西电《光电检测》之2-光的基本性质

光的基本性质•牛顿——微粒说–根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释–不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振•波动理论–惠更斯、杨氏和费涅耳等–解释光的干涉和衍射现象–麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波•光量子说–1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论–1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念–光子的能量与光的频率成正比–光具有波粒二象性光辐射与光度学1.光源与光辐射2.辐射度学与光度学3.辐射能通量与光通量4.发光强度与光亮度5.光照度6.色度与三基（原）色7.光度学基本量的单位(1)光源（发光的客体）按获得方式：天然光源、人造光源按光谱成份：单色光源、复色光源、白光光源按相干性：相干光源、非相干光源按几何线度：点光源、扩展光源（线光源、面光源）光源的种类：(2)光辐射（发光过程）热辐射（温度辐射）：具有一定温度的物体所产生的一种自发辐射非热辐射：场致发光、荧光、磷光、化学发光、生物发光等发光过程说明：热辐射具有普遍性，但实际发光过程可能是多种发光过程的并存光辐射分类：(3)光波场的光谱范围电磁辐射的波长范围：10-2纳米（nm）～公里（km）光辐射的波长范围：亚纳米级的X射线～微米级的远红外辐射，其中：X射线：亚纳米～纳米紫外线：近（200～400纳米）、远（5～200纳米）红外线：近（0.76～1微米）、中（1～10微米）、远（10微米）可见光：400～760纳米结论：光辐射只是一种波长极短、频率极高的电磁波。(4)光辐射的光谱类型光谱：非单色光的波长（频率）分布线状光谱：由分立波长（频率）成分组成连续光谱：由连续波长（频率）成分组成单色光：只有单一波长成分的光非单色光：具有多种波长成分的光复色光：由几种单色光成分构成的非单色光白光：由各种可见光波长成分构成的非单色光说明：热辐射光谱——连续光谱原子光谱或气体放电光谱——线状光谱线状光谱的特点：每个波长成分反映了发光成分的一条特征谱线00.20.40.60.81.0691692693694695696归一化强度T=300K波长/(nm)Δλ图1.4-2紫外光激发的红宝石（Al2O3:Cr）发射光谱图1.4-1可见光区的热辐射光谱红橙蓝紫青绿黄连续光谱与线状光谱准单色光：实际中并不存在理想的单色光，通常所谓的单色光，只是当谱线宽度Δλ（Δν）很小时的窄带光。谱线宽度：每条谱线的强度分布具有一定的波长（频率）范围Δλ（Δν），Δλ越小，表示光的单色性越好。光度学：研究可见光辐射强弱的学科——辐射度学的一部分光度学的研究基于两个基本假设：①光：沿光线方向进行的能量流，遵守能量守恒定律，即光束在单位时间内通过任一截面的能量为常数②光源：既可以是一个实际的发光体，也可以是光源自身的像或者是一个自身并不发光，但被另一光源照明的物体表面辐射度学：研究各种电磁辐射强弱的学科辐射度学与光度学(1)辐射能通量——Ψ定义：单位时间内由给定面元dS发出或通过一定面元dS接收的所有波长成分的总辐射能量。实质：通过面元ds的所有波长成分的总辐射功率。单位：W（瓦特）或J/s（焦耳每秒）(2)辐射能通量谱密度——ψ(λ)定义：单位时间内由给定面元ds发出或通过一定面元ds接收的位于波长λ附近单位波长间隔内的辐射能量。表示为ψ(λ)。实质：通过面元dS且波长为λ的单色辐射功率，辐射能通量按波长的分布函数，或单色辐射能通量。单位：W/m（瓦特每米）或J/(s·m)（焦耳每秒·米）辐射能通量与光通量说明：不同光源或同一光源不同部位处在相同时间内辐射的光能量可能有所不同，其定量表示即辐射能通量。①任一辐射源的辐射能通量中，不同波长成分的辐射所占比重有可能不同。