第01章光辐射源(zm2015秋)
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明视觉光谱光视效率（亮度大于3cd/m2时）;暗视觉光谱光
视效率（亮度小于0.001cd/㎡时）
Vˊ(λ)
V(λ)
V ( )
Le, Le,555nm
Le, Le,507nm
V ( )
550
人眼的光谱光视效率的数值
2．光谱光视效能
明视觉的最大光谱光视效能Km:
v , K me ,V ( )
蜡烛火焰：约0.5sb
钨丝灯泡：约500sb
三个发射量的区别和关系
辐射强度I 辐射出射度 M 源特点 辐射特点 点源 立体角内 面源 2π空间 辐射亮度L 面源化点源 立体角内
二、与接收器有关的辐射度参数与光度参数
1.辐照度与光照度(irradiance/ illuminance)
辐照度Ee：照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe
H e Ee dt
0
t
曝光量：单位为勒（克司）秒[lx.s],
Hv
E dt
0 v
t
曝光不足
曝光合适
曝光过度
几点注意
1. 2. 注意不要混淆辐照度Ee与辐出度Me。 对同一个光源来说，光源离光照面越远，光照面上的照度越小；光源离光 照面越近，光照面上的照度越大。 3. 光源与光照面距离一定的条件下，垂直照射与斜射比较，垂直照射的照度
dI e d 2Φe Le dA cos dΩdA cos
光亮度：类似定义，单位为坎德拉每平方米[cd/m2]或 lm/(m2.sr) ，即
dI v d 2Φv Lv dA cos dΩdA cos
常用：熙提(sb)＝lm/(cm2.sr) 常见光源亮度 晴天 ：10000 cd/m2 晴天日落后 ：1 cd/m2
式中Km＝683 lm/W ，为明视觉的最大光谱光视效能，亦称光功当量，
它表示：在波长为555nm处，即人眼光谱光视效率最大处(V=1) ，1W
的辐射通量对应相当的光通量为683 lm。
暗视觉的最大光谱光视效能K’m :
v, Kme,V ( )
式中K’m＝1725 lm/W ，为暗视觉的最大光谱光视效能，它表示：在
0 0
dA r 2 sin dd dΩ 2 sin dd 2 r r
5．辐(射)亮度和光亮度(radiance / luminance)
辐(射)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，θ为所 给方向与面元法线之间的夹角单位为W／sr.m2，即
辐(射)强度：对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，单位为瓦（特）每球面度[W/sr]， 即
Ie d e d
发光强度：类似定义，单位为坎德拉[cd]或[lm/sr]，即
Iv d v d
坎德拉（candela）的由来：
度．即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量，为主观量；
辐射度量（ Xe）
光度量（ Xv ）
电磁波（0.01～1000µm ）
可见光（0.38～0.78µm ）
客观（物理）
主观（生理）
各自所描述的量有哪些？对等吗？
辐射度量和光度量的对照表
一、与光源有关的辐射度参数与光度参数 1．辐（射）能和光能(radiant /luminous energy)
各向同性点光源：各个方向强度相等
在有限立体角Ω内发射的总通量？所有方向？
各向异性点光源：各个方向强度不等
在有限立体角Ω内发射的总通量？所有方向？
实际上，一般辐射源多为各向异性 的辐射源，其辐射强度随方向而变化， 如图所示。
点辐射源在整个空间发射的辐通量为：
2
Φe I ( , )dΩ d I ( , ) sin d
余弦辐射体的光亮度等于光出射度的π分之一
M L
dA辐射源在2π空间发射的辐通量为：
Φe I ( , )dΩ d 2 I ( , ) sind
0 0
2
dA
dS r 2 sin dd dΩ 2 sin dd 2 r r
I L dAcos
思考题
2.在O点处，有一点光源，发光强度为1cd，
求：空间任意一点P的光照度EV=?
