光辐射物理基础(一)

1、v台湾地区的奇美电子、冠捷科技等光电企业巨头台湾地区的奇美电子、冠捷科技等光电企业巨头的陆续入驻，一个世界级的光电产业基地逐渐在的陆续入驻，一个世界级的光电产业基地逐渐在宁波保税区显现。宁波保税区显现。v宁波已经把打造世界级的光电产业基地作为未来宁波已经把打造世界级的光电产业基地作为未来发展的重点。宁波市市长毛光烈表示：发展的重点。宁波市市长毛光烈表示：“奇美、奇美、冠捷进来将引来更多的相关配套企业。冠捷进来将引来更多的相关配套企业。” ” v宁波出口加工区和保税区内落户的台资配套企业宁波出口加工区和保税区内落户的台资配套企业已近已近2020家，其中包括全球著名的背光模组生产厂家，其中包括全球

2、著名的背光模组生产厂商中强光电、大亿科技等。据宁波市有关部门透商中强光电、大亿科技等。据宁波市有关部门透露，目前已经或有意跟进的台资上下游企业多达露，目前已经或有意跟进的台资上下游企业多达数十家。数十家。 v1 1 宁波奇美电子有限公司：产值宁波奇美电子有限公司：产值300300亿亿( (主导产主导产品液晶电视和显示器、台商独资企业，投资品液晶电视和显示器、台商独资企业，投资1.71.7亿亿美元美元) )。2 2 宁波波导股份有限公司：产值宁波波导股份有限公司：产值200200亿亿( (主导产主导产品手机品手机35003500万部，拟与国外大公司战略合作万部，拟与国外大公司战略合作) )。3

3、3 宁波奥克斯集团公司：产值宁波奥克斯集团公司：产值100100亿亿( (主导产品主导产品手机手机15001500万部，今年新核准生产许可证万部，今年新核准生产许可证) )。4 4 宁波广博集团公司：产值宁波广博集团公司：产值3333亿亿( (主导产品数码主导产品数码相机、纳米材料相机、纳米材料) )。5 5 宁波屹东电子股份有限公司：产值宁波屹东电子股份有限公司：产值3030亿亿( (主导主导产品手机、智能家电、产品手机、智能家电、LEDLED、香港上市公司、香港上市公司) )。6 6 宁波太阳能电源有限公司：产值宁波太阳能电源有限公司：产值3030亿亿( (主导产主导产品太阳能电池品太阳能

4、电池100MW)100MW)。v 重点项目液晶电视和显示器生产：宁波华屋电子有限公司投资1.7亿美元在保税区建立液晶电视和显示器生产厂，一、二期产能将达600万台，并在周边形成较为完善配套产业链体系。“十一五”期间如液晶电视国内市场高速增长，台商将会考虑将液晶显示屏转移至宁波生产，那将是一次重大产业战略转移。 2G、2.5G、3G手机扩产：宁波波导股份有限公司为了推进与国外大公司战略合作，拟在现有2000万部生产能力基础上再新投资3亿人民币增加2000万部生产能力，使之年产能达到 4000万部，位列全球第4，以增强其国内外市场竞争力。手机生产扩产：宁波奥克斯集团有限公司2005年上半年刚获得国

5、家核准手机生产许可证。公司拟扩建手机生产线，使其年产能达到2000万部。数码相机扩产：宁波广博集团有限公司拟投资10亿元建10条数码相机生产线，使之年产能达到300万部。另拟投资1亿元建数码打印机和电子相框生产等项目。v太阳能电池扩产：宁波太阳能电源有限公司拟太阳能电池扩产：宁波太阳能电源有限公司拟投资投资1 1亿元将太阳能电池年生产能力从亿元将太阳能电池年生产能力从25MW25MW提高到提高到100MW100MW，为顺利扩产公司已在科技园区征地造新厂，为顺利扩产公司已在科技园区征地造新厂房。房。大尺寸液晶背光模组生产：宁波大亿科技有限大尺寸液晶背光模组生产：宁波大亿科技有限公司拟投资公司拟投

