是探测器，也可以是反射辐射的反射器，或两者兼有。与接以是探测器，也可以是反射辐射的反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下收器有关的辐射度参数与光度参数有以下2 2种。种。 1. 辐照度与照度辐照度与照度 辐照度辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量是照射到物体表面某一点处面元的辐通量de除除以该面元的面积以该面元的面积dA的商，即的商，即E Ee e的计量单位是瓦（特）每平方米的计量单位是瓦（特）每平方米WWm m2 2 。注意注意: : 不要把辐照度不要把辐
17、照度E Ee e与辐出度与辐出度M Me e混淆起来。虽然两者单位相混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。AEee (1-23)若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（1-221-22）简化为）简化为)()(eeer EM (1-24) d)(eeeEM 本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。
18、若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度M Merer( () )（r r 代表代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度反射）与辐射体接收的光谱辐照度E Ee e( () )的关系为的关系为式中式中, ,e e()()为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式(1-(1-24)24)的波长积分，得到反射体的辐出度的波长积分，得到反射体的辐出度(1-25) 对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量d dv v除以该面元面积除以该面元面积d dA A称为光照度称为光照度E Ev v，即，即AEdd
19、vv (1-26)AEvv E Ev v的计量单位是勒的计量单位是勒( (克司克司)lx)lx。 对接收光的反射体，同样有对接收光的反射体，同样有 )()()(vvv EM d)(vvvEM(1-27)(1-28)式中，式中，v v( () )为光度光谱反射比，是波长的函数。为光度光谱反射比，是波长的函数。 2. 辐照量和曝光量辐照量和曝光量 ttEH0eed(1-29)辐照量辐照量HeHe的计量单位是焦尔每平方米的计量单位是焦尔每平方米 J/m2J/m2。 如果面元上的辐照度如果面元上的辐照度EeEe与时间无关，式与时间无关，式(1-29)(1-29)可简化为可简化为 tEHee (1-30
20、) 照射到物体表面某一面元的辐照度照射到物体表面某一面元的辐照度E Ee e在时间在时间t t内的积内的积分称为辐照量分称为辐照量H He e，即，即 辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。量有关。 ttEH0vvdHvHv的计量单位是勒（克司）秒的计量单位是勒（克司）秒lx.slx.s。 如果面元上的光照度如果面元上的光照度EvEv与时间无关，式（与时间无关，式（1-311-31）可）可简化为简化为 tEHvv (1-31) 与辐照量与
21、辐照量HeHe对应的光度量是曝光量对应的光度量是曝光量HvHv，它定义为物，它定义为物体表面某一面元接收的光照度体表面某一面元接收的光照度EvEv在时间在时间t t内的积分，即内的积分，即1.2 光谱辐射分布与量子流速率光谱辐射分布与量子流速率 1.2.1 光源的光谱辐射分布参量光源的光谱辐射分布参量 dde, exX 式中，通用符号式中，通用符号Xe,是波长的函数，代表所有光谱辐射量，是波长的函数，代表所有光谱辐射量，如光谱辐射通量如光谱辐射通量e,、光谱辐射出度、光谱辐射出度Me,、光谱辐射强度、光谱辐射强度Ie,、光谱辐射亮度、光谱辐射亮度Le,、光谱辐照度、光谱辐照度Ee,等等.(1-
22、32) 光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度Xe,Xe,，简称为光谱辐射量，即，简称为光谱辐射量，即 同样，以符号同样，以符号Xv,表示光源在可见光区单位波长范围表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为光度量的光谱密集度，简称为光谱光内发射的光度量称为光度量的光谱密集度，简称为光谱光度量，度量，即即 ddv,vXX 式中，式中，Xv,代表光谱光通量代表光谱光通量v,、光谱光出射度、光谱光出射度Mv,、光、光谱发光强度谱发光强
