第二章光辐射和光源
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打印 第二章 光度与辐射度基础
MP
E E
P A P EP A
2 L A cos M A E A
34
I
——红外技术及应用
注:
1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差， “辐射”——“光”。 2. 下角标有e、λ、p、ν，辐射量在与其它量同用时 标e。 3. 从表达式可直接说出定义及物理意义 4. 从表达式可直接说出单位 5. 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注意 一个是发射，一个是接收。
面积为大球面积减去小球面积
2R 2 (cos 1 cos 2 ) 2 (cos 1 cos 2 ) 2 R
10
——红外技术及应用
3、用球坐标表示立体角
11
——红外技术及应用
3、用球坐标表示立体角 • 微小面积
dS r 2 sin d d
• 则dS对应的立体角为 • 计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可。
26
——红外技术及应用
光视效率:
K V Km
（物理意义： 以光视效能最大处的波长为基准来衡量其 波长处引起的视觉。） 在相同的辐射能量下，看到的亮度不同。 具体某个波长上的光视效率称为光谱光视效率： K ( ) V ( ) Km
27
——红外技术及应用
★几点说明：
• • • • 1.对于相同的辐射能量，光视效率不同。 2.“光视效率的最大值在λ=555nm处”是实验证明。 3.绝大部分人眼符合此规律，略有小差异（尤其在可见 光波段两端）。 4.通过这个结论，可知辐射量与光度量的换算关系
16
——红外技术及应用
2.辐射出射度：M
• 数学描述：若辐射源的微小面积△A向半球空间 的辐射功率为△Φ，则△Φ与△A之比的极限值定 义为辐射出射度. 单位：w/㎡ M lim
第2章第2部分辐射温度及辐射源
辐射体的温度 P39
温度和波长是描述黑体热辐射能量的重要参
数，黑体的=1
对于非黑体的辐射体，其发射的热辐射能量 或辐射特性也可以用温度和波长来描述
非黑体分为灰体和选择体，二者发射的辐射
能都比黑体的小，即辐射发射率<1，而且： - 灰体的 =小于1的常数，与波长无关 - 选择体的随波长变化
辐射发射率
折反镜
红外平行光管
差分黑体源与红外平行光管
折反镜
黑体源
双黑体源与红外平行光管
2.4.2 自然辐射源
在自然界中，太阳、月球、地面、行星、恒 星、云层和大气都是热辐射的自然辐射源。
太阳、地球、行星是宇宙空间的点源，可用 于宇宙飞船的定向。
太阳和地球的热辐射可用来确定人造地球卫 星表面的受热温度。
• 在黑体源的实际应用中，往往需要通过红外平行光管将 黑体目标(即靶标形状的黑体辐射)投射到无穷远。
• 红外平行光管一般采用离轴抛物面反射镜。
• 由于靶标与环境温度一致，所以环境温度的波动将影响
到测试结果，只适用于实验室等环境温度波动不大的环
境。
黑体源及靶 标轮
黑体源及 靶标轮
离轴 抛物面
离轴 抛物面
➢ 所谓“和黑体有相近色”并不严格，相近可表示很接 近，也可以是相差甚远但却能找到一个与某温度黑体 的色最近似的相关色温值，因此上图中直线族的长度 是有限度的，约与±15麦克亚当(MacAdam)阈值单位 (表示人眼恰能分辨色差异阈值的单位)相当；
➢ “色差异多大就不能用相关色温表示”也不完全准确， 等相关色温线提供了衡量待测色和黑体色之间近似差 异程度的可能，任意发射体的色坐标离普朗克轨迹越 远，用黑体色来描述发射体色的可能性就越小。
第二章 光电检测中的常用光源
2．3． 1 脉冲灯 这种灯的特点是在极短的时间内发出很强的光辐射，其结构和工作电路原理如图 2− 8 所示。直流电源 电压 U0 经充电电阻 R，使储能电容 C 充电到工作电压 Uc。Uc 一般低于脉冲灯的自击穿电压 Us，而高于灯 的着火电压 U Z。脉冲灯的灯管外绕有触发丝。工作时在触发丝上施加高的脉冲电压，使灯管内产生电离火 花线，火花线大大减小了灯的内阻，使灯“着火” 。电容 C 中储存的大量能量可在极短的时间内通过脉冲 灯，产生极强的闪光。除激光器外，脉冲灯是最亮的光源。
