《光輻射與光源》ppt課件

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1、第二章光輻射與光源任何一種光電系統(tǒng)或光電子器件的使用和評價都離不開特定的光輻射源[產(chǎn)生光輻射的物體，即光源]與光輻射探測器，所以光輻射理論和光電轉(zhuǎn)換的原理是光電探測技術(shù)的基礎(chǔ)。光源的描述參量有譜特征、波長范圍、輻射通量、方向性、時間及空間穩(wěn)定性，等等。本章將簡要介紹光輻射的基本概念和原理、在光電探測技術(shù)應(yīng)用中比較典型的光輻射源，以及光源調(diào)制技術(shù)；光輻射探測的原理及相應(yīng)器件的內(nèi)容安排在第四章。9/2/20211§2.1電磁波與光輻射2.1.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜麥克斯維證明光是電磁波的一種表現(xiàn)形式。電磁波包括的范圍很廣，從無線電波到光波，從X射線到?射線，都屬于電磁波的范疇，波長覆蓋很寬。

2、光輻射僅占電波譜的一極小波段。9/2/202122.1.2光輻射按輻射波長及人眼的生理視覺效應(yīng)，光輻射被分成三個波段：紫外輻射、可見光和紅外輻射。一般在可見到紫外波段波長用nm作單位、在紅外波段波長用?m作單位。單位長度內(nèi)，波動重復(fù)的次數(shù)（一個波動擁有同樣相位的次數(shù)），稱為波數(shù)。在光譜學(xué)中，波數(shù)即波長的倒數(shù)，量綱是[長度]-1，單位慣常采用cm-1?？梢姽饪梢姽馐请姶挪ㄗV中人眼可以感知的部分。390~770nm范圍的范圍內(nèi)；紫外輻射紫外輻射比紫光的波長更短，人眼不可感知，波長范圍是10~400nm。紅外輻射是介于可見紅光與無線電微波之間的光學(xué)輻射，波長范圍為0.77~1000?m。9/2/

3、20213§2.2光輻射的度量為了對光輻射進行定量描述，需要引入計量光輻射的物理量。而對于光輻射的探測和計量，存在著輻射度學(xué)單位和光度學(xué)單位兩套不同的體系（物理量符號標腳標“e”表示輻射度物理量，腳標“v”表示光度物理量）。后者是考慮到人眼的主觀因素后的相應(yīng)計量學(xué)科，其適用性局限于可見光波段；前者則是對電磁輻射能量的客觀計量，適用于整個電磁波段。9/2/202142.2.1輻射量⑴輻射能輻射能即電磁波場中電場能量和磁場能量的總和；單個光子的能量取決于波長或頻率。輻射能一般用符號Qe表示，其單位是焦耳（J）。⑵輻射通量輻射通量?e又稱為輻射功率，定義為單位時間內(nèi)流過的輻射能量，即(2.2-1

4、)單位：瓦特（W）或焦耳·秒-1（J·s-1）。9/2/20215⑶輻射出射度簡稱輻出度，從輻射源表面單位面積發(fā)射出的輻射通量，其中單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度稱光譜輻出度。輻出度的定義式(2.2-2)單位：瓦特·米-2（W/m2）。⑷輻射強度輻射強度定義為：點輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，用Ie表示，即(2.2-3)單位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）。9/2/20216⑸輻射亮度輻射亮度定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。如圖2.2-1所示。(2.2-4)單位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。式中?是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。圖2.2-1輻射亮度

5、示意圖9/2/20217一般，輻射體的輻射強度與空間方向有關(guān)。當(dāng)輻射體的輻射強度在空間方向上的分布滿足式(2-5)時，稱之為余弦輻射體或朗伯體(2.2-5)式中Ie0是面元dS沿其法線方向的輻射強度。聯(lián)立式(2.2-5)、(2.2-4)，易得余弦輻射體的輻射亮度為(2.2-6)可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角?無關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為(2.2-7)9/2/20218⑹輻射照度輻照度定義為投射到接收器面元上的輻射通量與該面元面積dA之比。即(2.2-8)單位：瓦特·米-2（W/m2）。⑺單色輻射度量對于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過均定義為單位波長間隔內(nèi)對應(yīng)的

6、輻射度量，并且對所有輻射量X來說單色輻射度量Xe,λ與輻射度量Xe之間均滿足(2.2-9)9/2/202192.2.2光度量光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用與輻度學(xué)的基本物理量對應(yīng)的來表示，其定義完全一一對應(yīng)，其關(guān)系如表2.2-1所示。輻射度物理量對應(yīng)的光度量物理量名稱符號定義或定義式單位物理量名稱符號定義或定義式單位輻射能輻射通量輻射出射度輻射強度輻射亮度輻射照度Qe?eMeIeLeEe?e＝dQe/dtMe=d?edSIe=d?e/d?Le=dIe/(dScos?)Ee=d?e/dAJWW/m2W/srW/m2·srW/m2光量光通量光

7、出射度發(fā)光強度(光)亮度(光)照度Qv?vMvIvLvEvQv=??vdt?v=?Ivd?Mv=d?v/dS基本量Lv=dIv/(dScos?)Ev=d?v/dAlm·slmlm/m2cdcd/m2lx9/2/202110光視效能光視效能是人眼對某一波長下單位輻射通量的產(chǎn)生的光通量，即光視效能K?定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比之，即(2.2-10)單位：流明/瓦特（lm/W）。通過對標準光度觀察者的實驗測定，