23、度Iv,和光谱光照度和光谱光照度Ev,等。等。(1-33) 光源的辐射度参量光源的辐射度参量Xe,随波长随波长的分布曲线称为该光源的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。的绝对光谱辐射分布曲线。 该曲线任一波长该曲线任一波长处的处的Xe,除以峰值波长除以峰值波长max处的光谱辐处的光谱辐射量最大值射量最大值Xe,max的商的商Xe,r，称为光源的相对光谱辐，称为光源的相对光谱辐射量，即射量，即 max, e, er, e XXX (1-34)相对光谱辐射量相对光谱辐射量Xe,r与波长与波长的关系称为光源相对光谱辐的关系称为光源相对光谱辐射分布。射分布。 光源在波长光源在波长12 范围内发射
24、的辐射通量范围内发射的辐射通量 21d, ee (1-35)若积分区间从若积分区间从1 =0到到2 ，得到光源发出的所有波长的，得到光源发出的所有波长的总辐射通量总辐射通量 0r, emax, e0, eedd 光源在波长光源在波长1 2 之间的辐通量之间的辐通量e与总辐通量与总辐通量e之比称为该光源的比辐射之比称为该光源的比辐射qe，即，即 0, e, eedd21 q式中，式中，qe没有量纲。没有量纲。 (1-36)(1-37)1.2.2 量子流速量子流速率率 光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长光源在给定波长处，由处，
25、由到波长范围内发射的辐射通量到波长范围内发射的辐射通量de除以该波长除以该波长的光子能量的光子能量hv，得到光源在该波长，得到光源在该波长处每处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,，即，即 hvhvN ddd, ee, e 光源在波长光源在波长为为0范围内发射的总量子流速率范围内发射的总量子流速率 0, emax, e0, eedd rhchvN(1-38)(1-39)对可见光区域，光源每秒发射的总光子数对可见光区域，光源每秒发射的总光子数 d78. 038. 0, ev hcN量子流速率量子流速率Ne或或Nv的计量单位为辐射元的光子数每秒的计量单
26、位为辐射元的光子数每秒1/s。 (1-40) 物体通常以两种不同形式发射辐射能量。物体通常以两种不同形式发射辐射能量。 第一种称为热辐射。第二种称为发光。第一种称为热辐射。第二种称为发光。 1.3.1 黑体辐射定律黑体辐射定律1. 黑体黑体 能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为1，发射系数，发射系数也为也为1。 1.3 物体热辐射物体热辐射2. 普朗克辐射定律普朗克辐射定律
27、 )1e (252, s , e kThchcM (1-40) 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,(角标角标“s”表示黑体表示黑体)由普朗克公式表示为由普朗克公式表示为式中，式中，k为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；为普朗克常数；T为绝对温度；为绝对温度；c为真空中的光速。为真空中的光速。黑体光谱辐亮度黑体光谱辐亮度Le,s,和光谱辐强度和光谱辐强度Ie,s,分别为分别为)1e (252s,e, kThchcL (1-41)1e (cos252s,e, kThchAcI 图图1-2 绘出了黑体辐绘出了黑体辐射的相对光谱辐亮度
28、射的相对光谱辐亮度Le,s,r与波长的等温与波长的等温关系曲线。图中每一关系曲线。图中每一条曲线都有一个最大条曲线都有一个最大值，最大值的位置随值，最大值的位置随温度升高向短波方向温度升高向短波方向移动。移动。 将式（将式（1-40）对波长）对波长求积分，得到黑体发射的总辐射出射求积分，得到黑体发射的总辐射出射度度 04, s , es , edTMM (1-42)式中式中,是斯特藩是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定波尔兹曼常数，它由下式决定 4282345KWm1067. 5152 chk 由式（由式（1-42），），Me,s与与T的四次方成正比的四次方成正比 3. 斯忒藩斯忒藩- -波尔
29、兹曼定律波尔兹曼定律m2898Tm (1-43) 可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波长向短波方向位移，这就是应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律维恩位移定律。 4. 维恩位移定律维恩位移定律 将普朗克公式（将普朗克公式（1-40）对波长）对波长求微分后令其等于求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长m与绝对与绝对温度温度T的关系为的关系为 将式将式(1-43)代入式代入式(1-40)
30、，得到黑体的，得到黑体的峰值光谱峰值光谱辐出度辐出度 155, s , e10309. 1 TMm Wcm-2m-1K-5 以上三个定律统称为黑体辐射定律。以上三个定律统称为黑体辐射定律。 例例1-11-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.536.5，（1 1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/mW/m2 2？（2 2）正常人体的峰值辐射波长为多少）正常人体的峰值辐射波长为多少mm？峰值光谱辐射？峰值光谱辐射出射度出射度M Me,se,s,m,m为多少？（为多少？（3 3）人体发烧到）人体发烧到383
