光 电 技 术
主 讲：李 孝 禄
地址, 仰仪中楼 306
电话, 86845091
邮件, lxl2006@cjlu.edu.cn
本课程学时,46
其中理论课,42 实验 4
上课时间 12周左右
作业在每周一上课时交
成绩判定：平时成绩 15% + 实验 15% + 期末考
试 70%
教材：雷玉堂, 光电检测技术, 中国计量出版
社 1997.5
主要参考书：浦昭邦, 光电测试技术, 机械工
业出版社 2005.1
其它：中国期刊网，国外几大数据库。光电检测
技术应用广泛，边缘科学。几乎每种自然科学期
刊都找到它的应用。
电子市场、第三届中国国际（杭州）光学,
光电子博览会（ 4.27-4.29，浙江世贸中心）。
课程简介
光电技术是光学和电子学技术相结合而产生出来的
一门技术学科，主要研究光与电之间的转换。
基础：进年来兴起的光电子学
核心：光与电之间的转换机理体现于光电器件之中
光电转换技术是研究应用一定的器件及手段，在一
定条件下，如何使光能（光信息）转化成电能，电
能转化成光能的技术。能实现上述功能的器件称为
光电探测器件。即能够发射、接收某种电磁辐射
（光学辐射）的电子器件。光学辐射包括紫外线、
可见光和红外线。
将光辐射转换成电信息的称为接收器件，电信息转
换成光辐射的称为发射器件。
光电技术的发展
第一阶段：传统的光学装置及仪器，不能胜任对
复杂光信息高速采集和处理的要求。
第二阶段：半导体集成电路技术，可以将探测器
件及电路集成在一个整体中，也可以将具有多个
检测功能的探测器件集成在一个整体中。其价格
低，体积小。例如，将图形、物体等具有二维分
布的光学图像转换成电信号的检测器件是把基本
的光电探测器件组成许多网状阵列结构，引人注
目的器件 CCD就是一种将阵列化的 光电探测 与 扫
描功能 一体化的固态图像检测器件。它是把一维
或二维的光学图像转换成时序电信号的器件，能
广泛引用于自动检测、自动控制，尤其是图像识
别技术。
第三阶段：光导纤维传感器的出现，为光电检测
技术的小型化等开辟了广阔的前景。光纤检测可
以解决传统检测技术难以解决或无法解决的许多
问题。例如，在噪声、干扰、污染严重的工业过
程检测，或者在海洋、反应堆中，自动监测设备
或智能机器人，必然会受到高压、高温、辐射等
极端困难的条件，光纤检测技术具有其独特的智
能化的优越性。由于光信息传输的独特优点，光
纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力。
展望：随着微处理技术的发展以及光电检测技术
与它的紧密结合，光电检测技术越来越智能化。
作为机器人的视觉系统已提到议事日程上。
光电技术的应用
光学技术处理的是空间光强信息, 它具有
多维, 并行, 快速数据处理等能力 。 电子
技术处理的是一维电量随时间的变化, 它
有较高的运算灵活性和变换精度 。
光电技术兼备这些优点，表现出以下的特
征：
⑴ 有广泛的适用范围 能获取和处理各种光
学信息以及可以转换为光信息的非光学参
量, 包括探测机构内部或危险环境下的工
作参量 。
⑵ 有较高的信号检测能力 能进行远距
离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传
输；检测所需的输入能量几乎不影响被测
物的能量状态；检测信噪比高，信息容量
大，传输能力强。
⑶ 有较强的信息运算能力 可进行复杂
信息的并行处理和多种形式的数学运算。
运算速度高，空间互连效率高，抗干扰能
力强，可调制变量多，信号变换灵活。
光电技术，特别是光电检测、光通信、光电测
量和控制、光电信息处理和光存储等的应用已
遍及军事、科学研究、工业、农业、宇宙和环
境科学、医疗卫生和民用等各个领域。从星体
温度探测和人造卫星监测到生物细胞的显微测
量和微循环检查，从视觉工业机器人和光学计
算机到民用全自动照相机和简单光电开关，光
电技术已经成为现代科学技术和人民生活中不
可缺少的环节。特别是在生产领域中生产过程
的视觉检查和制品加工自动化、各种性能参数
的精密测试以及图形检测和分析判断等方面，
光电技术将发挥重要作用。
光电检测技术
通过上面的学习我们可以看出，光电系统的共
同特点是通过 光电检测 —— 所有被研究的信息
都将通过各种效应（机、热、声、电、磁）调
制到光载波上，然后将携带被研究的信息光载
