3-1光电探测器的物理基础

辐射度量和光度量的对照表
辐射度量 符号 单位 光度量 符号 单位
辐射能
Q
J(焦)
光 量
QV
ΦV EV
lm· s
lm（流明） lx=lm/m2
辐射通量 Φ 辐照度 E
W（瓦） 光通量 W· m－2 光照度 W· sr-1
W· sr-1· m－2
辐出度
M
W· m－2 光出射度 MV
发光强度 IV 光亮度 LV
5.6710 (W / cm K )
12 2 4
比辐射率(辐射率)ε
在自然界中黑体的发射能力最强，它实际 上是一种理想情况，实际物体的发射能 力都小于黑体。 实际物体的热辐射情况：在普朗克公式中 应乘以一个小于1的系数ε 。这个系数称 为物体的比辐射率(发射率)，也称为热辐 射效率。
定义为实际物体的辐射能力M(T)与同温度 下黑体辐射能力Mb(T)的比值：
•
黑体辐射定律
• 基尔霍夫定律：任何物体的发射本领和吸收本领 在同一温度下成正比，其比值是与物质性质无关、 仅随频率和温度而改变的普适函数。 • 吸收本领等于1的黑体，其发射本领即为普适函数 • 普朗克公式
M ( , T )
2hc
2
1 e
hc / kT

5
1
维恩维移定律： 任何温度下黑体的发射本领都有一最大值，它对 应的波长和绝对温度成反比，即 λ mT = b ( b=2898 um.K ) 它表明，随着温度的提高，辐射本领的最大值向 短波方向移动。 根据它可判断热辐射颜色与温度的关系. （探测器的选择） 斯忒藩—波尔兹曼定律：—— 测温中的应用 黑体总辐射通量和绝对温度的四次方成正比 ： Φ =σ T4
π
4．辐射照度E——辐照度 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量， 即：E＝dΦ ／dA， dA是投射辐射通量dΦ 的元面积 单位：W／m2 (瓦每平方米)。 5．辐射出射度M——辐出度 辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量， 即：M=dΦ ／dS， dΦ 是扩展源表面dS在各方向上(通常为半空间 2π 立体角)所发出的总的辐射通量， 单位为W／㎡(瓦每平方米)。



球面所对应的立体角：根据定义
2

S R2
全球所对应的立体角
4R 4 2 R
(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空间.)

同理，半球所对应的立体角为2π空间。
一、辐射度学的基本物理量
1．辐射能Q 辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的 能量，单位为J(焦耳)。 当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能 量，如热能、电能等。
四、光电仪器中的常用光源
热辐射光源 太阳 白炽灯、卤钨灯 黑体辐射器 汞灯 钠灯 气体放电光源 荧光灯 氙灯
温度辐射
4.光亮度的单位：lm/(m2.sr) cd/m2 常用：熙提(sb)．Sb=lm/(cm2.sr) 常见光源亮度 晴天 ：10000 cd/m2 晴天日落后 ：1 cd/m2 蜡烛火焰：约0.5sb 钨丝灯泡：约500sb 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
二、光度学的基本物理量
1．光谱光视效率 现象：人的视神经对各种不同波长光的感光灵 敏度是不一样的。 对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。 由于受视觉生理和心理作用，不同的人对各种 波长光的感光灵敏度也有差异。 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。

如图所示，△A是半径为R的 球面的一部分，△A的边缘各 点对球心O连线所包围的那部 分空间叫立体角。 立体角的数值为部分球面面 积△A与球半径平方之比， 即: A


