光电器件基础2.1节.ppt

第二章 光电器件基础,第一节 光辐射的度量,2.1.1光的基本性质,光的粒子假说-17世纪由牛顿根据光线直线传播的现象 提出的，他认为这些微粒在均匀媒质中沿 着直线方向等速飞行，并以粒子的观点对 反射和折射定律做了解释。 光的波动假说-由惠更斯、费涅耳等人提出，认为光是 发光材料中分子振动的结果，这些振动通 过一种假象的弹性媒质，以水波一样的方 式传播出去，并以波动理论解释了光的干 涉和衍射现象。,麦克斯韦电磁理论-光是一种电磁现象，它和无线电 波一样，也是一种电磁波，但光的波 长比无线电波短得多。 光的波粒二象性-光是以电磁波方式传播的粒子。 光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为 p =hv/c， E=hv 式中h=6.62610-34Js为普朗克常数；v为光的振动频率(s-1)；c=3108ms-1为光在真空中的传播速度。,红外,紫外,可见光,10,15,6,18,21,9,12,10,10,10,10,10,10,10,3,24,f,/Hz,X射线,射线,近红外,远红外,电磁波,电磁波范围很广，涵盖了宇宙射线（其波长小于几个皮 米，1pm=10-12m）到无线电波（波长达上千米）的宽区域。 电磁波谱如图2-1所示。,图2-1 电磁波谱,2.1.2光辐射的度量,光辐射度量的两种方法： 物理（客观）计量方法 称为辐射度学计量方法或辐射度参数。它适用于 整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量。 生理（主观）计量方法 称为光度参数。它是以人眼所能见到的光对大脑 的刺激程度来对光进行计量的方法。只适用0.380.78 微米的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过 这个谱区，就没有任何意义。,1. 辐射能和光能 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，如电能、热能等。用符号Qe表示，其法定计量单位为焦耳（J）。过去曾使用的非法定计量单位有卡和尔格，它们与焦耳的关系是： 1 cal = 4.18 J 1 J = 107 erg 自从激光器出现以后，才普遍用辐射能来评价辐射性能。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其计量单位为流明秒（lms）。 (2-0),2.辐射通量和光通量 辐射通量在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐射能称为辐射通量，也称作辐射功率或辐射能流，以符号e表示， 其计量单位为瓦（1W=1J/s），即 （2-1） 式中，dQe是在dt时间内转移的单元能量。 若在t时间内所发射、传播或接受的辐射能不随时间改变，则式（2-1）可化简为 （2-2）,对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接 收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定 义为光通量v，即 （2-3） 若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则 式（2-3）简化为 （2-4） v的计量单位为流(明)（lm）。 显然，辐射通量对时间的积分称为辐射能， 而光通量对 时间的积分称为光能。,3.辐射出射度和光出射度 对面积为A 的有限辐射体，其表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量de与该面元面积dA之比，定义为辐射出射度Me ，又称作辐射本领，即 （2-5） Me 的计量单位是瓦（特）/平方米Wm2。 由式（2-5）可得，有限辐射体A向半球面空间内发射的总 辐通量为 （2-6）,对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空 间发射的光通量dv与面元面积dA之比称为光出射度Mv，即 （2-7） 其计量单位为勒(克司)lx或lm/m2。 对均匀发射辐射的面光源有 （2-8） 面光源向半球面空间发射的总光通量为 （2-9）,需要指出的是，所研究的光源表面不仅包括自身发光的光源的表面，也可以是这些光源的象或自身不发光而在受到光照后成为光源的表面，对于后一种情况，其出射度与该表面被照明的程度有关。,4.辐射强度和发光强度 对一个点光源在给定方向的立体角元d内发射的辐通量de，与该方向立体角元d之比定义为点光源在该方向的辐射强度Ie，即 （2-10） 辐射强度的计量单位为瓦（特）每球面度 W/sr。 一个点光源在有限立体角内发射的辐通量为 （2-11） 各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为 （2-12）,对可见光，定义发光强度为一个点光源在给定方向的立体 角元d内发射的光通量dv，与该方向立体角元d之比，即 （2-13） 对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为 （2-14） 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。 发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎cd。,坎德拉的定义： 在给定方向上能发射5401012Hz的单色辐射源，并在此 方向上的辐强度为1/683 W/sr（瓦特每球面度），其发光强 度定义为一个坎德拉cd。 1流明的定义： 对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内 发射的光通量。 发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通 量为 v =4I12.566 lm。,5.辐射亮度和光亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面 元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le， 即 （2-15） 式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量 单位为瓦特每球面度平方米W（srm2 ）。 对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元在给定 方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影 面积，即 （2-16）,Lv的法定计量单位是坎德拉每平方米cdm2。 常用的非法定计量单位有尼特、熙提、阿熙提、朗伯、豪 朗伯、英尺朗伯、坎德拉/英尺2等，它们的关系见表2-1。 表2-1 亮度单位换算表,余弦辐射体： 若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式（2-15）、 （2-16）表示，即Ie正比于cos （ Ie = I0cos，此式可用图2-2 表示），这样的光源称为余弦辐射 体或朗伯辐射体或均匀漫反射体。,图2-2 余弦辐射体,余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射的通量为 式中 。 对上式在半球面空间内积分的结果为 由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为 （2-17） （2-18）,6.辐射效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量e与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐射效率e，即 （2-19） 对于可见光，光源发射的总光通量v与提供的功率P之比称为发光效率v，即 （2-20） 辐射效率e无量纲，发光效率v的计量单位是流明每瓦lmW-1。,对限定在波长12范围内的辐效率 （2-21） 式中，e,称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。,7.辐射照度与光照度,辐射照度Ee是将照射到物体表面某一点处面元的辐通量de 除以该面元的面积dA的商，即 （2-22） Ee的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2。 若辐射通量是均匀地照射在物体表面上，则式（2-22）简 化为 （2-23）,注意：辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度定义的， 辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。 本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部 分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer（）与辐射 体接收的光谱辐照度Ee（）的关系为 （2-24） 式中,e（）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。 对式（2-24）的波长积分，得到反射体的辐出度 （2-25）,光学系统2,重叠部分,对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dv除以该 面元面积dA称为光照度Ev，即 或表示为 （2-26） Ev的计量单位是勒（克司）lx。 对接收光的反射体，同样有 （2-27） （2-28） 式中，v（）为光度光谱反射比，是波长的函数。,注意：照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面 的距离的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射 物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间 没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关。 表2-2 环境常见照度值,表2-3 常见发光体亮度值,8.辐照量和曝光量,将照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积分称 为辐照量He，即 （2-29） 辐照量He的计量