波转换为电信号，并通过电子线路和计算机的
综合处理，实现光学仪器的自动化。 因此，
光电检测作为光电系统的一种共性技术具有重
要的意义。
所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和
接收解调两个主要方面。
光电检测系统的组成
光电检测系统中信息必须经过两个基本的变换环节：
1、调制：
光辐射通过光学系统投射到被检测物体上，利用被检测
物体对入射辐射的反射、吸收、透射、衍射、干涉、散
射、双折射等光学属性，将被测变量调制到光载波的特
性参量上。这些“特性参量”可以是光载波的变化幅度、
频率或相位以及光的偏振状态，甚至可以是光束的传播
方向或介质折射率的变化 。
调制过程，一方面是使光辐射随时间作有规律的变化以
形成载波信号（目前广泛应用的有机械的、光学的、声
光、电光、磁光效应等各种方式。 ）；另一方面是使
载波信号的一个或几个特性参量随被测信息改变。
2、解调
将载荷着信息的光信号通过不同类型光电
接收器转换成电信号，经过滤波放大等预
处理后进入到解调器，在此将输入信号和
调制器中作为调制基准的参考信号相比较，
消除载波信号的影响，得到与被测参量成
比例的输出信号。这种光电信号的能量再
转换和信号检波过程称作接收解调。
解调的电信号可用常规的电子系统作进一
步处理和数据输出，得到最终的测量结果。
光电检测系统分类
⑴ 测量检查型
其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，
可测参量包括几何量（长度、角度、形状、位置、
变形、面积、体积、距离等）、运动参量（速度、
转动、流量、振动、加速度等）、表面形状参量
（工件粗糙度、疵病、伤痕等）、光学参量（吸收、
反射、透射、光度、色度、波长和光谱等）、成分
分析（物理属性、浓度、浊度等）、机械量（质量、
应力、应变、压强等）、电磁量（电流、电场、磁
场等）以及温度和放射线的测量等。该检测系统要
求可靠的重复示值和可信度，并且要有适用的数据
处理能力和数据输出方式。
⑵ 控制跟踪型
这是一种有光电 检测 能力的 反馈控制 系统 。
光电传感器 是信号反馈单元, 当它检测到
受控目标相对平衡状态的偏差信号时, 可
通过 闭环控制 使目标相对基准实现伺服跟
踪或恒值调节 。 它的主要应用包括军事和
科学应用 （ 激光制导, 热定向, 飞行物自
动跟踪等 ）, 工业应用 （ 精密工作台的自
动定位, 工业图形的自动加工, 状态参量
的极值控制以及有视觉能力的机器人等 ） 。
⑶ 图像分析型
它的功能是 采集 目标的二维或三维的光强
空间分布, 记录和再现 目标的图像并进行
判读, 识别 或图像的 运算处理 。 在工业图
形检测中, 图像测量和分析主要依靠扫描
或摄像装置采集光信号 （ 如 CCD摄像器件 ）,
同时进行空间－时间和光量－电量的变换 。
其次还需要大容量图像存储器及图像处理
软件 。
光电检测技术特点
高精度
高速度
远距离
大量程
非接触
寿命长
信息处理能力强
课程内容
光电检测技术基础理论
光电器件 (Ⅰ )
光电器件 (Ⅱ )
光电检测电路设计和光电信号数据采集
光电变换与检测技术
现代光电测试技术
实验
本课程要求
掌握典型的光电器件的原理和特点
正确选用光电器件
学会选择和设计光电检测电路及有关参数
能根据被测对象的要求，设计简单的光电
检测系统
了解现代光电测试系统
第一章 光电检测技术基础
光辐射的光度学基础
光源
光学系统
半导体物理基础
光电效应
第一节 光辐射的光度学基础
光的基本性质
光辐射度量、光谱辐射度量和光度量
光度学基本定律
光辐射在空气中的传播
1.光的基本性质
对光的认识：
微粒流的假说；光的波动学说；电磁学说；
光的量子论
电磁波按波长的分类和各波长区域名称
光的各个波长区域
1,5 × 10
3
10
6
4 × 10
4
6 × 10
3
770
622
597
577
492
455
390
300
200
10
10
14
10
13
10
12
10
11
10
10
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
- 1 0
长波电振荡
无线电波
微波
红外
可见
紫外
X 射线
? 射线
宇宙射线
1km
1m
1c m
1m m
1 ? m
1n m
1 ?
