新光电第一、二章

《光电检测技术》教学大纲摘要

学分：2.5学时：40

一、课程的性质、目的与任务：本课程主要任务是系统学习光电检测技术原理、方法及应用。要求全面地掌握光电检测的基本原理、基本知识和基本方法，了解光电科技发展新动向，为今后从事相关科研和工程开发打下必要的技术基础。二、课程的基本要求：1．了解光电检测系统的组成及光电技术的概况，熟悉理解光电检测相关参数、参量的内涵；2．掌握常用光电器件的特性，并学会选择光电检测用光源、探测器等；3．了解现代光电检测技术发展的新方向、新动态和新特点；4．熟悉光电检测中的各种常用电路的组成和工作原理。第一章光电测试技术概论

第一节信息技术与光电测试技术信息技术:电子信息技术+光学信息技术+光电信息技术

光电信息技术——电子学+光学光←→电子光的快速+电子信息处理的方便、快速光频段的微电子技术实现信息的获取、加工、传输、控制、处理、存储与显示

光电测试技术——光电信息技术的主要技术之一主要包括：光电变换技术光信息获取与光信息测量技术测量信息的光电处理技术等。用光电方法可实现：各种物理量的测量微光、弱光测量红外测量光扫描、光跟踪测量激光测量，光纤测量，图像测量等放大边缘检测门控主振电动机驱动处理显示123456第二节光电测试系统的组成图1-1激光外径扫描仪原理图1-旋转多面体2-半导体激光器3-f(θ)透镜4-被测工件5-透镜6-光电器件第二节光电测试系统的组成光源光学系统被测对象光学变换光电转换电信息处理存储显示控制图1-2光电系统框图第三节光电测试技术的展望及其特点光电测试技术具有如下特点：

1)高精度。在各种测量技术中，精度最高；

2)高速度；

3)远距离、大量程。尤其适用于遥控和遥测；

4)非接触测量；

5)寿命长；

6)具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化等。第三节光电测试技术的展望及其特点光电测试技术的发展趋势：

1)发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术；

2)发展微型光、机、电测试系统(MEMS)；

3)非接触、快速在线测量；

4)向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展；

5)发展闭环控制的光电测试系统，实现光电测量与光电控制一体化；

6)向人们无法触及的领域发展；

7)发展光电跟踪与光电扫描技术。第二章光电测量的光学基础

光的本质是电磁波辐射。整个电磁波波谱覆盖24个数量级的波长范围：10-10—1014m。一般把电磁波波谱划分为：长波区>1000m

光学区(0.01-1000)m

射线区<0.01m

而光学区又划分为：红外区>0.78m

可见光区(0.38-0.78)m

紫外辐射区<0.38m第二章光电测量的光学基础颜色红外红色橙色黄色绿色青色蓝色紫色紫外X光波长0.78~1000m620~780nm590~620nm560~590nm490~560nm450~490nm420~450nm380~420nm100~380nm10~100nm表2-1光波波长表第二章光电测量的光学基础

可见光区的电磁波具有相同或相似的辐射与吸收机理，并且都要使用光学透镜。无论是可见光还是不可见光，其诸多物理性质，原则上都可以一致地定量加以描述。即，对光的客观物理量，可以用能量的单位加以描述，这就是辐射度量。尽管能量相同，但波长不相同的光对人眼的刺激强度并不相同。因此，在人眼视觉特性的基础上对光辐射进行定量描述的量，被称为光度量。辐射度量与光度量是一一对应的。第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量一、光谱光视效能国际照明委员会(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“光谱光视效能”，如图2-1所示。在明视情况即光亮度大于3cd／m2时，人眼的敏感波长，即光谱光视效能峰值对应的波长在555nm处，如图2-1中实线所示。在暗视情况即光亮度小于0.001cd／m2时，人眼的敏感波长在507nm处，如图2—1中虚线所示。

第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量二*、辐射度的基本物理量1、辐射能Qe

以辐射形式发射、传播或接收的能量，单位为J（焦耳）。2、辐射通量Фe，单位为W（瓦特）。

3、辐射强度Ie

在给定方向上单位立体角内的辐射通量。单位为W/sr（瓦/球面度）。第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量

一般而言，辐射源为各向异性源，即：于是一个点辐射源在整个4π空间发射的辐射通量为：第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量4、辐射出射度Me

为面辐射源表面单位面积上发射（通常在4π空间内发射）的辐射通量。单位为W/m2（瓦/米2）。5、辐射照度Ee

为接收面表面单位面积上所照射到的辐射通量。单位为W/m2（瓦/米2）。第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量6、辐射亮度Le