2．2． 3 白炽灯 白炽灯是光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐射曲 线相差约 0.5％，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差 2％。此外，它的发光特性稳定，寿命长，使 用和量值复现方便，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。 白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和卤钨灯等，光辐射由钨丝通电加热发出。真空钨丝白炽 灯的工作温度为 2 300～ 2 800 K，发光效率约 10 lm／ w。钨的熔点约为 3680 K，进一步增加白炽灯的工作 温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从而使寿命骤减。 充气钨丝白炽灯，由于在灯泡中充人和钨不发生化学反应的氩、氮等惰性气体，使由灯丝蒸发出来的 钨原子在和惰性气体原子碰撞时，部分钨原子能返回灯丝。这样可以有效地抑制钨的蒸发，从而使白炽灯 的工作温度可以提高到 2 700~3 000 K，相应的发光效率提 高到 17 lm／ W。 如果在灯泡内充人卤钨循环剂(如氯化碘、溴化硼等)， 在一定温度下可以形成卤钨循环， 即蒸发的钨和玻璃壳附近 的卤素合成卤钨化合物， 而该卤钨化合物扩散到温度较高的 灯丝周围时，又分解成卤素和钨。这样，钨就重新沉积在灯 丝上， 而卤素被扩散到温度较低的灯泡壁区域再继续与钨化 合。这一过程称为钨的再生循环，如图 2− 7 所示。卤钨循 环进一步提高了灯的寿命。灯的色温可达 3 200 K，发光效 率也相应提高到 30 lm／W。
第二章_热辐射定律及标准光源
光束发散角极小 0.1mrad 单色性好 相干长度长 功率密度高 如何实现？ 首先要有能实现能级粒子束反转的工作物
质 还必须建立谐振腔 造成连锁反应 雪崩放大
常用的激光器
气体激光器：He-Ne激光器、氩离子激光器、 二氧化碳激光器等
固体激光器：红宝石激光器、玻璃激光器、 YAG激光器等
待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某 一温度Tc时的黑体颜色相同(色品相同)则 称Tc为该辐射体光源的颜色与色温的色温 度。简称色温Tc(单位:Ｋ)
２.相关色温：
在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体 色品最接近的色温度称之为相关色温用Ｔ 表示（单位：Ｋ）
各光源的色温
u-v色度图中黑体轨迹和等色温线
第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用
储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实 验室（HLS）；第三代同步辐射光源是基
于性能更高的同步辐射专用储存环的专用 机，如上海光源(SSRF)。
上海光源的先进性
性能价格比高：储存环的能量3.5GeV，在中能区光源中能量最高，性能优化 在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展，不仅可在光子能 量为1~5keV产生最高耀度的同步辐射光，而且在5~20keV光谱区间可产生性 能趋近6~8GeV高能量光源所产生的高耀度硬X光；
全波段：波长范围宽，从远红外直到硬X射线，且连续可调。利用不同波长的 单色光，可揭示用其他光源无法得知的科学秘密；
高强度：总功率为600千瓦，是Ｘ光机的上万倍。光通量大于1015光子/ （S.10－3bw）。高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以 控制的实验以及医学、工业应用提供了可能;
4.光谱辐射本领: Me(,T )
面元s在单位面M积e (,单,T位) 波 d长d范e(d围s) 内辐射量:
质 还必须建立谐振腔 造成连锁反应 雪崩放大
常用的激光器
气体激光器：He-Ne激光器、氩离子激光器、 二氧化碳激光器等
固体激光器：红宝石激光器、玻璃激光器、 YAG激光器等
待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某 一温度Tc时的黑体颜色相同(色品相同)则 称Tc为该辐射体光源的颜色与色温的色温 度。简称色温Tc(单位:Ｋ)
