光电子技术课程ppt

光度量的所有单位是由光强度的基本单位推导出来的。
CIPM规定，光强度的单位是坎德拉(Cd)，其定义是“一个光 源发出频率为5401012Hz的单色辐射，若在一定方向上的辐射 强度为1/683W.sr-1，则该光源在该方向上的光强度为1Cd。
3. 辐射度量与光度量之间的关系： 单色光视效能(K)：同一波长下测得的光度量与辐射度量之比。
1.2 辐射度学与光度学基本知识
1.2.1 辐射量
5. 辐射亮度(Le)：辐射亮度是描述扩展源最重要、最常用的物 理量。其定义为，扩展源在某一方向的辐射亮度，就是扩展 源在该方向上的单位投影面积向单位立体角发射的辐射通量。
Le
dIe
dS.cos
d 2e
dS. cos .d
单位：瓦特/球面度-1.米2(W/sr.m2)。
d
d
dS S
辐射亮度示意图
第1章 光电技术基础
1.1 光辐射的度量
余弦辐射体
一般辐射体的辐射强度与空间方向有关，若辐射体的 辐射强度在空间方向上的分布满足dIe=dIe0cos (Ie0是面 元dS沿其法线方向的辐射强度)，则称为余弦辐射体。
d
余弦辐射体的亮度
Le
dIe
dS.cos
dIe0 dS
Le0
2．用辐射高温计测得炉壁小孔的幅出度为22.8W/cm2，试求炉
内温度。
Meb
0 M eb
,T
d
C1
0 5
1 eC2 / T
d
1
T 4
第1章 光辐射与发光源
1.6 光频电磁波的基本理论和定律
• 光波的电磁场理论 • 相速度和群速度 • 光波在各向同性介质表面上的反射与折射
1.6.1 光波的电磁场理论
麦克斯韦电磁理论
积分形式
微分形式
1.6.1 光波的电磁场理论
麦克斯韦电磁理论
积分形式
微分形式
电磁波在介质分界面上传播的时候，由上方程组可推出界面两侧的场 以及界面上电荷电流的制约关系，即边界条件。
nE2 E1 0 n D2 D1
n H2 H1 n B2 B1 0
1.6.1 光波的电磁场理论
380～780nm纳米
第1章 光辐射与发光源
1.2 辐射度学与光度学基本知识
1.2.1 辐射量
1. 辐射能(Qe) ：以辐射形式发射或传输的电磁波能量，单位 是焦耳(J) 。
下标e表示辐射度物理量 下标表示光度物理量
第1章 光辐射与发光源
1.2 辐射度学与光度学基本知识
1.2.1 辐射量
1. 辐射能(Qe) ：以辐射形式发射或传输的电磁波能量。单位： 焦耳(J) 。 2. 辐射通量(e)：单位时间内流过的辐射能量，又称辐射功 率。单位：瓦特(W)，焦耳/秒(J/s)。
2. 光度量单位体系 光度量单位体系是一套反映视觉亮暗特性的辐射计量单位。
对应辐射度学的基本单位，光度学中分别如下单位描述。
辐射能(Qe) 辐射通量(e) 辐射出射度(Me) 辐射强度(Ie) 辐射亮度(Le) 辐射照度(Ee)，
光量(Q) 光通量() 光出射度(M) 发光强度(I) (光)亮度(L) (光)照度(E)
C1
5
1 eC2 / T
1
C1 C2
T4
Meb ,T
C1
5
1 eC2 / T
1
C15eC2 / T
(,T )
实验
瑞利-琼斯
T=1646k
维恩
维恩位移定律：单色辐射出射度最大值对应的波长m由 Meb ,T 0 确定。
T
由
Meb ,T
C1
5
1 eC2 / T
1
C e 5 C2 / T 1
1.3 热辐射基本定律
1.3.1 单色吸收比和单色反射比
1. 吸收比、反射比、透射比t
单色吸收比、单色反射比、单色透射比
无透射时： T T 1
2. 黑体：对任何波长的辐射能的吸收比都等于1。
第1章 光辐射与发光源
1.3 热辐射基本定律
1.3.2 基尔霍夫辐射定律
在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射 出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对 同一波长的单色辐射出射度。
M e1T e1T
M e2 T e2 T
M eb T
第1章 光辐射与发光源
1.3 热辐射基本定律
黑体特征： 强吸收体 强热辐射能力 黑体的辐射随温度和波长变化，遵从普朗克公式。
第1章 光辐射与发光源
1.3 热辐射基本定律
黑体特征： 强吸收体 强热辐射能力 黑体的辐射随温度和波长变化，遵从普朗克公式。
1.2 辐射度学与光度学基本知识
对于光辐射的探测和计量，存在辐射度单位和光度单位两 套不同的体系。
辐射量
光度量
特点：只与辐射客体有关 基本量：辐射通量、辐射能。 单位：W或J/s、J 适应范围：整个电磁波段
特点：与人眼的视觉特性有关 基本量：发光强度 单位：Cd 适应范围：可见光，波长范围为
第1章 光辐射与发光源
1.2 辐射度学与光度学基本知识
