辐射度量与光度量.ppt

第一章光电信号检测技术基础 第一节辐射度量与光度量 一 光的本质二 光辐射度量三 光谱辐射度量四 光度量 一 光的本质 光具有波粒二象性 既是电磁波 又是光子流 历史上的重要人物惠更斯 1629 1695 牛顿 1643 1727 托马斯 杨 1773 1829 费涅耳 1778 1827 麦克斯韦 1831 1879 普朗克 1858 1947 爱因斯坦 1879 1955 波尔 1885 1962 一张凝结了20世纪全人类三分之一智慧的照片 牛顿 微粒说光是直线传播的微粒流 17世纪 两种对立的学说 三 发现了 牛顿环 微粒说 微粒从光源飞出 质量极小 忽略重力作用 在真空或均匀媒质中做惯性运动 并且走的是最快速的直线运动路径 二 公元1668年 他制成了第一架反射望远镜样机 三大贡献 一 发现了白光是由各种不同颜色的光组成的 惠更斯 波动说 光是在以太中传播的波动 波动学说 打破了当时流行的光的微粒学说 提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理 惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬 有极好的弹性 光的传播就像振动沿着一排互相衔接的钢球传递一样 当第一个球受到碰撞 碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球 提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程 光的传播方式与声音类似 不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动 微粒说在解释光线从空气进入水中的折射现象时 需要假设 C水 C空气 这两种学说都可以解释一定的光学现象 光的反射和折射 而波动说需要假设C水 C空气 当时 人们还不能准确地用实验方法测定光速 因而无法根据折射现象去判断它们的优劣 19世纪 光的干涉 衍射和偏振等现象 与微粒说格格不入 光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波 惠更斯的波动说发展了波动理论 但是由于他把光看成像声波一类的纵波 因此不能解释偏振现象 干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论的发展确认光是一种电磁波 不是惠更斯的机械波 19世纪中叶 光的波动说已经得到了公认 但是光波的本质到底是什么 是像水波 还是像声波呢 热辐射是十九世纪发展起来的一个物理学新领域 它的研究得到了热力学和光谱学的支持 十九世纪末 物理学正是从这个领域打开了一个缺口 导致了量子论的诞生 在热辐射的研究中 热辐射的辐射能量 特别是这一辐射的能量随波长分布的特性 往往是物理学家研究的重点 19世纪末 人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候 出现了所谓的 紫外灾难 瑞利 金斯和维恩分别提出了两个公式 但是和实验相比 瑞利 金斯公式只在低频范围符合 而维恩公式只在高频范围符合 1900年 普朗克使用插值法将两个公式合二为一提出了普朗克公式 为了与实验相符 必须假定物质辐射 或吸收 的能量不是连续地 而是一份一份地进行的 只能取某个最小数值的整数倍 这个最小数值就叫能量子 辐射频率是 的能量的最小数值E h 普朗克当时把它叫做基本作用量子 h普朗克常数 1918年诺贝尔物理学奖授予普朗克 以承认由于他发现能量子对物理学的进展所作的贡献 爱因斯坦 康普顿 光电效应以及康普顿效应等无可辩驳的证实了光是一种粒子 光不仅在发射中 而且在传播过程中以及在与物质的相互作用中 都可以看成能量子 爱因斯坦称之为光量子 也就是后来所谓的光子 photon 光子是人类继电子后认识到的第二个基本粒子 不带电 呈中性 因为电磁场是一种恒以光速c运动的物质 它的静止质量为零 实物具有微粒结构 电磁场也具有微粒结构 构成电磁场的基本粒子就是光子 电磁场可以被看做是波动性和粒子性矛盾的统一体 它是一系列的波 同时又是光子的集合 体现其粒子性的能量和动量 与体现其波动性的频率和波长不可分割地联系在一起 结论 爱因斯坦的光子论非牛顿微粒说的复旧 而是人类对于光和电磁场这类物质认识上的一个飞跃 在反射 折射 干涉 衍射 色散等现象中 波动性往往成为主要矛盾方面 光便表现出像波 在黑体辐射 光致发光 光电效应 以及其他一些有关光的产生和转化的现象中 粒子性往往成为主要矛盾方面 光便表现出像粒子 不同条件下主要矛盾方面会发生转化 人类关于波粒二象性的认识并没有停留于此 1924年爱因斯坦提出光子概念后不到20年 年轻的法国物理学家德布罗意提出了 物质波 概念 论证了微观粒子也具有波动性 正是人们认识到了微观粒子所具有的波粒二象性的特征 才建立起了描述其运动状态变化规律的量子力学理论 他的观点得到电子衍射等实验的证实 他认为不仅光具有波粒二象性 所有的实物粒子 都具有波粒二象性 波动理论 光是频率为 的电磁波 量子理论 一定频率的光对应一定能量的光子 光的波 粒二重性 统一起来 E h 之间的关系 完全彻底的认识了 射线的光子可以变成两个带相反电荷的电子和阳电子 表明光子与电子之间存在着某种联系 否定 光子是否像原子和分子那样 具有内部结构 对光的本质的认识 还远远没有完结 从涌现出来的新现象和规律的研究中 逐步深化对光的本质的认识 光子是否真的没有静质量 可以认为 光电系统是工作于电磁波波谱图上最后一个波段 光频段的电子系统 二 光辐射度量 任何固体或液体在高于0K以上任何温度下都向外辐射电磁波 这种由于物体中的分子 原子受到热激发而产生的辐射称为热辐射 将一块铁加热物体的颜色从暗淡的 后来渐渐变成暗红到发黄再到亮得耀眼 光辐射度量的对象 光电检测技术的任务是将光辐射转换成为电能 从而获得光辐射特征信息 为此需要了解辐射特征的定义 