２.相关色温：
在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体 色品最接近的色温度称之为相关色温用Ｔ 表示（单位：Ｋ）
各光源的色温
u-v色度图中黑体轨迹和等色温线
第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用
储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实 验室（HLS）；第三代同步辐射光源是基
于性能更高的同步辐射专用储存环的专用 机，如上海光源(SSRF)。
上海光源的先进性
性能价格比高：储存环的能量3.5GeV，在中能区光源中能量最高，性能优化 在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展，不仅可在光子能 量为1~5keV产生最高耀度的同步辐射光，而且在5~20keV光谱区间可产生性 能趋近6~8GeV高能量光源所产生的高耀度硬X光；
全波段：波长范围宽，从远红外直到硬X射线，且连续可调。利用不同波长的 单色光，可揭示用其他光源无法得知的科学秘密；
高强度：总功率为600千瓦，是Ｘ光机的上万倍。光通量大于1015光子/ （S.10－3bw）。高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以 控制的实验以及医学、工业应用提供了可能;
4.光谱辐射本领: Me(,T )
面元s在单位面M积e (,单,T位) 波 d长d范e(d围s) 内辐射量:
《光纤传输技术》第二章 光源与光探测器
高速调制时激光器的输出谱线
动态单纵模激光器
为降低光纤色散，希望光源的谱宽尽可 能窄，要求激光器工作在单纵模状态。 在高速调制下仍然可以工作在单纵模的 半导体激光器称为动态单纵模激光器。 实现动态单纵模的方法很多，应用最为 广泛的是分布反馈式激光器。
分布反馈式激光器
结构与F－P激光器不同，不靠解理面形成 的谐振腔工作，而是依赖沿纵向分布的光栅 工作。
P-I特性
存在阈值电流Ith：当注入电流小于Ith时， 自 发 辐 射 发 光 ； 当 注 入 电 流 超 过 Ith 时 ， 受激辐射发光；输出功率与注入电流基 本保持线性关系。
对温度很敏感：随着温度的升高，阈值
电流增大，发光功率降低。需进行温度
控制。有
I th
(T
)
I0
exp
T ( T0
)
LD组件内部结构
半导体PN结光源
发光二极管的工作原理：PN结在正向偏 置时，N区的电子及P区的空穴会克服内建 电场的阻挡作用，穿过结区(扩散运动超过 漂移运动)，从P区到N区产生净电流。电子 与空穴在扩散运动中产生复合作用，释放 出光能，实现发光。这种发光是一种自发 辐射，所以发出的是荧光。由于这种发光 是正向偏置把电子注入到结区的，又称为 电致发光。
半导体激光器的光谱
半导体激光器的发光谱线较为复杂，会 随着工作条件的变化而发生变化。
当注入电流低于阈值电流时，激光器发 出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到 阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强 ，出现激光；当注入电流进一步增大， 主模的增益增加，而边模的增益减小， 振荡模式减少，最后会出现单纵模。
温度升高时激光器的发射谱的峰值波长 向长波长方向移动
调制特性——LD模拟调制
初中物理知识点精细笔记-第二章_光现象(期中考试复习)
第二章 光现象第一节 光的传播1. 光现象：包括光的直线传播、光的反射和光的折射。
2. 光源： 的物体叫做光源。
●光源按形成原因分，可以分为 和 。
例如，自然光源有太阳、萤火虫等，人造光源有如蜡烛、霓虹灯、白炽灯等。
● 月亮 光源，月亮本身不发光，只是反射太阳的光。
3. 光的直线传播：光在 是沿直线传播的，光的传播 。
● 光沿直线传播的现象：小孔成像（其光路图见图2-1）、井底之蛙、影子、日食、月食、一叶障目。
● 光沿直线传播的应用： 、 、 、 等。
●在光沿直线传播的现象中，光路是 。
● 小孔成像的特点：在光屏上形成 。
像的形状与 的形状无关。
