光電技術(shù)第1講講述

1、,第一講,主講人:張建寰單 位:機電工程學(xué)院-測控所2012.04.13,光電技術(shù)基礎(chǔ),http://www.amazon.cn/%E5%85%89%E7%94%B5%E6%8A%80%E6%9C%AF/dp/B004N773FG光電技術(shù)(第2版) [平裝]~ 王慶有 (編者), 王晉疆 (編者), 張存林 (編者)系統(tǒng)地介紹了光電技術(shù)的基本概念、各

2、種光電器件的工作原理與特性、發(fā)展趨勢和典型應(yīng)用等。主要內(nèi)容包括:光電技術(shù)基礎(chǔ)，光電導(dǎo)器件，光生伏特器件，光電發(fā)射器件，熱輻射探測器件，發(fā)光器件與光電耦合器件，光電信息變換，圖像信息的光電變換，光電信號的數(shù)據(jù)采集與計算機接口技術(shù)，光電信息變換技術(shù)的典型應(yīng)用，光電技術(shù)的新發(fā)展?！豆怆娂夹g(shù)(第2版)》可作為高等學(xué)校光電信息工程、計量測試儀器、測控技術(shù)與儀器、測繪工程、環(huán)境工程、機械電子工程、公安圖像技術(shù)、光電檢測儀器、光學(xué)技術(shù)與儀器、生物醫(yī)

3、學(xué)工程等專業(yè)本科生及研究生教，也可作為光電技術(shù)領(lǐng)域科技人員的參考書。,http://www.amazon.cn/%E5%85%89%E7%94%B5%E6%A3%80%E6%B5%8B%E6%8A%80%E6%9C%AF/dp/B002LAR10E/ref=sr_1_1?s=books&ie=UTF8&qid=1333761260&sr=1-1光電檢測技術(shù) [平裝]~ 曾光宇 

4、(編者), 張志偉 (編者), 張存林 (編者),1、光電技術(shù)簡介,光電技術(shù)是信息科學(xué)的一個分支。將傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代微電子技術(shù)及計算機技術(shù)緊密結(jié)合，成為獲取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。電子技術(shù)中的許多手段，如調(diào)制解調(diào)、放大與振蕩、倍頻、和頻、差頻等技術(shù)，移植到光頻段，產(chǎn)生光頻段的電子技術(shù)。該技術(shù)使人類大擴展了自身的視覺能力，使視覺的長波限延伸到毫米波，短波限延伸至紫外、X射線、γ

5、射線，乃至高能粒子，并在飛秒時間量級上記錄超快速現(xiàn)象（如核反應(yīng)、航空發(fā)射）的變化過程。,,光電技術(shù)已滲透到國民經(jīng)濟的各個 領(lǐng)域：如半導(dǎo)體激光器高分辨力的CCD攝像器件紅外成像技術(shù)等,2、本課程的具體安排,1、本課程共8講：光電技術(shù)基礎(chǔ)及光電器件（4）和光電信息變換技術(shù)（1）、圖像信息的光電變換（1）、光電信號數(shù)據(jù)采集與接口（自學(xué)）、典型應(yīng)用（1）、光電技術(shù)的新進展（1）；2、本課程為考試課，閉卷。,,3、光電技術(shù)基礎(chǔ),光電信息變

6、換技術(shù)要討論各種光電敏感器件，對光電敏感器件的性能評估和應(yīng)用說明離不開光的度量及光電技術(shù)的基本理論。主要內(nèi)容：熱輻射基本定律、光與物質(zhì)作用的光電效應(yīng),光輻射基礎(chǔ),光具有波粒二象性，光是以電磁波形式傳播的粒子幾何光學(xué)根據(jù)光的波動性研究了折射、反射規(guī)律，得到了光傳播、光成像、成像系統(tǒng)和成像系統(tǒng)像差等結(jié)論；而物理光學(xué)在光的波動性基礎(chǔ)上，研究了光干涉、光衍射等現(xiàn)象，為各種光譜儀器、全息攝影技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。,光的本質(zhì)是物質(zhì)，具有粒子性，

7、稱為光量子或光子。光子具有動量和能量，分別表示為：,式中：h=6.26×10E（-34）J·s，普朗克常數(shù)v是光的振動頻率（1/s）c=3×10E(8) m/s,Spectrum of electromagnetic ( or Hertzian) wave,光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，包括波長區(qū)域從幾nm到幾mm?？梢姽鈨H僅為0.38-0.78μm。光電敏感器件的光譜響應(yīng)范圍遠遠超出人眼的視

