李新光-Y2014600102现代检测技术基础Chapter three

1、1光谱辐射度量光谱辐射度量光度量光度量第三章第三章 光电检测技术基础光电检测技术基础 3.2 光电效应光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应光电发射效应光电发射效应 3.1 辐射度量与光度量辐射度量与光度量2光的基本性质光的基本性质n牛顿牛顿微粒说微粒说n根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释n不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振n波动理论波动理论n惠更斯、杨氏和费涅耳等惠更斯、杨氏和费涅耳等n解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象n麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光

2、是一种电磁波3光的基本性质光的基本性质n光量子说光量子说n1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论射的量子论n1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念提出光量子的概念n光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比n光具有波粒二象性光具有波粒二象性4辐射度量与光度量辐射度量与光度量n 3.1.1 光的基本性质光的基本性质1.波动性波动性： =c= nmHZ= 3 1010cm/s 2.粒子性粒子性： 光电效应：光吸收与发射光电效应：光吸收与发射光量子光量子粒子性粒子性 c光子能量光子能量: E= h

3、 = h c 描述波动性的基本关系式：描述波动性的基本关系式： = (nm) 真空中光速真空中光速光的频率光的频率6.62610-34 J s5 射线射线10-2nmX射线射线10-110nm 紫外紫外200nm 可见光可见光380780nm 红外红外 780nm 近红外区近红外区 1 500nm 中红外区中红外区10 000nm远红外区远红外区 1000 000nm微波微波1mm无线电波无线电波103cm (人耳可闻声波频率是人耳可闻声波频率是: 1620 000 Hz) 紫外紫外 | 紫紫 | 蓝蓝 | 青青 | 绿绿 | 黄黄 | 橙橙 | 红红 | 红外红外 380 450 480 5

4、00 560 600 650 750 nm 辐射度量与光度量辐射度量与光度量n3 电磁波谱电磁波谱6辐射度量与光度量辐射度量与光度量n 3.1.2 光辐射度量光辐射度量1 辐射能辐射能Qe以辐射的形式发射以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐、传播或接收的能量称为辐射能射能. 单位单位: J2 辐射能密度辐射能密度we光源在单位体积内的辐射能光源在单位体积内的辐射能称为光源的辐称为光源的辐射能密度射能密度. 它表征辐射能量的空间特性它表征辐射能量的空间特性. 定定义为义为: we=dQe/dV V为体积为体积, we的单位是的单位是: J/m37辐射度量与光度量辐射度量与光度量在单位时间内通

5、过某一定面积的辐射能在单位时间内通过某一定面积的辐射能称为通称为通过该面积的辐射通量过该面积的辐射通量. 表达式为表达式为 e=dQe/dt 单位单位: w (1w=1 J/s)4 辐射强度辐射强度Ie从一个点光源发出的从一个点光源发出的, 在单位时间在单位时间、单位立单位立体角所辐射出的能量体角所辐射出的能量称为辐射强度称为辐射强度.表达式表达式为为: Ie=de/d de为辐射源在为辐射源在d立体角所辐射出来立体角所辐射出来的辐射功率的辐射功率. 单位是瓦单位是瓦/球面度球面度(w/sr)3 辐射通量辐射通量e8辐射度量与光度量辐射度量与光度量辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率称为辐射体

6、在单位面积内所辐射的通量或功率称为辐射出射度辐射出射度. 这是用来量度物体辐射能力的物这是用来量度物体辐射能力的物理量理量. 表达式为表达式为 Me=de/dA 式中式中, de为辐射体面元为辐射体面元dA向一切方向所发出向一切方向所发出的辐射通量的辐射通量.5 辐射出射度辐射出射度Me9辐射度量与光度量辐射度量与光度量辐射体在单位面积辐射体在单位面积、单位球面度、单位球面度内所辐射的通内所辐射的通量或功率称为辐射亮度量或功率称为辐射亮度.在与辐射表面在与辐射表面dA的法的法线方向上线方向上, 辐射亮度等于该方向上的辐射强度辐射亮度等于该方向上的辐射强度dIe与辐射表面在该方向垂直面上的投影面