31、8时峰值辐射时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度M Me,se,s,m,m又为多又为多少？少？解解 (1)(1)人体正常体温的绝对温度人体正常体温的绝对温度T T=36.5+273=309.5K=36.5+273=309.5K 根据斯特藩根据斯特藩- -波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为出射度为 24, s , em/W3 .5205 .309 M(2) 由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为9.36.m2898 Tm 12155, s , emWcm1
32、0309. 1 TMm (3) 人体发烧到人体发烧到38时峰值辐射波长为时峰值辐射波长为 m32. 9382732898 m 发烧时的峰值光谱辐射出射度为发烧时的峰值光谱辐射出射度为 -1-2155, s , em Wcm3.8110309. 1 TMm 峰值光谱辐射出射度为峰值光谱辐射出射度为-1-2m Wcm3.72 例例1-2 将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解解 标准钨丝灯的温度为标准钨丝灯的温度为T TW W=2856K=2856K，因此它的峰值辐射
33、波长为，因此它的峰值辐射波长为)m(015. 1285628962898 Tm 峰值光谱辐射出射度为峰值光谱辐射出射度为 155, s , e10309. 1 TMm 总辐射出射度为总辐射出射度为 24484, s , em/W1077. 328561067. 52856 M155102856309. 1 12m248.7Wcm 1.3.2 辐射体的分类及其温度表示辐射体的分类及其温度表示1. 辐射体的分类辐射体的分类2. 辐射体的温度表示辐射体的温度表示 对具有一定亮度和颜色的热辐射体，根据黑体辐射定律对具有一定亮度和颜色的热辐射体，根据黑体辐射定律, , 可用以下三种温度进行标测。可用以下
34、三种温度进行标测。 (1) 辐射温度辐射温度Te 当热辐射体发射的总辐通量与黑体的总辐通量相等时当热辐射体发射的总辐通量与黑体的总辐通量相等时, , 以黑体的温度标度该热辐射体的温度以黑体的温度标度该热辐射体的温度, ,这种温度称为辐射温度这种温度称为辐射温度T Te e。黑体黑体 非黑体非黑体 灰体灰体选择性辐射体选择性辐射体 (2) 色温色温Tf 当热辐射体在可见光区域发射的光谱辐射分布当热辐射体在可见光区域发射的光谱辐射分布, ,具有与黑具有与黑体的可见光的光谱辐射分布相同的形状时体的可见光的光谱辐射分布相同的形状时, , 以黑体的温度来以黑体的温度来标度该热辐射体的温度标度该热辐射体的
35、温度, , 称为热辐射体的色温称为热辐射体的色温T Tf f。 (3) 亮温度亮温度TV 当热辐射体在可见光区域某一波长的辐射亮度当热辐射体在可见光区域某一波长的辐射亮度, ,等于黑体等于黑体在同一波长的辐射亮度时在同一波长的辐射亮度时, , 以黑体的温度来标度该热辐射体以黑体的温度来标度该热辐射体的温度的温度, , 称为热辐射体的亮温度称为热辐射体的亮温度T TV V。 辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内（可见光谱区）经常相互的参数，这些参数在一定光谱范围内（可见光谱区）经常相互使用，它们之间存在着
36、一定的转换关系；有些光电传感器件采使用，它们之间存在着一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标用光度参数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。本节将定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。本节将重点讨论它们的转换关系，掌握了这些转换关系，就可以对用重点讨论它们的转换关系，掌握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。1.4 辐射度参数与光度参数的关系辐射度参数与光度参数的关系 e,me,)(LLV
37、(1-54)1. 人眼的视觉灵敏度人眼的视觉灵敏度 用各种单色辐射分别刺激正常人用各种单色辐射分别刺激正常人(标准观察者标准观察者)眼的锥状细眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555m处的光谱辐射亮处的光谱辐射亮度度Le,m小于其它波长的光谱辐亮度小于其它波长的光谱辐亮度Le,。把波长。把波长=0.555m的光的光谱辐射亮度谱辐射亮度Le,m被其它波长的光谱辐亮度被其它波长的光谱辐亮度Le,除得的商，定义除得的商，定义为正常人眼的为正常人眼的明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率V()，即，即 如图如图1-5所示所示为人眼的明为人眼的明 视视觉光谱光视效