1X 射线单位
1 ? ?
远
远
远
中
近
红
外
红
橙
黄
绿
蓝
紫
可
见
近
远
极
紫
外
波长 ? / nm 波长 ? / nm
2.光辐射度量、光谱辐射度量和光度量
光谱光视效率
a、光辐射度量：
辐射能
辐射能密度
辐射通量
辐射出射度
辐射强度
辐射亮度
辐照度
b、光谱辐射度量：
光谱辐射通量
光谱辐射出射度
光谱辐射强度
光谱辐射亮度
光谱辐照度
C、光量度
光通量
发光强度 I
光出射度 M
光照度 E
光亮度
光量 Q
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐
射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在
着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。
在辐射度单位体系中，辐通量 (又称为辐射功率 )
或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。
其基本单位是瓦特 (W)或者焦耳（ J）。辐度学适
用于整个电磁波段。
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，被选作基本量的不是光通量而是发光
强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可
见光波段。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不
同的，但所用的物理符号一一对应。下面分别介
绍这两套单位体系中的物理量。
辐射量
1.辐射能
辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波 (主要
指紫外、可见光和红外辐射 )能量。辐射能一般用
符号 Q表示，其单位是焦耳 (J)。
2.辐射通量
辐射通量 P又称为辐射功率，定义为单位时间
内流过的辐射通量
辐射通量的单位是瓦特 (W)或焦耳 /秒 (J/s)
3.辐射出射度
辐射出射度 M是用来反映物体辐射能力的物理
量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射
通量，即
单位是 W/m2。
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
S
ΦM
d
d?
Ω
ΦI
d
d?
辐射强度的单位是瓦特 ·球面度 -1 (W·sr-1)
由辐射强度的定义可知，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
5.辐射亮度
辐射亮度 L定义为面辐射源在某一
给定方向上的辐射通量，如图所示。
式中 θ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/sr·m2)。
?4
PI ?
?? c o sdd dc o sd d
2
SΩ PS IL ??
d ?
e
d ?
dS
S
θ
dP
显然一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。
但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分
布满足：
式中 I0是面元 dS沿其法线方向的辐射强度。符
合上式规律的辐射体称为 余弦辐射体或朗伯体 。
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 θ无关。
余弦辐射体的辐射出射度为
?c o sdd 0II ?
0
0
d
d L
S
IL ??
?0dd LSPM ??
