光电技术第1章(第1讲).ppt

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1、光光 电电 技技 术术 山东轻工业学院理学院山东轻工业学院理学院2011年年9月月1 光电技术是信息科学的一个分支，它以光电子学为基础，综合了传统光学技术、现代微电子技术、精密机械及计算机技术，成为获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。光电技术的含义 它将电子学中的许多基本概念，如调制与解调、放大与振荡、倍频、和频与差频等移植到光频段，产生光频段的电子技术。简单来说，光电技术是光学技术和电子学技术相简单来说，光电技术是光学技术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。间的转换。2光电技术的特点光学技术：多维、并行、快

2、速数据处理电子技术：较高的运算灵活性和变换精度(1)高精度和远距离（2）高速度和大容量（3）非接触（4）较强的信息处理和运算能力（5）广泛的适应范围“谁在光电产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的科技较量中夺魁。”光电子产业 10年内5万亿美元的产值3光电技术的发展（1）光子挑战电子，电子联盟光子（2）光电子材料与器件的发展（3）探测器的发展（5）军事应用领域和其他领域的发展（4）光机电一体化和光电子微结构集成技术的发展4第第1章章 光电技术基础光电技术基础 光电技术最基本的理论是光电技术最基本的理论是光的波粒光的波粒二象性二象性二象性二象性。即光。即光是以电磁波方式传播的粒子。是以电磁波方式

3、传播的粒子。光的本质是物质光的本质是物质,它具有粒子性它具有粒子性,又称为光量子或又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p与与E 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的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。光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。式中式中h为普朗克常数为普朗克常数(6.62610-34Js);为光的振动频为光的振动频率率(s-1)；c为光在真空中的传播速度为光在真空中的传播速度(3108ms-1)。510156182191210101010101010324f/Hz图图1

4、-1 电磁辐射光谱的分布电磁辐射光谱的分布红外红外紫外紫外可见光可见光X射线射线射线射线近红外近红外远红外远红外电磁波电磁波 图图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义(称为电称为电磁波谱磁波谱)。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波线电波(1021025Hz)的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的宽阔频域。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，即的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-910-3m的范围。在这个范围内，只有的范围。在这个范围内，只有

5、0.380.78m的光才能引的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。61.1 光辐射的度量光辐射的度量1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数与光源有关的辐射度参数与光度参数 1.辐辐(射射)能和光能能和光能 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐(射射)能，用符号能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳表示，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表示，其计量单位为流明秒(lms)。72.辐辐(射射)通量和光通量通

6、量和光通量 辐辐(射射)通量或辐通量或辐(射射)功率是以辐射形式发射、传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、传播或接收的辐式发射、传播或接收的辐(射射)能称为辐能称为辐(射射)通量，以通量，以符号符号e表示，表示，其计量单位为瓦其计量单位为瓦(W)，即，即 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或对可见光，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接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，来除，其商定义为光通量其商定义为光通量v，即，即8若在若在t时间内发射、

7、传播或接收的光能不随时间改变，时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则上式简化为则上式简化为v的计量单位为流的计量单位为流(明明)(lm)。显然，辐显然，辐(射射)通量对时间的积分称为辐通量对时间的积分称为辐(射射)能，能，而光通量对时间的积分称为光能。而光通量对时间的积分称为光能。(1-3)(1-4)93.辐辐(射射)出出(射射)度和光出度和光出(射射)度度 对有限大小面积对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元的面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量向半球面空间内发射的辐通量de与该面元面积与该面元面积dA之之比，定义为辐比，定义为辐(射射)出出(射射)度度Me，即，即(

8、1-5)(1-6)Me的计量单位是瓦的计量单位是瓦(特特)每平方米每平方米W/m2。面光源面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为向半球面空间内发射的总辐通量为10 对于可见光，面光源对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量球面空间发射的光通量dv、与面元面积、与面元面积dA之比称为之比称为光出光出(射射)度度Mv，即，即 其计量单位为勒其计量单位为勒(克司克司)lx或或lm/m2。对均匀发射辐射的面光源有对均匀发射辐射的面光源有由式由式(1-7)，面光源向半球面空间发射的总光通量为，面光源向半球面空间发射的总光通量为(1-8)(1-7)(1-9)11

9、(1-10)(1-11)4.辐辐(射射)强度和发光强度强度和发光强度 对点光源在给定方向的立体角元对点光源在给定方向的立体角元d内发射的辐通内发射的辐通量量de，与该方向立体角元，与该方向立体角元d之比定义为点光源在该之比定义为点光源在该方向的辐方向的辐(射射)强度强度Ie，即，即辐辐(射射)强度的计量单位为瓦强度的计量单位为瓦(特特)每球面度每球面度 W/sr。点光源在有限立体角点光源在有限立体角内发射的辐通量为内发射的辐通量为 12(1-13)(1-14)一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。向而异。对可见光，与式对可见光，与式(1-9

