第01章光辐射源(zm2015秋)
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第一章-光辐射与发光源
W／(m2·μm)
二、光度的基本物理量
• 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。
（人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射
度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）
• 辐射度学的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee • 光频区光度基本物理量Qv、Φv、Iv、Mv、Lv、Ev
• 定义完全一一对应，其关系如表l—2所示。
光视 效 率
0.4
0.2
0.0 400
500
600
700
800
波 长 (nm)
• 光通量与辐射通量之间的关系
v Kme V
• 光度量与辐射度量的关系式的一般函数式
X v
Km
780 380
X
e
V
d
• 在光度学体系中，基本单位是发光强度Iv，其单位 是坎德拉cd。
• 坎德拉cd定义： • 当单色辐射光源频率为540×1012Hz，
表1-2 辐射度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
光度量物理量
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
Qe
hν
J
辐射通量
Φe
Φe=d Qe/dt
W
光量
Qv
Qv=∫Φvdt
lm·s
光通量
Φv
Φv=∫ IvdΩ
lm
辐射出射度
Me Me＝dΦe／dS W／m2
光出射度
Mv Mv＝dΦv／dS lm／m2
3. 绝对黑体(简称黑体)：
• 在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收 率等于l，即αλ（T）≡l
辐射的来源
3
原子核的衰变
• 原子核的衰变是最主要的辐射来源之一 • 单位时间内衰变的原子核数目称为活度
������ = ������������
A：活度，N：可衰变的原子核数目，λ：衰变常数
• 活度������的单位: 贝克勒尔，简称贝克，符合Bq • 活度������的常用单位：居里，符号Ci
1Ci = 3.7 × 1010Bq
电子在高Z物质中减速（第二章详述）
• 特征X射线，离散能量
处于激发态的核外电子跃迁
• 同步辐射，单一能量
电子束在磁场中偏转 单色性和强度极好的X光源
18
中子源
• • • • 裂变 (α,n)反应 (γ,n)反应 聚变
19
辐射的来源
• 天然辐射
原生辐射：地球形成时留下的长半衰期放射性核素 宇生辐射：宇宙中星体的反应
• 比活度：单位质量的物体所含有的放射性活度， 单位：Bq/g, Bq/kg • 衰变常数������单位：s-1
4
射线的能量
• 带电粒子、中子的能量指的是其动能
������ =
1 ������������ 2 2 ������ ������
• 光子的能量
������ = ℎ������ = ℎ
ln 2 ������
2
=1 ������ 0 2
=
6
β 衰变
������ − • ������ ������ → ������ + ������ + ������ ������ ������+1 • 一个典型的β衰变的射线能谱（连续谱!）
7
常见的“纯”β衰变核素
8
内转换电子
• 原子核将能量������������������ 传递给核外电子,该电子获 得能量������������������ − ������������ （单一能量）后逃逸
原子核的衰变
• 原子核的衰变是最主要的辐射来源之一 • 单位时间内衰变的原子核数目称为活度
������ = ������������
A：活度，N：可衰变的原子核数目，λ：衰变常数
• 活度������的单位: 贝克勒尔，简称贝克，符合Bq • 活度������的常用单位：居里，符号Ci
1Ci = 3.7 × 1010Bq
电子在高Z物质中减速（第二章详述）
• 特征X射线，离散能量
处于激发态的核外电子跃迁
• 同步辐射，单一能量
电子束在磁场中偏转 单色性和强度极好的X光源
18
中子源
• • • • 裂变 (α,n)反应 (γ,n)反应 聚变
19
辐射的来源
• 天然辐射