6.辐射照度
在辐射接收面上的辐射照度 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。单位是 W/m2。
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 1W·sr-1的点光源，
总辐射通量等于 4πW。
现在假如有一个以这个点光源为球心，半
径为 1m的球面包围这个点光源，则该球面
上的辐射照度恰好等于 lW/m2。
这一结果表明，一个均匀点光源在空间一
点的辐射照度与该光源的辐射强度成正比，
与距离平方成反比。
7.光谱辐射度量
对于单色光辐射，同样可以采用上述物理
量表示，只不过均定义为单位波长间隔内
对应的辐射度量，其名称及单位见表 1。
光谱辐射度量的名称、符号及单位
度量名称 符号 定义式 单位名称 单位符号
光谱辐射通量 Pλ dP/dλ 瓦特 /微米 W/μm
光谱辐射出射度 Mλ dM/dλ 瓦特 /(米 2·微米 ) W/(m2·μm)
光谱辐射强度 Iλ dI/dλ 瓦特 /(球面度 ·微米 ) W/(sr·μm)
光谱辐射亮度 Lλ dL/dλ 瓦特 /(米 2·球面度 ·微米 ) W/(m2·sr·μm)
光谱辐射照度 Eλ dE/dλ 瓦特 /(米 2·微米 ) W/(m2·μm)
由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有
不同响应，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。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，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。
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。
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 符号 定义式 单位
辐射能 Q J 光量 Qv Qv=∫Pvdt lm·s
辐射通
量 P P=dQ/dt W 光通量 Φv Φv =∫IvdΩ lm
辐射出
射度 M M=dΦ/dS W/m2 光出射度 Mv Mv=dPv/dS lm/m2
辐射强
度 I I=dΦ/dΩ W/sr 发光强度 Iv 基本量 cd
辐射亮
度 L L=dI/(dScosθ) W/m
2·sr (光 )亮度 Lv Lv=dIv/(dScosθ) cd/m2
辐射照
度 E E=dΦ/dA W/m
2 (光 )照度 Ev Mv=dPv/dA lx
坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且
也是国际单位制 (SI)的七十基本单位之一。
它的定义是“一个光源发出频率为
540× 1012Hz的单色辐射，若在一给定方向
上的辐射强度为 1/683W/sr，则该光源在该
方向上的发光强度为 1cd”。
光度量与辐射度量之间的关系可以用光视
效能与光视效率表示。光视效能描述某一
波长的单色光辐射通量可以产生多少相应
的单色光通量。
3.光度学基本定律
余弦定律
亮度守恒定律
照度与距离平方反比定律
4,光辐射在空气中的传播
大气衰减：大气吸收和散射
空气湍流效应
第二节 光电检测中所用的光源
光源的基本参数
常用光源
1.光源的基本参数
发光效率
光谱功率谱分布
空间光强分布特性
光源的温度和颜色
2.常用光源
热辐射光源
气体放电光源
半导体发光器件
激光光源
第三节 光电测试常用光学系统
显微光学系统
望远光学系统
摄影系统
投影光学系统
照明系统
作 业
1,光辐射度量、光谱辐射度量和光度量的各参
量定义与单位。
2,光度学三大基本定律的内容。
3.光电检测中所用光源和光学系统有哪些？
预 习
半导体物理基础
光电效应
主 讲：李 孝 禄
地址, 仰仪中楼 306
电话, 86845091
邮件, lxl2006@cjlu.edu.cn
本课程学时,46
其中理论课,42 实验 4
上课时间 12周左右
作业在每周一上课时交
成绩判定：平时成绩 15% + 实验 15% + 期末考
试 70%
教材：雷玉堂, 光电检测技术, 中国计量出版
社 1997.5
主要参考书：浦昭邦, 光电测试技术, 机械工
业出版社 2005.1
其它：中国期刊网，国外几大数据库。光电检测
技术应用广泛，边缘科学。几乎每种自然科学期
刊都找到它的应用。
电子市场、第三届中国国际（杭州）光学,
光电子博览会（ 4.27-4.29，浙江世贸中心）。
课程简介
光电技术是光学和电子学技术相结合而产生出来的
一门技术学科，主要研究光与电之间的转换。
基础：进年来兴起的光电子学
核心：光与电之间的转换机理体现于光电器件之中
光电转换技术是研究应用一定的器件及手段，在一
定条件下，如何使光能（光信息）转化成电能，电
能转化成光能的技术。能实现上述功能的器件称为
