第一部分 红外与太赫兹探测基础
第1章 辐射度量学
本章将讨论在书中会使用的一些概念。辐射度量计算是探测器性能及信号/噪声水平评价时必须用到的工具。辐射度量学（mdiometry）这个词不只是描述了电磁辐射能量的感知与测量，也可普遍用于从一个物体或表面到其他物体或表面通过辐射方式传递能量的预测与计算。辐射度量学的概念类似于光度学（photometric），光度学是采用人眼视觉作为探测器来对电磁辐射进行计量的，同时，这些概念又与光子（photon）的传输联系在一起，这些定义都是为了便于讨论这三者。
红外光谱区的波长在电磁波谱中长于可见光，短于毫米波，如图1.1所示。这样的分类起始于在不同波段所采用的不同的波源与探测技术。在红外光谱区内又可以根据通常适用的探测器的谱带限制划分为多个光谱区，如表1.1所示。1pm波长来自于常用的硅（Si）探测器的探测波长上限。3μm波长是硫化铅（PbS）和铟镓砷（InGaAs）的探测波长上限;6μm是锑化铟（nSb）、砸化铅（PbSe）、硅化铂（PtSi）及应用于3～5μm大气窗口的碲镉汞（HgCdTe）探测器的探测波长上限;15μm是应用于8～14μm大气窗口的碲镉汞（HgCdTe）探测器的探测波长上限。
红外探测器件的设计需要通过辐射度量学来深人理解目标所发射出的辐射，以及传输到探测器的辐射功率。对于红外系统整体所能实现的信噪比，这是一个至关重要的问题。
本章的讨论根据一些假设和近似做了简化。我们仅考虑非相干光源的辐射，忽略干涉效应。同时，我们做出类似于近轴光学中的小角度假设，在该假设下，一个角度的正弦值在数值上可以近似等于这个角度的弧度值。
本章还提供了一些辐射度量学的指导，详细信息可以参考文献。
1-1辐射度量学与光度学中的量和单位
辐射度量学是光物理学的一个分支，主要涉及的是频率为3x1013～3x1016Hz内的电磁波的测量，对应到波长，则覆盖了10nm～10的范围，包括了通常被称为紫外光、可见光及红外光的区间。辐射度量学所研究的是光的实际能量，而不是人类视觉系统所能感知的量。典型的辐射度量学单位包括辐射通量单位瓦特（W）、辐射强度单位瓦特/立体角（W/Sr）、辐射照度单位瓦特/米2（W/m2）和辐射亮度单位瓦特/（米2 立体角）[W/（m2 Sr）]。
光源的强度*早是通过观察光源的亮度来获得的。随着科技的发展，人们认识到人眼所能感受到的亮度，不仅和光的实际能量相关，也与波长和颜色相关。从明亮的阳光到仅包含几个光子的闪烁，人眼可以感受到的光强跨越了11个数量级。
人眼视网膜包含两种类型的受体，称为视锥细胞和视杆细胞，它们可以产生神经冲动，并传递给后续的人类视觉系统进行处理。视锥细胞分布在整个视网膜上，在我们的视觉中心（称为中心凹的区域）更密集，有助于人眼在视野中心实现高视觉敏锐度。视锥细胞负责我们的色彩感觉，视杆细胞分布在除了中心凹的整个视网膜上，负责夜间弱光下的黑白视觉。
相较于红蓝光，眼睛对黄绿光更为敏感。为了考虑这样的差异，对应于辐射度量学中的物理量，可以引人一系列新的量来描述可见光，根据人眼响应进行加权，将相应的数值乘以光谱响应函数八A），该函数也称为明视觉下的光谱照度系数。该函数定义在360～830nm的波长范围内，并将峰值处（555nm）的值定为1，进行归一化（图1.2）。7（A）反映了人眼对各种波长光的适当反应。这个函数*早由国际照明委员会（CommissionInternationaleder?clairage，CIE）于1924年设定[]，是不同年龄人群的平均反应。应该注意的是，F（A）函数的定义基于感知相加性的假设，以及在较高照度下2°视场角的测试条件，此时，视锥细胞起到主导作用。在非常弱的照度条件下，视杆细胞将起到主导作用，从而导致人眼的光谱响应产生较大偏差。对应于明视觉，这样的情况称为暗视觉。
光度学（photometric）是对人眼可感知的光辐射进行测量的一门学科。因为光度学仅涉及可见光波段，所有的量都是针对人眼的光谱响应进行折算的。典型的光度学单位包括光通量单位流明（m）光强度单位坎德拉（cd）、照度单位勒克斯（k）和亮度单位坎德拉/米2（cd/m2）。
光度学与辐射度量学中类似的物理量会具有不同的名称和单位。例如，功率在辐射度量学中称为功率或辐射通量，单位是瓦特（W），而在光度学中称为光通量，单位是流明（m）。国际单位制（SI）中规定了7个基本单位：米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉。坎德拉是光度学中的发光强度或亮度，对应于辐射度量学中的辐射强度。流明是根据坎德拉定义的。表1.2列出了辐射度量学与光度学中对应的物理量、单位及换算关系。
辐射度量学的术语、符号、定义和单位经常容易引起混淆，这主要是由早期不同领域的研究人员在平行开展的辐射度量学工作中各自发展出自己的术语导致的。在阅读文献时需要特别注意这些问题。本章将采用国际标准和推荐术语进行描述。
1.2辐照度学中量的定义
辐射通量也称为辐射功率，定义为光源在单位时间内辐射的能量以单位为J）
（1.1）
辐射通量的单位为W。
辐射强度是指一个点光源在给定方向单位立体角内发射的辐射通量，可表示为
（1.2）
式中，d0为该光源发出的沿给定方向在一个立体角元dD内传播的辐射通量（图1.3）。辐射强度的单位为W/sr。
立体角用微分形式表示如式（1.3）所示，单位为球面度（r）：
（1.3）
如果采用图1.4中的球坐标系，并令d4=r2sin况糾～我们可以将半平面角为0max的一个平板所对应的立体角表示为
（1.4）
辐射照度是入射表面上某一点处的辐射通量，可以定义为通过单位面积的辐射量[图1.5（a）]，如下：
（1.5）
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