辐射度量与光度量

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1、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n光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光 子流。 n历史上的重要人物n惠更斯（1629-1695）、牛顿（1643-1727）n托马斯 杨（1773-1829）、费涅耳（1778-1827 ）n麦克斯韦（1831-1879）n普朗克（1858-1947）n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

2、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

3、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，增透膜薄膜干涉镜面检测圆屏衍射圆孔衍射钢针的衍射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

4、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，

5、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 E= =hh 。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

6、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

7、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

8、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。1400K800K1000K1200K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n光电检测技术的任务是将光

9、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。n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

10、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n 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 )。n 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) 辐射度量以下标辐射度量以下标e e表示表示n3.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。dSr dP.dA源面积发射

11、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辐射强度的单位是瓦特/ /球面度球面度 (W/(W/sr sr) )n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，一个辐射强度为我们知道，一个辐射强度为1W/sr1W/sr的点光源的点光源 ，总辐射通量等于，总辐射通量等于4W4W。n5.

12、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/srm2)。dP由辐射表面定向发射的辐射强度，与辐射体表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。面所发射通量的空间分布有关。n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。 n余弦辐射体的辐射出射度为6.辐射照度n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

13、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 n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:n所以，点光源在被照面上点处的辐射照度 为：n 基本辐射度量的名称、符号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W/sr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W/m2辐射照度瓦特平方米W/m2光谱辐射度量n给定波长o处极小波长间隔d内的辐射通量 de()称为单色

14、辐射通量。n()=de()/d，()称为光谱辐射通量 。n总辐射通量：n可以用频率表示光谱分布。n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n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。 n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。n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辐射度物理量对应的光度量物理量 名称符号定义式单位物理量 名称

15、符号定义式单位辐射能QJ光量QvQv=Pvdtlms辐射通 量PP=dQ/dtW光通量vv =Ivdlm辐射出 射度MM=d/dSW/m2光出射度MvMv=dPv/dSlm/m2辐射强 度II=d/dW/sr发光强度Iv基本量cd辐射亮 度LL=dI/(dScos)W/m2 sr(光)亮度LvLv=dIv/(dScos)cd/m2辐射照 度EE=d/dAW/m2(光)照度EvMv=dPv/dAlxn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。n坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且 也是国际单位制(S

16、I)的七个基本单位之一 。n它的定义是“一个光源发出频率为5401012 Hz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( 3105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