1、第一讲主讲人:张建寰单 位:机电工程学院-测控所2012.04.13光电技术基础http:/ 平装平装曾光宇(编者),张志伟(编者),张存林(编者)1、光电技术简介 光电技术是信息科学的一个分支。将传统光学技术、现代微电子技术及计算机技术紧密结合，成为获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。电子技术中的许多手段，如调制解调、放大与振荡、倍频、和频、差频等技术，移植到光频段，产生光频段的电子技术。该技术使人类大扩展了自身的视觉能力，使视觉的长波限延伸到毫米波，短波限延伸至紫外、X射线、射线，乃至高能粒子，并在飞秒时间量级上记录超快速现象（如核反应、航空发射）的变化过程。光电技术已渗透到国民经济
2、的各个领域：如半导体激光器 高分辨力的CCD摄像器件 红外成像技术等2、本课程的具体安排 1、本课程共8讲：光电技术基础及光电器件（4）和光电信息变换技术（1）、图像信息的光电变换（1）、光电信号数据采集与接口（自学）、典型应用（1）、光电技术的新进展（1）；2、本课程为考试课，闭卷。3、光电技术基础 光电信息变换技术要讨论各种光电敏感器件，对光电敏感器件的性能评估和应用说明离不开光的度量及光电技术的基本理论。主要内容：热辐射基本定律、光与物质作用的光电效应光辐射基础 光具有波粒二象性，光是以电磁波形式传播的粒子 几何光学根据光的波动性研究了折射、反射规律，得到了光传播、光成像、成像系统和成像
3、系统像差等结论；而物理光学在光的波动性基础上，研究了光干涉、光衍射等现象，为各种光谱仪器、全息摄影技术奠定了理论基础。光的本质是物质，具有粒子性，称为光量子或光子。光子具有动量和能量，分别表示为：hvEchvp/式中：h=6.2610E（-34）Js，普朗克常数 v是光的振动频率（1/s）c=310E(8)m/sSpectrumofelectromagnetic(orHertzian)wave 光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，包括波长区域从几nm到几mm。可见光仅仅为0.38-0.78m。光电敏感器件的光谱响应范围远远超出人眼的视觉范围，从X光到红外辐射甚至远红外、毫米波范围。特种材料热电器
4、件具有超过厘米波的范围，即人可以借助各种光电器件对整个光辐射波谱频段内的光信息进行光电变换。而人们常说的“光”一般指的是可见光，即能对人眼刺激而产生“光亮”的电磁辐射。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，而不同色光的波长如表2-1所示。紫外光波段在100一380nm之间，而10一1OOnm之间波段称X光。红外波段波长一般用m表示，约在078一10OOm之间。通常又分为近红外、中红外和远红外三部分。可见光波长表光度学是研究光度测量的一门科学，而光度学量是电磁辐射能引起人眼刺激大小的度量，它在物理量上与电磁辐射的辐射度量是类似的。对其它波段的辐射测量称为辐射度测量
5、。在光电系统中能产生光辐射的系统称为光源，它的质量好坏对光电系统测量精度有很大影响。光度学的基本物理量 光具有波动性和粒子性。光的波动性可以圆满地解释光的干涉、衍射和偏振等现象，光的粒子性可以圆满的解释物质相互作用的光电效应。按照光的粒子性，认为光由光子组成，每个光子的能量为:/hchE 式中，h是普朗克常数；c是光速；是光的频率;是光的波长 式(1)表明，每个光子的能量仅与光频率有关 光量光量 (光谱光能光谱光能Qv)Qv)光量是指光的能量，它是与辐射能Q相对应的物理量。光量的单位是流明秒(lms)，而辐射能的单位是焦耳(J)，光量是光通量v对时间的积分 tvvdtQ0(1)(2-2)光通量
6、光通量 (v)(v)光通量又称为光功率，单位为流明(lm)，它与电磁辐射的辐射通量e相对应，而e的单位是瓦(W)。光通量与辐射通量之间的关系可以用下式来表示:式中，V()是视见函数，其特征如图2-1所示;Km是光功当量，它表示人眼在明视条件下，在波长为555m时，光辐射所产生的光感觉效能，按照国际温标IITS-68理论计算值Km=6831m/W。同样，对其他光度量与辐射量之间的计算也可用类似关系。光通量与光度量中的基本单位发光强度Iv之间的关系为:dVKemv)()(78.038.0(2-3)vvI4即光通量是发光强度为Iv的光源在单位立体角内的辐射通量。若光源在所有方向上的发光强度都相同，则
7、光源在立体角内的辐射光通量v=Iv，那么在所有方向发射的光通量(2-4)dIdvv 光强度光强度 (Iv)(Iv)光强度定义为:点辐射源在给定方向上的单位立体角内辐射的光通量，如图2-2所示。发光强度:ddIvv(2-5)单位为坎德拉lm/Sr=candela=cd即(cd)。1坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内发出1流明的光通量。光亮度光亮度(Lv)(Lv)光源上某点处的面元(ds)在给定方向的光强度dIv，那么光亮度Lv定义为:光强度dIv与面元ds在垂直于发光强度方向平面上的投影面积之比，即coscos2dsdddsdILvvv光亮度的单位为:cd/m2或者lm/srm2(2-6)出射
