光的有关概念与度量.pdf

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1、光辐射与发光源 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与光 辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。 本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典 型光辐射源。 1.1 电磁波谱与光辐射 1.电磁波的性质与电磁波谱 光使电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场E（或 变化磁场H） ，在邻近区域将产生变化的磁场H（或变化电场E） ，这种变化的电 场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁 波。电磁波具有以下性质： 电磁波的电场E和磁场H都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所

2、以电 磁波是横波。HE、和传播方向构成右手螺旋系。 沿给定方向传播的电磁波，E和H分别在各自平面内振动，这种特性称为 偏振。 空间各点E和H都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时 减到最小。 任一时刻，在空间任一点，E和H在量值上的关系为HE。 电磁波在真空中传播的速度为 00 1 c， 介质中的传播速度为 1 v。 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，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长 达 10 4m 以上的，也有波长短到 10 -5nm 以下的。我们可以按照频率或波长的顺序 把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱

3、，如图1 所示，光辐射仅占电波谱的一 极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段）。 2. 光辐射 以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、 成像或色散， 这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm1mm， 或频率在3 1016Hz3 1011Hz 范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 / m 声频电磁振荡 无线电波 毫米波 /nm 1 10 6 4 10 4 6 10 3 1.5 10 6 770 622 597 极远 远 中 近 红 橙 光辐射分成三部分：紫外辐射、可见

4、光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长 用 nm、在红外波段波长用m 表示。波数的单位习惯用cm-1。 可见光 。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390770nm 范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时， 人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和 紫色。 紫外辐射 。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1390nm。 细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收， 只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中， 常将紫外辐射分为A 波段、 B 波段和 C 波段

5、。 红外辐射 。波长在 0.771000 m 的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和 远红外三部分。 1.2 辐射度学与光度学基本知识 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，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。 在辐射度单位体系中 ，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。 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。光度学只适用于可见光波段。 以上两类单位体系中的物理量在物

6、理概念上是不同的，但所用的物理符号一 一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量， 角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系 中的物理量。 光度单位 体系中的物理量可对比理解。 1. 辐射量 辐射能 。辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红 外辐射）能量。辐射能一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（ J） 。 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 dt dQe e (1.2-1) 单位：瓦特（ W）或焦耳 秒（J s） 。 辐射出射度。 辐射出射度 Me是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射 体

7、单位面积向半空间发射的辐射通量，即 dS d M e e (1.2-2) 单位： W/m 2。 辐射强度。 辐射强度 eI 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 d d I e e (1.2-3) 单位：瓦特球面度 -1（W sr-1） 。 由辐射强度的定义可知， 如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向所有 方向发射的总辐射通量是e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有 4 e e I(1.2-4) 辐射亮度。 辐射亮度 eL 定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图 2 所示。 coscos 2 dSd d dS dI L ee e

8、 (1.2-5) 式中 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。 单位：瓦特 /球面度 米 2（W/sr m2） 。 显然，一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。 但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 cos 0ee dIdI(1.2-6) 式中 Ie0是面元 dS 沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐 射体或朗伯体。 (1.2-6)式代入 (1.2-5)式得到余弦辐射体的辐射亮度为 0 0 e e e L dS dI L(1.2-7) 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 0e e e L dS d M(1.2-8) 辐射照度。在辐

9、射接收面上的辐照度 e E 定义为照射在面元dA 上的辐射通量 e d 与该面元的面积dA之比。即 dA d E e e (1.2-9) 单位： （W/m 2） 。 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 来说单色辐射度量与辐射度量之间 均满足 S d dS d 图 2 辐射亮度示意图 0 , dXX ee (1.2-10) 2. 光度量 由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的 光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。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

10、理量可以用与辐度学的基本物理量 eeeeee ELMIQ、对应的 vvvvvv ELMIQ、来表示， 其定义完全一一 对应，其关系如表1 所示。 与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光 通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而 且也是国际单位制（ SI）的七个基本单位之一。 表 1 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 辐射通量 辐射出射度 辐射强度 辐射亮度 辐射照度 Qe e Me Ie Le Ee edQe/dt Me=d edS Ie=d