7、积与辐射表面在该方向垂直面上的投影面积之比之比. 表达式为表达式为 Le=dIe/dAcos 式中式中, dA为光源的表面源为光源的表面源; 为光源表面的法为光源表面的法线与给定方向间的夹角线与给定方向间的夹角. 单位单位: 瓦瓦/米米2 球面度球面度6 辐射亮度辐射亮度Le10辐射度量与光度量辐射度量与光度量为了评定辐射体对装置的作用为了评定辐射体对装置的作用,要引入辐照度的要引入辐照度的概念概念,它表示单位面积内所接收到的辐射通量它表示单位面积内所接收到的辐射通量. 其表达式为其表达式为 Ee=de/dA单位单位: 瓦瓦/米米2 (W/m2)7 辐照度辐照度Ee11基本辐射度量的名称、符号

8、和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/12辐射度量与光度量辐射度量与光度量n 3.1.3 光谱辐射度量光谱辐射度量为了表征辐射为了表征辐射,不仅要知道辐射的总通量和强度不仅要知道辐射的总通量和强度,还应知道其光谱组份还应知道其光谱组份.为了研究各种波长的光所为了研究各种波长的光所分别辐射的能量分别辐射的能量,还需要引

9、入光谱辐射度量的概还需要引入光谱辐射度量的概念念.光谱辐射度量是单位波长间隔内的光辐射度量光谱辐射度量是单位波长间隔内的光辐射度量.光谱辐射通量光谱辐射通量: 由于光源发出的各种波长的光由于光源发出的各种波长的光谱辐射通量谱辐射通量一般一般是不同的是不同的, 所以所以, 若在若在到到+d 间隔内的辐射通量是间隔内的辐射通量是de , 则在波长则在波长处处的光谱辐射通量为的光谱辐射通量为: =de()/d13辐射度量与光度量辐射度量与光度量n 3.1.4 光度量光度量除了特殊用途的光源除了特殊用途的光源( (如红外光源和紫外光源如红外光源和紫外光源) )外外, ,大量光源是作为照明用的大量光源是

10、作为照明用的. .由于照明的效果由于照明的效果最终是以人眼来评定的最终是以人眼来评定的, ,因此照明光源的光学因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参量即光度量特性必须用基于人眼视觉的光学参量即光度量来描述来描述. .视见函数视见函数V(V() )国际照明委员会国际照明委员会(CIE)根据许多人的大量观根据许多人的大量观察结果察结果, 用平均值的方法用平均值的方法, ,确定了人眼对各确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度种波长的光的平均相对灵敏度, ,称为称为”标准标准光度观察者光度观察者”的光谱光视效率的光谱光视效率v(), , 或视或视见函数见函数.14辐射度量与光度量辐射度量与

11、光度量视见函数视见函数V(V() )当当=555nm=555nm时时,v(,v()=1)=1最大最大, , 是一个无量是一个无量纲的数纲的数. .光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值值. .由于人眼对不同波长的光的感光灵敏度由于人眼对不同波长的光的感光灵敏度不一样不一样, ,能量相同而波长不同的光能量相同而波长不同的光, ,在人眼在人眼中引起的视觉强度不同中引起的视觉强度不同. .15辐射度量与光度量辐射度量与光度量光通量是光辐射通量对人眼引起的视觉强度值光通量是光辐射通量对人眼引起的视觉强度值.若在波长若在波长到到+d+d间隔内光源的辐射通量为间隔内光源

12、的辐射通量为e,e,d d, ,则光通量的表示式为则光通量的表示式为 =kme, ,V(V()d)d =kme,V()d 单位为流明单位为流明(lm)式中式中, Km为辐射度量与光度量之间的比例系数为辐射度量与光度量之间的比例系数; V()为人眼的光谱光视效率为人眼的光谱光视效率, 积分限的变化是积分限的变化是由于对波长小于由于对波长小于380nm和大于和大于780nm的不可见的不可见光光, V()=0.1 光通量光通量16辐射度量与光度量辐射度量与光度量光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量, 称为光源在该方向上的发光强度称为光源在该方向上的发光

