光電檢測c2講述

1、光電檢測技術(shù),第二章 光電檢測技術(shù)基礎(chǔ),教學(xué)目的：光電檢測基礎(chǔ)知識重點(diǎn)內(nèi)容： 1) 光的基本性質(zhì) 2)輻射與光度學(xué)量 3)點(diǎn)光源與面光源 4)熱輻射,光的基本性質(zhì),牛頓——微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動理論惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波,麥

2、克斯韋     普朗克       愛因斯坦（1831-1879） （1858-1947） （1879-1955）,1860年麥克斯韋（C.Maxwell)提出光是電磁波的理論。光在傳播時(shí)表現(xiàn)出波動性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。 1900年

3、,普朗克（Max.Planck)在研究黑體輻射時(shí)，提出了輻射的量子論。 1905年，愛因斯坦（Albert.Einstein)將量子論用于光電效應(yīng)之中，提出光子理論。光與物質(zhì)作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性，如光的發(fā)射、吸收、色散、散射。,光的基本性質(zhì),光子能量公式：ε= hν光子動量公式：p = hν/c = h/λ,光電系統(tǒng)可以看作是光能的傳遞和接收系統(tǒng)。輻射能從目標(biāo)(輻射源)發(fā)出后經(jīng)過中間介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)，最后被光電器件接收。光能的強(qiáng)弱

4、是否能使接收器感受，這是光電系統(tǒng)一個很重要的指標(biāo)。,紅隼可以看見紫外光的波長，會利用鼠類的排泄物反射的紫外光尋得獵物的蹤跡。,蛇有兩套視覺系統(tǒng)。一套是你經(jīng)?？吹降纳哐?，它們擅長分辨顏色。但它們還有一對“眼睛”，這對眼睛可以像紅外探測器一樣感知并“看到”生物。,人類眼睛只能感知可見光 （380～780nm)。且對不同波長的敏感程度不一,輻射度學(xué)：是一門量度電磁輻射能的科學(xué)技 術(shù)，它不受人眼主觀

5、視覺限制， 建立在物理測量基礎(chǔ)上，輻射度 量適用于整個電磁波譜范圍。 光度量：以人眼對入射輻射刺激所產(chǎn)生的視 覺為基礎(chǔ)，反映人眼視覺特性的光 輻射量，只適用于可見光部分。,輻射度量和光度量,輻射度量,輻射度量的各個物理量定義如下:,（1）輻射通量(又稱輻射功率)Φe

6、 定義：單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能。單位: 瓦[特] (W),物理意義：輻射功率。,其中n為光子數(shù)，λ為波長,如果為連續(xù)光，則：,單位：瓦 / 球面度[ W / sr ],,（2）輻射強(qiáng)度 Ie 描述點(diǎn)源輻射的量,物理意義：點(diǎn)源輻射向空間角的輻射功率。,定義：點(diǎn)輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi) 的輻射通量,,立體角計(jì)算公式,對于均勻輻射的點(diǎn)光源,,對于不均勻輻射的點(diǎn)光源,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

7、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,面源輻射源可以理解為許多點(diǎn)輻射源 組成,（3）輻射出射度 Me,描述面源輻射的量,定義：輻射源單位面積上2π空間角發(fā)出的輻射通量。,單位：瓦 /米2

8、 [ W / m2],物理意義：反映面源向半球空間發(fā)射功率的分布。 面源不均勻則不同位置Me不一樣,（4）輻射亮度Le,定義：面輻射源在某方向上單位投影面積單位立體角發(fā)出的輻射通量。,描述面源輻射的量,單位：瓦每球面度平 方米 [ W / sr .m2],一般:輻射亮度的大小與源面上的位置及方向有關(guān)。,（5）輻射照度 Ee,輻射照度 Ee是描述受照

9、物體的量,它表示入射到單位面積上的輻射通量的大小。,單位：瓦 /米2 [ W / m2],物理意義：被照物體表面接受到輻射功率的大小,基本輻射度量的名稱、符號和定義方程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輻通量的光譜分布,輻射一般由各種波長組成，每種波長的輻通量各不相同。總的輻通量為各個組成波長的輻通量的總和。下圖為某輻通量的連續(xù)分布曲線。,Φeλ稱為光譜輻通量,此式中Φe稱為多色輻通量(λ1～