原生辐射：地球形成时留下的长半衰期放射性核素 宇生辐射：宇宙中星体的反应
• 比活度：单位质量的物体所含有的放射性活度， 单位：Bq/g, Bq/kg • 衰变常数������单位：s-1
4
射线的能量
• 带电粒子、中子的能量指的是其动能
������ =
1 ������������ 2 2 ������ ������
• 光子的能量
������ = ℎ������ = ℎ
ln 2 ������
2
=1 ������ 0 2
=
6
β 衰变
������ − • ������ ������ → ������ + ������ + ������ ������ ������+1 • 一个典型的β衰变的射线能谱（连续谱!）
7
常见的“纯”β衰变核素
8
内转换电子
• 原子核将能量������������������ 传递给核外电子,该电子获 得能量������������������ − ������������ （单一能量）后逃逸
辐射源2015-1
制药、育种、造纸、冶金、仪表和钟表制
造、荧光灯生产等
• • • • • • • • •
料位高度测量 密度测量 输送量测量 厚度测量 包覆层厚度测量 水份测量 核测井 辐射加工 静电消除器
• 放射源的分类原则 • Ⅰ类放射源为极高危险源 • Ⅱ类放射源为高危险源 • .Ⅲ类放射源为危险源 • Ⅳ类放射源为低危险源
统称为低能光子源。
• 主要作为X射线荧光分析用源和薄层物质厚
度计、密度计的核子计用源以及作为刻度γ
射线探测器用的标准源
• γ辐射源 ：中、低活度γ密封源主要作为核
子计源、γ照相源和间质治疗及腔内治疗源。
高活度γ密封源可作为60Co治疗机用源或大、 中型工业辐射装置用源。 •
60Co源是所有已知的源中应用最广泛的源
X射线机的基本结构及其重要参数
• X射线机的基本结构：X射线管、高压发生器、控制系统和辅助设备
• X射线机的重要参数
– 总过滤：在 X射线输出容器处设置一块一定厚度的铝、锡或铜片用以滤
掉软X射线，相对提高X射线的穿透能力，这块过滤片称为X射线机的固
有过滤；对 X射线有用射束的进一步过滤称为附加过滤；固有过滤和附 加过滤厚度的总和称为总过滤。 – 管电流：供阴极灯丝的电流称为管电流，用mA表示，决定了X射线产生 的量（光子数）。 – 峰值电压：施加于X射线管两极的电压称为管电压，用kV表示；决定了 产生的X射线的品质 – 半值厚度（half value thickness, HVT）：又称为半值层（half value layer, HVL），是使一束X射线的光子数目减少到其初始值的 1/2时所需 的标准物质的线性厚度，单位是mm，用来表征X射线的品质
• 近距离治疗用的密封源 • 浅表治疗用的密封源
第1章 光辐射与光源_光源
ηe =
Φe × 100 0 0 P
ηv =
辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。 对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率
Φ λ dλ ∫ λ = × 100
1 e
Φv P
λ2
ηe∆λ
0
P
0
2. 光谱功率分布
光源发出的大都是单色光组成的复色光，而且在不同 频率上辐射出的光功率大小不同。常用光谱功率分布 来描述光功率和频率的这种关系，经过归一化后的光 功率分布称为相对光谱功率分布。如果被考虑的光源 是一个黑体，它的光谱功率分布可以用普朗克公式计 算出来。 在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要 求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐 射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得 较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤 钨灯、氙灯等，在紫外光光度计中，通常使用氙灯、 汞氙灯等紫外辐射较强的光源。
0 0 ∞ ∞
A2
34
2）对光源发光强度的要求 为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的 光源或辐射源的强度有一定的要求 3）对光源稳定性的要求 不同的光电位测系统对光源的稳定性有着不同的要求。 稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供 电。当要求较高时，可采用稳流电源供电，所用光源应预先 进行老化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然 后反馈控制光源的输出。计量用标准光源通常采用高精度仪 器控制下的稳流源供电