4. 光线：用一条带有箭头的直线表示光的径迹和方向的直线。
光线是由一小束光抽象而建立的理想物理模型， 是研究物理的常用方法之一。
5. 显示光路的方法：① 让光线通过烟雾。
② 让光线通过加牛奶的水。
③ 让光线沿着某一物体的表面射出。
6. 光速： ● 真空中的光速通常取c ＝3×108m/s ＝3×105km/s 。
● 真空中的光速是宇宙间最快的速度。
● 空气中的光速略小于真空中的光速。
● 光在水中的速度约为真空中光速的3/4。
●光在玻璃中的速度约为真空中光速的2/3。
● 介质的密度越大，光速越小。
(了解)7. 光年：光年等于光在1年内传播的距离。
第二节 光的反射1. 反射：光从一种介质射向另一种介质表面时，一部分光被反射回原来介质的现象叫光的反射。
*我们能够看见不发光的物体，是因为物体反射的光进入了我们的眼睛。
2. 探究实验：探究光的反射规律【设计实验】把一个平面镜放在水平桌面上，再把一张纸板ENF 竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON 垂直于镜面，如图2-2所示。
一束光贴着纸板沿着某一个角度射到O 点，经平面镜的反射，沿另一个方向射出，在纸板上用笔描出入射光EO 和反射光OF 的径迹。
改变光束的入射方向，重做一次。
光电技术
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（以下简称黑体）。它是具
有以下典型特征的物体：对任何波长的入射辐射，它的光谱吸收比 αb (λ,T )＝1 ，透射比
tb (λ,T )＝0 ，反射比 rb (λ,T )＝0 。在热平衡条件下，有关系式：
Meb (λ,T ) = α(λ,T ) ⋅ Eeb (λ,T )
自然辐射源较多。光电探测系统涉及到的自然辐射源，可以分为目标辐射（源）和背景 辐射（源）两类。探测目标或识别对象的辐射称为目标辐射，探测目标或识别对象以外的辐
λmT = hc / 5k = 2897.79(µm ⋅ K)
(2-7)
这就是维恩位移定律。
和 利用维恩位移定律，可以很方便地估算出在给定温度下黑体或近似黑体的物体在什么波
段范围内辐射出度最多。例如，太阳表面的温度约为 5900 K，其λm≈0.49µm，即在可见光波 段 0.49µm 附近太阳辐射的能量最多，这和人眼光谱光视效率最大值所对应的波长 0.55µm 很 近。在光电探测系统中，利用维恩位移定律计算出辐射源（目标）某一温度下的峰值波长， 以确定红外探测器工作的峰值波长，实现“光谱匹配”。
2.1.1 发射率和基尔霍夫定律
在一定温度下，黑体是所有辐射体中吸收辐射最多的物体，根据能量守恒定律，它必然
也是发射辐射最多的物体。定义辐射体的光谱辐射出度 Me (λ,T ) 与黑体在同温度下的光谱辐 射出度 M eb (λ,T ) 的比值为物体的光谱发射率，用 ε (λ,T ) 表示，即
ε (λ,T ) = Me(λ,T ) Meb (λ,T )
著名公式：
Meb (λ,T )
=
c1 λ 5 (ec2 / λT
第二章 光辐射在介质波导中的传播
同理可得 合成磁场：
H1x r, t 2 A sin 1
i t z
1
cos hx e
i t z
H1z r, t i
0
2 A cos 1
称 抗 式 中 ，阻 为 波
1 1
1
sin hx e
arctan
sin 1 n2 n1
2
cos 1
// arctan
sin 1 n2 n1
2
2
n2
n1 cos 1
2
tg / / tgTM
tg tgTE
(n1 / n2 ) 2 sin 2 i (n2 / n1 ) 2 cos i
其中： n 1 > n 2,且θ1 > θ c时， 产生全反射，
n2 c arcsin n1
当 cos 1 i sin 1 n1
2
2
n2 cos 1 i sin 1 n1
2
2
2
exp(i 2 )
即：
k1 sin 1 k1 sin 1 k 2 sin 2
k1 k1 / v1 , k 2 / v2
θ1=θ'1 n 1 sin θ1= n 2 sin θ 2
反射波振幅：菲涅尔(Fresnel)公式：
n1 cos 1 n2 cos 2 r , n1 cos 1 n2 cos 2 n2 cos 1 n1 cos 2 r/ / n1 cos 2 n2 cos 1
