光电子学(一)光度量光辐射度量朗伯定律与辐射量计算汇总.ppt

光电子学,教材光电信号检测原理与技术赵远编机械工业出版社,参考教材光电技术江文杰等科学出版社光电检测技术蒲昭邦机械工业出版社红外物理张建奇等西安电子科技大学出版社,授课教师赵远靳辰飞联系电引言：近代科学技术的特点是对物质运动变化进行定量的描述和控制，必须对物理量进行测量,直接测量：利用已有的确定标准完成，如：米尺、卡尺、千分尺,光的变化强度变化，频率变化，位相变化，偏振变化。检测光的变化古代只能依靠人眼的直接观察。,间接测量：利用物理规律（物理量之间的变化规律）完成测量如：迈克尔逊干涉仪测量精度达到波长量级10-510-7m。,电磁波谱,光电子技术：光电子技术主要研究光的产生、控制、传输及其探测技术。光子技术和电子技术的结合。,光的产生：激光原理光的控制、传输：光学设计大气光学光纤技术光与物质的相互作用非线性光学散射光学光的探测光电检测技术，统计光学,光电检测及处理技术的含义：利用光探测器件的检测把光辐射转化成电信号，经过一系列电信号的处理，提取某些必需的信息。,光电检测利用的基本原理光电效应、光热效应,光电探测系统的构成和原理,光源,控制及传输路径,目标及背景,光电转换,显示记录,计算机及信号处理,1、对光源输出光的传输变化进行控制2、光辐射与目标相互作用产生信息载体（信号光）3、光辐射（信号光）的探测过程，利用光探测器把光辐射转换为电学量4、利用电子学和计算机技术提取信息,光电检测技术的主要应用范围,1辐射度量和光度量的检测（光辐射能量的检测）,采用光电检测的方法来测定光度量和辐射度量。方法简便，能达到很高的精度。目前常用的这类仪器有：光强度计、光亮度计、辐射计、以及光测高温计和辐射测温仪等。,2光学材料、元件的检测,光学仪器及测量技术中所涉及的材料、元件的光学特性测量，如：材料、元件的光谱特性；都需要借助于光电检测的方法来实现测量。,3非光物理量的光电检测和控制,所能完成的检测对象十分广泛。包括:,把非光物理量转换为光信号。再对带有待测信息的光信号进行光电检测，实现对待测非光物理量的检测。,各种几何量如尺度、坐标；各种机械量如重量、应力、压强、位移、速度、加速度、转速、振动、流量，以及材料的硬度和强度等参量。,光电探测系统的应用,激光雷达，测距，定位，夜视光通信，宽带网DVD,VCD，数码相机，公安交通监测，森林防火报警医学影像，微光电视航空、卫星遥感，深海测量傅立叶光谱，天文干涉光谱仪,光电探测系统的构成和原理,1防盗报警系统,光电探测系统的构成和原理,2.红外测温系统,光电探测系统的构成和原理,3.傅立叶变换光谱议,光电探测系统的构成和原理,4.单脉冲激光测距雷达,光电探测系统的构成和原理,5.红外3D激光成像雷达,光电探测系统的分类和应用范围,光电系统,光谱,可见光光电系统,红外光电系统,照明,被动照明系统,主动照明系统,功能用途,光学计量测试系统,光电控制系统,搜索、跟踪、距离和方位的系统,温差分布、热成像系统,天文、医学光电系统,光电探测技术的发展方向,3、光电检测系统的发展：在不改变被测物性质的条件下，检测非接触化，远程化。多信息量：多光谱、多变量、多像素。集成化、自动化、“智能”化。,1、“光子挑战电子，电子联盟光子”利用光子技术可望突破电子技术中逻辑门器件运行速度的“瓶颈效应”，可以大大提高信息处理的速度和扩大信息传输的容量。,2、光电子材料的研究得到了迅速发展，特别是半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究发展，使垂直腔面发射激光器得以实现。光子晶体半导体新型光子器件、有机聚合物光子晶体、光子晶体光纤和光子晶体光纤放大器均取得了一定的进展。光电探测器件向着高灵敏度和高性能方向发展，其工作波长范围也向红外、紫外方向扩展。,第一章：光辐射物理第二章：光辐射探测器第三章：光辐射直接探测和外差探测第四章：光电信号的前置放大电路和滤波第五章：微弱信号检测第六章：典型的光电信号检测系统,光电子学课程内容,一、光辐射的度量,1.辐射度量的基本物理量,1）辐射能量Q以电磁波的形式发射、传输或接收的能量,2)辐射能密度辐射场单位体积中的能量,(J/m3),3）辐射功率P单位时间内发射传输接收的辐射能量,(J),第一章光辐射物理基础,(W),点源与扩展源,当不使用光学系统时，相对观测者辐射源的最大尺寸小于观测距离十倍以内时，一般都可称为点辐射源，否则，即为扩展源。当使用光学系统时，充满光学系统视场的辐射源作扩展源处理，而未充满视场的则算作点源。,立体角：,半径为R的部分球面A的边缘各点对球心连线所包围的空间,4)辐出度M辐射源单位表面积向半球空间发射的功率,(W/m2),5)辐射强度I点辐射源在某方向单位立体角的辐射功率,(W/Sr),6)辐射亮度L扩展源在某方向单位投影面积和单位立体角发射的辐射功率,(W/m2Sr),7)辐射照度E入射到单位接收表面上的辐射功率,(W/m2),光谱辐射度量和光子辐射度量,光谱辐射量指定波长附近单位波长间隔内的辐射量，,光子辐射量单位时间发射或接收的光量子数定义的各辐射量,光度学：以“标准人眼”的视觉响应对辐射量进行度量,人眼的视觉响应存在生理、心理影响，光度学不是客观标准,1924年国际照明委员会，根据200多位观察者的测定，给出平均人眼对可见光的平均灵敏度，称为人眼视觉函数,视觉函数（光效函数）V()明视V()，峰值波长555nm（绿光），锥体细胞的强光反应暗视V()，峰值波长505nm，杆体细胞的弱光反应,2.光度量的基本物理量,1）光能量Q以电磁波的形式发射、传输或接收的能量（只考虑可见光）,2）光能密度辐射场单位体积中的光能量,流明(lm),3）光通量F单位时间内发射、传输、接收的光能量,光度量与辐射度量间的对应关系,在明视情况下，波长0.555m的V()=1.，c=683/1W辐射功率=683Lm光通量。,对于0.555m以外的光辐射1W辐射功率=683V()Lm光通量,4）光出射度M面光源单位表面积向半球空间发射的光通量,（lm/m2),5）光强度I点辐射源在某方向单位立体角的光通量,(lm/Sr=cd)坎德拉,1Candela（坎德拉）1流明/单位立体角，在英制cd=烛光,cd是光度学的基本单位，1979年国际计量大会通过决议：“cd是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出的频率为5401012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr”,7）光照度E入射到单位接收表面上的光通量,（lm/m2=lx)勒克斯,6）光亮度L扩展源在某方向单位投影面积和单位立体角发射的光通量,（lm/m2Sr=nt）（尼特）,2.朗伯余弦定律与小面源辐射特性,1）朗伯余弦定律：辐射源（反射体）单位表面积向某一方向单位立体角发射（或反射）的辐射功率，与该方向与表面法线的余弦成正比,2）朗伯辐射源的辐射亮度,3）朗伯辐射源L与M的关系,n,dA,d,A,4）小面元的辐射强度I,整个小面积发射的辐射功率,5）小面元产生的辐照度E,S,q,l,人有了知识，就会具备各种分析