8、覺范圍，從X光到紅外輻射甚至遠紅外、毫米波范圍。特種材料熱電器件具有超過厘米波的范圍，即人可以借助各種光電器件對整個光輻射波譜頻段內(nèi)的光信息進行光電變換。,而人們常說的“光”一般指的是可見光，即能對人眼刺激而產(chǎn)生 “光亮”的電磁輻射。當(dāng)可見光進入人眼時，人眼的主觀感覺有紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色，而不同色光的波長如表2-1所示。紫外光波段在100一380nm之間，而10一1OOnm之間波段稱X光。紅外波段波長一般用μm表示，約在0

9、·78一10OOμm之間。通常又分為近紅外、中紅外和遠紅外三部分。,可見光波長表,光度學(xué)是研究光度測量的一門科學(xué)，而光度學(xué)量是電磁輻射能引起人眼刺激大小的度量，它在物理量上與電磁輻射的輻射度量是類似的。對其它波段的輻射測量稱為輻射度測量。在光電系統(tǒng)中能產(chǎn)生光輻射的系統(tǒng)稱為光源，它的質(zhì)量好壞對光電系統(tǒng)測量精度有很大影響。,光度學(xué)的基本物理量 光具有波動性和粒子性。光的波動性可以圓滿地解釋光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，光的

10、粒子性可以圓滿的解釋物質(zhì)相互作用的光電效應(yīng)。按照光的粒子性，認為光由光子組成，每個光子的能量為:,式中，h是普朗克常數(shù)；c是光速；ν是光的頻率;λ是光的波長式 (1)表明，每個光子的能量僅與光頻率有關(guān),光量 (光譜光能Qv)光量是指光的能量，它是與輻射能Q相對應(yīng)的物理量。光量的單位是流明·秒 (lm·s)，而輻射能的單位是焦耳 (J)，光量是光通量Φv對時間的積分,(1),(2-2),光通量 (Φv)光通量又稱

11、為光功率，單位為流明(lm)，它與電磁輻射的輻射通量Φe相對應(yīng)，而Φe的單位是瓦(W)。光通量與輻射通量之間的關(guān)系可以用下式來表示:,式中，V(λ)是視見函數(shù)，其特征如圖2-1所示;Km是光功當(dāng)量，它表示人眼在明視條件下，在波長為555m時，光輻射所產(chǎn)生的光感覺效能，按照國際溫標IITS-68理論計算值Km=6831m/W。同樣，對其他光度量與輻射量之間的計算也可用類似關(guān)系。光通量與光度量中的基本單位發(fā)光強度Iv之間的關(guān)系為:,(2

12、-3),即光通量是發(fā)光強度為Iv的光源在單位立體角內(nèi)的輻射通量。若光源在所有方向上的發(fā)光強度都相同，則光源在立體角Ω內(nèi)的輻射光通量Φv=IvΩ，那么在所有方向發(fā)射的光通量,(2-4),光強度 (Iv)光強度定義為:點輻射源在給定方向上的單位立體角內(nèi)輻射的光通量，如圖2-2所示。發(fā)光強度:,(2-5),單位為坎德拉lm/Sr=candela=cd即(cd)。1坎德拉相當(dāng)于均勻點光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出1流明的光通量。,光亮度(Lv)光源

13、上某點處的面元 (ds)在給定方向的光強度dIv，那么光亮度Lv定義為:光強度dIv與面元ds在垂直于發(fā)光強度方向平面上的投影面積之比，即,光亮度的單位為:cd/m2或者lm/sr·m2,(2-6),出射度輻射的光通量，即,單位: Lm/m2發(fā)光亮度為lm/m2(每平方米流明)以上五個光度參數(shù)都是光源向外發(fā)射光的特性參量。,6·照度 (Ev)照度是投射到單位面積上的光通量，或者說接受光的面元上單位面積被輻射的光

14、通量。若輻射光通量為dΦv，接收面元的面積是dA，那么照度Ev=dΦV/dA，單位為勒克斯Lx=lm/m2,曝光量 (Hv)曝光量即為照度對時間的積分，即,應(yīng)該說明的是以上光度參量大都與光源所輻射的波長有關(guān)，如白熾燈光源所輻射的光含有紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等不同色光，即由不同波長的光所組成，因此其光譜輻射通量,光譜輻射照度，,即光譜的輻射參量是光波長的函數(shù)。對于波長不連續(xù)的光源，具有線光譜和帶光譜的特征，其總輻射光通量為：,單位