光纤： 阶跃折射率光纤： 原理：1854年，英国的Tyndall 石英光纤应用专利： 1927年，英国的Baird与美国的 Hansell申请。 玻璃光纤注光：1930年，德国人 细束光纤设计：1958年，美国的Kapany 第二吸收鞘引入：1958年，美国光学公司，为减少光纤 包层杂散光； 光纤激光器：1961年，美国的Snitzer研制。 渐变折射率光纤 专利：1963年，日本的西呎等人申请 产品：1968年，日本玻璃板公司研制。 1970年，美国Corning公司研制出20dB/km的低损耗光纤， 开始光纤通信产业化。
H1x r, t 2 A sin 1
i t z
1
cos hx e
i t z
H1z r, t i
0
2 A cos 1
称 抗 式 中 ，阻 为 波
1 1
1
sin hx e
arctan
sin 1 n2 n1
2
cos 1
// arctan
sin 1 n2 n1
2
2
n2
n1 cos 1
2
tg / / tgTM
tg tgTE
(n1 / n2 ) 2 sin 2 i (n2 / n1 ) 2 cos i
其中： n 1 > n 2,且θ1 > θ c时， 产生全反射，
n2 c arcsin n1
当 cos 1 i sin 1 n1
2
2
n2 cos 1 i sin 1 n1
2
2
2
exp(i 2 )
即：
k1 sin 1 k1 sin 1 k 2 sin 2
k1 k1 / v1 , k 2 / v2
θ1=θ'1 n 1 sin θ1= n 2 sin θ 2
反射波振幅：菲涅尔(Fresnel)公式：
n1 cos 1 n2 cos 2 r , n1 cos 1 n2 cos 2 n2 cos 1 n1 cos 2 r/ / n1 cos 2 n2 cos 1
光纤： 阶跃折射率光纤： 原理：1854年，英国的Tyndall 石英光纤应用专利： 1927年，英国的Baird与美国的 Hansell申请。 玻璃光纤注光：1930年，德国人 细束光纤设计：1958年，美国的Kapany 第二吸收鞘引入：1958年，美国光学公司，为减少光纤 包层杂散光； 光纤激光器：1961年，美国的Snitzer研制。 渐变折射率光纤 专利：1963年，日本的西呎等人申请 产品：1968年，日本玻璃板公司研制。 1970年，美国Corning公司研制出20dB/km的低损耗光纤， 开始光纤通信产业化。
(第二章)光现象《光现象》复习提纲 ,总结,知识点讲解
第二章光现象一、光的直线传播1．光源：定义：能够发光的物体叫光源。
光源有好多种；按形成原因分，可分为自然光源和人造光源；按发光原理分，可分为热光源和冷光源。
自然光源：太阳、萤火虫、灯笼鱼、斧头鱼、乌贼、水母等。
人造光源：手电筒、火把、油灯、蜡烛、白炽灯、日光灯、霓虹灯以及钠灯、汞灯、氖灯等。
热光源：太阳、手电筒、火把、油灯、蜡烛、电灯等。
冷光源：萤火虫、灯笼鱼、斧头鱼、乌贼、水母等。
【注意】月亮不是光源，月亮本身不发光，只是反射太阳的光。
2．规律：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。
常见的均匀介质如：空气、水、玻璃等。
【注意】光在不均匀介质中如不均匀的空气、不同介质的界面处，传播方向发生改变。
大气层是不均匀的，当光从大气层外射到地面时，光线发了了弯折3．光线表示光的传播径迹和方向的直线叫光线，一般用一根带箭头的线段表示。
光线并不是真实存在的，而是为非作歹形象、直观的表示光的传播路线和方向，方便研究光学现象而假设虚构的，是一种理想化的物理模型。
练习：☆为什么在有雾的天气里，可以看到从汽车头灯射出的光束是直的？答：光在空气中是沿直线传播的。
光在传播过程中，部分光遇到雾发生漫反射，射入人眼，人能看到光的直线传播。
☆早晨，看到刚从地平线升起的太阳的位置比实际位置高，该现象说明：光在非均匀介质中不是沿直线传播的。
4．应用及现象：①激光准直。
②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。
③日食月食的形成：当地球在中间时可形成月食。
如图：在月球后1的位置可看到日全食，在2的位置看到日偏食，在3的位置看到日环食。
④小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无关。