EV= I/x2=1/x2
光电探测与信号处理
• 1.1 辐射度学与光度学 • 1.2 半导体的基础知识
• 1.3 黑体辐射
• 1.4 典型光辐射源
1.2 半导体的基础知识
1.2.1 能带理论
S
l0
Ie
Rc
d e d
2 πRc d 2 l0
πRc2 d e I e d I e 2 l0
思考题
2.在O点处，有一点光源，发光强度为1cd，
求：空间任意一点P的光照度EV=?
EV= /s= 4 / 4x2=1/x2
二者之间如何换算？
1 1cd 1lm / sr W / sr (555 nm ) 683
I I 0 cos
定义：辐射表面在某方向上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角 的余弦而变化。 符合余弦定律的发光体称为“余弦辐射体”、“郎伯辐射体”或 “朗伯源”：太阳、荧光屏、毛玻璃灯罩等漫反射体。
朗伯源辐射亮度L与观察角θ无关；
出射度和亮度满足如下关系：
M L
推导过程
Km X e, V ( )d XV
380
780
思考题
3.已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多 少lm？V(632.8nm)=0.24
解:
Φv,λ=KmV(λ)Φe,λ
=683×0.24×3×10-3
=0.492(lm)
思考题
4.已知某探测器的峰值波长535nm的响应度为100µ A/lm，请问1W的 535nm入射能产生多大电流？
波长为507nm处，即人眼暗视觉光谱光视效率最大处(V’=1) ，1W的
辐射通量对应相当的光通量为1725lm。
更普遍的表达：
X v, Km X e,V ( ) , Km X e,V () Xv
X V K m X e, V ( )d
380 780
如果是连续辐 射量，该如何 变换成光度量？
辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量，用
符号Qe表示，单位为焦耳（J）。
光能：光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，
单位为流明秒（lm· s）。
2．辐（射）通量和光通量(radiant / luminous power/flux)
辐射通量：又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率 (单位时间内发射、传播或接收的辐射能),以符号Φe表示， 单位为瓦（W），即
1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉定义为： 在给定方向上能发射540×1012Hz（波长为555nm）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 义为一个坎德拉[cd]。
坎德拉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。 对发光强度为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？。
解一：将1W的535折换成光通量再计算 解二：将光通量响应度折算成辐射通量响应度再计算
1 1 K m V ( ) Sv Se
Se 624.6A / W
I Se 624.6A
思考题
5. He-Ne激光器：功率Pλ＝10mw, λ=632.8nm, V（λ）=0.24, 发射点直 径d=1mm,发散半角θ=1mrad(毫弧度)，求光亮度L。
Φe dQe dt
或
Φe
Qe t
光通量：单位时间内发射、传播或接收的所有可见光 谱能量的时间变化率Φv，单位为流明（lm-lumens）
Φv dQv dt
或
Φv
Qv t
3．辐(射)出(射)度和光出(射)度 (radiant / luminous exitance)
辐(射)出(射)度：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（2π）发射的辐通量dΦe与该面元面 积dA之比，单位为瓦（特）每平方米[W／m2]，即
除以该面元的面积dA的商，单位是：瓦（特）每平方 米[W/m2]，即
dΦe Ee dA
光照度：单位是[lx]
Ev
dΦv dA
典型照度：
办公室工作： 20～100 lx
满月的地面： 0.2 lx
晴朗夏日采光良好的室内： 100～500 lx
照度计教室测试演示
2．辐照量和曝光量
辐照量：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，单位为焦耳每平方米 [J/m2]，即
如何从特例推出一般换算表达式？
v , K me ,V ( )
1．光谱光视效率
人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度不一样。绿光
最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。
国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果，确
Baidu Nhomakorabea
定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准
