第一章-光电传感技术基础

余弦辐射体的辐射出射度
Me
de dA
Le0
例：常见的几种显示器
为了反映显示屏的特性，用上述哪个参数描述 合适？为什么？
为了描述显示器的每个局部面元在各个方向的辐射能力， 最适合的辐射度量是 （ ）
A 辐射照度
B 辐射强度
C 辐射出度
D 辐射亮度
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
6.辐效率和光效率
e Ied
各向同性点源发射的总 辐通量
4
e 0 Ied 4 Ie
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
立体角
球面度 （steradian， 符号∶sr）是立体 角的国际单位。立 体角为所对应的球 面表面积除以r2。 球表面积为4πr2， 因此整个球有4π个 球面度，即Ω=S/r2。
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
明视觉光谱光视效能
K
v e
单位：流明/瓦特（lm/W）
在波长555nm处，K有最大值，其数值为 Km=683lm/W。
光谱光视效能和光谱光视效率
暗视觉光谱光视效能
K
v e
在波长507nm处，K'有最大值，其数值为 K'm=1725lm/W。
标准钨丝灯的光视效能为17.1 lm/W
光谱光视效能和光谱光视效率
解： Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ =683×0.24×3×10-3 =0.492(lm)
辐射度物理量
对应的光度量
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
J
光量 Qv
Qv=v dt lm·s
辐射通量 e e＝dQe/dt
W 光通量 v
v=Iv d
5.辐亮度和光亮度
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。
Le
dI e
dA cos
d 2Φe
ddA cos
dS
S
单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。
d d
面辐射源沿不同方向的辐射能力的差异
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
有些辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角 无关，称为余弦辐射体或朗伯体
数每秒[1/s]。
1.2辐射度量参数与光度量参数的关系
辐射度参数与光度参数在可见光谱范围内经常相互使用，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 射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。
玻璃体
角膜 虹膜
晶状体
巩膜 脉络膜 视网膜
双极 细胞
杆 状 细 胞
锥 状 细 胞
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
1.辐射能和光能
辐射能是以辐射形式发射或传输的能量。 当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形 式的能量，如热能、电能等。
单位：焦耳J Qe h
Qe h 单位：lm˙s
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
2.辐射通量和光通量
辐射通量e又称为辐射功率，是指以辐射形式发
§1 光电传感技术基础
光电传感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。
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，并分别表示为p与E。
p h
c
式中h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光的振动频率 (s-1)；c为光在真空中的传播速度（3×108m·s-1）。
辐射通量 e e＝dQe/dt
W 光通量 v
v=Iv d
lm
辐射出射度 Me Me=de/dS W/m2 光出射度 Mv Mv=dv/dS lm/m2
辐射强度 Ie Ie=de/d
W/sr 发光强度 Iv
Iv=dv/d
cd
辐射亮度 Le Le=dIe/(dScos) W/m2·sr (光)亮度 Lv Lv=dIv/(dScos) cd/m2
三、光谱辐射分布与量子流速率
1.光源的光谱辐射分布参量
以符号Xv,λ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， 简称为光谱光度量，即
X v,
dX v
d
光源的辐射度参量Xe,λ随波长λ的分布曲线
称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。
三、光谱辐射分布与量子流速率 1.光源的光谱辐射分布参量
辐射照度 Ee Ee=de/dA W/m2 (光)照度 Ev Ev=dv/dA Lx
三、光谱辐射分布与量子流速率
1.光源的光谱辐射分布参量
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Xe,λ，简称为光谱辐射量，即
X e,
dxe
d
式中，通用符号Xe,λ是波长的函数，代表所有的光 谱辐射量。
3．辐射强度 Ie(,)
辐射源多为各向异性的，即Ie随 (,)方向而改变
超高压球形氙灯辐射强度分布
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
4.辐射出射度和光出度
辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量。 单位：瓦特每平方米（W/m2）
Me
dΦe dA
Me是用来反映面辐射源元的辐射能力
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
锥状感光细胞：明视觉光亮度大于 10-3cd/m2 λ明敏=0.555 μm
杆状感光细胞：暗视觉光亮度小于 10-3cd/m2 ，λ暗敏=0.507μm
光谱光视效能和光谱光视效率
光谱光视效能：光视效能描述某一波长的单色光辐射 通量可以产生多少相应的单色光通量。
同一波长下测得的光通量与辐射通量的之比，即
单位：瓦特每平方米（W/m2）
Ee
dΦe dA
不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。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。
二、与接收器有关的辐射度参数和光度参数
1.辐射照度和光照度
照度计（或称勒克斯计）是一种专门测量光度、亮度 的仪器仪表。物体表面所得到的光通量与被照面积之 比。照度与人们的生活有着密切的关系。不适或较差 的照明条件是造成事故和疲劳的主要原因之一。
A 光谱光视效能 B 光谱光视效率 C 发光效率 D 辐射效率
提交
1.3 物体热辐射
发射辐射能量两种形式：热辐射和发光 1.热辐射
靠加热保持一定温度使内能不变而持续辐 射的辐射形式成为物体热辐射。
凡能发射连续光谱，且辐射是温度函数的物 体叫热辐射体。