d L0 (λ , T ) c2 d T ≈ L0 (λ , T ) λT T
物理意义：c2/λT表示辐射体单位相对温度变化引起相对辐
亮度变化的比例，表征了辐射测温的灵敏度。 (b) 真实温度与辐亮度温度 由于辐射体的发射率总小于1，故T >Tb，即辐射体的实 际温度高于辐亮度温度。对具有确定工作波长的测温仪， 可通过预先标定的温度修正表，对测得的辐亮度温度和辐 射体的发射率进行查表，得到实际温度的修正值。
Φe × 100 0 0 P
ηv =
辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。 对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率
Φ λ dλ ∫ λ = × 100
1 e
Φv P
λ2
ηe∆λ
0
P
0
2. 光谱功率分布
光源发出的大都是单色光组成的复色光，而且在不同 频率上辐射出的光功率大小不同。常用光谱功率分布 来描述光功率和频率的这种关系，经过归一化后的光 功率分布称为相对光谱功率分布。如果被考虑的光源 是一个黑体，它的光谱功率分布可以用普朗克公式计 算出来。 在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要 求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐 射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得 较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤 钨灯、氙灯等，在紫外光光度计中，通常使用氙灯、 汞氙灯等紫外辐射较强的光源。
0 0 ∞ ∞
A2
34
2）对光源发光强度的要求 为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的 光源或辐射源的强度有一定的要求 3）对光源稳定性的要求 不同的光电位测系统对光源的稳定性有着不同的要求。 稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供 电。当要求较高时，可采用稳流电源供电，所用光源应预先 进行老化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然 后反馈控制光源的输出。计量用标准光源通常采用高精度仪 器控制下的稳流源供电
d L0 (λ , T ) c2 d T ≈ L0 (λ , T ) λT T
物理意义：c2/λT表示辐射体单位相对温度变化引起相对辐
亮度变化的比例，表征了辐射测温的灵敏度。 (b) 真实温度与辐亮度温度 由于辐射体的发射率总小于1，故T >Tb，即辐射体的实 际温度高于辐亮度温度。对具有确定工作波长的测温仪， 可通过预先标定的温度修正表，对测得的辐亮度温度和辐 射体的发射率进行查表，得到实际温度的修正值。
光源及辐射源
4）激光器：按工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、 燃料激光器和半导体激光器。
4
1.对光源发光光谱特性的要求
一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要 为增大光电检测系统的信号和信噪比，这里引入光源和 光电探测器之间光谱匹配系数的概念，以此描述两光谱特性 间的重合程度或一致性。光谱匹配系数α定义为：
式中 Mλ ——波长λ 处的单色辐射出射度； ——波长(m)； h——普朗克常数，其值为6.626×10-34 (J·s)； c——真空中光速，其值为2.998×108(m／s)； k——波尔兹曼常数，其值为1.38×10-23 (J/K)； T——绝对温度(K)；
8
利用上述普朗克公式可以导出以下各实用公式。
图3-10 高压电容火花
18
(3)高压交流电弧
高压交流电弧的简单线路原理如图3-11所示。
图3-11 高压交流电弧
(4)碳弧 炭弧主要用于照明，按其发光类型不同又可分为普通炭弧、火焰炭 弧和高强度炭弧。它们一般都采用直流供电，只有火焰炭弧可用交流供 电。