5．光速：光在不同物质中传播的速度一般不同，真空中最快，光在真空中速度C=3×108m/s=3×105km/s；光在空气中速度约为3×108m/s。
第二章光辐射的调制
外调制：将光源与调制器分开设立，在光源 外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加 载于调制器，透过光的物理性质将发生变化， 实现调制。
• • • • 电光调制 声光调制 磁光调制 热光效应
外调制技术适用于所有光源。
常用方法: 机电振子、旋转调光盘等 调制原理：用遮光或改变透过率方式作光通 量的幅度调制。 应用：常用于光电探测中需要抗干扰的场合
1 U 可在光路中插入 / 4 波晶片，取代 2 2
则只需在晶体上加调制电压
U U m sin t
就可得到正弦调制光强。
I 2 / I1 ~ U
的关系曲线
强度调制器小结：
入射光分解为感应主轴方向的两个传播模； 找出相位延迟和外加电压（电场）的关系； 加入检偏器得到输出光强随外加电压变化，实 现强度调制； 加入1/4波片提供固定“偏置”，以得到线性调 制。
n E 二次电光效应 （Kerr，1875年）介质原本是各向同性晶体。
2
电光调制基于线性电光效应。
晶体的结构特征
空间点阵：晶体是由原子、分子或离子在空间 按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固 体。 结点：晶体中的微粒叫基元，又叫结点。 点阵：全部结点的总称叫点阵。 晶格：格子状结构的点阵就叫晶格。 格点：=结点 晶胞：周期重复的最小基本（结构）单位 晶胞常量
光在晶体中的传播特性
光在晶体中的传播实际是光与晶体相互作用的 结果： 介质受到光波电场E作用后产生极化, 极化强 度用极化强度矢量P来表示, P与E之间的关系 用宏观物理量——极化率χ来描述 光辐射场对晶体的极化影响综合效果集中表现 为介电常量ε的变化，从而引起折射率变化：
电光源原理 第二章.白炽灯
2-5
白炽灯的光效虽然比较低， 寿命短，但由于它使用极其方 便，辐射光谱是连续的，显色 性好，因此到目前为止仍是应 用最广的一种光源。
2-5
1．高色温白炽灯 ——主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。 Tc≥3200K η=30 H=50~100hrs
2．普通照明灯 ——一般照明 η=10~20 Tc=2600~3000K H≥1*103hrs
第二章 白炽灯
主要内容: 一、热辐射的性质 二、白炽灯的结构和材料
三、真空白炽灯中的基本物理现象 四、充气白炽灯中的基本物理现象 五、白炽灯的运用特性 六、白炽灯的发展动向
2-1 热辐射的性质
一、热辐射的定义和表现（温度辐射）
定义：因温度而产生的辐射
任何绝对温度大于0度的物体，都会产生热辐射；
1.黑体的定义： 黑体是一种物体，能够在任何温度下将
讨论：1）T↑——→MλB↑ 2）T↑——→λmax(峰值波长)向短波方 向移动 3）T低时——→红外为主， 随T上升， 可见光部分增加
斯忒藩——玻尔兹曼定律:辐射能正比与温度的 四次方
维恩位移定律 λm· T=b
2-1
辐射体的发光效率
讨论： 1. T=6500K时，η最高；T进一步提高， η下降。 2. 实际辐射体，虽然它在任何波长的绝对辐
2-4
充气的矛盾---光效、寿命和热损失
讨论：影响Pc的因素
1）充气气体的种类：考虑热损失和抑制钨蒸发，分 子量大的效果好，但要考虑成本和放电的影响，一 般充氩-氮
2）充气压力
-------考虑热导和承压 ，室温下一
个大气压
3）灯丝螺旋长度 -----短灯丝热损失小，所以双螺旋
2-4
灯丝的临界损耗
第二章 光辐射与光源_基本概念
2.1 辐射度量
(6) 辐射出射度 (M，单位Ｗm-2): 离开光源表面单位面元的辐射 通量
d M dA
面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。平面与球面辐射 出射度的表面积。 (7) 辐照度 (E，单位Ｗm-2): 单位面元被照射的辐射通量 d E dA 辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用 来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。
Hale Waihona Puke MLML