8、度出射度辐射的光通量，即dsdMvv单位:Lm/m2发光亮度为lm/m2(每平方米流明)以上五个光度参数都是光源向外发射光的特性参量。6照度(Ev)照度是投射到单位面积上的光通量，或者说接受光的面元上单位面积被辐射的光通量。若辐射光通量为dv，接收面元的面积是dA，那么照度Ev=dV/dA，单位为勒克斯Lx=lm/m2曝光量曝光量 (Hv)(Hv)曝光量即为照度对时间的积分，即应该说明的是以上光度参量大都与光源所辐射的波长有关，如白炽灯光源所辐射的光含有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同色光，即由不同波长的光所组成，因此其光谱辐射通量dtEHtvv0光谱辐射照度，dvv78.038.0)(即光谱
9、的辐射参量是光波长的函数。对于波长不连续的光源，具有线光谱和带光谱的特征，其总辐射光通量为：dEEvv78.038.0)(dvv)(单位为：勒克斯.秒Lx.s)(8)(7/6/cd5)(4/l3)(2122slxHlxElxeWlmmLcdImlmxMlmslmQvvvvvvvvv曝光量、）均匀照度（照度、）发光效率（、）亮度（、发光强度、）或光出射度（、光通量、）光能（、）辐照量（、）均匀辐射（）辐射照度（、辐射效率（无量纲）、）辐射亮度（、球面度）瓦辐射强度（、）辐射出射度（、）辐射通量（瓦、）辐射能（焦耳、22222e/8/W/W76m/W5/4/3W2J1mJHmEmesrLsrWIm
10、WMQeeeeeeee 光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的，光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射是指光谱密度。ddxXee,ddxXoo,可见光光源的光谱辐射分布参量 光源的光谱辐射度量随波长的分布曲线，称为光源的绝对光谱辐射分布曲线。相对光谱辐射量：相对光谱辐射分布：dQee21,dQdQreeee0,0,max比辐射0 12ddqeee0,21量子流速率 光源发射的辐射功率是每秒发射光子能量总和。光谱量子流速率：光源在给定波长处，将-+d范围内发射的辐射通量除以该波长的光子能量，就得到光源在该波长处每秒发射的光子数，称为光谱光子流速率dNe,。hvdhvddNeee,光源在
11、波长0-范围内发射的总量子流速率为：0,0,maxdhchvdNreeee光源在可见光区每秒发射的总量子数为：78.038.0,hcdNev量子流速率单位是辐射源的光子数每秒（l/s）物体的热辐射物体通常以下面两种形式发射辐射能量：热辐射凡高于绝对零度的物体都具有发出辐射的能力，其光谱辐射量是波长和温度的函数。温度氏的物体发出红外光，达到500时开始发射一部分暗红色光，升高到1500 时开始发出白光。物体靠加热保持一定温度使内能不变而持续辐射的辐射形式，称为物体热辐射。凡能发射连续光谱且辐射是温度的函数的物体，叫做热辐射体。发光物体不是靠加热保持温度使辐射维持下去，而是靠外部能量激发的辐射，称
12、为发光。发光光谱是非连续光谱，且不是温度函数。靠外界能量激发发光的方式有电致发光（气体放电产生的辉光）、光致发光（荧光）、化学发光（磷氧化发光）、热发光（钠或钠盐发出的黄色光）。发光是非平衡辐射过程，光谱主要是线或带光谱。黑体辐射定律 黑体能够完全吸收从任何角度入射的任意波长的辐射，且在任一方向上都能最大限度地发射任意波长辐射的物体，称为黑体。黑体的发射和吸收系数均为1.黑体模型：黑体是一个理想的温度辐射体，常用作辐射计量基准。在有限的温度范围内可以制造出黑体模型。如：一个开小孔的密封空腔恒温辐射体，空腔的内壁涂有黑色物质，使其反射系数极小，小孔的孔径远小于腔体的直径，并将空腔辐射体置于恒温槽
13、内，使其在工作中保持腔体的温度不变，该空腔体可近似为黑体。当从任意方向入射的辐射进入小孔时，在空腔内都要经过多次反射才能从小孔射出。然而，空腔内的黑色物质的反射系数极小，经过多次反射后，反射出去的辐射能已经极低，绝大部分入射进来的辐射能都被空腔体吸收，因面是空腔的吸心系数很高，接近1.被空腔体吸收的能量都转变为热能，引起腔体的温升。腔体位于恒温槽内，所吸收的辐射只能以温度辐射的方式通过小孔向外发出任何波长的辐射（连续波谱）。普朗克辐射定律普朗克辐射定律黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,由普朗克公式表示为)1(252,kThcseehcM 式中是玻尔兹曼常数，为普朗克常量，绝对温
14、度，为光真空中速度。上式表明黑体向表面半球空间发射波长为的光谱，其辐射出射度为就黑体温度和波长的函数，此即为普朗克辐射定律。斯忒藩玻尔兹曼定律 将普朗克定律公式对波长求积分，得到黑体发射的总辐射出射度为400,52,)1(2TdMdehcMsekThcse式中为斯忒藩玻尔兹曼常数)(1067.51524282345KmWchk 维恩位移定律 将普朗克定律对波长求微分后令其等于，则可以得到峰值光谱辐射出射度Me,s,。所对应的波长与温度T的关系为Tm/2898 峰值波长与温度T的乘积为常数，则当温度升高时，峰值波长向短波方向移动，这就是维恩位移定律。)(10309.1512155,KmcmWTM