光电探测器件。即能够发射、接收某种电磁辐射
（光学辐射）的电子器件。光学辐射包括紫外线、
可见光和红外线。
将光辐射转换成电信息的称为接收器件，电信息转
换成光辐射的称为发射器件。
光电技术的发展
第一阶段：传统的光学装置及仪器，不能胜任对
复杂光信息高速采集和处理的要求。
第二阶段：半导体集成电路技术，可以将探测器
件及电路集成在一个整体中，也可以将具有多个
检测功能的探测器件集成在一个整体中。其价格
低，体积小。例如，将图形、物体等具有二维分
布的光学图像转换成电信号的检测器件是把基本
的光电探测器件组成许多网状阵列结构，引人注
目的器件 CCD就是一种将阵列化的 光电探测 与 扫
描功能 一体化的固态图像检测器件。它是把一维
或二维的光学图像转换成时序电信号的器件，能
广泛引用于自动检测、自动控制，尤其是图像识
别技术。
第三阶段：光导纤维传感器的出现，为光电检测
技术的小型化等开辟了广阔的前景。光纤检测可
以解决传统检测技术难以解决或无法解决的许多
问题。例如，在噪声、干扰、污染严重的工业过
程检测，或者在海洋、反应堆中，自动监测设备
或智能机器人，必然会受到高压、高温、辐射等
极端困难的条件，光纤检测技术具有其独特的智
能化的优越性。由于光信息传输的独特优点，光
纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力。
展望：随着微处理技术的发展以及光电检测技术
与它的紧密结合，光电检测技术越来越智能化。
作为机器人的视觉系统已提到议事日程上。
光电技术的应用
光学技术处理的是空间光强信息, 它具有
多维, 并行, 快速数据处理等能力 。 电子
技术处理的是一维电量随时间的变化, 它
有较高的运算灵活性和变换精度 。
光电技术兼备这些优点，表现出以下的特
征：
⑴ 有广泛的适用范围 能获取和处理各种光
学信息以及可以转换为光信息的非光学参
量, 包括探测机构内部或危险环境下的工
作参量 。
⑵ 有较高的信号检测能力 能进行远距
离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传
输；检测所需的输入能量几乎不影响被测
物的能量状态；检测信噪比高，信息容量
大，传输能力强。
⑶ 有较强的信息运算能力 可进行复杂
信息的并行处理和多种形式的数学运算。
运算速度高，空间互连效率高，抗干扰能
力强，可调制变量多，信号变换灵活。
光电技术，特别是光电检测、光通信、光电测
量和控制、光电信息处理和光存储等的应用已
遍及军事、科学研究、工业、农业、宇宙和环
境科学、医疗卫生和民用等各个领域。从星体
温度探测和人造卫星监测到生物细胞的显微测
量和微循环检查，从视觉工业机器人和光学计
算机到民用全自动照相机和简单光电开关，光
电技术已经成为现代科学技术和人民生活中不
可缺少的环节。特别是在生产领域中生产过程
的视觉检查和制品加工自动化、各种性能参数
的精密测试以及图形检测和分析判断等方面，
光电技术将发挥重要作用。
光电检测技术
通过上面的学习我们可以看出，光电系统的共
同特点是通过 光电检测 —— 所有被研究的信息
都将通过各种效应（机、热、声、电、磁）调
制到光载波上，然后将携带被研究的信息光载
波转换为电信号，并通过电子线路和计算机的
综合处理，实现光学仪器的自动化。 因此，
光电检测作为光电系统的一种共性技术具有重
要的意义。
所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和
接收解调两个主要方面。
光电检测系统的组成
光电检测系统中信息必须经过两个基本的变换环节：
1、调制：
光辐射通过光学系统投射到被检测物体上，利用被检测
物体对入射辐射的反射、吸收、透射、衍射、干涉、散
射、双折射等光学属性，将被测变量调制到光载波的特
性参量上。这些“特性参量”可以是光载波的变化幅度、
频率或相位以及光的偏振状态，甚至可以是光束的传播
方向或介质折射率的变化 。
调制过程，一方面是使光辐射随时间作有规律的变化以
形成载波信号（目前广泛应用的有机械的、光学的、声
光、电光、磁光效应等各种方式。 ）；另一方面是使
载波信号的一个或几个特性参量随被测信息改变。
2、解调
将载荷着信息的光信号通过不同类型光电
接收器转换成电信号，经过滤波放大等预
处理后进入到解调器，在此将输入信号和
调制器中作为调制基准的参考信号相比较，
消除载波信号的影响，得到与被测参量成
比例的输出信号。这种光电信号的能量再
转换和信号检波过程称作接收解调。
解调的电信号可用常规的电子系统作进一
步处理和数据输出，得到最终的测量结果。
光电检测系统分类
⑴ 测量检查型
其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，
可测参量包括几何量（长度、角度、形状、位置、
变形、面积、体积、距离等）、运动参量（速度、
转动、流量、振动、加速度等）、表面形状参量
（工件粗糙度、疵病、伤痕等）、光学参量（吸收、
反射、透射、光度、色度、波长和光谱等）、成分
