第二章光源基础知识课件分解

M er e ( ) Ee ( )
式中，ρe()为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对上 式的波长积分，得到反射体的辐出度
M e e ( ) Ee ( )d
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朗伯辐射体及其辐射特性
对于磨得很光或镀得很亮的反射镜，当一束光入射到它上 面时，反射光具有很好的方向性，即当恰好逆着反射光线 的方向观察时，感到十分耀眼，而在偏离不大的角度观察 时，就看不到反射光。对于一个表面粗糙的反射体或漫射 体，就观察不到上述现象。 除了漫反射体以外，对于某些自身发射辐射的辐射源，其
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第一节 光电基础知识
电磁波谱 光是一种电磁波，X射线、射线也都是电磁波。它们 的电磁特性相同，只是频率或波长不同而已。将电磁波按 其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。通常所 说的光学区域或光学频谱包括：红外线、可见光和紫外线。
由于光的频率极高，一般采用波长表征，光谱区域的波长
dI v d 2Φv Lv dA cos dΩdA cos
Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]
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6.辐射效率(Radiant efficiency)与发光效率
光源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给光源的功率 P之比称为光源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与 提供的功率P之比称为发光效率ηv。它们分别为
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2.辐射通量(Radiant flux)和光通量(luminous flux)
辐(射)通量或辐(射)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 或接收的辐(射)能称为辐(射)通量，以符号Φe表示， 其计量 单位为瓦(W)，即
dQe Φe dt
第二章 光源基础知识
光电基础知识
CCD器件中光源的选择和匹配
CCD器件用到的光源
半导体
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电磁波方式传播的粒子，称为光量子或者光子。
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，物质的光电效应证明了光的量子性。 CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一 般在0.2～1.1µm的波长范围内。特种材料的红外CCD的 波长响应可扩展到几个微米，即CCD的光谱响应范围从 远紫外、近紫外、可见光到近红外区，甚至到中红外区。
么该面元可看作是一个辐射源表面，即其辐射出射度在数值
上等于照射辐照度。 地球表面的辐照度是其各个部分(面元)接收太阳直射以及天
空向下散射产生的辐照度之和；而地球表面的辐射出射度则
是其单位表面积向宇宙空间发射的辐射通量。
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3.本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一 部分。若把反射体当作辐射体，则光谱辐出度Mer() (r 代 表反射)与辐射体接收的光谱辐照度Ee()的关系为
H v 0 Ev dt
Hv的计量单位是勒（克斯）秒[lx.s]。
t
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说明：
1.不要把辐照度Ee与辐出度Me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。 2.如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，那
辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度 [W/sr] 发光强度
dΦv Iv dΩ
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发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]。 1979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540×1012Hz的单色辐射源，在此 方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个
dΦe Ee dA
Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W/m2]
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对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除
以该面元面积dA称为光照度Ev，即
dΦv Ev dA
Ev的计量单位是勒（克斯）[lx]。
Φv Ev A
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2.辐照量和曝光量
辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要
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S Ω= 2 r
立体角的单位叫球面度（Sr）， 1球面度是半径为1m的球面上， 1m2的球面对球心所张的立体角。
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立体角Ω是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面 接收时的发散或会聚的角度(如图所示)，定义为：以锥 体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部 分的表面积dS和球半径r平方之比。
622
760
5x103 6x103 4x104
电磁波谱图
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红外线 (1mm ~ 0.76m)
可见光 (760 ~ 380nm)
紫外光 (380 ~ 10nm)
远红外 (1 mm ~ 20 m) 中红外 (20 m ~ 1.5 m) 近红外 (1.5 m ~ 0.76 m) 红 色 (760 nm ~ 630 nm) 橙 色 (630 nm ~ 600 nm) 黄 色 (600 nm ~ 570 nm) 绿 色 (570 nm ~ 490 nm) 青 色 (500 nm ~ 450 nm) 蓝 色 (450 nm ~ 430 nm) 紫 色 (430 nm ~ 380 nm) 近紫外 (380 nm ~ 300 nm) 中紫外 (300 nm ~ 200 nm) 真空紫外(200 nm ~ 10 nm)
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依照波长的长短以及波源的不同，电磁波谱可大致分为： (1)无线电波——波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种 波； (2)微波——波长从0.3米到10-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统； (3)红外线——波长从10-3米到7.8×10-7米；红外线的热效应特别显著； (4)可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。 (5)紫外线——波长比可见光短的称为紫外线，它的波长从3×10-7米到6×10-10米，它有显 著的化学效应和荧光效应。这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出； (6)伦琴射线——这部分电磁波谱，波长从2×10-9米到6×10-12米。 伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电 场内减速时所发出的；X射线，它是由原子中的内层电子发射的，其波长范围约在102～ 10-2米。 (7)γ射线——是波长从10-10～10-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来 的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物 的破坏力很大。
辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类
辐射源称为朗伯辐射体。
绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。在实际问题的分析中，常采
范围约从1mm到10nm。
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10-9
10-6
10-3 nm
1 m
103 mm
106 m
109
波长 /m
宇宙射线
X 射线 射线