19
3.3.2 气体灯
照相机 脉冲氖灯
气体灯是将电极间的放电过程密封在泡壳中进行，所以又叫做封闭 式电弧放电光源。
第三章光源及辐射源31光源选择的基本要求和光源的分类32热光源33气体放电光源34固体发光光源35激光光源36新型电调制红外光源按照光波在时间空间上的相位特征一般将光源分成相干光源非相干光源还有低相干光源如图
第三章 光源及辐射源
本章主要内容
3.1 光源选择的基本要求和光源的分类 3.2 热光源 3.3 气体放电光源 3.4 固体发光光源 3.5 激光光源 3.6 新型电调制红外光源
光电材料课件 第一章辐射源极其特性
Km 683 lm /W
在可见光范围之外， 视见函数基本为0
人眼对可见光区域外
光度学参量只适用于电磁波谱中很窄的可没有见视光觉区反应域
第二节：朗伯辐射体及其辐射特性
• 定义：
– 各方向的辐亮度不变的辐射体称为朗伯辐射体
• 常见的朗伯辐射体
– 荧光屏 – 绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。
表示以上各辐射度学参量的光谱分布特征
名称
光谱辐射功 率
光谱辐射出 射度
光谱辐射强 度
光谱辐射亮 度
光谱辐射照 度
符号
意义
在指定波长处单位波长间
P 隔的辐射功率
在指定波长处单位波长间
M 隔的辐射出射度
I
在指定波长处单位波长间 隔的辐射强度
L
在指定波长处单位波长间 隔的辐射亮度
E
在指定波长处单位波长间 隔的辐射照度
第一章 辐射源及其特性
第一节：辐射度量及光度量
• 光电器件所接收到的辐射信息均为来自景 物的反射、散射或辐射的电磁波
• 本节目标：
– 掌握辐射度量的物理意义 – 灵活运用辐射度量和光度量进行计算
一、电磁波谱
108m的长电振荡到 10-16m的宇宙射线
全波段电磁波都可成为信息的载体
光辐射习惯上规定约从103μm到10-2μm，只占电磁波谱的一小部分。
E
L0
D 2
2
D 2
2
l
'2
1 4
L0
D l'
2
1
D 2l '
2
1 4
L0
D f'
2
l
l
f
' 2
第1章 光辐射与光源
3. 平衡热辐射
物体除了具有发射电磁波的本领外， 还具有吸收和反射电磁波的本领，物 体辐射的能量等于在同一时间内所吸 收的能量，物体达到热平衡，这种热 辐射就称为平衡热辐射。 辐射达到平衡时， 物体具有固定的温度。 以下只讨论平衡热辐射。
4. 光谱辐射出射度Mλ
也称单色辐射出射度。 Mλ定义： 单位时间内从 物体单位表面发出的 波长在 附近单位波长间隔内的
操作性定义：在101325牛顿/平方 米的压力下，处于铂凝固温度的绝对
黑体（2024K）的1/600000平方米表
面在垂直方向（法线）上的发光强度
为1cd。1坎就是在单位立体角内发出
1流明的光。
表1—2 常用光度学量的名称、符号与单位
名称 光量 光通量 符号 Qv Φv 单位 流明秒 流明 符号 lm· s lm
也是一个好的发射体
室温下，反射光
1100K，自身辐射光
一个黑白花盘子的两张照片
9. 模拟黑体
不透明材料空腔 O 开一个小孔。小孔 面积远小于空腔内 表面积，射入的电 磁波能量几乎全被吸收。 小孔能完全吸收各种频率的入射电磁波 而成为模拟黑体。
打开的窗子 近似黑体
10. 黑体的光谱辐射出射度 Mλ 的实验曲线
3 辐射强度 Ie 点辐射源在给定方向上通过单位立 体角内的辐射通量。单位：［W Sr-1］
dΦ I dΩ
θ
dS S
dP
d e d
• 立体角 立体角是以圆锥体的顶点为球心半径为1的球面 被锥面所截得的面积来度量的度量单位。单位为 球面度（steradian或者Sr）
• 单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体 角Ω截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分 所对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面 度。 • 对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积 dS ，它们对应的立体角为 dS cos
常用光辐射源
比 较：
2.1 黑体辐射
普朗克辐射公式 －－光谱辐射能分布
维恩位移定律 －－峰值波长
斯蒂芬－玻尔兹曼定律 －－总辐射出度
光光电电科科学学与与工程程学学院院