因此，总的辐射能通量应是所有波长成分辐射能通量的叠加，即Ψ与ψ(λ)满足关系：③辐射能通量相等，但波长不同的光，可能引起同一探测器不同的感觉强度。而波长及辐射能通量大小不同的光，却有可能引起同一探测器相同的感觉强度。()λλψΨd0∫∞=说明：②辐射能通量仅仅反映了光源发出的客观光能量的大小，并未反映出这些光能量所能引起人的眼睛或其它光探测器的主观感觉强度的大小。(3)视见函数——V(λ)光探测器的光谱响应灵敏度：光探测器对不同波长光辐射的感觉灵敏度。正常人眼的视觉特点：对黄绿光昀敏感，对红光和紫光的感觉灵敏度较弱，而对紫外线和红外线则无视觉反应。视觉灵敏度：人眼对不同波长光辐射的感觉灵敏度。意义：在引起相同大小视觉强度的条件下，若所需某一波长单色光辐射能通量越少，则表明眼睛对该色光的视觉灵敏度越高。结论：使不同色光能够引起眼睛具有相同视觉强度所需的辐射能通量反比于眼睛对该色光的视觉灵敏度。视见函数：人眼视觉灵敏度的定量表征函数，定义为()λλΨΨλ0=Vλ0：对应人眼视觉灵敏度最高的色光波长。Ψλ、Ψλ0：波长为λ、λ0的色光引起眼睛具有相同视觉强度所需要的辐射能通量。()λΨΨλ555=适光V()λΨΨλ505=适暗V①适光性视见函数和适暗性（微光）视见函数明亮环境中：λ0=555nm，黄绿光；黑暗环境中：λ0=505nm，蓝绿光。适光性视见函数：适暗性（微光）视见函数：表1.4-1标准适光性视见函数值辐射颜色波长/nmV(λ)辐射颜色波长/nmV(λ)辐射颜色波长/nmV(λ)紫4000.0004绿5300.8620橙6500.1070紫4100.0012绿5400.9540红6600.0610紫4200.0040黄5500.9950红6700.0320紫4300.0116黄5551.0000红6800.0170蓝4400.0230黄5600.9950红6900.0082蓝4500.0380黄5700.9520红7000.0041青4600.0600黄5800.8700红7100.0021青4700.0910黄5900.7570红7200.00105青4800.1390橙6000.6310红7300.00052青4900.2080橙6100.5030红7400.00025绿5000.3230橙6200.3810红7500.00012绿5100.5030橙6300.2650红7600.00006绿5200.7100橙6400.1750②归一化视见函数曲线：ψλ0=1时的视见函数曲线1.0400505555750λ/nmV(λ)图1.4-3人眼的视见函数曲线说明：暗环境中，人眼视见函数的极大值向短波方向移动。除眼睛外，其它光探测器，如硅光电池、光电二极管、光电倍增管、感光乳剂等，也同样具有相应的光谱响应曲线，表征了相应光探测器的感光灵敏度。(4)光通量——Φ定义：光源发出的客观辐射通量所能引起人眼的主观视觉强度意义：表征光源发出的客观辐射能通量所能引起人眼的主观视觉强度大小单位：lm（流明）数学表示：设dΨλ为波长λ处dλ间隔的辐射能通量，则相应波长范围的光通量dΦλ：()()()λλψλΨλΦλλdddVV∝∝总光通量：()()∫∞=0MdλλψλΦVK几种常用光源的发光效率昀大光功当量KM：1W波长为555nm的单色辐射能通量所能引起的光通量。KM=683lm/W（实验测定值）光源种类发光效率/(lm·W-1）光源种类发光效率/(lm·W-1）钨丝灯（真空）8～9.2日光灯27～41钨丝灯（充气）9.2～21高压水银灯34～45石英卤素灯30超高压水银灯40～47.5气体放电管16～30钠光灯60昀小光功当量Km：能够产生1lm光通量所需的555nm波长的单色辐射通量。Km=0.00146W/lm（实验测定值）发光效率：对于一般电光源，每瓦电功率所能产生的光通量数。(1)点光源的发光强度——I点光源：理想光源，其几何线度远小于光源到观察点之距离，因而可以忽略。发光强度：点光源向空间一定方向单位立体角内辐射的光通量。'ddΩΦ=I发光强度的单位：坎德拉（cd），也可以表示为：lm/sr（球面度），且有1cd=1lm/sr。