光电检测技术与应用
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黑体辐射问题所研究的是辐 射（电磁波）与周围物体处于 平衡状态时能量按波长（频率） 的分布。
2.1 光的基本性质
➢黑体及黑体辐射定律
在 频率d之间的辐射能量密度
只(与)空d
腔的温度T有关，而与空腔的形状及其组成物质无关。
实验曲线：
( )d
8
c3
e
h 3
h / KT
谱区所占的百分比为：
紫外区（<0.38m）
6.46%
可见区（0.38m—0.78m） 46.25%
红外区（>0.78m）
47.29%
2.1 光的基本性质
➢黑体及黑体辐射定律 对于外来的辐射，物体有反射和吸收作用。 如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射
而无反射，这种物体称为黑体。一个开有小孔的 封闭空腔可看作是黑体。
黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。 目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而 实际应用的大多数是在2000K以下。
2.1 光的基本性质
2.1 光的基本性质
（二）发光辐射的产生方法
激励可以使发光物质产生光，外界需要提供足够的 激励能。外界提供激励能的形式可以有多种方式，常 用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发 光、热发光。
1
Βιβλιοθήκη Baidu
d
(,T )
实验
瑞利-琼斯
黑体辐射公式——Planck公式
维恩
1918年Planck获得诺
T=1646k
贝尔物理学奖。
2.1 光的基本性质
2.1 光的基本性质
➢黑体模拟器 在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一
种辐射源，它的角度特征和光谱特性酷似理想黑 体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。
• 波动理论 – 惠更斯、杨氏和费涅耳等 – 解释光的干涉和衍射现象 – 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波
n rr
联系光学量 n 和电磁学量 r、 r 的关系式
结论：光是某一波段的电磁波
2.1 光的基本性质
• 光量子说
– 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的 量子论
– 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出 光量子的概念
Ie
de
d
( W/sr)
立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，
2π角度覆盖整个单位圆。在三维空间， 4π的球面
度立体角覆盖整个单位球面。
从一个球面上去除1球 面度立体角的圆锥
二、辐射度的基本物理量
例：一个处于均匀介质中的各向同性的点
辐射源的总辐射通量为e，则各个方向的
Ie为多少？
– 光子的能量与光的频率成正比 – 光具有波粒二象性
2.1 光的基本性质
光
电
检
测
系
统 光源
传输
转运
探测
成像
显示
2020/3/3
2.1 光的基本性质
物理发光有两种基本形式：热辐射和发光辐射 （一）热辐射（温度辐射）源
任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。 温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。 物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射。
热辐射光谱时连续光谱。 热辐射源遵循有关黑体的定律。 应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测 量的依据
2.1 光的基本性质
常见热辐射源： 自然界一切物体都属于热辐射体
太阳
白炽灯
太阳可以看成是一个直径为1.392x109m的光球。大
气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐
射。在大气层外，太阳对地球的辐射照度值在不同的光
2.2 辐射与光度学量
评价光电探测系统的性能，与辐射量和光度量有密切关系。
一、光辐射的计量方法：对光能进行定量研究
1、辐射度单位体系：辐射度学是对光学辐射 进行定量评价的一门实验科学。是通过电磁光 谱来处理辐射能的测量
2、光度学单位体系：光度学是研究光度测量的 科学。在光度学中根据人眼的生理特性和某些 约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。适 合于可见光区，包含人眼特性，参数角标为“u”
• 辐射能（量）Qe ：一种以电磁波的形式发射、 传播或接收的能量。单位：焦耳[J]
• 辐射通量Φe：光源在单位时间内辐射的总能
量称为光源的辐射通量，也记为辐射功率e，
是辐射能的时间变化率。单位：瓦[W]
e
dQe dt
二、辐射度的基本物理量
• 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]
在彩色摄影系统中，为获得较好的色彩还原，应采用类 似日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。 在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫 外辐射较强的光源。
在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强 度高的方向作为照明方向。
第二章 光电检测技术基础
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应
光电检测技术
第二章 光电检测技术基础
第二章 光电检测技术基础
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识（重点） 2.4 光电效应（重点）
2.1 光的基本性质
• 牛顿——微粒说 – 根据光直线传播现象，对反射和折射做了 解释 – 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射 和偏振
一、光辐射度的计量方法 1、辐射度学量
• 适合于整个电磁波辐射范围。 • 通过电磁光谱来处理辐射能的测量，是从物理（
客观）角度来计量。 • 辐射度学主要研究频率为3×1011～ 3×1016Hz的
光辐射，对应于0.01~1000μm微米的波长。 • 波段范围包括红外、可见光、紫外线 • 参数角标为“e”
发光与热辐射的区别
•发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成 光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱
•热辐射是热平衡状态的辐射，也称温度辐射。
2.1 光的基本性质
2.1 光的基本性质
2.1 光的基本性质
光电检测系统光源的选择：根据测量对象要求选择
在目视光学系统中，一般采用可见区光谱辐射比较丰富 的光源。
一、光辐射度的计量方法
2、光度学
• 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光， 即可见光，波长范围为380～780nm纳米。
• 出发点是从人的生理学（主观）角度来计量，是 以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来进行计 量。
