光电技术第一章答案

电子工业出版社 王庆有主编

光电技术第一章参考答案

辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光

度量？

答：为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电

特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应

的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别

在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，

它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的

计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参

数。因为光度参数只适用于0.38~0.78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，

超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流

速率的计算公式中不能出现光度量。

光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量dΦe，除以该波长

λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。

试写出 e 、eM、e 、eL 等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。

辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号表示，其计量单位为焦耳

（J）。 eQeQ

辐（射）通量e ：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e 表示，其计量单位是瓦（W），即

e =dtdQe 。

）出（射）度：对面积为A的有限面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量deMe 该面

元面积d比，定义为辐（射）出（射）度eM即MAdA。e=d 其计量单位是瓦每平方米

[W/m2]。

辐（射）强度：对点光源在给定方向的立体角元e d内发射的辐射通量ed ，与该方向立体角元 d d

之比，定义为点光源在该方向的辐（射）强度，即e e =de ，辐射强度的计量单位

是瓦特每球面度（W/sr）。

辐射亮度：光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直

于给定方向平面上的正投影面积，称辐射亮度，eLeL

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eLdSK , VVm= cosdAdIe = cos2dAdde ，式中，θ为所给方向与面元法线间的夹角。

其计量单位是瓦特每球面度平方米[W/（sr. m2）]。

何谓余弦辐射体？余弦辐射体的主要特性有哪些？

答：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

cos0eedIdI

式中Ie0是面元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。 黑体为理想的余弦辐射体。它满足黑体辐射定律：

a.普朗克辐射定律 黑体表面向半球空间发射波长为λ的光谱，其辐射出射度是黑体温度T和波长λ的函数，这就是普朗克辐射定律； ,eM

b.斯忒藩—玻尔兹曼定律 黑体的总辐射出射度为对积分，得到其为σT4； ,eM

c.维恩位移定律 峰值光谱辐出度所对应的波长与绝对温度的乘积为常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度所对应的波长向短波长方向移动。

试举例说明辐射出射度 Me与辐射照度Ee是两个意义不同的物理量。

答：略。

5．试说明、、的意义及区别。 mK WK

答：为 人眼的明视觉最灵敏波长λm的光度参量对辐射度参量的转换常数，称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能。其值为683lm/W。 mK

KX 对于所谓辐射对人眼锥状细胞或柱状细胞的刺激程度，是从生理上评价所有的辐射参量与所有的光度参量的关系。对于明视觉，刺激程度平衡条件为eXm ,vX ,vX ,,evXK 令 K ,eL=/ = × ,eXmK V，称为人眼的明视觉光谱光视效能。（其中定义V= m,eL为正常人眼的明视觉光谱光视效率。m 等于0.555um） 定义一个热辐射体发射的总光通量v 与总辐射通量e K之比，为该辐射体的光视效能K，K= ，其中V为辐射体的光视效率。在光电信息变换技术领域常用色温为2856K的标准钨丝灯作为光源，测量硅、锗等光电器件光的电流灵敏度等特性参数。定义标准钨丝灯的光视效能为 ， =17．1 （lm/W）。 KmKm

6．（平面发散角为1mrad）解：（1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射通量为 ,e =3mW 根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为 ,v = ,emVK

又=683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得mK ,v为0.4815 lm。发光强度= ,vI ,v，立体角为Ω=2π（1－（1－r2）1/2），

将光束平面发散角转换α= 1×10-3×180 /（π）=0.057度

则r = sin（α/2）=5×10-4带入公式得Ω= 8.17×10-7sr

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所以发光强度= ,vI ,v = 0.4815/（8.17×10-7）=5.89×105cd

光出射度M = 2,2 dv = 0.4815/（π×（0.001/2）2）=6.13×105lx

（2）激光投射到10m远处屏幕上，可得接受面半径r=10× 2tana+0.0005 =5.5×10-3m， 面积A= =7.85×10-5m2 2r

屏幕的光照度为 =vEAv , =6.13×103 lx

6.（平面发散角为0.02mrad）解：（1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射通量为 ,e =3mW 根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为 ,v = ,emVK 又=683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得mK ,v为0.4815 lm。

发光强度= ,vI ,v，由空间立体角的定义，

将光束平面发散角转换α= 0.02×10-3

由于这个角度很小，可以把其所对应的球面度近似的看作锥面圆的面积，且半径为22sin RRr ，则Ω=22Rr

所以发光强度= ,vI ,v = 00000103.04815.051067.4 cd

光出射度M = 2,2 dv = 0.4815/（π×（0.001/2）2）=6.13×105lx

（2）激光投射到10m远处屏幕上，可得接受面半径 210121021012tan1033 rm003366.0

面积A==3.56 2r 510

屏幕的光照度为 =vEAv ,= 51056.34815.01.35lx 10

7．解：由题意有 ,e =3mW，又查表得V（0.5145um）=0.6082

光通量 ,v = ,emVK =683×0.6082×3=1.246×103 lm，

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屏幕上的光照度 =vEAv , =1.246×103/（0.2×10-4）=6.23×107 lx

若屏幕的反射系数是0.8，则光出射度为 =0.8×6.23×107=4.984×107 lx ,vM 设屏幕每分钟接收的光子数目为N，则 Nhc = ,e×60（1-0.8）

所以N=60×0.2×3×0.5145×10-6/ （3×108×6.63×10-34）=9.31×1019个/分钟

8.解：依题意，设光子流速率为N个/秒，则 Nhc= ,e

又 ,e=30mW，λ=0.6328um

所以N=hce ,= 9.54×1016个/秒

9．解：依题意，m = 0.465um，由维恩位移定律，m =2898/T，

则太阳表面的温度T=m 2898 =6232.25K，又 =1.309T5×10-15 mseM ,,

计算得其峰值光谱辐射出射度=1.23×104 mseM ,,12..umcmW

10.解：人体在正常体温时T=36.5+273=309.5K

由维恩位移定律，Tm2898 =9.36um

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