15、為：勒克斯.秒——Lx.s,光源發(fā)射的輻射能在輻射光譜范圍內(nèi)是按波長分布的，光源在單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射是指光譜密度。,可見光,光源的光譜輻射分布參量,光源的光譜輻射度量隨波長的分布曲線，稱為光源的絕對光譜輻射分布曲線。相對光譜輻射量：相對光譜輻射分布：,比輻射,0——∞,λ 1——λ2,量子流速率,光源發(fā)射的輻射功率是每秒發(fā)射光子能量總和。光譜量子流速率：光源在給定波長λ處，將λ- λ+dλ范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量除以該

16、波長的光子能量，就得到光源在該波長處每秒發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜光子流速率dNe,λ。,光源在波長0-∞范圍內(nèi)發(fā)射的總量子流速率為：,光源在可見光區(qū)每秒發(fā)射的總量子數(shù)為：,量子流速率單位是輻射源的光子數(shù)每秒（l/s）,物體的熱輻射,物體通常以下面兩種形式發(fā)射輻射能量：熱輻射凡高于絕對零度的物體都具有發(fā)出輻射的能力，其光譜輻射量是波長和溫度的函數(shù)。溫度氏的物體發(fā)出紅外光，達到500℃時開始發(fā)射一部分暗紅色光，升高到1500 ℃時開始發(fā)

17、出白光。物體靠加熱保持一定溫度使內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的輻射形式，稱為物體熱輻射。凡能發(fā)射連續(xù)光譜且輻射是溫度的函數(shù)的物體，叫做熱輻射體。,發(fā)光物體不是靠加熱保持溫度使輻射維持下去，而是靠外部能量激發(fā)的輻射，稱為發(fā)光。發(fā)光光譜是非連續(xù)光譜，且不是溫度函數(shù)?？客饨缒芰考ぐl(fā)發(fā)光的方式有電致發(fā)光（氣體放電產(chǎn)生的輝光）、光致發(fā)光（熒光）、化學(xué)發(fā)光（磷氧化發(fā)光）、熱發(fā)光（鈉或鈉鹽發(fā)出的黃色光）。發(fā)光是非平衡輻射過程，光譜主要是線或帶光譜。

18、,黑體輻射定律,黑體能夠完全吸收從任何角度入射的任意波長的輻射，且在任一方向上都能最大限度地發(fā)射任意波長輻射的物體，稱為黑體。黑體的發(fā)射和吸收系數(shù)均為1.,黑體模型：黑體是一個理想的溫度輻射體，常用作輻射計量基準。在有限的溫度范圍內(nèi)可以制造出黑體模型。如：一個開小孔的密封空腔恒溫輻射體，空腔的內(nèi)壁涂有黑色物質(zhì)，使其反射系數(shù)極小，小孔的孔徑遠小于腔體的直徑，并將空腔輻射體置于恒溫槽內(nèi)，使其在工作中保持腔體的溫度不變，該空腔體可近似

19、為黑體。當(dāng)從任意方向入射的輻射進入小孔時，在空腔內(nèi)都要經(jīng)過多次反射才能從小孔射出。然而，空腔內(nèi)的黑色物質(zhì)的反射系數(shù)極小，經(jīng)過多次反射后，反射出去的輻射能已經(jīng)極低，絕大部分入射進來的輻射能都被空腔體吸收，因面是空腔的吸心系數(shù)很高，接近1.被空腔體吸收的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起腔體的溫升。腔體位于恒溫槽內(nèi)，所吸收的輻射只能以溫度輻射的方式通過小孔向外發(fā)出任何波長的輻射（連續(xù)波譜）。,普朗克輻射定律黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射度Me

20、,s,λ由普朗克公式表示為,式中ｋ是玻爾茲曼常數(shù)，ｈ為普朗克常量，Ｔ絕對溫度，ｃ為光真空中速度。上式表明黑體向表面半球空間發(fā)射波長為λ的光譜，其輻射出射度為就黑體溫度和波長的函數(shù)，此即為普朗克輻射定律。,斯忒藩－玻爾茲曼定律將普朗克定律公式對波長求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度為,式中σ為斯忒藩－玻爾茲曼常數(shù),維恩位移定律將普朗克定律對波長求微分后令其等于０，則可以得到峰值光譜輻射出射度Me,s,λｍ 。所對應(yīng)的波長與溫度T的

