光电子学(一)光度量光辐射度量朗伯定律与辐射量计算

1、光电子学教材教材 光电信号检测原理与技术光电信号检测原理与技术 赵远编赵远编 机械工业出版社机械工业出版社参考教材参考教材 光电技术光电技术 江文杰等江文杰等 科学出版社科学出版社 光电检测技术光电检测技术 蒲昭邦蒲昭邦 机械工业出版社机械工业出版社 红外物理红外物理 张建奇等张建奇等 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社授课教师授课教师 赵远赵远 靳辰飞靳辰飞 联系电话联系电话引言：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和控制，必须对物理量进行测量直接测量：直接测量

2、： 利用已有的确定标准完成，如：米尺、卡尺、千分尺利用已有的确定标准完成，如：米尺、卡尺、千分尺光的变化光的变化 强度变化，频率变化，位相变化，偏振变化。强度变化，频率变化，位相变化，偏振变化。检测光的变化检测光的变化 古代只能依靠人眼的直接观察。古代只能依靠人眼的直接观察。间接测量：间接测量： 利用物理规律（物理量之间的变化规律）完成测量利用物理规律（物理量之间的变化规律）完成测量如：迈克尔逊干涉仪如：迈克尔逊干涉仪 测量精度达到波长量级测量精度达到波长量级 1010-5-51010-7-7m m。31014Hz31011Hz300G300MHz300M300Hz射线X射线紫外线可见光 红外

3、线无线电波微波10-8 10-6 10-4 10-2 10-11 10 102 104 106 108 1010 1012波长波长/m/m10 2050102200500 1032000 5000104 2104 波长波长( (毫微米毫微米nm)近中远极远远近390770nm770nm1mm10390nm电磁波谱光电子技术：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：光电检测及处理

4、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。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检测利用的基本原理光电效应、光热效应光电效应、光热效应光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理 光源光源控制及传输路径控制及传输路径目标及目标及背景背景光电光电转换转换显示显示记录记录计算机及计算机及信号处理信号处理1、对光源输出光的传输变化进行控制、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）、光辐射与目标相互作用产生信息载体（信号光）3、光辐

5、射（信号光）的探测过程，利用光探测器把光、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辐射转换为电学量4、利用电子学和计算机技术提取信息、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辐射度量和光度量的检测 （光辐射能量的检测）（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。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。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、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。辐射计、

6、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；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。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信号进行光电检测，实现对待

7、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，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。以及材料的硬度和强度等参量。光电探测系统的应用光电探测系统的应用激光雷达，测距，定位，夜视激光雷达，测距，定位，夜视光通信，宽带网光通信，宽带网DVD, VCDDVD, VCD，数码相机，公安交通监测，森林防火报警数码相机，公安交通监测，森林防火报警医学影像，微光电视医学影像，微光电视航空、卫星遥感，深海测量航空、卫星遥感，深海测量傅立叶光谱，天文干涉光谱仪傅立叶

8、光谱，天文干涉光谱仪光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理1防盗报警系统防盗报警系统 放大报警鉴别后处理后处理透镜探测器光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理2.2.红外测温系统红外测温系统光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图白光白光探测器探测器A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图白光白光A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图白光白光动镜动镜 M2M2探测器探测器A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图白光光源白光光源探测器探测器A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图固定镜固

9、定镜 M1M1动镜动镜 M2M2探测器探测器样品样品3.傅立叶变换光谱议傅立叶变换光谱议光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理4.4.单脉冲激光测距雷达单脉冲激光测距雷达 光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理5. 红外红外3D激光成像雷达激光成像雷达光电探测系统的分类和应用范围光电探测系统的分类和应用范围光电系统光电系统光谱光谱可见光光电系统可见光光电系统红外光电系统红外光电系统照明照明被动照明系统被动照明系统主动照明系统主动照明系统功能功能用途用途光学计量测试系统光学计量测试系统光电控制系统光电控制系统搜索、跟踪、距离和方位的系统搜索、跟踪、距离和方位的系统温差分布、热

10、成像系统温差分布、热成像系统天文、医学光电系统天文、医学光电系统光电光电探测技术的发展方向探测技术的发展方向3 3、光电检测系统的发展：光电检测系统的发展：在不改变被测物性质的条件下，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、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、多像素。集成化、自动化、“智能智能”化。化。 1、 “光子挑战电子，电子联盟光子光子挑战电子，电子联盟光子” 利用利用光子技术可光子技术可望突破电子技术中逻辑门器件运行速度的望突破电子技术中逻辑门器件运行速度的“瓶颈效应瓶颈效应”，可以大大提高信息处理的速度和扩大信息

11、传输的容量。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、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。得了一定的进展。光电探测器件向着高灵敏度和高性能方光电探测器件向着高灵敏度和高性能方向发展，向发展， 其工作波长范围也向