• 其参数角标为“u”
二、辐射度的基本物理量
六个量：辐射能、辐射通量、辐射出射度、 辐射强度、辐射亮度、辐射照度
2.1 光的基本性质
➢黑体及黑体辐射定律
在 频率d之间的辐射能量密度
只(与)空d
腔的温度T有关，而与空腔的形状及其组成物质无关。
实验曲线：
( )d
8
c3
e
h 3
h / KT
谱区所占的百分比为：
紫外区（<0.38m）
6.46%
可见区（0.38m—0.78m） 46.25%
红外区（>0.78m）
47.29%
2.1 光的基本性质
➢黑体及黑体辐射定律 对于外来的辐射，物体有反射和吸收作用。 如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射
而无反射，这种物体称为黑体。一个开有小孔的 封闭空腔可看作是黑体。
黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。 目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而 实际应用的大多数是在2000K以下。
2.1 光的基本性质
2.1 光的基本性质
（二）发光辐射的产生方法
激励可以使发光物质产生光，外界需要提供足够的 激励能。外界提供激励能的形式可以有多种方式，常 用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发 光、热发光。
1
Βιβλιοθήκη Baidu
d
(,T )
实验
瑞利-琼斯
黑体辐射公式——Planck公式
维恩
1918年Planck获得诺
T=1646k
贝尔物理学奖。
2.1 光的基本性质
2.1 光的基本性质
➢黑体模拟器 在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一
种辐射源，它的角度特征和光谱特性酷似理想黑 体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。
• 波动理论 – 惠更斯、杨氏和费涅耳等 – 解释光的干涉和衍射现象 – 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波
n rr
联系光学量 n 和电磁学量 r、 r 的关系式
结论：光是某一波段的电磁波
2.1 光的基本性质
• 光量子说
– 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的 量子论
– 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出 光量子的概念
Ie
de
d
( W/sr)
立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，
2π角度覆盖整个单位圆。在三维空间， 4π的球面
度立体角覆盖整个单位球面。
从一个球面上去除1球 面度立体角的圆锥
二、辐射度的基本物理量
例：一个处于均匀介质中的各向同性的点
辐射源的总辐射通量为e，则各个方向的
Ie为多少？
– 光子的能量与光的频率成正比 – 光具有波粒二象性
2.1 光的基本性质
光
电
检
测
系
统 光源
传输
转运
探测
成像
显示
2020/3/3
2.1 光的基本性质
物理发光有两种基本形式：热辐射和发光辐射 （一）热辐射（温度辐射）源
任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。 温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。 物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射。
热辐射光谱时连续光谱。 热辐射源遵循有关黑体的定律。 应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测 量的依据
2.1 光的基本性质
常见热辐射源： 自然界一切物体都属于热辐射体
太阳
白炽灯
太阳可以看成是一个直径为1.392x109m的光球。大
气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐
射。在大气层外，太阳对地球的辐射照度值在不同的光
2.2 辐射与光度学量
评价光电探测系统的性能，与辐射量和光度量有密切关系。
一、光辐射的计量方法：对光能进行定量研究
1、辐射度单位体系：辐射度学是对光学辐射 进行定量评价的一门实验科学。是通过电磁光 谱来处理辐射能的测量
2、光度学单位体系：光度学是研究光度测量的 科学。在光度学中根据人眼的生理特性和某些 约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。适 合于可见光区，包含人眼特性，参数角标为“u”
• 辐射能（量）Qe ：一种以电磁波的形式发射、 传播或接收的能量。单位：焦耳[J]
• 辐射通量Φe：光源在单位时间内辐射的总能
量称为光源的辐射通量，也记为辐射功率e，
是辐射能的时间变化率。单位：瓦[W]
e
dQe dt
二、辐射度的基本物理量
• 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]
在彩色摄影系统中，为获得较好的色彩还原，应采用类 似日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。 在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫 外辐射较强的光源。
在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强 度高的方向作为照明方向。
第二章 光电检测技术基础
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应
光电检测技术
第二章 光电检测技术基础
第二章 光电检测技术基础
主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识（重点） 2.4 光电效应（重点）
2.1 光的基本性质
• 牛顿——微粒说 – 根据光直线传播现象，对反射和折射做了 解释 – 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射 和偏振
一、光辐射度的计量方法 1、辐射度学量
• 适合于整个电磁波辐射范围。 • 通过电磁光谱来处理辐射能的测量，是从物理（
客观）角度来计量。 • 辐射度学主要研究频率为3×1011～ 3×1016Hz的
光辐射，对应于0.01~1000μm微米的波长。 • 波段范围包括红外、可见光、紫外线 • 参数角标为“e”
发光与热辐射的区别
•发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成 光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱
•热辐射是热平衡状态的辐射，也称温度辐射。
2.1 光的基本性质
2.1 光的基本性质
2.1 光的基本性质
光电检测系统光源的选择：根据测量对象要求选择
在目视光学系统中，一般采用可见区光谱辐射比较丰富 的光源。
一、光辐射度的计量方法
2、光度学
• 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光， 即可见光，波长范围为380～780nm纳米。
• 出发点是从人的生理学（主观）角度来计量，是 以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来进行计 量。
• 其参数角标为“u”
二、辐射度的基本物理量
六个量：辐射能、辐射通量、辐射出射度、 辐射强度、辐射亮度、辐射照度