6、资2.52.5亿元在保税区为华屋电子有限公司亿元在保税区为华屋电子有限公司建配套大尺寸液晶背光模组生产线，其年产能将建配套大尺寸液晶背光模组生产线，其年产能将达到达到18001800万片。万片。v在所有这些领域中，都涉及到将在所有这些领域中，都涉及到将光辐射信息光辐射信息转换转换为为电信息检测电信息检测的问题。的问题。v了解光辐射的了解光辐射的度量度量、光辐射的、光辐射的产生产生及其及其传输传输的的基基本规律本规律，介绍典型的光辐射源、常用光学材料的，介绍典型的光辐射源、常用光学材料的性质性质以及光辐射以及光辐射调制的原理与方法调制的原理与方法。 主要内容：v1 1 光辐射的度量光辐射的度量v

7、2 2 温度辐射源及其辐射特性温度辐射源及其辐射特性v3 3 受激辐射与激光器受激辐射与激光器v4 4 辐射在媒质中传输的衰减辐射在媒质中传输的衰减v5 5 光辐射的调制光辐射的调制v 1-11-1 光辐射的度量光辐射的度量1.1.1 1.1.1 基本光辐射度量基本光辐射度量1.1.2 1.1.2 光谱辐射度量和光子辐射度量光谱辐射度量和光子辐射度量1.1.3 1.1.3 基本光度量基本光度量1.1.4 1.1.4 朗伯余弦定律与小面源辐射特性朗伯余弦定律与小面源辐射特性v光具有波粒二象性波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。v1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传

8、播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。v1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。v1905年,爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射。 爱因斯坦爱因斯坦（1879-1955）v 光子能量公式：光子能量公式：E= hE= hv 光子动量公式：光子动量公式：p = p = h/ch/c = = h/h/ h h：普郎克常数普郎克常数 上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），等号右边表示光为波动性

9、质（电磁波频率和波长）。等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。v 光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来说，具有从能级来说，具有从0.1ev0.1ev到几个到几个evev能量的转换比较容易，即能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到比较容易在十几微米的红外到0.20.2微米左右的紫外范围内进微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。行高效率的能量转换。v光辐射是电磁波辐射。v电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。v光电检测技术只涉及光学谱区。在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈

10、都同时覆盖此区域。使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。 101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡声频电磁振荡无线电波无线电波毫米波毫米波红外光红外光紫外光紫外光X射线射线 射线射线宇宙射线宇宙射线/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可可见见光光电磁辐射波谱电磁辐射波谱光学区：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0.40.8m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

11、从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。2.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0.10.4 m 。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。3.红外辐射。波长在0.81000m的是红外辐射。通常分为近红外（ 0.83m ）、中红外（ 36m ），远红外（ 620m ）和极远红外（ 201000m ）四部分。v 光电系统光电系统可以看作是光能的可以看作是光能的传递传递和和接收接收系统。系统。v辐射能从目标辐射能从目标(

12、(辐射源辐射源) )发出后经过中间介质、光学发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标。接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标。一、基本光辐射度量一、基本光辐射度量v 辐射度学辐射度学 适用于适用于整个电磁波谱整个电磁波谱的能量计算。主要用的能量计算。主要用于于X X光、紫外光、红外光光、紫外光、红外光, ,可见光以及其他非可见的电可见光以及其他非可见的电磁辐射。磁辐射。v光度学光度学 研究对研究对可见光可见光的能量的计算，它使用的参量的能量的计算，它使用的参量称为光度量。以人的视觉

13、习惯为基础建立。称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。v 光度学是辐射度学的一部分或特例。光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。位不同。为了区别这两种量，有的用下标e和v区分。v 辐射能 Q 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。 单位：焦耳（J）。 辐射功率 P 辐射功率Pe又称为辐射通量，定义为单位时间内流过的辐射能量，即 单位：瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）eedQPdt0teeQPdt2. 辐射量（辐射量（

14、1） 辐出度 M 辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。 定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即v单位：W/m2。eedpMdS辐射量（辐射量（2）辐射强度。辐射强度定义为：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v单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。eedPId由辐射强度的定义可知，如果一个置于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方向发射的总辐射通量是Pe，则该点辐，则该点辐射体在各个方向的辐射强度射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有是常量，有 4eePIv 辐