12、红外、紫外方向扩展。其工作波长范围也向红外、紫外方向扩展。第一章：光辐射物理光辐射物理第二章：光辐射探测器光辐射探测器第三章：光辐射直接探测和外差探测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光电信号的前置放大电路和滤波第五章：微弱信号检测微弱信号检测第六章： 典型的光电信号检测系统典型的光电信号检测系统 光电子学课程内容一、光辐射的度量一、光辐射的度量 tQPQV1. 辐射度量的基本物理量辐射度量的基本物理量 1）辐射能量辐射能量 Q 以电磁波的形式发射、传输或接收的能量以电磁波的形式发射、传输或接收的能量2) 辐射能密度辐射能密度 辐射场单位体积中的能量辐射场单位体积中的

13、能量(J/m3)3）辐射功率辐射功率 P 单位时间内发射传输接收的辐射能量单位时间内发射传输接收的辐射能量(J)第一章第一章 光辐射物理基础光辐射物理基础(W)点源与扩展源点源与扩展源 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，一般都可称为观测距离十倍以内时，一般都可称为点辐射源点辐射源，否则，即，否则，即为扩展源。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处理，而未充满视场的则算作点源点源。立体角：立体角：半径为半径为R

14、 R的部分球面的部分球面A A的边缘各点对球心连线所包围的空间的边缘各点对球心连线所包围的空间A OR2AR PMAPI4) 辐出辐出度度 M 辐射源辐射源单位表面积单位表面积向向半球空间半球空间发射的功率发射的功率 (W/m2)5)辐射强度辐射强度 I 点辐射源点辐射源在某方向单位立体角的辐射功率在某方向单位立体角的辐射功率 (W/Sr)dAd Snq qrqcos2ApLPEA6)辐射亮度辐射亮度 L 扩展源扩展源在某方向单位投影面积和单位立体角发在某方向单位投影面积和单位立体角发 射的辐射功率射的辐射功率 (W/m2Sr) 7)辐射照度辐射照度 E 入射到单位接收表面上的辐射功率入射到单

15、位接收表面上的辐射功率 (W/m2)dAqd rn光谱辐射度量和光子辐射度量光谱辐射度量和光子辐射度量 光谱辐射量光谱辐射量 指定波长附近单位波长间隔内的辐射量， APMqMMh 光子辐射量光子辐射量 单位时间发射或接收的光量子数定义的各辐射量光度学光度学：以：以“标准人眼标准人眼”的视觉响应对辐射量进行度量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，光度学不是客人眼的视觉响应存在生理、心理影响，光度学不是客观标准观标准19241924年国际照明委员会，根据年国际照明委员会，根据200200多位观察者的测定，多位观察者的测定，给出平均人眼对可见光的平均灵敏度，称为人眼视觉函给出

16、平均人眼对可见光的平均灵敏度，称为人眼视觉函数数视觉函数视觉函数（光效函数）（光效函数）V()明视明视V()，峰值波长，峰值波长555nm555nm（绿（绿光），锥体细胞的强光反应光），锥体细胞的强光反应暗视暗视V()，峰值波长，峰值波长505nm505nm，杆，杆体细胞的弱光反应体细胞的弱光反应1.0400505555750 /nmV( )明视暗视2. 光度量的基本物理量光度量的基本物理量1） 光能量光能量 Q 以电磁波的形式发射、传输或接收的能量（只考虑可见光）以电磁波的形式发射、传输或接收的能量（只考虑可见光） 2） 光能密度光能密度 辐射场单位体积中的光能量辐射场单位体积中的光能量QV

17、tQF流明流明 (lm)3） 光通量光通量 F 单位时间内发射、传输、接收的光能量单位时间内发射、传输、接收的光能量( )FP光度量与辐射度量间的对应关系光度量与辐射度量间的对应关系在明视情况下，在明视情况下，波长波长0.555m0.555m 的的 V()=1. V()=1. ，c=683c=683/ / 1W 辐射功率 = 683 Lm 光通量。 对于对于 0.555m 以外的光辐射以外的光辐射1W 辐射功率 = 683 V() Lm 光通量( ) ( )FcVP4） 光出射度光出射度 M M 面光源单位表面积向半球空间发射的光通量面光源单位表面积向半球空间发射的光通量 （lm/m2)AFM

18、5）光强度光强度 I 点辐射源点辐射源在某方向单位立体角的光通量在某方向单位立体角的光通量(lm/Sr=cd) 坎德拉坎德拉FI1 Candela（坎德拉）（坎德拉）1流明流明/单位立体角，在英制单位立体角，在英制cd=烛光烛光cd是光度学的基本单位，19791979年国际计量大会通过决议：年国际计量大会通过决议：“cd“cd是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出的频率是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出的频率为为54054010101212HzHz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为（1/6831/683）W/sr”W/sr”7） 光照度光照度 E 入射到单位接收表面上的光通量入射到单位接收表面上的光通量（lm/m2=lx)勒克斯勒克斯AFE6） 光亮度光亮度 L 扩展源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）（尼特）qcos2AFL2. 朗伯余弦定律与小面源辐射特性朗伯余弦定律与小面源辐射特性1 1）朗伯余弦定律：辐射源（反射体）单位表面积向某一方向）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