分析（物理属性、浓度、浊度等）、机械量（质量、
应力、应变、压强等）、电磁量（电流、电场、磁
场等）以及温度和放射线的测量等。该检测系统要
求可靠的重复示值和可信度，并且要有适用的数据
处理能力和数据输出方式。
⑵ 控制跟踪型
这是一种有光电 检测 能力的 反馈控制 系统 。
光电传感器 是信号反馈单元, 当它检测到
受控目标相对平衡状态的偏差信号时, 可
通过 闭环控制 使目标相对基准实现伺服跟
踪或恒值调节 。 它的主要应用包括军事和
科学应用 （ 激光制导, 热定向, 飞行物自
动跟踪等 ）, 工业应用 （ 精密工作台的自
动定位, 工业图形的自动加工, 状态参量
的极值控制以及有视觉能力的机器人等 ） 。
⑶ 图像分析型
它的功能是 采集 目标的二维或三维的光强
空间分布, 记录和再现 目标的图像并进行
判读, 识别 或图像的 运算处理 。 在工业图
形检测中, 图像测量和分析主要依靠扫描
或摄像装置采集光信号 （ 如 CCD摄像器件 ）,
同时进行空间－时间和光量－电量的变换 。
其次还需要大容量图像存储器及图像处理
软件 。
光电检测技术特点
高精度
高速度
远距离
大量程
非接触
寿命长
信息处理能力强
课程内容
光电检测技术基础理论
光电器件 (Ⅰ )
光电器件 (Ⅱ )
光电检测电路设计和光电信号数据采集
光电变换与检测技术
现代光电测试技术
实验
本课程要求
掌握典型的光电器件的原理和特点
正确选用光电器件
学会选择和设计光电检测电路及有关参数
能根据被测对象的要求，设计简单的光电
检测系统
了解现代光电测试系统
第一章 光电检测技术基础
光辐射的光度学基础
光源
光学系统
半导体物理基础
光电效应
第一节 光辐射的光度学基础
光的基本性质
光辐射度量、光谱辐射度量和光度量
光度学基本定律
光辐射在空气中的传播
1.光的基本性质
对光的认识：
微粒流的假说；光的波动学说；电磁学说；
光的量子论
电磁波按波长的分类和各波长区域名称
光的各个波长区域
1,5 × 10
3
10
6
4 × 10
4
6 × 10
3
770
622
597
577
492
455
390
300
200
10
10
14
10
13
10
12
10
11
10
10
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
- 1 0
长波电振荡
无线电波
微波
红外
可见
紫外
X 射线
? 射线
宇宙射线
1km
1m
1c m
1m m
1 ? m
1n m
1 ?
1X 射线单位
1 ? ?
远
远
远
中
近
红
外
红
橙
黄
绿
蓝
紫
可
见
近
远
极
紫
外
波长 ? / nm 波长 ? / nm
2.光辐射度量、光谱辐射度量和光度量
光谱光视效率
a、光辐射度量：
辐射能
辐射能密度
辐射通量
辐射出射度
辐射强度
辐射亮度
辐照度
b、光谱辐射度量：
光谱辐射通量
光谱辐射出射度
光谱辐射强度
光谱辐射亮度
光谱辐照度
C、光量度
光通量
发光强度 I
光出射度 M
光照度 E
光亮度
光量 Q
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐
射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在
着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。
在辐射度单位体系中，辐通量 (又称为辐射功率 )
或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。
其基本单位是瓦特 (W)或者焦耳（ J）。辐度学适
用于整个电磁波段。
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，被选作基本量的不是光通量而是发光
强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可
见光波段。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不
同的，但所用的物理符号一一对应。下面分别介
绍这两套单位体系中的物理量。
辐射量
1.辐射能
辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波 (主要
指紫外、可见光和红外辐射 )能量。辐射能一般用
符号 Q表示，其单位是焦耳 (J)。
2.辐射通量
辐射通量 P又称为辐射功率，定义为单位时间
内流过的辐射通量
辐射通量的单位是瓦特 (W)或焦耳 /秒 (J/s)
3.辐射出射度
辐射出射度 M是用来反映物体辐射能力的物理
量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射
通量，即
单位是 W/m2。
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
S
ΦM
d
d?