一、黑体辐射定律
1.黑体
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 意波长辐射能的物体称为黑体。黑体的吸收系数 为1，发射系数也为1。
单色光视效率是K用Km归一化的结果，定义为 明视觉光谱光视效率
V
K Km
1 Km
v e
暗视觉光谱光视效率
V
K Km
1 Km
v e
光谱光视效能和光谱光视效率
1.0
0.8
V'
V
0.6
光视 效 率
0.4
0.2
0.0
400
500
600
700
800
波 长 (nm)
例：
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？
t
He 0 Eedt
物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内 的积分称为曝光量Hv即
t
Hv 0 Evdt
辐射度单位和光度单位两套不同的体系。
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。
1.1光辐射的度量
一种是物理的（客观）度量方法，与之相对应的为 辐射度量参数，它适用于整个电磁辐射谱区域，对辐 射量进行物理计量。
另一种是从人眼生理（主观）上对辐射量进行计量， 以辐射对大脑的刺激程度进行辐射计量，称之为光度 量参数。只适用于380nm～780nm的可见光谱区。
物理量符号标角标“e，emission”表示辐射度 物理量，角标“v，visible”表示光度物理量。
照度计使用线性好的硒(Se)光电 池或硅(Si）光电池;光电池前加一 块余弦角度补偿器(乳白玻璃或白 色塑料)。
二、与接收器有关的辐射度参数和光度参数
本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反 射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度 Mer（λ）（r 代表反射）与辐射体接收的光谱辐照 度Ee（λ）的关系为
流速率dNe,λ，即
dNe,
dΦe hv
Φe,d
hv
光源在波长λ为0→∞范围内发射的总量子流速率
Ne
Φe,d Φe, max
0 hv
hc
0
Φe,r
d
三、光谱辐射分布与量子流速率
2 量子流速率
对可见光区域，光源每秒发射的总光子数
Nv
0.7 Φ 8 e, d
0.38 hc
量子流速率Ne或Nv的计量单位为辐射元的光子
M er e ()Ee ()
式中，ρe（λ）为辐射度光谱反射比，是波长的函 数。
二、与接收器有关的辐射度参数和光度参数
地面照度
满月在天顶时大约是0.2lx
白天光约104lx
星光大约10-3lx
黄昏约10lx
二、与接收器有关的辐射度参数和光度参数
2.曝辐量和曝光量
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，即
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；
v
Φv P
e
Φe P
100 0 0
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]。
二、与接收器有关的辐射度参数和光度参数
1.辐射照度和光照度
在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元 dA上的辐射通量与该面元的面积之比。
射、传播或接收的功率。
单位时间内流过的辐射能量。
单位：瓦特 W
e
dQe dt
v
dQv dt
单位：流明lm
一、与光源有关的辐射度参数和光度参数
3.辐强度和发光强度
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）
Ie
dΦe d
S d
de
点光源在有限立体角Ω内 发射的辐通量
单选题 1分
点光源在给定方向的立体角dΩ内发射的辐射通量 称为
A 辐射出射度 B 辐射亮度 C 辐射强度 D 辐射能
提交
单选题 1分 可见光的波长范围为：
A 380nm——760nm B 350nm——780nm C 380nm——780nm D 300nm——800nm
提交
多选题 1分
将辐射量转换为光度量可通过（ ）
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，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（cd）。光度学只适用于可见光 波段。
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常用辐度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
对应的光度量
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
J
光量 Qv
Qv=v dt lm·s
可见光光子的能量范围为3.2～1.6eV
电磁波：宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）
无线电波
远红外 红外 可见光 近红外
紫外 γ射线 X射线
宇宙射线
103 106 109 1012
1015 1018
电磁辐射光谱的分布
1021 1024 f /Hz
通常所说的光学区域或光学频谱包括：红 外线(1 mm ~ 0.78m) 、可见光(780 ~ 380 nm)和紫 外线(380 ~ 10 nm) 。
lm
辐射出射度 Me Me=de/dS W/m2 光出射度 Mv Mv=dv/dS lm/m2
辐射强度 Ie Ie=de/d
W/sr 发光强度 Iv
Iv=dv/d
cd
辐射亮度 Le Le=dIe/(dScos) W/m2·sr (光)亮度 Lv Lv=dIv/(dScos) cd/m2
辐射照度 Ee Ee=de/dA W/m2 (光)照度 Ev Ev=dv/dA Lx
1861年基尔霍夫提出并引入到热力学中
一、黑体辐射定律
2.普朗克辐射定律
黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度
Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示为
M e,s,
2πc 2 h
hc
5 (e kT 1)
式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T 为绝对温度；c为真空中的光速。
一、黑体辐射定律
2.普朗克辐射定律
黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别
为
Le,s,
2c2h
hc
5 (ekT 1)
I e,s,
2c2hA cos
hc
5 (ekT 1)
一、黑体辐射定律
MB (10-7 × W / m2 ·m) 10
6000K 可见光
光源的相对光谱辐射量
X e, X e,r
X e, max
相对光谱辐射量Xe,λr与波长λ的关系称为光源相
对光谱辐射分布。
三、光谱辐射分布与量子流速率
2 量子流速率
光源在给定波长λ处, 由λ到λ+Δ λ波长范围内发射
的辐射通量dΦe除以该波长λ的光子能量hv，得到光 源在该波长λ处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子