R
2
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 d 2 R 其中θ为dS 与投影面积 dA的夹角，R为O 到 dS中心的距离。
Km＝683 ( lm/W )
X V K m X ( )V ( )d
380
780
光度量中的单位
1.最基本的是发光强度单位：坎德拉(Candela)． cd； 国际单位制中七个基本单位之一。 定义：频率为 540×1012Hz( 对应在空气中 555nm 波长 ) 的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1／683W/sr 时，在该方向上的发光强度为1cd。 2.光通量的单位是流明(lm): 1lm 它是发光强度为 1cd 的均匀点光源在单位立体角 (1sr)内发出的光通量。 3.光照度的单位：勒克斯(lx)， 1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1㎡面积上所产 生的光照度。
思考题：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=?
解：OP=x，P点所在球面的面 积为：s=4πx2 通过s的光通量： Φ =Iω= 4π (lm) 因为是点光源，均匀辐射，则P 点的光照度： EV= Φ/s= 4π / 4πx2=1/x2 当x=1m， EV=1 （lx) 当x=2m， EV=0.25 （lx) 思考：若光源为1W的灯泡， 结论如何？
光谱辐射通量Ф（λ）
辐射源发出的光在波长 λ 处的单位波长间隔内的辐 射通量。辐射通量与波长的关系如图。 其关系式为：
单位：W／μm(瓦每微米)， 或W／nm(瓦每纳米)。
辐射源的总辐射通量：
前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光 谱辐射量相对应的关系：
光谱辐照度： 光谱辐射出射度： 光谱辐射亮度：
V K m ( )V ( )d
380
780
左边是光通量，其单位是流明(lm)： 右边的()d是光谱辐射通量，单位是瓦(w/nm）， V()是光视效率，所以等号右边引进一个系数Km， 从而使两边的单位一致。 显然Km的单位为流明／瓦(lm/W)称为最大光谱光视 效能 Km＝683 lm／W 表示在人眼光谱光视效率最大(555nm)处，1W的辐射 能通量相当的光通量为683lm； 换句话说，此时1lm相当于1／683W。
380
780
式中，Km为最大光谱光视效率， 亦称为光功当量
Km 表示人眼对波长为 555nm[V(555)=1] 光辐射产生 光感觉的效能。 按国际实用温标IPTS—68Βιβλιοθήκη Baidu理论计算值为
Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进 行准确的换算。 由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。 同理，其它光度量与辐射量之间的关系 ：
2．辐射通量Φ 辐射通量又称辐射功率 P ，是辐射能的时间变化 率．单位为 W( 瓦 ) ，是单位时间内发射、传播或接 收的辐射能， Φ =dQ/dt (J／s，焦耳每秒)。
3．辐射强度 I
z
点辐射源在给定方向上单 位立体角内的辐射通量， 单位：W／sr (瓦每球面度) dΦ I = dω
x
y
在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角内发射的 辐射通量为 Φ= I ω 在空间所有方向( ω ＝4 )上发射的辐射通量为Φ =4π I 实际上，一般辐射源，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射通量为：
光电探测与信号处理
3.1 光电探测器的物理基础
§3.1.1 §3.1.2 §3.1.3 §3.1.4 光辐射与度量 光电探测器概述 光电探测器的性能参数 光电探测器的噪声
3.1.1 光辐射与度量
在光探测中，定量地描述辐射能强度的量有两类： 一类是物理的——辐射度学量， 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——光度学量， 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。 因此，辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非 常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。
热辐射
任何温度在绝对温度以上的物体都存在热辐射 • 热辐射的光谱是连续光谱； • 热辐射的光谱分布取决于发射体的温度和性质 • 发射本领与吸收本领。 – 发射本领：单位频率间隔内单位面积物体所发射 的辐射通量称为发射本领，它是温度和频率的函 数。 – 吸收本领：被物体吸收的辐射通量占射到物体上 的辐射通量的百分比,也是温度和频率的函数。
辐照度E和辐出度M的比较：
相同：单位相同， 区别：前者是描述辐射接收面（探测器）所接收的 辐射特性． 后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。
6．辐射亮度 L

辐射亮度定义为扩展 源表面一点处的面元 在给定方向上单位立 体角、单位投影面积 内发出的辐射通量：
扩展辐射源
7．光谱辐射量
辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色 辐射所组成。 为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长 的单色光的辐射能量作出相应的定义。 光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。 光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。
M (T ) (T ) M b (T )
ε 的值不仅依赖于波长和温度，也依赖发射 的角度。 但是大多数常见物体的 ε 与发射角度的依赖 关系基本上可忽略，与波长和温度的依赖关 系也很微弱。在常用的波长范围内，为实用 方便，常把ε 作为常数。

常见物质的辐射率
沥青： 0.90-0.98 混凝土： 0.94 水泥： 0.96 土： 0.92-0.96 水： 0.92-0.96 人的皮肤：0.98 塑料： 0.85
三、辐射度与光度中的基本定律
余弦定律
S和S’对O点所张的立体 角是相同的，对于两个 面来讲其辐射通量是相 同的，两个面的辐照度 0 分别为：
E , E S S


s
S’
由于
S S cos E E cos
任一表面上的辐照度随该表面 法线和辐射能传输方向之间夹 角的余弦而变化
本质上一样
立体角的概念
在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角。 立体角涉及到的是空间问题。 任一光源发射的光能量都是辐射在它周围的 一定空间内。因此，在进行有关光辐射的讨 论和计算时，也将是一个立体空间问题。 与平面角度相似，我们可把整个空间以某一 点为中心划分成若干立体角。

定义:一个任意形状椎面所包含的空间称为 立体角。符号：Ω 或ω 单位：Sr （球面度）
明视觉光谱光视效率
实线：亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V(λ) 表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细 胞的刺激所引起的，最大值在555nm处。
暗视觉光谱光视效率
虚线：亮度小于 0.001cd/㎡ 时的暗视觉光谱光视效 率 ， 用 Vˊ(λ) 表 示 ， 此 时的视觉主要由人眼视 网膜上分布的杆状细胞 刺激所引起的； 最大值：507nm
lm/m2
cd=lm/sr （坎德拉） lm/(m2.sr)
辐射强度 I 辐射亮度 L
光通量ΦV的定义
由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能 所产生的光感觉是不同的， 因而按人眼的视觉特性V(λ )来评价的辐射通 量Φ 即为光通量Φ V，这两者的关系为：

V K m ( )V ( )d
Vˊ ( λ )
V(λ )
人眼的光谱光视效率的数值
波长（nm） 明视觉 暗视觉 波长（nm） 明视觉 暗视觉
2．光度学的基本物理量
在辐射度量学中介绍的各个基本量Φ 、M、I、 L和E对整个电磁波谱都适用； 而在光度学中光度量和辐射度量的定义、定义 方程是一一对应的，只是光度量只在光谱的可 见波段(380nm—780nm)才有意义。 为避免混淆，在光度量符号上加下标 “ v ”。 光度学中相应量Φ V、MV、IV、LV和 EV 与辐射度量Φ 、 M、 I、 L和E之间的对应关 系由表给出。
所以
距离平方反比定律
点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光 源的距离平方成反比
亮度守恒定律
黑体辐射
光辐射
• 1、光源发射光波的过程或光波自身称为光辐射
（1） 跃迁辐射与受激辐射 – .原子能级跃迁 – .分子能级跃迁 （2） 热辐射：有一定温度的物体引起的辐射 （3） 湮灭辐射 （4） 场致发光 （5) 同步辐射