38、率觉光谱光视效率V()与波长与波长的的关系曲线。关系曲线。V ()也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如图也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如图1-5中的虚线所示。中的虚线所示。 e,nm507, e)(LLV (1-55) 对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为处的光谱射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为处的光谱辐射亮度辐射亮度Le，507nm小于其他波长小于其他波长的光谱辐射亮度的光谱辐射亮度 Le,。把把 Le，507nm 与与Le,的比值定义为正常人眼的的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱暗视觉光谱
39、光视效率光视效率，即，即2. 人眼的光谱光视效能人眼的光谱光视效能 无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其刺激的程度与刺激的程度与Le,成正比。成正比。 对于明视觉，刺激程度平衡的条件为对于明视觉，刺激程度平衡的条件为)(, em,v VXKX (1-56)式中，式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为射度参量的转换常数，其值为683lm/W。 对于暗视觉，为对于暗视觉，为 )(, VXKXemv 式中，式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对
40、辐射度参量的转换常数，其值为量对辐射度参量的转换常数，其值为1725lm/W引进，引进，K()，并令，并令 )()(m, e,v VKXXK (1-58)(1-57)()(m, e,v VKXXK (1-59)式中，式中，K()，K()分别称为人眼的明视觉和暗视觉光分别称为人眼的明视觉和暗视觉光谱光视效能。谱光视效能。 由式由式(1-58)、(1-59)，在人眼最敏感的波长，在人眼最敏感的波长=0.555m，=0.507m处，分别有处，分别有V(m)=1， V (m)=1 ，这时，这时K(m)= Km，K(m )= Km。 因此因此，Km，Km分别称为正常人眼的明视觉最大分别称为正常人眼的明视
41、觉最大光谱光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。光谱光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。 根据式根据式(1-58)和和(1-59)，可以将任何光谱辐射量转，可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。换成光谱光度量。例例1-3 已知某已知某He-Ne激光器的输出功率为激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少试计算其发出的光通量为多少lm？解解 He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，根据激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式式(1-56)可以计算出它发出的光通量为可以计算出它发出的光通量为 v,=K,ee,=KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm)3. 辐射体光视效能辐射
42、体光视效能 一个热辐射体发射的总光通量一个热辐射体发射的总光通量v与总辐射通量与总辐射通量e之比，称为该之比，称为该辐射体的光视效能辐射体的光视效能K,即即 evev K 对发射连续光谱辐射的热辐射体，由上式及式对发射连续光谱辐射的热辐射体，由上式及式(1-58)可得总光通量可得总光通量V为为 d )(nm780nm380e,mv VK(1-60)(1-61)将式（将式（1-35）、（）、（1-61）代入式（）代入式（1-60），得到），得到(1-62)式中式中, V是辐射体的光视效率。是辐射体的光视效率。 VKVKKm0, enm780nm380, emdd )( 标准钨丝灯发光光谱的分布如
43、标准钨丝灯发光光谱的分布如图图1-71-7所示所示，图中的，图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射分布曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射分布 、光、光谱光视效率谱光视效率V V（）和光谱光视效率与相对光谱辐射分）和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积布之积 ，积分，积分 reX ,rV e,)X( )d(780nmnm380e, VXrrV e,)X(为为的面积的面积Al，而积分，而积分 曲线所围曲线所围面积为面积为A2。 0e,d rX因此，由因此，由(1-62)可得标准钨丝可得标准钨丝灯的光视效能灯的光视效能Kw为为lm/W1 .1721mW AAKK由式（由式（1-60），已知某），已知