CColollelgeegeOOf fOOpptoteoleelcetcrtircicSSciceinenceceananddEEnngignineereirningg
Meb(,T)5(ec2c/1T 1)
降低武器平台的温度 后，红外辐射的峰值 波长的辐出度将按温
度5次方的关系向长波
斯蒂芬—玻尔兹曼定律的一个特殊形式 方向偏离．根据降低 ——黑体光谱辐射出射度峰值的表达式： 的温度数值，可以具
体计算武器平台红外
M BT ebλm
5 辐射的峰值是否移出 红外探测器的探测范 围，进而评估红外隐 身的效果．
3．维恩位移定律 Meb(,T)5(ec2c/1T 1)
2.1 黑体辐射
峰值波长
m T h/5 c k 28 ( μ9 m K )8
红外技术中，用维恩定律计算出某一温度的峰值 波长，以确定红外探测院院
CColollelgeegeOOf fOOpptoteoleelcetcrtircicSSciceinenceceananddEEnngignineereirningg
2.1 黑体辐射
能够在任何温度下全部吸收所有波长辐 射的物体叫绝对黑体－－简称黑体
M e(b ,T )(,T )E e(b ,T )
辐射出度
辐射照度
(,T)1
－－黑体
(,T)1
－－其他物体
光光电电科科学学与与工程程学学院院
CColollelgeegeOOf fOOpptoteoleelcetcrtircicSSciceinenceceananddEEnngignineereirningg
第二章-光辐射与光源精选版
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。
yyty
3
§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。
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。
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。
yyty
5
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
yyty
3
§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。
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。
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。
yyty
5
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
光辐射产生的条件
光辐射产生的条件
光辐射产生的条件主要取决于能量（或者说频率）。
具体来说，高能量（频率）的光辐射，例如伽马射线，通常来自原子核的衰变。
而黑体辐射，可以来自任何温度高于0K的物体。
例如，宇宙背景辐射为3K的微波辐射，温
热的物体可以发射红外线，温度更高一些，比如烧红的铁、玻璃或白炽灯开始发射可见光，温度达到太阳表面6000K的黑体辐射，则同时包括红外、
可见和紫外光。
此外，放电现象也可以产生光辐射。
例如，汞灯和空心阴极灯可以发出紫外线，而霓虹灯是稀有气体中的放电现象，会发出可见光。
有的物质还有荧光、磷光性质，即吸收一定波长的光子之后，将其能量通过在另一个特定的、长于吸收波长的波长发射光子而释放出来。
总的来说，光辐射产生的条件主要取决于能量（或者说频率）以及物质所处的状态。
如需更多关于光辐射产生条件的细节信息，建议咨询天文学家或查阅关于光辐射的专业书籍。
常用光辐射源(1)
(,T ) 1
(,T ) 1
灰体的光谱辐射分布与黑体的光谱辐射分布形状 相似，最大值的位置也一致－－常将热辐射体按 灰体或黑体计算。
3．维恩位移定律
M eb(,T )
c1
5 (ec2 / T
1)
2.1 黑体辐射
峰值波长
mT hc / 5k 2898 (μm K)
例2 红外遥感
伪彩色图： 颜色—温度
1.发射率和基尔霍夫定律
2.1 黑体辐射
光谱发射率：
(,T )
Me (,T )
Meb (,T )
基尔霍夫定律：
Me1(,T ) 1(,T )
Me2(,T ) 2(,T )
Meb(,T ) b(,T )
－－强吸收体必是强发射体！！！
峰值波长和温度的关系： 温度升高 向短波方向移动
2．普朗克辐射公式
例1：烧红的火钳
0.6 微米
0.7 8微米 3~5微米
温度高－－通红
温度低－－暗红
8~14 微米
