光的有关概念与度量

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1、1光辐射与发光源任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐射源。1.1 电磁波谱与光辐射1.电磁波的性质与电磁波谱光使电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场 （或E变化磁场 ） ，在邻近区域将产生变化的磁场 （或变化电场 ） ，这种变化的H H电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。电磁波具有以下性质： 电磁波的电场 和磁场 都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以E电磁波

2、是横波。 和传播方向构成右手螺旋系。、 沿给定方向传播的电磁波， 和 分别在各自平面内振动，这种特性称H为偏振。 空间各点 和 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同EH时减到最小。 任一时刻，在空间任一点， 和 在量值上的关系为 。E HE 电磁波在真空中传播的速度为 ，介质中的传播速度为 。01c 1v电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从 X 射线到 射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达 104m 以上的，也有波长短到 10-5nm 以下的。我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图 1 所示，光

3、辐射仅占电波谱的一极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段） 。22. 光辐射以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm1mm，或频率在 31016Hz31011Hz 范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用 nm、在红外波段波长用m 表示。波数的单位习惯用 cm-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 390770nm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

4、长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。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101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡无线电波毫米波红外光紫外光X 射线射线宇宙射线/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光图 1 电磁辐射波谱31390nm。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

5、A 波段、B 波段和 C 波段。红外辐射。波长在 0.771000m 的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。1.2 辐射度学与光度学基本知识为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（ J） 。辐射度学适用于整个电磁波段。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，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。以上两类单位体系中的物理量在物

6、理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系 中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。1. 辐射量 辐射能。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，其单位是焦耳（ J） 。 辐射通量。辐射通量 e 又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即(1.2-1)dtee单位：瓦特（W ）或焦耳 秒（J s） 。 辐射出射度。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

7、通量，即(1.2-2)dSee单位：W/m 2。4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eI的辐射通量，用 Ie 表示，即(1.2-3)de单位：瓦特球面度 -1（Wsr -1） 。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方向发射的总辐射通量是 e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度 Ie 是常量，有(1.2-4)4eI 辐射亮度。辐射亮度 定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图eL2 所示。(1.2-5)coscos2dSdSIeee式中 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特/球面度米 2（W/sr m2） 。显然，一

8、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(1.2-6)cos0edI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。(1.2-6)式代入(1.2-5) 式得到余弦辐射体的辐射亮度为(1.2-7)0eeLdSI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SddSd图 2 辐射亮度示意图5(1.2-8)0eeLdSM辐射照度。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eE与该面元的面积 之比。即edA(1.2-9)dEee单位：（W/m 2） 。单色辐射度量对于单

9、色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量 X 来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足(1.2-10)0,dXee2. 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，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性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的 来表示，其定义完全一eeeELMIQ、 vvvELMIQ、 一对应，其关系如表 1 所示。与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系

10、的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。表 1 常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量 对应的光度量物理量名称 符号 定义或定义式 单位 物理量名称 符号 定义或定义式 单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐射照度QeeMeIeLeEeedQ e/dtMe=dedSIe=de/dLe=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=v dtv=Iv dMv=dv/dS基本量Lv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx6光视

11、效能。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 K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即(1.2-11)ev单位：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 5401012Hz（波长555nm）处，K 有最大值，其数值为 Km=683lm/W。单色光视效率是 K用 Km 归一化的结果，其定义为(1.2-12)evmV1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

12、 550lx40506070800.20.4.60.81. VV (nm)图 3 光谱光视效率曲线7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 0.001lx1.3 热辐射基本定律任何 0K 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，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。本节介绍热辐射的一些基本定律。1. 单色吸收比和单色反射比。任何物

13、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，则还有一部分能量透射） 。吸收比。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。在波长到 +d范围内的吸收比称为单色吸收比，用 表示。)(T反射比。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 到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用 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 1，即(1.3-1)(T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 1，即 ，则1)(T称该物体为绝对黑体（简称黑体） 。2

14、. 基尔霍夫辐射定律在同样的温度下，各种不同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，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即(1.3-2)()()(21 TMTMbvvv 式中 为黑体的单色辐射出射度。bv3. 普朗克公式8黑体处于温度 T 时，在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出(1.3-3)1(2)/5TkhcbvBeM式中 h 为普朗克常数，c 为真空中的光速，k B 为波尔兹曼常数。令 ， ，则(1.3-4)式可改写为21CB/(1.3-4)mW/c(1)(/512TCbve第一辐射常数，21 0.74832.( 第二辐射常数。K)4642C图 4 为不同

15、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：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色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积） 。单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。4.瑞利-琼斯公式01234561020304010K2140K160K180K20K (m) Mvb(W/cm2)图 1-4 黑体辐射单色辐射出射度的波长分布9当 很大时， ，可得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式TTCeTC2/12(1.3-5)421)(Mbv在 时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于 1%。Km107.5T5.维恩公式当 很小时， ，可得到适合于短波长区的维恩公式TTCTCee/221(1.3-6)bvM/52)(在 区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于 1%。Km26986.维恩位移定律单色辐射出射度最大值对应的波长 m(1.3-7)K(9.287Tm7.斯忒藩-玻尔兹曼定律(1.3-9)4)(Mvb其中 为斯忒藩-玻尔兹曼常数。斯忒藩-玻尔兹曼定律KsJ/1067.528