15、mse 普朗克定律，斯忒藩玻尔兹曼定律，维恩位移定律统称为黑体辐射定律。例题 1、将人体假定为黑体，正常人体体温为36.5 试求：正常人体所发出的辐射出射度；正常人体的峰值辐射波长及峰值光谱辐射出射度；人体烧到38时的峰值辐射波长及发烧时峰值光谱辐射出射度。)/(3.520)(5.3092735.3624,mWTMKTse)(72.310309.1)(36.9/289812155,mcmWTMmTmsem发烧后：)(81.310309.1)(32.9382732898/289812155,mcmWTMmTmsem发烧后人体辐射波长变短，峰值辐射出射度增大，已经有用此方法制作出的遥测人体体温的仪
16、器。2、当标准钨丝灯为黑体时，试计算其峰值辐射波长、峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。)(2856 KT)(015.12856/2898/2898mTm总辐射出射度为：)(7.24810309.112155,mcmWTMmse标准钨丝灯的温度：峰值辐射波长为：峰值光辐射出射度：)/(1077.31067.524285684,4mWTMse辐射体分类及其温度表示 热辐射体的分类灰体若辐射体的光谱辐射出射度与同温度黑体的光谱为辐射出射度之比是与波长无关的系数，则称其为灰体。系数称为灰体发射率。选择性辐射体不服从黑体辐射定律的辐射体，称为选择性辐射体。其光谱发射率为波长的函数，辐射分布曲线可能有
17、几个最大值。1,seseMM 热辐射体的温度表示辐射温度T当热辐射体的总辐射通量与黑体的总辐射通量相等时，以黑体的温度标度该热辐射体的温度，这种温度称为辐射温度Te。色温Tf当热辐射体在可见光区域发射的光谱辐射分布，具有与某黑体的可见光的光谱辐射分布相同的形状时，以黑体的温度来标度该热辐射体的温度，称为热辐射体的色温。亮温度Tv当热辐射体在可见光区某一波长辐射亮度等于黑体在同一波长的辐射亮度时，以黑体的温度来标度该热辐射体的温度，称为亮温度Tv。辐射度参量与光度参数的关系 辐射度学参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量的参数，在可见光区经常相互使用，它们间存在一定的转换关系，有些光电器件采
18、用光度参数标定 其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数。因此，讨论它们之间的转换是很重要的，掌握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。人眼的视觉灵敏度人眼的视网膜上布满了大量的感官细胞，即杆状细胞和锥状细胞。杆状细胞灵敏度高，它能感受微弱光刺激，锥状细胞感光灵敏度低，但能很好地区别颜色和辨别被视物的细节。视觉神经对不同波长光的感光灵敏度是不一样的，对绿光最灵敏，而对红、蓝光灵敏度最低。国际照明委员会(CIE)根据实验结果，确定了人眼对各种波长光的相对灵敏度，称为“光谱光视效率或视见函数”，如图2-1所示。在明视情况，即光亮度大于3cd/M2
19、时，人眼的敏感波长，即光谱光视效率峰值对应的波长在555nm处。在暗视情况下，即光亮度小于00Olcd/M2时，人眼的敏感波长在507nm处，其光谱光视效率曲线如图中虚线所示。光谱光视效率 用单色辐射分别刺激正常人眼的锥状细胞时，当刺激程度相同时，波长555nm的光谱辐射亮度小于其它波长处的光谱辐射亮度。因此定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率。还有暗视觉光谱光视效率。1)(,eeLLVm1)(,507eeLLVnm 人眼的光谱光视效能 无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其刺激程度与V()Le,成正比，如果用复色光刺激时，刺激程度符合叠加原理，且与成正比。dLVe,)(,)(emVXVKXK
20、m为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，WlmKm/683人眼的暗视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数WlmKm/1725 例题 1、已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量。)(492.010324.0683)(3,lmVKemv 辐射体的光视效能 一个热辐射体发出的总光通量与总辐射通量之比K，称为该辐射体的光视效能，即 对发射连续光谱的热辐射体，有evevK/780380,)(dVKemV则得到辐射体的光视效能VKddVKKmeem0,780380,)(V为辐射体的光视效率例题 对色温为2856K的标准钨丝灯其光视效能为17lm/W,当钨丝灯的功率为100W时，求钨丝的光通量。lmKKevev170010017/