例2：典型军事目标辐射
2．普朗克辐射公式
高温体热辐射 1~5 微米
常温体热辐射 8~14 微米
温度升高，辐射的峰值波长向短波方向移动
重要概念－－灰体
第02章 常用光辐射源
光辐射源分类:
自然光源
--被动探测系统
人工光源 --主动探测系统
本章介绍：热辐射光源 气体放电光源
激光器
发光二极管
第02章 常用光辐射源
2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4* 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管
(,T ) 1
灰体的光谱辐射分布与黑体的光谱辐射分布形状 相似，最大值的位置也一致－－常将热辐射体按 灰体或黑体计算。
3．维恩位移定律
M eb(,T )
c1
5 (ec2 / T
1)
2.1 黑体辐射
峰值波长
mT hc / 5k 2898 (μm K)
例2 红外遥感
伪彩色图： 颜色—温度
1.发射率和基尔霍夫定律
2.1 黑体辐射
光谱发射率：
(,T )
Me (,T )
Meb (,T )
基尔霍夫定律：
Me1(,T ) 1(,T )
Me2(,T ) 2(,T )
Meb(,T ) b(,T )
－－强吸收体必是强发射体！！！
峰值波长和温度的关系： 温度升高 向短波方向移动
2．普朗克辐射公式
例1：烧红的火钳
0.6 微米
0.7 8微米 3~5微米
温度高－－通红
温度低－－暗红
8~14 微米
例2：典型军事目标辐射
2．普朗克辐射公式
高温体热辐射 1~5 微米
常温体热辐射 8~14 微米
温度升高，辐射的峰值波长向短波方向移动
重要概念－－灰体
第02章 常用光辐射源
光辐射源分类:
自然光源
--被动探测系统
人工光源 --主动探测系统
本章介绍：热辐射光源 气体放电光源
激光器
发光二极管
第02章 常用光辐射源
2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4* 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管
光辐射与光源
（1） 分布温度
光源分布温度是在一定谱段范围内光源光谱辐亮度曲 线和黑体的光谱辐亮度曲线成比例或近似地成比例时的黑 体温度，因而分布温度可描述光源的光谱能量分布特性。
与黑体光谱能量分布近 似的发射体可用分布温度的 概念，例如白炽灯在可见谱 段内的光谱辐射特性和黑体
的十分近似。
∫ λ2 {1− M (λ) }2dλ ⇒ min
讨论： 举例说明
漆黑环境中的人和铁丝网的温差
温度低
温度高 －－自然光源，如太阳、导弹尾焰、人体等，可组成
被动探测系统，其信息源直接来自目标自身的辐射或外 来光辐射，它没有人为的光发射系统，如天文光电探测、 红外跟踪制导、微光夜视仪······
半 导 体 激 光 器
－－人工光源，如黑体辐射器、白炽灯、激光器等，
1 辐(射)效率与发光效率
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
ηe
=
Φe P
×100 0 0
ηv
=
Φv P
辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。
对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率
第1章 光辐射与光源 ——光源
第1章 光辐射与光源
1.1 辐射的基本概念 1.1.1 辐射度量 1.1.2 光度量 1.1.3 朗伯辐射体及其辐射特性 1.1.4 典型光辐射量计算 1.2 热辐射基本定律 1.2.1 基本定律 1.2.2辐亮度和基本辐亮度守恒
1.3光源基本特性参数和光源的 选择 1.3.1 光源基本特性参数 1.3.2 光源的选择 1.3.3 光源的分类
第3章-光源及辐射源
研究黑体辐射的最基本公式是普朗克公式(Planck's law)，它给出了绝 对黑体在绝对温度为T 时的光谱辐射出射度：
2c 2 h M 5 hc / kT e 1
31
第3章 光源及辐射源
3.2 热光源
3.2.1 黑体及黑体光强标准器
2c 2 h M 5 hc / kT e 1
问：上面这些光源各属于哪种类型？
22
第3章 光源及辐射源
3.1 光源选择的基本要求和光源的分类
试想我们对一个光电检测系统的光源通常都有哪方面的要求？
1. 波长（光谱）特性
2. 发光强度 （光功率）
3. 光源稳定性（强度、波长） ….