10、)类似，定义发光强度为类似，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对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为(1-12)各向同性的点光源向所有方向发射的总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13 发光强度的单位是坎德拉发光强度的单位是坎德拉(candela)，简称为坎，简称为坎cd。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎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德拉重新定义为：在给定方向上能发射5401012Hz的的单色辐射源，在此方向上的辐强度为单色辐射源，在此方向上的辐强度为(1/683)W/sr，其发光强度定义为其发光

11、强度定义为一个坎德拉一个坎德拉cd。由式（由式（1-13），对发光强度为），对发光强度为1cd的点光源，向给的点光源，向给定方向定方向1球面度球面度(sr)内发射的光通量定义为内发射的光通量定义为1流明流明(lm)。发光强度为发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光的点光源在整个球空间所发出的总光通量为通量为=4I12.566 lm。145.辐辐(射射)亮度和亮度亮度和亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度称为辐射亮度Le，即，即(

12、1-15)式中，式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦的计量单位为瓦(特特)每球面度平方米每球面度平方米W/(srm2)。对可见光，亮度对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即向平面上的正投影面积，即15(1-16)Lv的计量单位是坎德拉每平方米的计量单位是坎德拉每平方米cd/m2。若若Le，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式与光源发射辐射的方向无关，且由式(1-15)、(1-16)表示

13、，这样的光源称为余弦辐射体或表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。16式中，式中，。余弦辐射体表面某面元余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射的处向半球面空间发射的通量为通量为 对上式在半球面空间内积分的结果为对上式在半球面空间内积分的结果为由上式得到由上式得到余弦辐射体余弦辐射体的的Me与与Le、Mv与与Lv的关系为的关系为(1-17)(1-

14、18)176.辐辐(射射)效率与发光效率效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量光源所发射的总辐射通量e与外界提供给光源的与外界提供给光源的功率功率P之比称为光源的辐之比称为光源的辐(射射)效率效率e；光源发射的总；光源发射的总光通量光通量v与提供的功率与提供的功率P之比称为发光效率之比称为发光效率v。它们。它们分别为分别为 辐效率辐效率e无量纲，发光效率无量纲，发光效率v的计量单位是流明每瓦的计量单位是流明每瓦lmW-1。(1-19)(1-20)18（1-21）对限定在波长对限定在波长12范围内的辐效率范围内的辐效率 式中式中,e称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光称为光源辐射通量的光谱密集

15、度，简称为光谱辐射通量。谱辐射通量。19 与接收器有关的辐射度参数与光度参数与接收器有关的辐射度参数与光度参数(1-22)从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与接收器有关的辐射度参数与光度参数。接收光源发射接收器有关的辐射度参数与光度参数。接收光源发射辐射的接收器可以是探测器，也可以是反射辐射的反辐射的接收器可以是探测器，也可以是反射辐射的反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下度参数有以下2种。种。1.辐照度与照度辐照度与照度 辐照度辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通是照

16、射到物体表面某一点处面元的辐通量量de除以该面元的面积除以该面元的面积dA的商，即的商，即Ee的计量单位是瓦（特）每平方米的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2。20注意注意:不要把辐照度不要把辐照度Ee与辐出度与辐出度Me混淆起来。虽然两混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。发射辐射的角度来定义的。(1-23)若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（1-22）简化为简化为2

17、1(1-24)本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer()（r 代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度Ee()的关系为的关系为式中式中,e()为辐射度光谱反射比，是波长的函数。为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式对式(1-24)的波长积分，得到反射体的辐出度的波长积分，得到反射体的辐出度(1-25)22 对对可可见见光光，照照射射到到物物体体表表面面某某一一面面元元的的光光通通量量d dv v除以该面元面积除以该面元面积d

18、 dA A称为光照度称为光照度E Ev v，即，即(1-26)Ev的计量单位是勒的计量单位是勒(克司克司)lx。对接收光的反射体，同样有对接收光的反射体，同样有(1-27)(1-28)式中，式中，v()为光度光谱反射比，是波长的函数。为光度光谱反射比，是波长的函数。232.辐照量和曝光量辐照量和曝光量 (1-29)辐照量辐照量He的计量单位是焦尔每平方米的计量单位是焦尔每平方米 J/m2。如果面元上的辐照度如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式与时间无关，式(1-29)可简化可简化为为(1-30)照射到物体表面某一面元的辐照度照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间在时间t内的内的积分称为辐照量