10、λ2),此式中Φe稱為全色輻通量。,以上所講的輻射量是客觀存在的物理現(xiàn)象。不論人們是否看到。,,光度量，輻射量對對人眼的刺激值是主觀的，不管輻射量大小，以看到為標(biāo)準(zhǔn)。,光度量,在可見光范圍內(nèi)，人眼的視覺細(xì)胞對不同波長的輻射有不同的響應(yīng)有輻射量描述可見光輻射不能反映人眼的亮暗感覺。,光度量,用輻射亮度相同的藍(lán)光和黃光照射人眼，人會感覺到黃光要比藍(lán)光亮得多。在白天，人眼對波長為555nm的綠光最敏感，也就是說，在引起相同亮暗感覺的

11、條件下，對555nm的光所需的輻射通量Φ （555nm）最小，而對其它波長的光所需的輻射通量Φ （ λ ）則較大。光譜光視效能是評價(jià)該刺激的參數(shù),光視效能,人眼對不同波長的輻射產(chǎn)生感覺的效率。,即使Φe不變， Φν也隨著λ而變化。K是個比值，是λ的函數(shù)，而不是常數(shù)。,光譜光視效能,實(shí)驗(yàn)證明在555nm，光譜光視效能有最大值：,光譜光視效能,說明同樣的輻射能量在555nm波長上引起的光輻射量最大；效率最高對人眼的刺激最大,不同波長

12、光視效能與其最大值的比以555nm處的光視效能為標(biāo)準(zhǔn)，來衡量其他波長光引起人的視覺。是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律,光譜光視效率,人眼對不同波長輻射產(chǎn)生感覺的程度。,白天：555nm 夜晚：507nm V（ λ ）= 1,,光譜光視效率,人眼在環(huán)境亮度不同時(shí)，對顏色的視覺效率不同明視覺：亮度大于幾個cd/m2暗視覺：亮度小于0.01cd/m2,建立在人感覺基礎(chǔ)上對人實(shí)驗(yàn)測試和統(tǒng)計(jì)得來，后來成為規(guī)定大多數(shù)人眼符合規(guī)律，

13、有個別例外，尤其是在兩端,幾點(diǎn)說明,討論作業(yè)題,如何測量人光視效能曲線？如何測量小白鼠光視效能曲線？,輻射度量,光度量,輻射通量Φe,,輻射強(qiáng)度Ie輻射出射度Me輻射亮度Le照度Ee,發(fā)光強(qiáng)度Iv光出射度Mv亮度Lv照度Ev,光通量Φv,,,橋,客觀基礎(chǔ),主觀基礎(chǔ),輻射度量,光度量,輻射通量－－基石,光通量－－基石,,,為了客觀描述輻射通量引起的視覺強(qiáng)度，引入一個新的物理量——光通量。,輻射通量為Φ e（ λ ）光通量

14、為Φ V （ λ ）,光通量的單位為流明（lumen，記做lm）而輻射通量的單位則為W（瓦）,1 W = 683 V（ λ ）lm,Km是常數(shù)，Vλ查表,計(jì)算題,計(jì)算在相同的輻射通量下，λ等于555nm和780nm處的光通量之比？,(2) 發(fā)光強(qiáng)度：,發(fā)光強(qiáng)度：指點(diǎn)光源所發(fā)出的光通量在空間的分布密度。不同光源發(fā)出的光通量在空間的分布往往不同。公式計(jì)算：當(dāng)點(diǎn)光源在某一方向上的無限小立體角 dΩ 內(nèi)發(fā)出的光通量為 dΦ V 時(shí)，

15、則該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為。單位：坎[德拉](cd),（3）光出射度 Mv,描述面源,定義：面光源從單位面積上向2π空間角輻射的光通量。,單位：流明 /米2 [ lm / m2],(4) 亮度：,亮度單位：坎[德拉]每平方米(cd· m-2)。,描述面源,照度：表示被照面上的光通量密度。計(jì)算公式：

16、 設(shè)被照面無限小面積 dA 上所接受的光通量為 dΦ V ，則該點(diǎn)處的照度為： 單位：勒克斯,(5) 照度：,晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50—500lx陰天室內(nèi)5—50lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏100lx閱讀

17、書刊時(shí)所需的照度50~60lx在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx,已知點(diǎn)光源輻射強(qiáng)度照度與距離之間的關(guān)系？任一表面上的輻射照度隨該表面法線和輻射能傳輸方向之間夾角如何變化？,點(diǎn) 源,照度與距離之間的平方成反比。任一表面上的輻射照度隨該表面法線和輻射能傳輸方向之間夾角的餘弦而變化。,點(diǎn) 源,擴(kuò) 展 源,一個理想的擴(kuò)展源，稱之為朗伯源,特點(diǎn): 亮度不隨方向而改變,因此從任何

