文档介绍：光电技术
天津大学精仪学院
王庆有
2009年2月
第1章光电技术基础
光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。
光的本质是物质,它具有粒子性,又称为光量子或光子。光子具有动量与能量,并分别表示为p与e,式中h为普朗克常数(×10-34J·s);v为光的振动频率(s-1);c为光在真空中的传播速度(3×108m·s-1)。
光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应,而光电效应又充分证明了光的量子性。
图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义(称为电磁波谱)。电磁波谱的频率范围很宽,涵盖了由宇宙射线到无线电波(102~1025Hz)的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分,它包括的波长区域从几纳米到几毫米,即10-9~10-3m的范围。在这个范围内,~,故称这部分光为可见光。
红外
紫外
可见光
10
15
6
18
21
9
12
10
10
10
10
10
10
10
3
24
f
/Hz
图1-1 电磁辐射光谱的分布
X射线
Γ射线
近红外
远红外
电磁波
光辐射的度量与光源有关的辐射度参数与光度参数
1. 辐(射)能和光能
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐(射)能,用符号Qe表示,其计量单位为焦耳(J)。
光能是光通量在可见光范围内对时间的积分,以Qv表示,其计量单位为流明秒(lm·s)。
(射)通量和光通量
辐(射)通量或辐(射)功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率;或者说,在单位时间内,以辐射形式发射、传播或接收的辐(射)能称为辐(射)通量,以符号Φe表示, 其计量单位为瓦(W),即
对可见光,光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱,光能被无穷短时间间隔dt来除,其商定义为光通量Φv,即

(1-3)
若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变,则式(1-3)简化为
(1-4)

Φv的计量单位为流(明)(lm)。
显然,辐(射)通量对时间的积分称为辐(射)能,而光通量对时间的积分称为光能。
(射)出(射)度和光出(射)度
对有限大小面积A的面光源,表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比,定义为辐(射)出(射)度Me,即
(1-5)
Me的计量单位是瓦(特)每平方米[W/m2]。
面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为
(1-6)
对于可见光,面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dΦv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv,即

(1-7)
其计量单位为勒(克司)[lx]或[lm/m2]。
对均匀发射辐射的面光源有
(1-8)
由式(1-7),面光源向半球面空间发射的总光通量为
(1-9)
(射)强度和发光强度
对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe,与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie,即

辐(射)强度的计量单位为瓦(特)每球面度[W/sr]。
点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量为
各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为
(1-10)
(1-11)
(1-12)
对可见光,与式(1-9)类似,定义发光强度为
对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为
一般点光源是各向异性的,其发光强度分布随方向而异。
(1-13)
(1-14)
发光强度的单位是坎德拉(candela),简称为坎[cd]。1979年第十六届国际计量大会通过决议,将坎德拉重新定义为:
在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源,在此方向上的辐强度为(1/683)W/sr,其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。
由式(1-13),对发光强度为1cd的点光源,向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明(lm)。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIV= lm。