15、射亮度。辐射亮度定义为单位面辐射源在某一给定方向上的辐通量。如图1所示。 （1-5） 2coscoseeedId PLdSddSSddSd图图1 辐射亮度示意图辐射亮度示意图显然，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 (1-6) v 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。(1-6)式代入(1-5)式得到余弦辐射体的辐射亮度为 (1-7) v 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度为 (1-8） cos0eedIdI 00eeedILLdS0eeedPMLdSv（6）辐射

16、照度v在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即 v单位：（W/m2）。eedPEdA辐射量（辐射量（4）v由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响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理量性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量 可用与辐度学的物理量可用与辐度学的物理量 对应的来表示，其定义完对应的来表示，其定义完全一一对应，其关系如表

17、所示。全一一对应，其关系如表所示。eeeeeeQPIMLE、 、 、 、vvvvvvQP IMLE、 、 、 、v常用辐射量和光度量参数一览表（一）名称名称 符号符号 定义定义 单位单位 辐射能辐射能光能光能Q Qe eQ Qv v以辐射形式发射、传播或接收的能量。以辐射形式发射、传播或接收的能量。光通量对时间的积分。光通量对时间的积分。 焦焦 耳耳(J)(J)流流 明明 秒秒(lm(lm s) s) 辐射通量辐射通量光通量光通量 P Pe eP Pv v 以辐射形式发射、传播或接收的功率。以辐射形式发射、传播或接收的功率。发光强度为发光强度为v v的光源，在立体角元的光源，在立体角元dd内内

18、的辐通量，的辐通量，ddv v = =v v dd。 瓦瓦 特特(W)(W)流流 明明(lm)(lm) 辐出度辐出度光出度光出度eevv离开表面一点处面元的辐通量除以该面元离开表面一点处面元的辐通量除以该面元面积。面积。离开表面一点处面元的光通量除以该面元离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。面积。瓦每平方米瓦每平方米(W(W m-2) m-2)流流 明明 每平方米每平方米(lm(lm m-2) m-2) 辐射照度辐射照度光照度光照度 e ev v照射到表面一点处面元上的辐通量除以该面元照射到表面一点处面元上的辐通量除以该面元的面积。的面积。 照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元照射到

19、表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。的面积。 瓦每平方米瓦每平方米(W(W m-2) m-2)勒勒 克斯克斯(lx)(lx)辐射强度辐射强度光强度光强度 e ev v 在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源或在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角元。辐射源面元的辐射功率除以该立体角元。光度量中的基本量，单位为坎德拉光度量中的基本量，单位为坎德拉cdcd。cdcd的意的意义为：频率为义为：频率为54054010101212HzHz的单色辐射在给定的单色辐射在给定方向上的辐射强度方向上的辐射强度e e=1/683W=1/683W sr-1 sr-1时，规定时

20、，规定为为1cd1cd。 瓦每球面度瓦每球面度(W(W sr-1) sr-1)坎坎 德拉德拉(cdcd) ) 辐射亮度辐射亮度光亮度光亮度LeLv表面一点处的面元在给定方向上的辐射强表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。正投影面积。表面一点处的面元在给定方向上的发光强表面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于给定方向平面上的度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。正投影面积。瓦每球面度平瓦每球面度平方米方米(W(W sr- sr-1 1 m-2) m-2)坎坎 德拉德拉 每平每平方米方米(

21、(cdcd m-2) m-2)曝光量曝光量 H H 光照度对时间的积分。光照度对时间的积分。 勒勒 克斯克斯 秒秒(lx(lx s) s) v光度单位体系中，被选作基本单位的不是光通量或光度单位体系中，被选作基本单位的不是光通量或光出射度而是光出射度而是发光强度发光强度 I，其单位是，其单位是坎德拉（坎德拉（cdcd）。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（单位制（SISI）的七个基本单位之一。）的七个基本单位之一。v定义是：一个光源发出频率为定义是：一个光源发出频率为540540* *10101212HzHz的单色辐的单色辐射，若在一