23
第3章 光源及辐射源
3.1 光源选择的基本要求和光源的分类
1.对光源发光光谱特性的要求
35
第3章 光源及辐射源
能量的分布：
36
第3章 光源及辐射源 2. 腔型黑体辐射源 按照物理学的原理可知，等温密闭空腔中的辐射是黑体辐射。 构成：黑体芯子、加温绕组、测温计和温度控制器等部分组成。
腔型黑体辐射源 难点：如何控制温度稳定
37
第3章 光源及辐射源
常用的黑体芯子四种基本结构：锥形腔、柱形 腔、球形腔和倒置锥形腔。
第3章 光源及辐射源
1
每周案例
第3章 光源及辐射源
这是什么？
2
每周案例
第3章 光源及辐射源
这是什么？
如何知道它的温度？
3
如何测量？
第3章 光源及辐射源
热电偶Thermocouple /wiki/Thermocouple
4
如何测量？
第3章 光源及辐射源
2c 2 h M 5 hc / kT e 1
31
第3章 光源及辐射源
3.2 热光源
3.2.1 黑体及黑体光强标准器
2c 2 h M 5 hc / kT e 1
问：上面这些光源各属于哪种类型？
22
第3章 光源及辐射源
3.1 光源选择的基本要求和光源的分类
试想我们对一个光电检测系统的光源通常都有哪方面的要求？
1. 波长（光谱）特性
2. 发光强度 （光功率）
3. 光源稳定性（强度、波长） ….
23
第3章 光源及辐射源
3.1 光源选择的基本要求和光源的分类
1.对光源发光光谱特性的要求
35
第3章 光源及辐射源
能量的分布：
36
第3章 光源及辐射源 2. 腔型黑体辐射源 按照物理学的原理可知，等温密闭空腔中的辐射是黑体辐射。 构成：黑体芯子、加温绕组、测温计和温度控制器等部分组成。
腔型黑体辐射源 难点：如何控制温度稳定
37
第3章 光源及辐射源
常用的黑体芯子四种基本结构：锥形腔、柱形 腔、球形腔和倒置锥形腔。
第3章 光源及辐射源
1
每周案例
第3章 光源及辐射源
这是什么？
2
每周案例
第3章 光源及辐射源
这是什么？
如何知道它的温度？
3
如何测量？
第3章 光源及辐射源
热电偶Thermocouple /wiki/Thermocouple
4
如何测量？
第3章 光源及辐射源
辐射源及其特性 光电成像课件
到达地面的太阳辐射有衰减， 且各波段的衰减不均衡；在多 个波段有凹陷；
到达地面的太阳辐射分布与太 阳高度、大气状态等关系很大。
光电成像原理 5
光电成像原理 6
地球
地球表面的辐射主要由反射和散射 的太阳辐射以及自身热辐射组成。
白天，以反射和散射太阳辐射为主， 地球辐射分布与太阳类似，峰值波 长位于0.5 m 附近，辐射波段集中 在0.3～2.5 m波段。
大气散射的性质与强度取决于大气分子或气溶胶粒子的半径及被散 射光的波长。
大气散射形式主要有：选择性散射－－瑞利(Rayleigh)散射、米氏 (Mie)散射 无选择性散射
瑞利散射
半径a小于波长的1/10以下的微粒引起的散射。 4
光电成像原理 19
大气分子对可见光的散射为瑞利散射。 波长愈短，散射能力愈强。 瑞利散射对不同波长的电磁波有不同的散射能力，属于选择性散射。 大气分子的密度、大小随季节、纬度、气候条件而变动，不同地区
光电成像原理 10
➢ 气体放电灯——根据气压不同，气体发光原理不同，发出 的光辐射性质不同，可以是线光谱，也可以是连续光谱。
分为低压、高压和超高压三类，低压汞灯、镝灯，高压汞 灯，高压氙灯等 ➢ 半导体发光二极管——P型半导体和N型半导体组合而成， 电致发光。
红光二极管、红外发光二极管，白光二极管 ➢ 激光光源——准直单色光
大气散射系数 大气吸收系数
m p m p
k m m p p
大气透过率
m
•
m
•
p
•
p
光电成像原理 24
4、大气窗口
电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。
光电成像原理 25
典型的大气窗口有：
到达地面的太阳辐射分布与太 阳高度、大气状态等关系很大。
光电成像原理 5
光电成像原理 6
地球
地球表面的辐射主要由反射和散射 的太阳辐射以及自身热辐射组成。
白天，以反射和散射太阳辐射为主， 地球辐射分布与太阳类似，峰值波 长位于0.5 m 附近，辐射波段集中 在0.3～2.5 m波段。
大气散射的性质与强度取决于大气分子或气溶胶粒子的半径及被散 射光的波长。
大气散射形式主要有：选择性散射－－瑞利(Rayleigh)散射、米氏 (Mie)散射 无选择性散射
瑞利散射
半径a小于波长的1/10以下的微粒引起的散射。 4
光电成像原理 19
大气分子对可见光的散射为瑞利散射。 波长愈短，散射能力愈强。 瑞利散射对不同波长的电磁波有不同的散射能力，属于选择性散射。 大气分子的密度、大小随季节、纬度、气候条件而变动，不同地区
光电成像原理 10
➢ 气体放电灯——根据气压不同，气体发光原理不同，发出 的光辐射性质不同，可以是线光谱，也可以是连续光谱。
分为低压、高压和超高压三类，低压汞灯、镝灯，高压汞 灯，高压氙灯等 ➢ 半导体发光二极管——P型半导体和N型半导体组合而成， 电致发光。
红光二极管、红外发光二极管，白光二极管 ➢ 激光光源——准直单色光
大气散射系数 大气吸收系数
m p m p
k m m p p
大气透过率
m
•
m
•
p
•
p
光电成像原理 24
4、大气窗口
电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。
光电成像原理 25
典型的大气窗口有：
第1章 光信息源及其特性、光辐射的度量
第1章光信息源及其特性、光辐射的度量内容提要：光是电磁波波谱中波长范围为1 nm~1 mm或者频率在3×1017Hz~3×1011Hz范围的电磁辐射，是能量与信息的载体，可见光是波长为380 nm~780 nm的电磁辐射，可见光刺激人眼产生人眼的视觉效应，同时光也产生热效应，可以用主观和客观两种度量体制即辐射度学和光度学来度量光；光具有波动性和粒子性，利用光的波动性可以研究光在介质和自由空间以及光电系统中的传播规律；光的粒子性和材料的光电特性是光电信息转换器件的物理基础。
本章主要介绍光的特性、光的度量、常见的光源及其特性和光传播的几个基本定理，为后续章节奠定基础。
1.1 光的特性1.1.1 光的波动性在图1.1所示，从无线电波到γ射线的整个电磁波谱中，光辐射只是波长从1 nm~ 1 mm(频率为3×1017Hz~3×1011Hz)范围的电磁辐射，它包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。
可见光是波长为380 nm~780 nm 的光辐射，这一波段范围的电磁波能被人眼所感知。