光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数。
大；光线越倾斜，照度越小。
4. 点辐射源： （相对概念）辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10
倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）。
5. 同灯同距照在白纸和黑纸上，照度相同，亮度不同。
思考题
1. 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点
源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。 （ 2Rc/l0 <<1:15）
Me d e dA
光出(射)度：对可见光，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，单位为勒(克司)[lx-lux]或[lm/m2]，即
Mv d v dA
4．辐(射)强度和发光强度(radiant / luminous intensity)
I L dAcos
2 e d 2 LdA cos sin d LdA sin 2 LdA 0 0
2
M L
2. 距离平方反比定律
dΦ Icos E 2 dS R
d I d
d E dS
dS cos 2 dΩ I cos R EI I dS dS R2
电磁空间安全
－－光学波段
已开发利用波段 光学谱区 可见光区 0.01μm~1000μm 0.38μm~0.78μm
待开发
红外区
紫外区
0.78μm~1000μm
0.01μm~0.38μm
光子能量公式
可见光的光子能量范围为:?～?eV
1.1 辐射度学与光度学
1.1.1 光的基本概念 1.1.2 辐射度量 1.1.3 光度量 1.1.4 两条基本定律
光电探测与信号处理
第 1章 光辐射源
光学与电子信息学院 赵茗副教授 zhaoming@hust.edu.cn
光电探测与信号处理
• 1.1 辐射度学与光度学 • 1.2 半导体的基础知识 • 1.3 黑体辐射
• 1.4 典型光辐射源
1.1 辐射度学与光度学
1.1.1 光的基本概念 1.1.2 辐射度量 1.1.3 光度量 1.1.4 两条基本定律
辐射度量与光度量有什 么区别？
各自所描述的量有哪些？ 对等吗？
二者之间如何换算？
辐射度量与光度量有什么区别？
在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类：
一类是物理的——
辐射度量（0.01～1000µ m ,radiometric
terms），是用能量单位描述光辐射能的客观物理量； 另一类是生理的——光度量（0.38～0.78µ m , photometric terms），是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强
v Km V ( ) e
2
v Lv 6.553 10 7 sb A
Lsun 1.5 105 sb
太阳亮度的 440倍！
1.1 辐射度学与光度学
1.1.1 光的基本概念 1.1.2 辐射度量 1.1.3 光度量 1.1.4 两条基本定律
1. 辐射强度余弦定律（Lambert’s cosine law）
视效率（亮度小于0.001cd/㎡时）
Vˊ(λ)
V(λ)
V ( )
Le, Le,555nm
Le, Le,507nm
V ( )
550
人眼的光谱光视效率的数值
2．光谱光视效能
明视觉的最大光谱光视效能Km:
v , K me ,V ( )
蜡烛火焰：约0.5sb
钨丝灯泡：约500sb
三个发射量的区别和关系
辐射强度I 辐射出射度 M 源特点 辐射特点 点源 立体角内 面源 2π空间 辐射亮度L 面源化点源 立体角内
二、与接收器有关的辐射度参数与光度参数
1.辐照度与光照度(irradiance/ illuminance)
辐照度Ee：照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe
H e Ee dt
0
t
曝光量：单位为勒（克司）秒[lx.s],
Hv
E dt
0 v
t
曝光不足
曝光合适
曝光过度
几点注意
1. 2. 注意不要混淆辐照度Ee与辐出度Me。 对同一个光源来说，光源离光照面越远，光照面上的照度越小；光源离光 照面越近，光照面上的照度越大。 3. 光源与光照面距离一定的条件下，垂直照射与斜射比较，垂直照射的照度
dI e d 2Φe Le dA cos dΩdA cos
光亮度：类似定义，单位为坎德拉每平方米[cd/m2]或 lm/(m2.sr) ，即
dI v d 2Φv Lv dA cos dΩdA cos
常用：熙提(sb)＝lm/(cm2.sr) 常见光源亮度 晴天 ：10000 cd/m2 晴天日落后 ：1 cd/m2
式中Km＝683 lm/W ，为明视觉的最大光谱光视效能，亦称光功当量，
它表示：在波长为555nm处，即人眼光谱光视效率最大处(V=1) ，1W
的辐射通量对应相当的光通量为683 lm。
暗视觉的最大光谱光视效能K’m :
v, Kme,V ( )
式中K’m＝1725 lm/W ，为暗视觉的最大光谱光视效能，它表示：在
0 0