22、给定方向上的辐射强度为射，若在一给定方向上的辐射强度为1/683 W/1/683 W/srsr，则该光源在该方向上的发光强度为则该光源在该方向上的发光强度为1cd1cd。v另两个与辐射度学单位不同的物理量：另两个与辐射度学单位不同的物理量： 光通量光通量即单位时间内发射传输或接收的光能量，即单位时间内发射传输或接收的光能量， 单位是单位是流明（流明（lmlm）。 光照度光照度即入射到单位接收表面上的光通量，单即入射到单位接收表面上的光通量，单位是位是勒克斯（勒克斯（lxlx） 。v3.3.点光源与扩展源点光源与扩展源v点光源：点光源：辐射源的最大尺寸小于观察者与光测距辐射源的最大尺寸小于观察者

23、与光测距离的离的1/101/10以内时，此时的辐射源被称为点光源。以内时，此时的辐射源被称为点光源。v扩展源：扩展源：当使用光学系统时，充满光学系统视场当使用光学系统时，充满光学系统视场的辐射源作扩展源处理，未充满视场的则算作点的辐射源作扩展源处理，未充满视场的则算作点源。源。v4.4.立体角立体角v半径为半径为R R的球面部分的边缘各点对球心连线所包围的球面部分的边缘各点对球心连线所包围的空间叫立体角的空间叫立体角。 = =A/RA/R2 2 单位：球面度（单位：球面度（1sr1sr）v整个球面空间立体角为整个球面空间立体角为4 4srsr作业：作业：v 问题问题1 1：辐射通量：辐射通量P

24、 P、辐射出度、辐射出度M M、辐射强度、辐射强度I I，辐射亮度，辐射亮度L L的的定义是怎样的？定义是怎样的？v 问题问题2 2：M M，I I，L L三者之间的关系是什么？三者之间的关系是什么？ 2LAcoscoscosPdIdMdSd v全波辐射量全波辐射量：波长范围从：波长范围从00全部光辐射的度量称全部光辐射的度量称为全波辐射量。为全波辐射量。v光谱辐射量光谱辐射量：对指定波长附近单位波长间隔内的辐：对指定波长附近单位波长间隔内的辐射量称为光谱辐射度量。射量称为光谱辐射度量。v光谱辐射功率为光谱辐射功率为v则光谱辐出度则光谱辐出度0lim ()PPP20lim()MMPMA v对于

25、单色光辐射对于单色光辐射v普朗克常数普朗克常数 h= 6.626*10-34J*sv全波长光子辐出度全波长光子辐出度hqMMhqqMMM dd v将可见光的能量特性与辐射能量实现互换，遵循将可见光的能量特性与辐射能量实现互换，遵循v其中：其中：F(F() )为可见光光通量，为可见光光通量，P(P() )为光谱辐射为光谱辐射功率，功率，K(K() )为眼睛的为眼睛的光视效能光视效能，最大灵敏度时定义，最大灵敏度时定义为为K Km m( () ) 。V(V() )为为光效函数光效函数，定义为，定义为( )( )( )FPK ( )( )( )mKVK v光视效能光视效能 光视效能：描述某一波长的单

26、色光辐射通量可以产生多光视效能：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。即光视效能少相应的单色光通量。即光视效能K K 定义为同一波长定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即下测得的光通量与辐射通量的比之，即 单位：流明单位：流明/ /瓦特（瓦特（lm/Wlm/W）v 通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率540540 10101212HzHz（波长波长555nm555nm）处，）处，K K 有最大值，其数值为有最大值，其数值为K Km=683lm/Wm=683lm/W。单色光。单色光视效率是视效率是K K 用用K Km

27、m归一化的结果，其定归一化的结果，其定 vePKP1vmmeKPVKKPv人眼的光谱光视效能人眼的光谱光视效能v明视效能明视效能v =555nm=555nm时，具有最大灵敏度时，具有最大灵敏度K Km m 应用：应用：出租车出租车绿色的空载灯绿色的空载灯v暗视效能暗视效能 =507nm=507nm时，具有最大灵敏度时，具有最大灵敏度KKm mv 单位单位 ：lm/W lm/W 教材教材P4 P4 表表1-41-4( )( )mKK V ( )( )mKKV vV(V() )又称为又称为视见函数视见函数。根据对。根据对许多正常人眼的研究，可统计出各许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵

28、敏度。种波长的平均相对灵敏度。v光谱光视效率光谱光视效率V(V() )曲线曲线v图中实线为在视场较亮时测得的，图中实线为在视场较亮时测得的，称为明视觉称为明视觉V(V() )曲线曲线mm=555nm=555nm ；虚线为在视场较暗时测得的，称为虚线为在视场较暗时测得的，称为暗视觉暗视觉V ()V ()曲线。对于曲线。对于暗视觉，暗视觉，mm=507nm=507nm，Km=683 lmKm=683 lmW-1W-1。所有光度计量均以明视觉的所有光度计量均以明视觉的K(K() )为基础。为基础。4005006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 长(nm)光视 效 率图图2

29、光谱光视效率曲线光谱光视效率曲线四、四、朗伯余弦定律与小面源的辐射特性朗伯余弦定律与小面源的辐射特性1.1.朗伯余弦体朗伯余弦体v若一个置于各项同性、均匀介质中的点辐射体向若一个置于各项同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量为所有方向发射的总辐射通量为P P，则该点辐射体在，则该点辐射体在各方向的辐射强度各方向的辐射强度I I是常量。是常量。v规定在某一给定方向上的辐射通量为辐射亮度规定在某一给定方向上的辐射通量为辐射亮度L LSddSd辐射亮度示意图辐射亮度示意图v若某方向单位立体角发射的功率若某方向单位立体角发射的功率其中：其中：B B为与方向无关的常数。为与方向无关的常数。

30、v满足上式满足上式朗伯余弦定律朗伯余弦定律的辐射表面称为的辐射表面称为朗伯面朗伯面。满足朗伯余弦定律的辐射源称为满足朗伯余弦定律的辐射源称为郎伯辐射源郎伯辐射源。P = BcosP = BcosLv 朗伯辐射源的辐射亮度v 郎伯辐射体的辐射亮度L与辐出度M的关系2LAcosPB 220LcosLcossinLcos sinLdPMdddAdd dMdd v 将将小面源小面源上各点的亮度近似看成上各点的亮度近似看成朗伯余弦体朗伯余弦体。v 求小面源的辐射功率求小面源的辐射功率v 辐射强度辐射强度P = PLcosdd LcosdPd P=Lcosddd v 由于对于朗伯体满足由于对于朗伯体满足

31、v 因此因此v 辐出度辐出度 LM LcoscosdPdIL=cos v 点光源产生的辐射照度点光源产生的辐射照度 E Ev 小面源产生的辐射照度小面源产生的辐射照度 E E2cosPIElI=LcosdPdd 222coscos coscos cosLIddlllv一、温度辐射与黑体辐射定律一、温度辐射与黑体辐射定律v温度辐射（热辐射）：温度辐射（热辐射）：任何具有一定温度的物体任何具有一定温度的物体都能转换本身的热能而自发地向外辐射能量。都能转换本身的热能而自发地向外辐射能量。 发出：连续电磁波，波长连续波谱。发出：连续电磁波，波长连续波谱。 蚊子对辐射敏感 任何任何0K0K以上温度的物体

32、都会发射各种波长的电磁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。能按波长的分布主要决定于物体的温度。v物体辐射的两种形式：物体辐射的两种形式： 热辐射，发光热辐射，发光v任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围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物体发射的辐射能。当辐

33、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）。部分能量透射）。v吸收比。吸收比。被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长物体的吸收比。在波长 到到 + +d d 范围内的吸收比称为范围内的吸收比称为单色吸收比，用单色吸收比，用 表示。表示。v反射比。反射比。反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长反射比。在波长 到到 + +d d 范

34、围内相应的反射比称为单范围内相应的反射比称为单色反射比，用色反射比，用 表示。对于不透明的物体，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单色吸收比和单色反射比之和等于1 1，即，即v )(T)(T1)()(TT（一）基尔霍夫定律（一）基尔霍夫定律v 对温度为对温度为T T的物体，辐出度满足的物体，辐出度满足v 基尔霍夫定律基尔霍夫定律：v 意义：任何物体的辐出度与其吸收比的比值等于意义：任何物体的辐出度与其吸收比的比值等于辐射源在它上面的辐照度。辐射源在它上面的辐照度。与该物体的温度和入与该物体的温度和入射的辐射波长有关，与物体本身的性质无关。射的辐射波长有关，与物体本身的性质无