2.4 几种典型光辐射量的计算公式
2.4.1 点源对微面元的照度
设受照微面元dA距点源O的距离为l，其平面法线n与辐射 方向夹角为，dA对点源O所张立体角为若点源在该方向的辐 射强度为I，则向立体角d发射的通量dP为 IdA cos dP Id 2
l
如果不考虑能量传播损失，则微面元照度为 n
如果R /l01/10，即当l0>10R或0 ≤5.7°时，相对误差<1%。
物理意义：目标点与圆盘朗伯辐射体的距离大于10倍 圆盘半径时，按点源测量的辐照度相对误差小于1%。
2.4.5 成像系统像平面的辐照度
物空间亮度L0的微面元ds0经过成像物镜成像在像空间ds1微 面元上，确定ds1上的照度。微面元向透镜口径D所张立体角发 射的辐射通量为
2.2 光度量
dv
(3) 光通量(v, 单位流明lm) (4) 发光强度(Iv, 单位坎德拉, cd, lm· -1) sr
d I d
dQv v dt
2 (5) 亮度 (Lv, 单位cd· -2): L d / d dA cos dI / dA cos m
(6) 光出射度(Mv ,lm· -2) m (7) 照度(Ev ,lm· -2) m
光辐射2篇
光辐射2篇光辐射（第一篇）光辐射是指电磁波中的一种，波长在可见光范围内的电磁波被人类眼睛所感知，从而形成了我们熟悉的视觉感受。
光辐射的存在对人类的生活和环境有着重要影响。
光辐射不仅仅存在于自然界中，人类的活动也产生了大量的人工光辐射，对环境产生了一定的影响。
例如，在城市中，繁华的商业街道和灯饰亮化都增加了大量的光辐射。
人工光辐射带来了便利，但同时也给生物钟、野生动物等方面带来了许多负面影响。
光辐射对人类的生理和心理健康都有着重要影响。
大家常常听说的“保护眼睛”就是在提醒我们注意光辐射对眼睛的损害。
长期过量的暴露在强光下，如太阳光的紫外线，可能导致眼睛病变，包括白内障和黄斑病变等。
同时，光辐射还会对人类的生物钟产生影响，干扰人体的生理节奏，导致睡眠障碍和抑郁等心理问题。
不仅仅是人类，其他生物也对光辐射非常敏感。
许多昆虫是夜行性动物，对光辐射有强烈的反应。
灯光的照射可能改变昆虫的行为习性，干扰它们的繁殖和营养摄取。
光辐射对于海洋中的生物也有重要影响。
许多浮游生物和浅海生物对光的颜色和强度非常敏感，它们靠光合作用维持生活，光的变化会影响它们的生长和繁殖。
为了减少光辐射对人类和环境的影响，需要合理利用和控制光源。
例如，在城市照明中使用节能灯具和减少不必要的照明可以减少人工光辐射。
此外，人们应该注意在户外活动时佩戴太阳镜和防晒霜，减少紫外线对眼睛和皮肤的伤害。
总之，光辐射作为一种普遍存在的电磁波，对人类和环境都有着重要影响。
我们需要认识到光辐射的影响，并采取措施来合理利用和保护光资源，以确保人类和生物的健康和生存环境。
光辐射（第二篇）光辐射是一种电磁波，具有波长在可见光范围内的特性。
光辐射的波长范围从红光到紫光，对应着从长波长到短波长的变化。
不同波长的光辐射对我们的生活和环境有着不同的影响。
首先，红光是可见光的一种，具有较长的波长，可以穿透较远距离的空气。
在夕阳西下的时刻，我们经常可以看到迷人的红光。
红光对我们的眼睛没有明显的损害，反而可以给予人们一种舒缓和宁静的感觉。
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
光电技术 第二章 光辐射的调制
§5 声光调制
声光调制器可以对激光光束产生频移, 实现频率,相位调制,在光外差通讯,光 相干测量等方面应用很多,也常用做强度 调制器,调制频率可达几十至上百兆赫.
一,声光效应与声光衍射
当一块透明的各向同性介质受外力作用时,介质的折 射率会发生变化,这就是所谓的弹光放应,声波是一种机 械应力弹性波,当超声波作用于介质时,也会引起弹光效 应.通常把超声波引起的弹光效应称为声光效应.当超声 波在声光介质内传播时,介质密度疏密交替变化,引起折 射率大小的交替变化,这样,可以把在超声波作用下的介 质等效为一块"相位光栅" 质等效为一块"相位光栅",即超声光栅.超声光栅的条 纹间隔等于超声波的波长λs,超声光栅的作用与光学条纹 纹间隔等于超声波的波长λs,超声光栅的作用与光学条纹 光栅类似,当入射光束通过时,会被超声光栅衍射,衍射 光束的强度,频率,方向都会随超声波场的变化而变化, 所以声波对光的调制提供了一种控制光束的频率,强度和 传播方向的简便方法.