辐射能量特征的研究即为辐射度量学Radiometry 1869年 基尔霍夫从理论上提出了关于辐射传播过程的重要定律 在同样的温度下 任何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 等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度 即 基尔霍夫辐射定律 式中 Mb T 为黑体的单色辐射出射度 这一定律指出了物体的辐射出射度和吸收比之间的内在联系 表明 1 一个好的吸收体也是一个好的辐射体 2 任何物体的辐射出射度都小于同温度 同波长的黑体的辐射出射度 3 黑体的辐射出射度摆脱了对具体物体的依赖关系 显然是最简单的 也更便于研究 这样 只要知道黑体的辐射出射度 便能了解一般物体的辐射性质 因此 黑体辐射理论的探索 是热辐射领域的中心问题 辐射度学物理量1 辐射能以辐射形式发射或传输的电磁波能量 辐射能一般用符号Q表示 其单位是焦耳 J 2 辐射通量辐射通量P又称为辐射功率 定义为单位时间内流过某一定面积的辐射能 即辐射通量的单位是瓦特 W 或焦耳 秒 J s 辐射度量以下标e表示 3 辐射出射度辐射出射度M是用来反映面辐射源物体辐射能力的物理量 定义为辐射体在单位面积内所辐射的通量 即单位是W m2 源面积发射不一定均匀 面上各点附近单位面积发射的功率也不一样 故M通常是源上位置的函数 4 辐射强度辐射强度I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I表示 即 辐射强度的单位是瓦特 球面度 W sr 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P 则该点辐射体在各个方向的辐射强度I是常量 有 由辐射通量和辐射强度之间的关系式我们知道 一个辐射强度为1W sr的点光源 总辐射通量等于4 W 5 辐射亮度辐射亮度L定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射强度 如图所示 式中 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角 辐射亮度的单位是瓦特 球面度 米2 W sr m2 由辐射表面定向发射的辐射强度 与辐射体表面所发射通量的空间分布有关 余弦辐射体 朗伯体 均匀漫反射体 辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 I0是辐射体面元dS沿其法线方向的辐射强度 余弦辐射体的辐射亮度为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 6 辐射照度为了评定辐射体对装置的作用 在辐射接收面上的辐射照度E定义为照射在面元上的辐射通量dP与该面元的面积dA之比 即单位是W m2 照度与距离平方反比定理 设点源的辐射强度为I 它与被照面上x点处面积元dA的距离为R dA的法线与I的夹角为 则投射到dA上的辐射功率为 所以 点光源在被照面上点处的辐射照度为 基本辐射度量的名称 符号和定义方程 光谱辐射度量 给定波长 o处极小波长间隔d 内的辐射通量d e 称为单色辐射通量 d e d 称为光谱辐射通量 总辐射通量 可以用频率表示光谱分布 可以类推其余的光谱辐射度量 光谱光辐射的名称 符号及单位 四 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 对绿光最灵敏 对红光灵敏度最低 故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反映人的亮暗感觉 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 在光频区域光度学物理量Q P I M L E相对应的Qv Pv Iv Mv Lv Ev来表示 其定义完全一一对应 其关系如表2所示 表2常用辐度量和光度量之间的对应关系 光度量的单位是国际计量委员会 CIPM 规定的 在光度单位体系中 被选作基本单位的不是相应的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 它的定义是 一个光源发出频率为540 1012Hz的单色辐射 若在一给定方向上的辐射强度为1 683 W sr 则该光源在该方向上的发光强度为1cd 人眼对不同波长的单色光 产生相同的视觉响应 要有不同的辐射功率 在引起相同的视觉响应条件下 若在 附近所需要的光谱辐射功率为dP 而对 555nm所需要的光谱辐射功率为dP555 则定义 V dP555 dP 光谱光视效率 人眼对波长为555nm的光的视见函数为1 其它波长的视见函数值都小于1 不可见区的视见函数值都等于零 白昼视觉指人眼在明亮环境 3坎德拉 米2的亮度 中 对不同波长可见光的视觉 白昼视觉和黄昏视觉 黄昏视觉指人眼在黑暗环境 3 10 5坎德拉 米2的亮度中 对不同波长可见光的视觉 黄昏视觉V 曲线的最大值相对白昼视觉向短波长方向移动了50nm 黄昏视觉 白昼视觉 所有光度计量均以明视觉的V 为基础 光度量的最基本单位 光通量 v 光通量对人眼所引起的视觉强度值 光谱光视效能K 定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值 即 单位是流明 瓦特 lm W 通过对标准光度观察者的实验测定 在辐射频率540 1012Hz 波长555nm 处 其数值为Km 683lm W 它表示与1W的辐射通量相当的光通量为683lm 换句话说 此时的1lm相当于1 683W 发光强度I 发出波长为555nm的单色辐射 在给定方向上的发光强度规定为1cd 单位 坎德拉 Candela cd 它是国际单位制中七个基本单位之一 光照度E 单位面积所接受的入射光通量 单位 勒克斯 lx 相当于1平方米面积上接受到1个流明的光通量 光出射度M 光源表面