35、关。ME ()ME（二）黑体（二）黑体v 若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等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于1 1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。v 不能完全吸收入射辐射的功率称为不能完全吸收入射辐射的功率称为非黑体非黑体。v 发射率发射率 非黑体与黑体的辐出度之比非黑体与黑体的辐出度之比发射率不随波长变化且小于发射率不随波长变化且小于1 1的物体称为的物体称为灰体灰体。P7 常见物体的发射率()()()MM 非黑体黑体（三）黑体的辐射特性（三）黑体的辐射特性1.1.普朗克黑体辐射定律普朗克黑体辐射定律v 绝

36、对黑体的光谱辐出度绝对黑体的光谱辐出度其中：其中： 为光谱辐出度，为光谱辐出度，T T为绝对温度（为绝对温度（K K），），h h为普朗克常数为普朗克常数 h=6.626h=6.626* *1010-34-34W W* *S S，K KB B为波尔兹曼常数为波尔兹曼常数 K KB B=1.38054=1.38054* *1010-23-23W W* *S/KS/K，c c为光速为光速 c=2.99792520c=2.99792520* *10108 8m/sm/s2b/52( )(1)Bhck ThcMT ddebMv 化简后化简后v C1,C2 C1,C2 为第一辐射常数，第二辐射常数。为第

37、一辐射常数，第二辐射常数。21/51( )1bCTCMT dde2121cmW10)000020. 0741832. 3(CKm10)000045. 0438786. 1 (42Cv普朗克公式描述了不同温度下黑体辐出度与波长普朗克公式描述了不同温度下黑体辐出度与波长之间的关系。之间的关系。012345601 02 03 04 01 0 0 0 K1 2 0 0 K1 4 0 0 K1 6 0 0 K1 8 0 0 K2 0 0 0 K (m )单色 辐射 出射 度 Mvb(W/cm2m)黑体辐射单色辐射出射度的波长分布黑体辐射单色辐射出射度的波长分布上图为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐

38、射亮度）随波上图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：长的变化曲线。可见：v 对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一对应任一温度，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）色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）v 单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 。012345601 02 03 04 01 0 0 0 K1 2 0

39、 0 K1 4 0 0 K1 6 0 0 K1 8 0 0 K2 0 0 0 K (m )单色 辐射 出射 度 Mvb(W/cm2m)黑体辐射单色辐射出射度的波长分布黑体辐射单色辐射出射度的波长分布v单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。向移动。2.2.维恩位移定律维恩位移定律 单色辐射出射度最大值对应的波长单色辐射出射度最大值对应的波长 3.3.斯忒藩斯忒藩- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 其中其中 为斯忒藩为斯忒藩- -玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。斯忒藩斯忒藩- -玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只

40、与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。度有关，而与黑体的其他性质无关。)Km(9 .2897Tm4b( )M TT8245.6697 10 (J/ms K ) 由斯忒藩由斯忒藩- -玻尔兹曼定律很容易算出已知温度黑体的总辐玻尔兹曼定律很容易算出已知温度黑体的总辐出度。出度。v例：例： 310K310K人体人体v2856K2856K的标准钨丝白炽灯的标准钨丝白炽灯442b2bb(310)*310523.6/(310)(310)/1.667.MKTW mLKMKsr m4462es62eses(2856 )*28563.77*10/(2856 )(2856 )/1.2*10.MKTW mLKM

41、Ksrm( (四四) )朗伯余弦定律与朗伯余朗伯余弦定律与朗伯余弦体弦体1.1.朗伯余弦定律朗伯余弦定律 设某一发射表面设某一发射表面 在法线在法线方向上的辐射强度为方向上的辐射强度为 与法线成与法线成 角方向上的角方向上的辐射强度为辐射强度为 ，则有，则有此即此即朗伯余弦定律。朗伯余弦定律。0cosIILAA0cosII0IAI 朗伯余弦定律朗伯余弦定律含义含义： 表明各个方向上辐亮度相表明各个方向上辐亮度相等的发射表面，其辐射强等的发射表面，其辐射强度按余弦定律变化。度按余弦定律变化。 凡是辐射曲线服从余弦定律凡是辐射曲线服从余弦定律的光源称为的光源称为朗伯光源朗伯光源。v朗伯辐射源的辐射

