光电检测技术(1).ppt

第一章绪论 空间尺度1Terametre垓米 1Tm 1012metres1Gigametre京米 1Gm 109metres空1Megametre兆米 1Mm 106metres1Hectokilometre十万米 1hkm 105metres1Myriametre万米 1mam 104metres间1Kilometre千米 1km 103metres1Hectometre百米 1hm 102metres1Decametre十米 1dam 10metres1Metre米 1m 1metres尺1Decimetre分米 1dm 10 1metres1Centimetre厘米 1cm 10 2metres1Millimetre毫米 1mm 10 3metres1Decimillimetre丝米 1dmm 10 4metres度1Centimillimetre忽米 1cmm 10 5metres1Micrometre微米 1 m 10 6metres1Nanometre纳米 1nm 10 9metres1Picometre皮米 1pm 10 12metres 时间尺度 1年 31536000s1月 2592000s1日 86400s1小时 3600s1分钟 60s1秒 1s1毫秒 10 3s1微妙 10 6s1钠秒 10 9s1皮秒 10 12s1飞秒 10 15s 电磁波谱 波长 频率与传播速度在真空中在介质中n 介质折射率对电磁波的表示 波长 频率 波数 对光子能量的表述 h kT单位 电子伏特电子伏特和焦耳 J 之间的换算关系为leV 1 6021892 10 19J c c 第二章辐射度学与光度学一 辐射度量1 立体角整个空间 0 0 2 2 辐射能 Q 辐射能简称辐能 描述以辐射的形式发射 传输或接收的能量 单位焦耳 J Q是一个积分量 与接收 或辐射 面积 方向 时间等有关 3 辐能密度 辐能密度定义为单位体积元内的辐射能 即4 辐射通量 P 单位时间内的辐射能 5 辐射强度 I 辐射强度是描述点辐射源特性的辐射量 辐射源在某一方向上的辐射强度是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出的辐射功率 总辐射功率P点源具有相对性 6 辐射出射度 M 是描述扩展源辐射特性的量 指辐射源单位表面积向半球空间 2 立体角 内发射的辐射功率 总辐射功率 7 辐射亮度 L 是描述扩展源辐射特性的量 辐射源在某一方向上的辐射亮度是指在该方向上的单位投影面积向单位立体角中发射的辐射功率 L与M的关系 8 辐照度 E 描述一个物体表面被辐照的程度的量 被照表面的单位面积上接收到的辐射功率称为该被照射处的辐射照度 二 光度量光度量与人眼有关联 所以只与可见光发生联系 为避免混淆 在辐射度量符号上加下标 e 而在光度量符号上加下标 v 1 视见函数光视效能光谱光视效能K 值表示在某一波长上 每1W光功率对目视引起刺激的光通量光视效能与光谱光视效能的关系 光视效率光视效能K与最大光谱光视效能Km之比视见函数 光谱光视效率 光视效率与光谱光视效率的关系 2 光通量只对可见光有意义光通量表达式 对明视觉 对暗视觉 对于线辐射谱 光通量的大小是反映某一光源所发出的光辐射引起人眼的光亮感觉的能力的大小 单位 流明 lm 3 发光强度指点光源在给定方向上的单位立体角内所发出的光通量单位 lm srcd4 光出射度光源单位面积向半球空间发出的全部光通量单位 lm m25 光亮度光源在给定方向上的光亮度Lv是指在该方向上的单位投影面积向单位立体角中所发出的光通量 6 光照度被照表面的单位面积上接收到的光通量称为该被照表面的光照度单位 勒克斯 lx 7 发光效率发光效率定义为每瓦消耗功率所发出的光通量数8 光亮光量定义为光通量与辐射照射持继时间的乘积 三 朗伯余弦定律1 朗伯余弦定律理想反射体单位表面积向空间某方向单位立体角反射 发射 的辐射功率和该方向与表面法线夹角的余弦成正比 B是一个与方向无关的常数2 朗伯辐射源的辐射亮度结论 朗伯辐射源的辐射亮度是一个与方向无关的常量 3 朗伯辐射源的特征由图 辐射源向空间某一方向与法线成 角 立体角内辐射的功率为与法线成 角方向上的辐射强度 为即 在某一方向上的辐射强度等于这个面垂直方向上的辐射强度乘以方向角的余弦4 朗伯辐射源的L与M关系 四 辐射度量中的基本规律1 距离平方反比定律描述的是点源 或小面源 的辐射强度I与其所产生的辐射照度E之间的关系投射到dA上的辐射功率为dP Id IdAcos l2点源在被照面上x点处产生的辐射照度为一个辐射强度为I的点源 在距离它l处且与辐射线垂直的平面上产生的辐射照度与这个辐射源的辐射强度成正比 与距离的平方成反比 这个结论称为照度与距离平方反比定律 如果平面与射线不垂直 则必须乘以平面法线与射线之间的夹角的余弦 称之为照度的余弦法则 2 互易定理设有两个面积分别为A1和A2的均匀朗伯辐射面 其辐射亮度分别为L1和L2两朗伯面所接收到的辐射功率之比 3 立体角投影定理 As在 A上所产生的辐射照度为 As对 A所张开的立体角特别地 当 s 0时 E L s s Ascos s l2 4 Sumpner定理在球形腔内 腔内壁面积元dA1从另一面积元dA2接收的辐射功率与dA1在球面上的位置无关 即球内壁某一面积元辐射的能量均匀照射在球形腔内壁 称其为Sumpner定理 dA1接收dA2的辐射功率为立体角cos r 2 R 五 辐射传输中的相关定律考虑到辐射在介质和光学元件的表面反射 内部吸收和散射情况1 总功率定律由能量守恒定律定义 反射率 吸收率 则 透过率 注意点 1 反射率 吸收率 透过率通常随辐射光波长发生变化 2 影响反射率的主要因素是 材料种类 表面特性 入射角 3 影响吸收率的主要因素是 材料种类 均匀性 温度 4 透射率是被动的 随材料的反射率和吸收率而变化 都是波长的函数分别称为光谱反射率 光谱吸收率 光谱透射率 2 朗伯定律和朗伯 比耳定律 1 朗伯定律 吸收定律 只考虑介质的吸收设有一平行辐射束在均匀 即不考虑散射 的吸收介质内传播距离为dx路程之后 其辐射功率减少dP 实验证明 被介质吸收掉的辐射功率的相对值dP P与通过的路程dx成正比在x点处的辐射功率注意 吸收率是个比值 无量纲吸收系数 dP P dx 单位为1 m 表示成光谱波长的函数 引入内透射率和表面透射率 只考虑介质的散射设有一功率为P 的平行单色辐射束 入射到包含许多微粒的非均匀介质上 如图2 21所示 由于介质中微粒的散射作用 使一部分辐射偏离原来的传播方向 因此 在介质内传播距离dx路程后 继续在原来方向上传播的辐射功率 即通过dx之后透射的辐射功率 P 比原来入射功率P 衰减少了dP 实验证明 辐射衰减的相对值dP P 与在介质中通过的距离dx成正比 如果在介质内同时存在吸收和散射作用 并且认为这两种衰减机理彼此无关 功率为Pi 的辐射束传播距离为x的路程后 透射的辐射功率为 朗伯定律K 介质的消光系数 2 朗伯 比耳定律假设在一定的条件下 每个单元的吸收不依赖于吸收元的浓度 则吸收系数就正