19、积分称为辐照量He，即，即 辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。辐射能量有关。24Hv的计量单位是勒的计量单位是勒(克司克司)秒秒lx.s。如如果果面面元元上上的的光光照照度度Ev与与时时间间无无关关，式式(1-31)可可简化为简化为 (1-31)与与辐辐照照量量He对对应应的的光光度度量量是是曝曝光光量量Hv，它它定定义义为为物物体体表表面面某某一一面面元元接接收收的的光光照照度度Ev在在时时间间t内内的的积积分，即分，即25辐辐 射射 参

20、参 量量光光 度度 参参 量量量的名称量的名称量的量的符号符号单单位符号位符号(单单位位名称名称)量的名称量的名称量的量的符号符号单单位符号位符号(单单位名称位名称)辐辐 能能QeJ焦焦(耳耳)光光 能能QVlms 流流(明明)秒秒辐辐通量通量(辐辐功率功率)eW 瓦瓦(特特)光通量光通量(光功率光功率)Vlm 流流(明明)辐辐出度出度MeW/m2 瓦瓦(特特)每平方米每平方米光出度光出度MVlm/m2 流流(明明)每平方米每平方米辐辐强强度度IeW/sr 瓦瓦(特特)每每球面度球面度发发光光强强度度IVcd(坎坎)德拉德拉辐辐亮度亮度LeW/srm2瓦瓦(特特)每球面每球面度平方米度平方米光

21、亮度光亮度LVcd/m2(坎坎)德德拉每平方米拉每平方米辐照度辐照度EeW/m2 瓦瓦(特特)每平方米每平方米光照度光照度EVlx勒勒(克司克司)辐照量辐照量HeJ/m2 焦焦(耳耳)每每平方米平方米曝光量曝光量HVlxs 勒勒(克司克司)秒秒261.2 光谱辐射分布与量子流速率光谱辐射分布与量子流速率 1.2.1 光源的光谱辐射分布参量光源的光谱辐射分布参量式中，通用符号式中，通用符号Xe,是波长的函数，代表所有光谱辐射是波长的函数，代表所有光谱辐射量，如光谱辐射通量量，如光谱辐射通量e,、光谱辐射出度、光谱辐射出度Me,、光谱辐、光谱辐射强度射强度Ie,、光谱辐射亮度、光谱辐射亮度Le,、

22、光谱辐照度、光谱辐照度Ee,等等.(1-32)光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布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量的的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度光谱密度Xe,，简称为光谱辐射量，即，简称为光谱辐射量，即27 同样，以符号同样，以符号Xv,表示光源在可见光区单位波长范表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为光度量的光谱密集度，简称为光围内发射的光度量称为光度量的光谱密集度，简称为光谱光度量，即谱光度量，即 式中，式中，Xv,代表光谱光通量代表光谱光通量v,、光谱光出射度、光谱光出射度Mv,、光、

23、光谱发光强度谱发光强度Iv,和光谱光照度和光谱光照度Ev,等。等。(1-33)光源的辐射度参量光源的辐射度参量Xe,随波长随波长的分布曲线称为该光的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。源的绝对光谱辐射分布曲线。28该曲线任一波长该曲线任一波长处的处的Xe,除以峰值波长除以峰值波长max处的光谱处的光谱辐射量最大值辐射量最大值Xe,max的商的商Xe,r，称为光源的相对光谱，称为光源的相对光谱辐射量，即辐射量，即(1-34)相对光谱辐射量相对光谱辐射量Xe,r与波长与波长的关系称为光源相对光的关系称为光源相对光谱辐射分布。谱辐射分布。光源在波长光源在波长12 范围内发射的辐射通量范围内发射

24、的辐射通量(1-35)29若积分区间从若积分区间从1=0到到2，得到光源发出的所有波，得到光源发出的所有波长的总辐射通量长的总辐射通量 光源在波长光源在波长1 2 之间的辐通量之间的辐通量e与总辐通量与总辐通量e之比称为该光源的比辐射之比称为该光源的比辐射qe，即，即 式中，式中，qe没有量纲。没有量纲。(1-36)(1-37)301.2.2 量子流速率量子流速率 光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长和。光源在给定波长处处，由由到波长范围内发射的到波长范围内发射的辐射通量辐射通量de除以该波长除以该波长的光子能量的光子能量hv，得到光源得到光源在该波长在该波长处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率速率dNe,，即，即 光源在波长光源在波长为为0范围内发射的总量子流速率范围内发射的总量子流速率(1-38)(1-39)31对可见光区域，光源每秒发射的总光子数对可见光区域，光源每秒发射的总光子数 量子流速率量子流速率Ne或或Nv的计量单位为辐射元的光的计量单位为辐射元的光子数每秒子数每秒1/s。(1-40)32