葡萄牙建世界上最大太阳能发电厂
自由电子激光武器
第1章 光辐射与发光源
1.2 辐射度学与光度学基本知识
红外透镜 Infrared lens
像元 Detector
温度为 T 的目标物体 Object with temperature of T
第1章 光辐射与发光源
K
X X e
单位：流明.瓦-1
Km K555nm 683lm /W
单色光视效率(V)：又称相对光谱光视效率
V
K Km
因此
X v X e KmV
光视效率(K)：
K
0
X e KmV d
0 X e d
下节课内容
基础知识（原教材）
1.热辐射基本定律 2.光频电磁波的基本理论和定律
第1章 光辐射与发光源
1.3 热辐射基本定律
热辐射——物体因温度而辐射能量的现象。 • 热辐射是自然界中普遍存在的现象。 • 辐射能是由原子、分子的热运动能量转变而来的。
热辐射光源——使发光物体升温到足够高而发光的光源。 • 在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态。 • 辐射光谱是连续光谱。
第1章 光辐射与发光源
如：单色辐射出射度
M e 0 M e, d
M e,
dM e
d
1.2.1 辐射量
1. 辐射能(Qe) ：以辐射形式发射或传输的电磁波能量。单位：焦 耳(J) 。 2. 辐射通量(e)：单位时间内流过的辐射能量，又称辐射功率。 单位：瓦特(W)，焦耳/秒(J/s)。 3. 辐射出射度(Me)：辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量， 反映物体的辐射能力。单位：瓦特/米2(W/m2) 。 4. 辐射强度(Ie)：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。单位：瓦特.球面度-1(W.sr-1)。 5. 辐射亮度(Le)：扩展源在某一方向的辐射亮度，就是扩展源在 该方向上的单位投影面积向单位立体角发射的辐射通量。单位： W/(sr.m2)。 6. 辐射照度(Ee)：照射在接收面元上的辐射通量de与该面元的面 积dA之比。单位：瓦特/米2(W/m2)。 7. 单色辐射度量：单位波长间隔内对应的辐射度量。
单色辐射出射度 MeB(,T)(瓦.厘米-2微米 -1)
0.45 0.4
0.35 0.3
0.25 0.2
0.15 0.1
0.05 0 0
900K
Meb ,T
5
c1 ec2 / T
1
800K
700K
MeB(,T) 随 连 续 变 化 ， 曲线只有一个极大值。
T 愈 高 ， MeB(,T) 也 愈 大 ，不同温度的曲线永不相交 。曲线下的面积是T4。
eHale Waihona Puke dQe dt第1章 光辐射与发光源
1.2 辐射度学与光度学基本知识
1.2.1 辐射量
3. 辐射出射度(Me)：辐射体单位面积向半空间发射的辐射通 量，反映物体的辐射能力。单位：瓦特/米2(W/m2)。
Me
de dS
第1章 光辐射与发光源
1.2 辐射度学与光度学基本知识
1.2.1 辐射量
3. 辐射出射度(Me)：辐射体单位面积向半空间发射的辐射通 量，反映物体的辐射能力。单位：瓦特/米2(W/m2) 。
为玻尔兹曼常数。
斯蒂芬—玻尔兹曼定律指出：物体辐射的能量密度与其自身的热力学温度 (T)的四次方成正比。因此温度升高时，辐射出射度迅速增加。
黑体、选择体、灰体 色温与相关色温
黑体的温度决定了它的辐射光谱分布。 以黑体作为标准光源，其他热辐射光源发射 光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光 的颜色最为相近，则黑体的这一温度称为该 热辐射光源的色温；
第1章 光辐射与发光源
1.2 辐射度学与光度学基本知识
1.2.1 辐射量
7. 单色辐射度量(光谱辐射分布)：辐射量在波长处的单位波 长间隔内的大小，又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长 的变化率。
X e 0 X e, d
如：单色辐射通量
X e,
dX e
d
Φe 0 Φe,λdλ
Φe,λ
dΦe dλ
黑体是一种理想热辐射源！
1.3.3 普朗克公式
黑体处于温度T时，在波长处的单色辐射出射度为：
Meb ,T
5
c1 ec2 / T
1
c1 2πhc3,c2 hc/k
h=6.62619610-23瓦秒2，为普朗克常数； c=2.9979251010厘米秒-1，为真空中光速； k=1.38062210-23瓦秒K-1，为玻尔兹曼常数； 为波长； c1=2hc2=3.74184410-12瓦厘米2，为第一辐射常数； c2=ch/k=1.438833厘米K，为第二辐射常数。