Ω
ΦI
d
d?
辐射强度的单位是瓦特 ·球面度 -1 (W·sr-1)
由辐射强度的定义可知，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
5.辐射亮度
辐射亮度 L定义为面辐射源在某一
给定方向上的辐射通量，如图所示。
式中 θ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/sr·m2)。
?4
PI ?
?? c o sdd dc o sd d
2
SΩ PS IL ??
d ?
e
d ?
dS
S
θ
dP
显然一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。
但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分
布满足：
式中 I0是面元 dS沿其法线方向的辐射强度。符
合上式规律的辐射体称为 余弦辐射体或朗伯体 。
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 θ无关。
余弦辐射体的辐射出射度为
?c o sdd 0II ?
0
0
d
d L
S
IL ??
?0dd LSPM ??
6.辐射照度
在辐射接收面上的辐射照度 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。单位是 W/m2。
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 1W·sr-1的点光源，
总辐射通量等于 4πW。
现在假如有一个以这个点光源为球心，半
径为 1m的球面包围这个点光源，则该球面
上的辐射照度恰好等于 lW/m2。
这一结果表明，一个均匀点光源在空间一
点的辐射照度与该光源的辐射强度成正比，
与距离平方成反比。
7.光谱辐射度量
对于单色光辐射，同样可以采用上述物理
量表示，只不过均定义为单位波长间隔内
对应的辐射度量，其名称及单位见表 1。
光谱辐射度量的名称、符号及单位
度量名称 符号 定义式 单位名称 单位符号
光谱辐射通量 Pλ dP/dλ 瓦特 /微米 W/μm
光谱辐射出射度 Mλ dM/dλ 瓦特 /(米 2·微米 ) W/(m2·μm)
光谱辐射强度 Iλ dI/dλ 瓦特 /(球面度 ·微米 ) W/(sr·μm)
光谱辐射亮度 Lλ dL/dλ 瓦特 /(米 2·球面度 ·微米 ) W/(m2·sr·μm)
光谱辐射照度 Eλ dE/dλ 瓦特 /(米 2·微米 ) W/(m2·μm)
由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有
不同响应，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。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，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。
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。
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 符号 定义式 单位
辐射能 Q J 光量 Qv Qv=∫Pvdt lm·s
辐射通
量 P P=dQ/dt W 光通量 Φv Φv =∫IvdΩ lm
辐射出
射度 M M=dΦ/dS W/m2 光出射度 Mv Mv=dPv/dS lm/m2
辐射强
度 I I=dΦ/dΩ W/sr 发光强度 Iv 基本量 cd
辐射亮
度 L L=dI/(dScosθ) W/m
2·sr (光 )亮度 Lv Lv=dIv/(dScosθ) cd/m2
辐射照
度 E E=dΦ/dA W/m
2 (光 )照度 Ev Mv=dPv/dA lx
坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且
也是国际单位制 (SI)的七十基本单位之一。
它的定义是“一个光源发出频率为
540× 1012Hz的单色辐射，若在一给定方向
上的辐射强度为 1/683W/sr，则该光源在该
方向上的发光强度为 1cd”。
光度量与辐射度量之间的关系可以用光视
效能与光视效率表示。光视效能描述某一
波长的单色光辐射通量可以产生多少相应
的单色光通量。
3.光度学基本定律
余弦定律
亮度守恒定律
照度与距离平方反比定律
4,光辐射在空气中的传播
大气衰减：大气吸收和散射
空气湍流效应
第二节 光电检测中所用的光源
光源的基本参数
常用光源
1.光源的基本参数
发光效率
光谱功率谱分布
空间光强分布特性
光源的温度和颜色
2.常用光源
热辐射光源
气体放电光源
半导体发光器件
激光光源
第三节 光电测试常用光学系统
显微光学系统
望远光学系统
摄影系统
投影光学系统
照明系统
作 业
1,光辐射度量、光谱辐射度量和光度量的各参
量定义与单位。
2,光度学三大基本定律的内容。
3.光电检测中所用光源和光学系统有哪些？
预 习
半导体物理基础
光电效应