dA r 2 sin dd dΩ 2 sin dd 2 r r
5．辐(射)亮度和光亮度(radiance / luminance)
辐(射)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，θ为所 给方向与面元法线之间的夹角单位为W／sr.m2，即
辐(射)强度：对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，单位为瓦（特）每球面度[W/sr]， 即
Ie d e d
发光强度：类似定义，单位为坎德拉[cd]或[lm/sr]，即
Iv d v d
坎德拉（candela）的由来：
度．即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量，为主观量；
辐射度量（ Xe）
光度量（ Xv ）
电磁波（0.01～1000µm ）
可见光（0.38～0.78µm ）
客观（物理）
主观（生理）
各自所描述的量有哪些？对等吗？
辐射度量和光度量的对照表
一、与光源有关的辐射度参数与光度参数 1．辐（射）能和光能(radiant /luminous energy)
各向同性点光源：各个方向强度相等
在有限立体角Ω内发射的总通量？所有方向？
各向异性点光源：各个方向强度不等
在有限立体角Ω内发射的总通量？所有方向？
实际上，一般辐射源多为各向异性 的辐射源，其辐射强度随方向而变化， 如图所示。
点辐射源在整个空间发射的辐通量为：
2
Φe I ( , )dΩ d I ( , ) sin d
余弦辐射体的光亮度等于光出射度的π分之一
M L
dA辐射源在2π空间发射的辐通量为：
Φe I ( , )dΩ d 2 I ( , ) sind
0 0
2
dA
dS r 2 sin dd dΩ 2 sin dd 2 r r
I L dAcos
思考题
2.在O点处，有一点光源，发光强度为1cd，
求：空间任意一点P的光照度EV=?
EV= I/x2=1/x2
光电探测与信号处理
• 1.1 辐射度学与光度学 • 1.2 半导体的基础知识
• 1.3 黑体辐射
• 1.4 典型光辐射源
1.2 半导体的基础知识
1.2.1 能带理论
S
l0
Ie
Rc
d e d
2 πRc d 2 l0
πRc2 d e I e d I e 2 l0
思考题
2.在O点处，有一点光源，发光强度为1cd，
求：空间任意一点P的光照度EV=?
EV= /s= 4 / 4x2=1/x2
二者之间如何换算？
1 1cd 1lm / sr W / sr (555 nm ) 683
I I 0 cos
定义：辐射表面在某方向上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角 的余弦而变化。 符合余弦定律的发光体称为“余弦辐射体”、“郎伯辐射体”或 “朗伯源”：太阳、荧光屏、毛玻璃灯罩等漫反射体。
朗伯源辐射亮度L与观察角θ无关；
出射度和亮度满足如下关系：
M L
推导过程
Km X e, V ( )d XV
380
780
思考题
3.已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多 少lm？V(632.8nm)=0.24
解:
Φv,λ=KmV(λ)Φe,λ
=683×0.24×3×10-3
=0.492(lm)
思考题
4.已知某探测器的峰值波长535nm的响应度为100µ A/lm，请问1W的 535nm入射能产生多大电流？
波长为507nm处，即人眼暗视觉光谱光视效率最大处(V’=1) ，1W的
辐射通量对应相当的光通量为1725lm。
更普遍的表达：
X v, Km X e,V ( ) , Km X e,V () Xv
X V K m X e, V ( )d
380 780
如果是连续辐 射量，该如何 变换成光度量？
辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量，用
符号Qe表示，单位为焦耳（J）。
光能：光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，
单位为流明秒（lm· s）。
2．辐（射）通量和光通量(radiant / luminous power/flux)
辐射通量：又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率 (单位时间内发射、传播或接收的辐射能),以符号Φe表示， 单位为瓦（W），即
1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉定义为： 在给定方向上能发射540×1012Hz（波长为555nm）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 义为一个坎德拉[cd]。
坎德拉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。 对发光强度为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？。
解一：将1W的535折换成光通量再计算 解二：将光通量响应度折算成辐射通量响应度再计算
1 1 K m V ( ) Sv Se
Se 624.6A / W