11、e/d Le=dIe/(dScos ) Ee=d e/dA J W W/m 2 W/sr W/m 2 sr W/m 2 光量 光通量 光出射度 发光强度 (光)亮度 (光)照度 Qv v Mv Iv Lv Ev Qv=v dt v= Iv d Mv=dv/dS 基本量 Lv=dIv/(dScos ) Ev=dv/dA lm s lm lm/m 2 cd cd/m2 lx 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。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 e v K(1.2-11) 单位：流明 /瓦特（ lm/W） 。 通过对标准光度观察

12、者的实验测定，在辐射频率 540 1012Hz（波长 555nm） 处， K 有最大值，其数值为 Km=683lm/W。 单色光视效率是K 用 Km归一化的结果， 其定义为 e v mm KK K V 1 (1.2-12) 晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为20lx 阴天室外 50500lx 图 3 光谱光视效率曲线 阴天室内 550lx 月光（满月） 2500lx 日光灯 5000lx 电视机荧光屏 100lx 阅读书刊时所需的照度5060lx 在 40W 白炽

13、灯下 1m 远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜 0.001lx 1.3 热辐射基本定律 任何 0K 以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分 子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。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。本 节介绍热辐射的一些基本定律。 1. 单色吸收比和单色反射比。 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。当辐 射从外界入射到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）。 吸收比 。被物体吸收

14、的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长 到 +d 范围内的吸收比称为单色吸收比，用)(T 表示。 反射比。反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到 +d 范围内相应的反射比称为单色反射比，用)(T 表示。对于不透明的物体，单色 吸收比和单色反射比之和等于1，即 1)()(TT(1.3-1) 若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即1)(T，则 称该物体为绝对黑体（简称黑体） 。 2. 基尔霍夫辐射定律 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比 之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即 )( )( )( )

15、( )( 2 2 1 1 TM T TM T TM bv v v v v (1.3-2) 式中 bv M为黑体的单色辐射出射度。 3. 普朗克公式 黑体处于温度 T 时，在波长处的单色辐射出射度由普朗克公式给出 ) 1( 2 )( / 5 2 Tkhcbv B e hc TM(1.3-3) 式中 h 为普朗克常数， c 为真空中的光速， kB为波尔兹曼常数。 令 2 1 2 hcC， B khcC/ 2 ，则(1.3-4)式可改写为 )mW/cm( 1 1 )( /5 1 2 TC bv e C TM(1.3-4) 212 1 cmW10)000020.0741832.3(C第一辐射常数， K

16、m10)000045. 0438786.1 ( 4 2 C第二辐射常数。 图 4 为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度 （辐射亮度）随波长的变化曲线。 可见： 对应任一温度， 单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值， 对应不 同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出 射度（即曲线下的面积） 。 单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。 4.瑞利-琼斯公式 当T很大时， T C e TC2/ 1 2 ，可得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式 4 2 1 )(T C C TM bv (1.3-5) 在Km1

17、07 .7 5 T时，瑞利 -琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。 5.维恩公式 当T很小时， TCTC ee / 22 1，可得到适合于短波长区的维恩公式 TC bv eCTM /5 1 2 )(1.3-6) 在Km2698T区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。 6.维恩位移定律 单色辐射出射度最大值对应的波长 m )Km(9 .2897T m (1.3-7) 0123456 0 10 20 30 40 1000K 1200K 1400K 1600K 1800K 2000K ( m) 单 色 辐 射 出 射 度 M v b ( W / c m 2 m ) 图 1-4 黑体辐射单色辐射

18、出射度的波长分布 7.斯忒藩 -玻尔兹曼定律 4 )(TTM vb (1.3-9) 其中)KsJ/m(10670.5 428 为斯忒藩 -玻尔兹曼常数。斯忒藩-玻尔兹曼定律 表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。 8.色温 为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度这个量，单位 为 K。色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温 度。色温度并非热辐射光源本身的温度。由于色温度是按规定的两波长处的辐射 比率来比较的，所以色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的 波长不同，色温度往往也不相同。至于非热辐射光源，色温度只能给出这个光源 光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、 红光的成分多些。