发光强度与光亮度图1.4-4点光源的发光强度dΩ'S①点光源向空间某一立体角元dΩ'内辐射的光通量dΦ正比于该立体角元的大小，其比例系数即该点光源的发光强度。说明：②根据发光强度的定义，点光源向整个空间辐射的总光通量可表示为'd∫=ΩΦI若I与方向有关，即I=I(θ,φ)，则Iπ4=Φ()θθφθφdsin,dπ0π20∫∫=ΦI若I与方向无关，即I=常数，则(2)面光源的光亮度——B面光源（扩展光源）：具有一定空间发光面积，且在观察区域内其几何线度不可忽略。光亮度：单位面积的光源表面向法线方向单位立体角内辐射的光通量。光亮度的意义：光源上给定元面积dS，向空间与该面元法线夹角为θ的r方向上的立体角元dΩ'内辐射的光通量dΦ，正比于该立体角元dΩ'和面元dS在r方向的投影dScosθ，其比例系数B定义为扩展光源的光亮度θΩΦcosd'ddSB⋅=光亮度的单位：lm/(m2·sr)（流明每平方米球面度），或lm/(cm2·sr)（流明每平方厘米球面度）即sb（熙提）。图1.4-5扩展光源的亮度dSθdΩ'rn说明：θcosdSIB=②发光强度和光亮度均针对可见光而言，并带有探测器的主观因素。在辐射度学中，只要将光通量以辐射能通量代替，流明以瓦特代替，则发光强度即辐射强度，光亮度即辐射亮度。辐射强度和辐射亮度仅仅反应光源自身的辐射特征，与探测器无关。①光亮度反映了扩展光源在与面法线成θ角度方向单位投影面积上的发光强度，即(3)余弦发射体定义：发光强度I正比于发光面元的方向余弦cosθ，从而其亮度B与方向无关的扩展光源。说明：①余弦发射体又叫朗伯光源或朗伯发射体，按cosθ发光的规律叫朗伯定律。②朗伯光源是一种具有各向同性光亮度的光源。理想的朗伯光源为绝对黑体。实际中的光源，只要其光亮度看起来是均匀的，都可以近似看作是朗伯光源。如太阳、套上理想的毛玻璃罩的白炽灯等。③理想的漫反射表面，虽然自身不发光，但却能按照朗伯定律向各个方向反射不管来自何方的入射光，从而使反射光的亮度沿各个方向相同。如积雪、刷粉的白墙，以及某些十分粗糙的白纸表面等。这类理想的漫反射面称为朗伯反射体。(4)定向发射体定向发射体：光亮度具有一定的方向性的光源。说明：①定向发射体发射定向光束，如自各种成像光学仪器及探照灯、手电筒等发出的定向光束。②昀典型的定向发射体是激光器。一般情况下，由激光器发出的激光束的横截面积和发散角均很小，其光通量仅集中在一个特定方向的很小空间立体角内，用较小的辐射功率就可以获得极大的辐射强度和辐射亮度。例：太阳表面的辐射亮度为3×106W/(m2·sr)，一只辐射功率为10mW的He-Ne激光器发出的，直径约1mm、发散角约2分的激光束的辐射亮度约等于1010W/(m2·sr)，比太阳表面的辐射亮度高出近4个数量级。(1)光照度的定义——E光照度的定义：受照面单位面积上接收到的或投射到受照面单位面积上的光通量。'd'dSEΦ=光照度的单位：lx（勒克斯）、ph（辐透）。其中：1lx=1lm/m2，1ph=1lm/cm2。E表征了受照面的明亮程度。若以Φ'换Ψ'，则E表示辐照度或辐射能流密度。说明：光照度的数学表述：对于给定的受照面面元dS'，其上所接收到的或投射到其上的光通量dΦ'，与该面元大小成正比，相应的比例系数正是该面元上的光照度，即光照度(2)点光源产生的光照度dS'dΩ'Sn'θ'点光源引起的光照度点光源向受照面元dS'对其所张立体角元dΩ'内辐射的光通量：2'cos'd'd'drSIIθΩΦ==点光源在受照面元dS'上的光照度:2'cos'd'drISEθΦ==结论：点光源所产生的光照度E，正比于光源的发光强度I和光束方向角的余弦cosθ'，反比于光源点到受照面距离r的平方。2rIE=平方反比定律：当点光源位于受照面法线上时，其产生的光照度仅与距离平方成反比，即r(3)面光源产生的光照度面光源元面积dS发出的到达受照面元面积dS'上的光通量：2'cos'dcosdcosd'd'drSSBSBθθθΩΦ==θ和θ'：面元dS和dS'的连线与各自面法线的夹角。dS引起的光照度：2'cos