13、强度 I=d/d式中式中, d为光源在给定方向上的立体角元为光源在给定方向上的立体角元d内发内发出的光通量出的光通量.发光强度的单位为坎德拉发光强度的单位为坎德拉(cd).2 发光强度发光强度I比例系数比例系数Km也叫做最大光谱光视效能也叫做最大光谱光视效能Km=683 lm/W. 它表示波长为它表示波长为555nm处处, 即人眼光谱即人眼光谱光视效率最大光视效率最大V()=1 处处, 与与1W的辐射能通量相当的的辐射能通量相当的光通量为光通量为683 lm; 换句话说换句话说,此时此时1 lm相当于相当于1/683W.17辐射度量与光度量辐射度量与光度量光源表面给定点处单位面积向半空间内发出

14、的光通量光源表面给定点处单位面积向半空间内发出的光通量, 称称为光源在该点的光出射度为光源在该点的光出射度: M=d/dA式中式中, d为给定点处的面元为给定点处的面元dA发出的光通量发出的光通量. 单位为单位为lm/m2.需要指出的是需要指出的是, 光源表面包括自身不发光而在受到光照后成光源表面包括自身不发光而在受到光照后成为光源的表面为光源的表面.3 光出射度光出射度M18辐射度量与光度量辐射度量与光度量被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称为该点的照度为该点的照度: E=d/dA式中式中, d为给定点处的面元为给定点处的面元dA上的光通量上的

15、光通量.单位为勒克斯单位为勒克斯(lx)或或 (lm/m2).用点光源照明时用点光源照明时,被照面的照度与光源的发光强度被照面的照度与光源的发光强度I成正比成正比, 而与被照面到光源的距离而与被照面到光源的距离l的平方成反比的平方成反比: E=I/l24 光照度光照度E19光源表面一点处的面元光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强在给定方向上的发光强度度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比影面积之比, 称为光源在该方向上的亮度称为光源在该方向上的亮度: L=dI/(dA cos)式中式中, 为给定方向与面元法线间的夹角为给定方向与面元

16、法线间的夹角.照度与亮度的区别照度与亮度的区别:照度表征受照面的明暗程度照度表征受照面的明暗程度,照度与光源至被照面照度与光源至被照面的距离的平方成反比的距离的平方成反比. 而亮度是表征任何形式的光而亮度是表征任何形式的光源或被照射物表面是面光源时的发光特性源或被照射物表面是面光源时的发光特性. 如果光如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在,那么亮那么亮度值与二者间距离无关。度值与二者间距离无关。5 光亮度光亮度L20辐射度量与光度量辐射度量与光度量光通量光通量对时间的积分对时间的积分, 称为光亮称为光亮: Q=dt式中式中, 为给定点处的面元发出的光通

17、量为给定点处的面元发出的光通量.光亮的单位为流明光亮的单位为流明 秒秒 (lm s).6 光亮光亮Q21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白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx22光电效应光电效应当光照射到物体上使物体发射电子当光照射到物体上使物体发射电子,或导电率发或导电率发生变化

18、生变化,或产生光电动势等或产生光电动势等,这种因光照而引起这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应物体电学特性的改变统称为光电效应.光电效应可归纳为两大类光电效应可归纳为两大类(也有分为三类的也有分为三类的):(1) 物质受到光照后向外发射电子的现象称为物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应外光电效应. 这种效应多发生于金属和金属氧这种效应多发生于金属和金属氧化物化物. 光电管，光电倍增管。光电管，光电倍增管。(2)物质受到光照后所产生的光电子只在物质内物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象称为内光电部运动而不会逸出物质外部的现象称为内光电效应效应.这种效应多发生于半导体内这种效应多发生于半导体内. 内光电效应内光电效应又可分为光电导效应（光电阻）和光生伏特效又可分为光电导效应（光电阻）和光生伏特效应（光电池）。应（光电池）。23光电效应光电效应n 3.2.1 光电导效应光电导效应大多数硫化物大多数硫化物,氧化物氧化物,卤化物都可发生光电导效卤化物都可发生光电导效应应,特别是特别是:CdS, PbS有显著的光电导效应有显著的光电导效应. CdS-CdSe固熔体也有显著的光电导效应固熔体也