18、角度觀察朗伯源是一樣明亮的。,由于該面源很小，可用輻射強(qiáng)度度量其輻射空間特性。,,朗伯源的輻出度與輻亮度的關(guān)系,Ie、Le、Me的相互關(guān)系,擴(kuò) 展 源,Ie、Le、Me的相互關(guān)系,擴(kuò) 展 源,熱輻射,,,,,任何0K以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的溫度。,單色吸收比和單色反射比

19、任何物體向周圍發(fā)射電磁波的同時(shí)，也吸收周圍物體發(fā)射的輻射能。當(dāng)輻射從外界入射到不透明的物體表面上時(shí)，一部分能量被吸收，另一部分能量從表面反射（如果物體是透明的，則還有一部分能量透射）。吸收比：被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比。在波長?到?+d?范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比。反射比：反射的能量與入射的能量之比稱為該物體的反射比。在波長?到?+d?范圍內(nèi)相應(yīng)的反射比稱為單色反射比。對于不透明的物體，單色吸收比和單色反射

20、比之和等于1，即,若物體在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即 ，則稱該物體為絕對黑體（簡稱黑體）。,根據(jù)基爾霍夫定律，黑體既是完全的吸收體，也是理想的發(fā)射體。黑體是一種理想的模型，在自然界中并不存在完全理想的黑體?？砂岩粋€開小孔的不透光空腔看成黑體。,,,,,,黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,實(shí)驗(yàn)中將開有小孔的空腔視為黑體，使其恒溫，測量從小孔中輻射出來的電磁波強(qiáng)度按波長的分布情況。,黑體輻射

21、單色輻射出射度的波長分布,對應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值，對應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下的面積）。單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動。,因發(fā)現(xiàn)熱輻射規(guī)律——維恩位移定律和建立黑體輻射的維恩公式，維恩獲得了1911年度諾貝爾物理學(xué)獎。,Wilhelm Carl Werner Otto Fr

22、itz Franz Wien 1864~1928,? 維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出一個半經(jīng)驗(yàn)公式：維恩公式,瑞利-瓊斯公式,? 瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出瑞利—瓊斯公式.,瑞利—瓊斯公式在長波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)竟算得單色輻出度為無窮大—所謂的“紫外災(zāi)難”。,維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長波卻不行。,瑞利—瓊斯公式在長波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)竟算得單色輻出度為無窮大—所謂的“紫外災(zāi)難”。,利

23、用經(jīng)典理論無法解釋黑體輻射現(xiàn)象。正如1900年開耳文指出的晴朗的物理學(xué)理論大廈上空，飛來“兩朵烏云”之一，它動搖了經(jīng)典物理的基礎(chǔ)。,普朗克的擬合結(jié)果,普朗克公式,式中h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，k為波爾茲曼常數(shù)。,普朗克公式瑞利-瓊斯公式當(dāng) 很大時(shí)， ，可得到適合于長波長區(qū)的瑞利-瓊斯公式

24、維恩公式當(dāng) 很小時(shí)， ，可得到適合于短波長區(qū)的維恩公式,6.維恩位移定律單色輻射出射度最大值對應(yīng)的波長 7.斯忒藩-玻爾茲曼定律其中 為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)。斯忒藩-玻爾茲曼定律表明黑

25、體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無關(guān)。,根據(jù)維恩位移定律計(jì)算,人體輻射的峰值波長為 9.4微米（T=310K）,液氦輻射的峰值波長（T=4.2K),太陽輻射的能量50%在可見和紫外區(qū)。,人體輻射的能量幾乎全部在紅外區(qū)。,太陽輻射的峰值波長為0.48微米（T=6000K）,已知垂直射到地球表面每單位面積的日光功率（稱太陽常數(shù)）等于1.37×103W/ m2，地球與太陽的平均距離為1.5×108km，

26、太陽的半徑為6.76×105 km。 (1)求太陽輻射的總功率；(2)把太陽看作黑體，試計(jì)算太陽表面的溫度。,（1）根據(jù)距離平方反比定律,太陽的輻射強(qiáng)度為,得到太陽的總功率為,（2）太陽的輻射亮度為,太陽的輻射出射度為,太陽的溫度為,如圖所示，設(shè)小面源的面積為?As，輻射亮度為Le，面源法線與l0的夾角為?s；被照面的面積為?Ac，到面源?As的距離為l0。若?c為輻射在被照面?Ac的入射角，試計(jì)算小面源在?Ac上產(chǎn)生的輻射照