I Se 624.6A
思考题
5. He-Ne激光器：功率Pλ＝10mw, λ=632.8nm, V（λ）=0.24, 发射点直 径d=1mm,发散半角θ=1mrad(毫弧度)，求光亮度L。
Φe dQe dt
或
Φe
Qe t
光通量：单位时间内发射、传播或接收的所有可见光 谱能量的时间变化率Φv，单位为流明（lm-lumens）
Φv dQv dt
或
Φv
Qv t
3．辐(射)出(射)度和光出(射)度 (radiant / luminous exitance)
辐(射)出(射)度：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（2π）发射的辐通量dΦe与该面元面 积dA之比，单位为瓦（特）每平方米[W／m2]，即
除以该面元的面积dA的商，单位是：瓦（特）每平方 米[W/m2]，即
dΦe Ee dA
光照度：单位是[lx]
Ev
dΦv dA
典型照度：
办公室工作： 20～100 lx
满月的地面： 0.2 lx
晴朗夏日采光良好的室内： 100～500 lx
照度计教室测试演示
2．辐照量和曝光量
辐照量：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，单位为焦耳每平方米 [J/m2]，即
如何从特例推出一般换算表达式？
v , K me ,V ( )
1．光谱光视效率
人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度不一样。绿光
最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。
国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果，确
Baidu Nhomakorabea
定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准
光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数。
大；光线越倾斜，照度越小。
4. 点辐射源： （相对概念）辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10
倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）。
5. 同灯同距照在白纸和黑纸上，照度相同，亮度不同。
思考题
1. 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点
源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。 （ 2Rc/l0 <<1:15）
Me d e dA
光出(射)度：对可见光，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，单位为勒(克司)[lx-lux]或[lm/m2]，即
Mv d v dA
4．辐(射)强度和发光强度(radiant / luminous intensity)
I L dAcos
2 e d 2 LdA cos sin d LdA sin 2 LdA 0 0
2
M L
2. 距离平方反比定律
dΦ Icos E 2 dS R
d I d
d E dS
dS cos 2 dΩ I cos R EI I dS dS R2
电磁空间安全
－－光学波段
已开发利用波段 光学谱区 可见光区 0.01μm~1000μm 0.38μm~0.78μm
待开发
红外区
紫外区
0.78μm~1000μm
0.01μm~0.38μm
光子能量公式
可见光的光子能量范围为:?～?eV
1.1 辐射度学与光度学
1.1.1 光的基本概念 1.1.2 辐射度量 1.1.3 光度量 1.1.4 两条基本定律
光电探测与信号处理
第 1章 光辐射源
光学与电子信息学院 赵茗副教授 zhaoming@hust.edu.cn
光电探测与信号处理
• 1.1 辐射度学与光度学 • 1.2 半导体的基础知识 • 1.3 黑体辐射
• 1.4 典型光辐射源
1.1 辐射度学与光度学
1.1.1 光的基本概念 1.1.2 辐射度量 1.1.3 光度量 1.1.4 两条基本定律
辐射度量与光度量有什 么区别？
各自所描述的量有哪些？ 对等吗？
二者之间如何换算？
辐射度量与光度量有什么区别？
在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类：
一类是物理的——
辐射度量（0.01～1000µ m ,radiometric
terms），是用能量单位描述光辐射能的客观物理量； 另一类是生理的——光度量（0.38～0.78µ m , photometric terms），是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强
v Km V ( ) e
2
v Lv 6.553 10 7 sb A
Lsun 1.5 105 sb
太阳亮度的 440倍！
1.1 辐射度学与光度学
1.1.1 光的基本概念 1.1.2 辐射度量 1.1.3 光度量 1.1.4 两条基本定律
1. 辐射强度余弦定律（Lambert’s cosine law）