44、某种辐射体的光视效能种辐射体的光视效能K和辐射量和辐射量Xe，就能够计，就能够计算出该辐射体的光度量算出该辐射体的光度量Xv，该式是辐射体的辐，该式是辐射体的辐射量和光度量的转换关射量和光度量的转换关系式。系式。 例如例如: 对于色温为对于色温为2856K的标准钨丝灯其光视效能为的标准钨丝灯其光视效能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为，当标准钨丝灯发出的辐射通量为e100W时，时，其光通量为其光通量为 v = 1710lm。 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯的供越多，光视效能越高，光度
45、量也越高。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。显著下降。 1.5 半导体对光的吸收半导体对光的吸收 1. 物质对光吸收的一般规律物质对光吸收的一般规律（1-63）xdd 式中，式中，称为吸收系数。称为吸收系数。 如图如图1-8所示，利用初始条件所示，利用初始条件x=0时时 ，解这个微分方程，可以，解这个微分方程，可以找到通过找到通过x路程的光通量为路程的光通量为 光波入射到物质表面上，用透射法测定光通量的光波入射到物
46、质表面上，用透射法测定光通量的衰减时，发现通过路程衰减时，发现通过路程dx的光通量变化的光通量变化d与入射的与入射的光通量光通量和路程和路程dx的乘积成正比，即的乘积成正比，即 （1-64）x e0 可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质的吸时所透过的路程的倒数等于该物质的吸收系数收系数，即，即 x1 （1-65） 另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律 exp(-xc-1)衰
47、减衰减。 )(j0eecnxtcxYEE )(j0eecnxtcxZHH （1-66） 电矢量和磁矢量乘积的实数部分应是辐射通量随电矢量和磁矢量乘积的实数部分应是辐射通量随传播路径传播路径x的变化关系。即的变化关系。即 cx20e 式中，式中，称为消光系数。称为消光系数。 由此可以得出由此可以得出 42 c（1-67） 半导体的消光系数半导体的消光系数与入射光的波长无关，表明与入射光的波长无关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。它对愈短波长的光吸收愈强。（1-68） 普通玻璃的消光系数普通玻璃的消光系数也与波长也与波长无关，因此，无关，因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。它们对短波长辐射的吸收
48、比长波长强。 当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为 )e1(00 x 吸吸2. 半导体对光的吸收半导体对光的吸收 在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子自由空穴，产生电
49、子-空穴空穴对。如图对。如图1-9所示，半导体所示，半导体价带电子吸收光子能量跃价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴迁入导带，产生电子空穴对的现象称为对的现象称为本征吸收本征吸收。 (1). 本征吸收本征吸收 显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度体的禁带宽度Eg，才能使价带，才能使价带EV上的电子吸收足够的上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级能量跃入到导带底能级EC之上，即之上，即 由此可以得到发生本征吸收的光波长波限由此可以得到发生本征吸收的光波长波限 （1-69）gEhv ggL24. 1EEhc （1-70）
50、只有波长短于只有波长短于L的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。变本征半导体的导电特性。 (2). 杂质吸收杂质吸收 N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量光子能量hv。若。若hv大于等于施主电离能大于等于施主电离能ED，杂质原子，杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。自由电子。 同样，同样，P型半导体中，价型半导体中，价nn带上的电子吸收了能量带上的电子吸收了能量hv大于大于EA（受主电离能）的光子后，价
