光电探测器的物理基础

辐射度量和光度量的对照表
辐射度量 符号 单位 光度量 符号 单位
辐射能
Q
J(焦)
光量
QV
ΦV EV
lm· s
lm（流明） lx=lm· m－2 lm· m－2 cd=lm· sr－1 （坎德拉） cd· m－2
辐射通量 Φ 辐照度 辐出度 E M
W（瓦） 光通量 W· m－2 光照度
W· m－2 光出射度 MV W· sr-1 W· sr1· m－2 发光强度 IV 光亮度 LV
2.光谱光视效率
由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产
生的光感觉是不同的，国际照明委员会(CIE)根据对 许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光 的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光 谱光视效率，或称之为视见函数V(λ )。 不同光亮度条件下，人眼对波长的光谱光视效率不 同，分为明视觉光谱光视效率和暗视觉光谱光视效 率。
一、辐射度的基本物理量
1．辐射能Q 辐射能是一种以电磁波的形式发 射、传播或接收的能量，单位为J(焦耳)。 当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形 式的能量，如热能、电能等。 2．辐射通量Φ 辐射通量又称辐射功率P，是 辐射能的时间变化率。单位为W(瓦)，是单位 时间内发射、传播或接收的辐射能。 Φ =dQ/dt (J／s，焦耳每秒)
6．辐射率 L
辐射率定义为辐射强
度与辐射表面在垂直 于该方向平面上的投 影面积的比值。又称 辐射亮度。
二．光谱辐射量
1.光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。 2.光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。
光谱辐射通量Ф（λ）： 辐射源发出的光在波长 λ处的 单位波长间隔内的辐射通量。 辐射通量与波长的关系如图。 其关系式为
定义：实际物体的辐射能力M(T)与同温度 下黑体辐射能力Mb(T)的比值：
M (T ) (T ) M b (T ) ε 的值不仅依赖于波长和温度，也依赖发射的角 度。
大多数常见物体的ε 与发射角度的依赖关系基本
上可忽略，与波长和温度的依赖关系也很微弱。 在常用的波长范围内，为实用方便，常把ε 作为 常数。
1.1.1 光辐射与度量
光的基本性质回顾
1.光是一种电磁波——物质 2.电磁波谱（22个量级 ） 3.光学波段
4.光的波粒二象性
1.1.1 光辐射与度量
光学中定量地描述辐射能强度的量有两类：
1.一类是物理的——辐射度学量，是用能量单位描述光 辐射能的客观物理量； 2.另一类是生理的——光度学量，是描述光辐射能为平 均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度。即光度量是 具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。 3.辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非常类似， 它们的基本物理量也是一一对应的。 4.在衡量光电探测器的性能时，或者是评价光电测量系 统的指标时，辐射度量和光度量是紧密相关的。
大值，它对应的波长和绝对温度成反比，即
λ
mT
=b
( b=2898 μm.K )
它表明，随着温度的提高，辐射本领的最大值向短波方向 移动。根据它可判断热辐射颜色与温度的关系，并确定探 测器的选择。
5.斯忒藩—波尔兹曼定律：—— 测温中的应用
黑体总辐射通量和绝对温度的四次方成正比 ：
Φ =σ T
12
4
发光二极管的基本结构
球透镜 环氧树脂 有源层
N型限制层 P层 有源层 P型限制层 波导层
微透镜
L
N层 发光区 (a)正面发光型 (b)侧面发光型
发光二极管的工作特性
光谱特性
输出光功率特性
LED的光谱特性
相 对
Δ λ =70nm
光
强 1300 波长/nm
发光二极管发射的是自发辐射光，没有光学谐振腔对 波长的选择，谱线宽，短波长 LED 谱线宽度为 30 ～ 50nm。长波长LED的谱线宽度为6～120nm。
3.黑体辐射定律
• 基尔霍夫定律：任何物体的发射本领和吸收本领 在同一温度下成正比，其比值是与物质性质无关、 仅随频率和温度而改变的普适函数。 • 吸收本领等于1的黑体，其发射本领即为普适函数。 • 普朗克公式
ET
2hc2
1 e
hc / kT