数字系统比模拟系统具有的最大优点 是不受噪声和失真的干扰, 是不受噪声和失真的干扰,为此付出的代 价是系统频带宽度比模拟信号带宽要大的 多.具体采用何种调制方式主要取决于: 具体采用何种调制方式主要取决于: (1)应有效的,失真最小的携带并检 应有效的, 测信息; 测信息; (2)有利于抑制噪声,满足精度要求; 有利于抑制噪声,满足精度要求; (3)系统易于实现. 系统易于实现.
脉冲调制和数字调制则是对信息信号 的幅度按一定规律间隔取样, 的幅度按一定规律间隔取样,而用脉冲序 列做载波.如图所示,在脉冲调制中, 列做载波.如图所示,在脉冲调制中,脉 冲序列的某一参量随低频调制信号的变化 而变化.脉冲调制主要有脉冲调幅 而变化.脉冲调制主要有脉冲调幅 ),脉冲调宽 ),脉冲调 ( PAM),脉冲调宽(PWM),脉冲调 ),脉冲调宽( ), ) 脉冲调相( 频(PFM)和脉冲调相(脉冲时间调制 PPM)等形式. )等形式.
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。
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§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。
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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
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§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。
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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
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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
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
e＝dQe/dt Me=dedS Ie=de/d Le=dIe/(dScos) Ee=de/dA
J W W/m2 W/sr W/m2·sr W/m2
(2.2-8)
单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑺ 单色辐射度量
对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定 义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单 色辐射度量Xe,λ与辐射度量Xe之间均满足
(2.2-9)
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2.2.2 光度量
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，在光频区 域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完 全一一对应，其关系如表2.2-1所示。
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2.2.1 辐射量
⑴ 辐射能 辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总和；单个光 子的能量取决于波长或频率。辐射能一般用符号Qe表示，其单位 是焦耳（J）。
⑵ 辐射通量 辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的
辐射能量，即
(2.2-1)
单位：瓦特（W）或焦耳·秒-1（J·s-1）。
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§2.1 电磁波与光辐射
2.1.1 电磁波的性质与电 磁波谱 麦克斯维证明光是电磁波的 一种表现形式。
电磁波包括的范围很广，从 无线电波到光波，从X射线 到 射线，都属于电磁波的 范畴，波长覆盖很宽。光辐 射仅占电波谱的一极小波段 。
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2.1.2 光辐射
按辐射波长及人眼的生理视觉效应，光辐射被分成三个 波段：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段 波长用nm作单位、在红外波段波长用m作单位。
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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
(2.2-3)
单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）。
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⑸ 辐射亮度 辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。 如图2.2-1所示。 (2.2-4)
单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。式中是给定方向和辐射源面
元法线间的夹角。
图2.2-1 辐射亮度示意图
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7
一般，辐射体的辐射强度与空间方向有关。当辐射体的辐射强度 在空间方向上的分布满足式(2-5)时，称之为余弦辐射体或朗伯体
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。
(2.2-5) 式中Ie(2.2-4)，易得余弦辐射体的辐射亮度为
(2.2-6)
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射
体的辐射出射度为 (2.2-7)
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⑹ 辐射照度 辐照度定义为投射到接收器面元上的辐射通量与该面元 面积dA之比。即
光量 光通量 光出射度 发光强度 (光)亮度 (光)照度
Qv
Qv=v dt
v
v=Iv d
Mv
Mv=dv/dS
Iv
基本量
Lv Lv=dIv/(dScos)
Ev
Ev=dv/dA
lm·s lm lm/m2 cd cd/m2 lx
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光视效能 光视效能是人眼对某一波长下单位辐射通量的产生的光 通量，即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量 的比之，即
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§2.3 黑体辐射
任何0 K温度以上的物体，都会由于其中的分子、 原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电 磁波，这种现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐 射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波 长的分布主要决定于物体的温度。下面简要介绍热 辐射的一些基本定律。
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2.3.1 单色吸收比和单色反射比。
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。
当辐射从外界入射到“不透明”（不限于可见光不透明） 的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面 反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。需要 强调的是任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物 体发射的辐射能。
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。
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§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。
(2.2-10)
单位：流明/瓦特（lm/W）。 通过对标准光度观察者的实验测定，白天在辐射波长555 nm
（夜晚则为507 nm）处，K有最大值，其数值为Km=683 lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果，其定义为
(2.2-11)
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图2.2-2 光谱光视效率曲线
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