图1.1光在电磁波谱中的分布麦克斯韦方程组给出了电场E、磁场H、电位移D、磁通密度B、电流密度J以及电荷密度ρ之间的关系，其微分形式是：t ∂∇⨯=-∂BE (1.1a) t ∂∇⨯=+∂DH J (1.2a) ρ∇⋅=D (1.3a)0∇⋅=B (1.4a)积分形式是：d d c A l S t∂⋅=⋅∂⎰⎰⎰BE (1.1b)d d c A l S t με∂⋅=⋅∂⎰⎰⎰EB (1.2b)d 0AS ⋅=⎰⎰B (1.3b) d 0aS ⋅=⎰⎰E (1.4b)表达式(1.1a)、(1.1b)为法拉第电磁感应定律，式(1.2a)、(1.2b)为安培环路定律，式(1.3a)、(1.3b) 和(1.4a)、(1.4b)为高斯电磁定律。
μ为介质磁导率，ε为介质电导率，在真空中μ0=1.256×10-6 Ns 2，ε0=8.85×10-12 C 2N -2m -2。
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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)
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？
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@
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
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
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）
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
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。
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
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
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？
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
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）
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？。
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
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
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
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
IHale Waihona Puke L dAcosSl0
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
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：
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 ( )
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。
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)
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？
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@
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
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
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）
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
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。
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
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
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？
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
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）
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？。
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
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
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
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
IHale Waihona Puke L dAcosSl0
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
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：
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 ( )
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。
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)