5
1
4.维恩维移定律：任何温度下黑体的发射本领都有一最
辐射强度 I 辐射亮度 L
6.光度量中的单位
1）最基本的单位是发光强度单位坎德拉(cd) 是国际单位制中七个基本单位之一。 定义是频率为540×1012Hz(对应在空气中555nm波长) 的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为 1/683(W/sr) 时，在该方向上的发光强度为1cd。 2）光通量的单位是流明(lm) 1lm它是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角 (1sr)内发出的光通量。 3）光照度的单位是勒克斯(lx) 1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1㎡面积上所 产生的光照度。
2.热辐射
• • • • 任何温度在绝对温度以上的物体都存在热辐射； 热辐射的光谱是连续光谱； 热辐射的光谱分布取决于发射体的温度和性质。 发射本领与吸收本领 – 发射本领：单位频率间隔内单位面积物体所发 射的辐射通量称为发射本领，它是温度和频率 的函数。 – 吸收本领：被物体吸收的辐射通量占射到物体 上的辐射通量的百分比,也是温度和频率的函数。
2.距离平方反比定律 在不考虑辐射传输损失时， 点光源在传输方向 上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成 反比。 3.亮度守恒定律 一个封闭光束在无损失的同种介质传输时，不 仅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封闭 光束的各个截面的亮度也处处相等。
五、黑体辐射 1.光辐射
光源发射光波的过程或光波自身称为光辐射 1）跃迁辐射与受激辐射 2）热辐射：有一定温度的物体引起的辐射 3）湮灭辐射 4）场致发光 5）同步辐射
780
按国际实用温标IPTS—68的理论计算值为
Km＝683 ( lm/W )
Km＝683lm／W。它表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效
率最大(V=1)处，1W的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句 话说，此时1lm相当于1／683W。
4.光度量和辐射度量之间的换算
Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。
由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。 同理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度
量与辐射量之间的关系 ：
X V K m X ( )V ( )d
380
780
人眼的光谱光视效率的数值
5．光度学的基本物理量
在辐射度量学中介绍的各个基本量Φ 、M、I、L
和E对整个电磁波谱都适用； 在光度学中光度量和辐射度量的定义、定义方 程是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波 段(380—780nm)才有意义。为避免混淆，在光 度量符号上加下标“v”。 光度学中相应量Φ V、MV、IV、LV和EV与辐射度量 Φ 、 M、 I、 L和E之间的对应关系由表给出。
π
4．辐射照度E 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量， dA是投射 辐射通量dΦ 的面积元，单位为W／m2(瓦每平方米)。 E＝dΦ ／dA 5．辐射出射度M 辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，dΦ 是扩展源表面 dS 在半球空间（ 2π 立体角 ) 所发出的总 的辐射通量，单位为W／㎡(瓦每平方米)。 M=dΦ ／dS E 和 M 的单位相同，区别：前者是描述辐射接收面 （探测器）所接收的辐射特性。后者则为描述扩展辐 射源向外发射的辐射特性。

单位为W／ μm(瓦每微米)，
或W／nm(瓦每纳米)。
多色辐通量，全色辐通量
•前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量 相对应的关系：
光谱辐照度： 光谱辐射出射度： 光谱辐射亮度： 辐射源的总辐射通量是：
三、光度学的基本物理量
1．光谱光视效能
人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度存
在差异。不同的人对各种波长光的感光灵敏度也 有差异。 对人眼来说采用光谱光视效能K(λ)来表征不同 波长辐射下的响应能力。光谱光视效能K(λ)为同 一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即 K(λ)=Φvλ/Φeλ
思考题：在O点处，有一点光源，发光强度为1cd， 求：空间任意一点P的光照度EV=?
解： OP=x，P点所在球面的面积
为：s=4πx2 通过s的光通量： Φ =Iω= 4π (lm) 因为是点光源，均匀辐射， 则P点的光照度： EV= Φ/s= 4π / 4πx2=1/x2 当x=1m， EV=1 （lx) 当x=2m， EV=0.25 （lx)
3.光通量
按人眼的视觉特性V者的关系为：
V K m ( )V ( )d
380
•等号的左边是光通量，其单位是流明(lm)； •等号的右边的()d是辐射通量，单位是瓦(w·nm）， V()是光视效率，单位是1/nm。所以等号右边引进一个 系数Km，从而使两边的单位一致。 •Km的单位为流明／瓦(lm/W) •Km表示人眼对波长为555nm[V(555)=1]光辐射产生光感 觉的效能。称为最大光谱光视效能。亦称为光功当量。
明视觉光谱光视效率
实线是亮度大于 3cd/m2 时的明视觉光谱光视效率，用 V(λ) 表示， 此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的 V(λ)的最大值在555nm处。
Vˊ ( λ ) V(λ )
暗视觉光谱光视效率 虚线是亮度小于 0.001cd/㎡时 的 暗 视 觉光 谱 光 视效 率 ， 用 Vˊ(λ)表示，此时的视觉主要 由人眼视网膜上分布的杆状细 胞刺激所引起的；Vˊ(λ)的最 大值在507nm处。
2 4
5.6710 (W / cm K )
6.比辐射率(辐射率)ε
在自然界中黑体的发射能力最强，它实际上是
一种理想情况，实际物体的发射能力都小于黑体。