42、特性朗伯辐射源的辐射特性v1.1.各个方向上的辐射亮度满足各个方向上的辐射亮度满足 即即各个方向上的辐亮度相等的辐射源各个方向上的辐亮度相等的辐射源。 2.2.朗伯辐射源的辐出度与辐亮度之间的关系朗伯辐射源的辐出度与辐亮度之间的关系00ILLALdPMdA 0Lcos sinLAPdAdd LcosLcos sindPdAddAd 3.3.朗伯辐射源的辐亮度与辐射强度间的关系朗伯辐射源的辐亮度与辐射强度间的关系v朗伯辐射源在发现上的辐射强度等于辐亮度乘朗伯辐射源在发现上的辐射强度等于辐亮度乘以源面积。以源面积。4.4.朗伯源的辐射强度与辐射功率之间的关系朗伯源的辐射强度与辐射功率之间的关系v朗

43、伯源的总辐射功率等于辐射源法线方向上的朗伯源的总辐射功率等于辐射源法线方向上的辐射强度的辐射强度的倍倍。 0ILA0PI 5.5.理想漫反射体亮度与辐照度之间的关系理想漫反射体亮度与辐照度之间的关系 将处于反射场的理想将处于反射场的理想漫反射体漫反射体视作朗伯辐射源，将从各视作朗伯辐射源，将从各方向上入射的全部辐射功率均毫无吸收和毫无透射地按方向上入射的全部辐射功率均毫无吸收和毫无透射地按朗伯余弦辐射定律反射出去。朗伯余弦辐射定律反射出去。 即即理想漫反射体的辐亮度等于它的辐照度除以理想漫反射体的辐亮度等于它的辐照度除以。 MELEv 当当一束平行的一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，因面上凹

44、凸不平，射到粗糙的表面时，因面上凹凸不平，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成成反射光线向不同的方向无规则地反射反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为，这种反射称之为“漫反射漫反射”或或“漫射漫射”。这种反射的光称为漫射光。很多物。这种反射的光称为漫射光。很多物体，如体，如植物、墙壁、衣服等，其表面粗看起来似乎是平滑，等，其表面粗看起来似乎是平滑，但用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以但用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方本来是平行的太

45、阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方向向 。v 隐形衣的研制v黑体的各发射率均为黑体的各发射率均为1 1 ，与方向无关，是朗伯余，与方向无关，是朗伯余弦体。弦体。v除磨光的金属，其它辐射源某种程度上近似为朗除磨光的金属，其它辐射源某种程度上近似为朗伯辐射体。伯辐射体。二、人工辐射源及目标、背景的辐射特性二、人工辐射源及目标、背景的辐射特性 1.1.人工黑体人工黑体 自然界没有绝对黑体自然界没有绝对黑体 近似理想黑体：密闭空腔中的辐射，使发射率近似理想黑体：密闭空腔中的辐射，使发射率 非常接近非常接近1 1。v黑体辐射源的用途黑体辐射源的用途标定各种红外辐射源的辐射强度，标定各类红外标定各种红

46、外辐射源的辐射强度，标定各类红外探测器的响应率，测定红外光学系统的透射比探测器的响应率，测定红外光学系统的透射比研究各种物质表面的辐射特性研究各种物质表面的辐射特性研究大气和其他物质对辐射的吸收透射特性研究大气和其他物质对辐射的吸收透射特性黑体的分类黑体的分类 高温黑体高温黑体 1273K 1273K 近红外波段近红外波段 中温黑体中温黑体 373K1273K 373K1273K 中红外波段中红外波段 近室温黑体近室温黑体 223K373K 223K373K 远红外波段远红外波段 低温黑体低温黑体 223K 223K v光源（辐射源）光源（辐射源）是光电检测系统的一个组成部是光电检测系统的一个