21、關(guān)系為,峰值波長與溫度T的乘積為常數(shù)，則當(dāng)溫度升高時，峰值波長向短波方向移動，這就是維恩位移定律。,,普朗克定律，斯忒藩－玻爾茲曼定律，維恩位移定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。,例題,1、將人體假定為黑體，正常人體體溫為36.5℃試求：正常人體所發(fā)出的輻射出射度；正常人體的峰值輻射波長及峰值光譜輻射出射度；人體燒到38℃時的峰值輻射波長及發(fā)燒時峰值光譜輻射出射度。,發(fā)燒后：,發(fā)燒后人體輻射波長變短，峰值輻射出射度增大，已經(jīng)有用此方法制作出的遙

22、測人體體溫的儀器。,2、當(dāng)標準鎢絲燈為黑體時，試計算其峰值輻射波長、峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。,總輻射出射度為：,標準鎢絲燈的溫度：,峰值輻射波長為：,峰值光輻射出射度：,輻射體分類及其溫度表示,熱輻射體的分類灰體若輻射體的光譜輻射出射度與同溫度黑體的光譜為輻射出射度之比是與波長無關(guān)的系數(shù)，則稱其為灰體。系數(shù)稱為灰體發(fā)射率。選擇性輻射體不服從黑體輻射定律的輻射體，稱為選擇性輻射體。其光譜發(fā)射率為波長的函數(shù)，輻射分布

23、曲線可能有幾個最大值。,熱輻射體的溫度表示輻射溫度T當(dāng)熱輻射體的總輻射通量與黑體的總輻射通量相等時，以黑體的溫度標度該熱輻射體的溫度，這種溫度稱為輻射溫度Te。色溫Tf當(dāng)熱輻射體在可見光區(qū)域發(fā)射的光譜輻射分布，具有與某黑體的可見光的光譜輻射分布相同的形狀時，以黑體的溫度來標度該熱輻射體的溫度，稱為熱輻射體的色溫。亮溫度Tv當(dāng)熱輻射體在可見光區(qū)某一波長輻射亮度等于黑體在同一波長的輻射亮度時，以黑體的溫度來標度該熱輻射體的溫度，

24、稱為亮溫度Tv。,輻射度參量與光度參數(shù)的關(guān)系,輻射度學(xué)參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對光輻射進行度量的參數(shù)，在可見光區(qū)經(jīng)常相互使用，它們間存在一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，有些光電器件采用光度參數(shù)標定 其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標定其特性參數(shù)。因此，討論它們之間的轉(zhuǎn)換是很重要的，掌握了這些轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對用不同度量參數(shù)標定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進行比較。人眼的視覺靈敏度人眼的視網(wǎng)膜上布滿了大量的感官細胞，即桿狀細胞和錐狀細胞。桿狀細

25、胞靈敏度高，它能感受微弱光刺激，錐狀細胞感光靈敏度低，但能很好地區(qū)別顏色和辨別被視物的細節(jié)。 視覺神經(jīng)對不同波長光的感光靈敏度是不一樣的，對綠光最靈敏，而對紅、藍光靈敏度最低。國際照明委員會(CIE)根據(jù)實驗結(jié)果，確定了人眼對各種波長光的相對靈敏度，稱為“光譜光視效率或視見函數(shù)”，如圖2-1所示。在明視情況，即光亮度大于3cd/M2時，人眼的敏感波長，即光譜光視效率峰值對應(yīng)的波長在555nm處。在暗視情況下，即光亮度小于0

26、3;0Olcd/M2時，人眼的敏感波長在507nm處，其光譜光視效率曲線如圖中虛線所示。光譜光視效率 用單色輻射分別刺激正常人眼的錐狀細胞時，當(dāng)刺激程度相同時，波長555nm的光譜輻射亮度小于其它波長處的光譜輻射亮度。因此定義為正常人眼的明視覺光譜光視效率。還有暗視覺光譜光視效率。,人眼的光譜光視效能無論是錐狀細胞還是柱狀細胞，單色輻射對其刺激程度與V(λ)Le,λ成正比，如果用復(fù)色光刺激時，刺激程度符合疊加原理，且與

27、成正比。,Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，,人眼的暗視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù),例題,1、已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計算其發(fā)出的光通量。,輻射體的光視效能一個熱輻射體發(fā)出的總光通量與總輻射通量之比K，稱為該輻射體的光視效能，即對發(fā)射連續(xù)光譜的熱輻射體，有,則得到輻射體的光視效能,V為輻射體的光視效率,例題,對色溫為2856K的標準鎢絲燈其光視效能為17lm/W,當(dāng)