紫 外 线 可 见 光
红 外 线
微波
无线电波
极 远
远
近
紫
蓝
绿
黄
橙 远
波长 /nm
106
10
200
300 390
455 492
577
597
e
e
P
100
0
0
v
v
P
100 %
对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率
e
d 100
1 e
2
0
P
0
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二、与接收器有关的辐射度参数与光度参数
1.辐照度与照度
辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe 除以该面元的面积dA的商，即
dI e d 2Φe Le dA cos dΩdA cos
式中，为所给方向与面元法线 之间的夹角。辐亮度Le的计量 单位为瓦（特）每球面度平方
dA A d d

米[W／(sr· m2 )]。
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辐射亮度示意图
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对可见光，亮度Lv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 的正投影面积，即
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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）。辐射度学适用于整个电磁波段。
坎德拉[cd]。
发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发 射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源
在整个球空间所发出的总光通量为=4πIＶ＝12.566 lm。
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5.辐(射)亮度(Radiant luminance)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 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 Le，即
对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面
空间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐(射)
出(射)度Me，即
dΦe Me dA
Me的计量单位是瓦（特）每平方米[W/m2] 面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为
Φe ( A) M e dA
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对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空 间发射的光通量dΦv与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv， 即
光度单位体系是一套反映视觉明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。
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几个基本概念
先介绍一些基本概念: 平面角和立体角。
A
α r l B A A＇ s Ω o r (b)
o
(a)
l α= r
平面角的单位叫弧度，1弧度 是半径为1m的圆上，1m长的 圆弧对圆心所张的角。
dS r 2 sin d d d 2 sin d d 2 r r
式中，θ为天顶角；ϕ为方位角；dθ,dϕ分别为 其增量。立体角的单位是球面度(sr)。
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对于半径为r的球，其表面积等于4πr2，所以一个光源向整个
空间发出辐射能或者一个物体从整个空间接收辐射能时，其对 应的立体角为4π球面度，而半球空间所张的立体角为2π球面 度。在θ ，ϕ 角度范围内的立体角
dΦν Mv dA
其计量单位为勒(克斯)[lx]或[lm/m2]
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4.辐(射)强度(Radiant Intensity)和发光强度
点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe， 与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)
强度Ie，即
dΦe Ie dΩ
sin d d

求空间一任意表面s对空间某一点o所张的立体角，可由o点向 空间表面s的外边缘作一系列射线, 由射线所围成的空间角即为
表面s对o点所张的立体角。因而不管空间表面的凹凸如何，只
要对同一o点所作射线束围成的空间角是相同的，那么它们就 有相同的立体角。
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Qe Φe t
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，光能除以无穷小时间间隔dt，其商定义
为光通量Φv，即
dQv Φv dt
Φv的计量单位为流(明)（lm）。
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Qv Φv t
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3.辐(射)出(射)度(Radiant Existance)和光出(射)度
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。 照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积 分称为辐照量He，即
H e 0 Ee dt
辐照量He的计量单位是焦尔每平方米 [J/m2]。
t
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与辐照量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体 表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即
光辐射的度量
一、与光源有关的辐射度参数与光度参数
1. 辐射能(Radiant energy)和光能
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，用符号 Qe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Qv表示， 其计量单位为流明•秒（lm· s）。
辐能密度w：单位体积元内的辐射能，即：w=dQ/dV