47、组成部分，大多数光电检测系统都离不开光源。分，大多数光电检测系统都离不开光源。v光电检测系统对光源的选择要考虑很多因素，例光电检测系统对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。如波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。v 光源的分类：光源的分类：1.1. 钨丝灯钨丝灯2.2. 气体放电灯气体放电灯3.3. 半导体发光二极管半导体发光二极管4.4. 激光光源激光光源2.2.通用红外辐射源（发射波长位于红外）通用红外辐射源（发射波长位于红外）v能斯脱（能斯脱（NernstNernst) )灯灯 2000K 2000K 是红外辐射技术中是红外辐射技术中 的常用光源的

48、常用光源v硅碳棒硅碳棒 1000K1800K 1000K1800K v钨丝灯钨丝灯 2000K3100K 3um2000K3100K 3um以下，以下，是最接近黑体是最接近黑体 的辐射源的辐射源 常用作光谱分布的常用作光谱分布的标准光源标准光源 v气体放电辐射源气体放电辐射源 利用辉光放电现象利用辉光放电现象v水银灯水银灯 利用水银蒸汽放电现象利用水银蒸汽放电现象v氙灯氙灯 利用惰性气体的放电现象利用惰性气体的放电现象 照相机闪光灯照相机闪光灯v碳弧碳弧 开放式放电开放式放电光源可分为光源可分为自然光源自然光源和和电光源电光源。常用的电光源以发光原理可分为四大类：常用的电光源以发光原理可分为四

49、大类：v热辐射光源热辐射光源v气体放电光源气体放电光源v激光器激光器v电致发光器件电致发光器件v 热物体都会向空间发出一定的光辐射，基热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。就越短。v 白炽灯白炽灯就是一种典型的就是一种典型的热辐射热辐射光源。钨丝光源。钨丝密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或者保持密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或者保持真空，钨丝被电加热到白炽状态而发光。白炽真空，钨丝被电加热到白炽状态而发光。白炽灯的寿命取决于很多

50、因素，包括供电电压等，灯的寿命取决于很多因素，包括供电电压等，在经济成本下寿命可以达到几千小时。在经济成本下寿命可以达到几千小时。白炽灯：白炽灯：v 白炽灯为可见光源，但它的能量只有白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%15%左左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约域，约11.5mm11.5mm，因此可用作近红外光源。对于，因此可用作近红外光源。对于更远的红外区域，可选用其他热辐射光源，例更远的红外区域，可选用其他热辐射光源，例如硅碳棒或者能斯脱灯等，它们工作在较低的如硅碳棒或者能斯脱灯等，它们工作在较低的温度下，峰值波长更长。温度下，峰值波长

51、更长。v热辐射光源输出功率大，但对电源的响应热辐射光源输出功率大，但对电源的响应速度慢，调制频率一般低于速度慢，调制频率一般低于1kHz1kHz，不能用于快，不能用于快速的正弦和脉冲调制。速的正弦和脉冲调制。v用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。v发光范围发光范围： 可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。（P27 图图2-4）v特点特点： 寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯（又称卤钨灯），其体积较小，光效高，寿命也较长。 v卤钨灯

52、卤钨灯是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英玻璃制作，是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英玻璃制作，能够耐能够耐3500K3500K的高温，灯泡内充以卤素元素，通常的高温，灯泡内充以卤素元素，通常是碘，卤素元素能够与沉积在灯泡内壁上的钨发生是碘，卤素元素能够与沉积在灯泡内壁上的钨发生化学反应，形成卤化钨，卤化钨扩散到钨丝附近，化学反应，形成卤化钨，卤化钨扩散到钨丝附近，由于温度高而分解，钨原子重新沉积到钨丝上，这由于温度高而分解，钨原子重新沉积到钨丝上，这样弥补了灯丝的蒸发，大大延长了灯泡的寿命，同样弥补了灯丝的蒸发，大大延长了灯泡的寿命，同时也解决了灯泡因钨的沉积而发黑的问题，光通量时也解决了灯泡因钨的沉积而发黑的问题，光通量在整个寿命期中始终能够保持相对稳定。在整个寿命期中始终能够保持相对稳定。v 电流通过气体会产生发光现象，利用这种原电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为理制成的光源称为气体放电光源气体放电光源。气体放电。气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件