为辐射源表面一单位面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为W/srm2（瓦/球面度米2）。第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量7、光谱辐射量当辐射量是波长的函数，即：时，必须用光谱密度函数来对辐射量进行描述：

单位为W/μm（瓦/微米）。反之亦然：第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量

其他辐射量也有类似的关系。用一般函数表示：第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量二、光度的基本物理量两者一一对应。辐射度量符号下加下角标“e”，光度量符号下加下角标“v”以示区别。第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量下表给出了两者之间的对应关系：辐射度和光度量的对照表

辐射度量符号单位光度量符号单位辐射能QeJ光量Qvlms辐射通量ΦeW光通量Φvlm辐照度EeWm-2光照度Evlx=lmm-2辐出度MeWm-2光出射度Mvlmm-2辐射强度IeWsr-1发光强度Ivcd=lmsr-1辐射亮度LeWm-2sr-1光亮度光谱光视效率LvV（λ）cdm-2第二章光电测量的光学基础

第一节光谱光视效能和光度的基本物理量光度量与辐射量的对应转换关系为：式中，Km为最大光谱光视效能，表示人眼对波长为555nm光辐射产生感觉的效能：对含有各种波长的辐射量，所对应的光度量应为：式中为密度函数：第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律一、余弦定律（布给定律）由图可见，与光束传输方向成

角的表面积A′和它在垂直传播方向上的投影面积A对O点所张的立体角是相同的。在该立体角内点光源发出的辐射通量不随传输距离而变化。

第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律这就是辐射度的余弦定律。它表明：任一表面上的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间的夹角的余弦而变化。因为：所以有：A′和A的表面上的辐照度E′和E分别为：第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律余弦定律的另一种情况是对完全漫射体而言的，也叫朗伯余弦定律。朗伯把理想漫射体表面定义为：在任意发射（漫射，透射）方向上辐射亮度不变的表面，即对任何角Le都为恒定值。通常把具有这种特性的表面称做朗伯表面。第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律

由辐射亮度的定义：法线方向上辐射强度为I0，表面积为dA的辐射表面，其辐射亮度为I0/dA，而沿与表面法线成角方向的辐射亮度为Iθ/（dAcos）。对于朗伯表面有：所以，即：朗伯辐射表面在某一方向上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角的余弦而变化。dAθI0Iθ第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律二、亮度守恒定律

1、光束在同一种介质中传输情形：面元dA1的辐射亮度为：面元dA2的辐射亮度为：第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律

而dΩ1=dA2cosθ2／r2dΩ2=dA1cosθ1／r2

将dΩ1和dΩ2分别代入前面两式，可得：

L1=L2

从而可以得到如下结论：

光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等，即亮度守恒。第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律2、光从一种介质传输到另一种介质情形设光在介质表面无反射和吸收损失，如图2-7所示：利用折射定律：得：第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律最后可得：(2-10)若将称L/n2

为基本辐射亮度，那么，在不同介质中，传播光束的基本辐射亮度守恒。式(2-10)表明：在不同介质中传播的光束，在无能量损耗的情况下其基本辐射亮度是守恒的。第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律3、光传输过程中有光学系统情形光学系统会使光汇聚或发散。若光学系统透射比为τ，物面亮度为L1，像面亮度是L2，则：

(2-11)

式中，n1和n2分别为物空间和像空间的折射率。一般有n1=n2

，且τ<1，因而L2<L1

，所以像的辐射亮度不可能大于物的辐射亮度，即：光学系统无助于亮度的增加。第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律三、照度与距离的二次方反比定律点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离的平方成反比。平方反比定律来自均匀点光源向空间发射球面波的特性。在任一锥立体角内，设在传输路径上没有光能损失或分束，则由点光源向空间发出的辐射通量不变。位于球心的均匀点光源所张立体角所截表面积和球半径R平方成正比，这样在球表面上的辐照度E就和点光源到该表面的距离的平方成反比，即：第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律

实际光源总有一定几何尺寸，根据光能叠加原理，所求表面上某面元的辐照度，实际上是该有限尺寸光源上每一面元对该接收面元辐照贡献之和。下图中，A1为均匀圆形发光表面，现求面元A2上的辐射照度。rRdA1dA2lθr12A1dsφ第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律首先考虑面元ds在dA2上产生的辐照度：

因为，dΩ为dA2相对于ds所张立体角：所以，

dA2单位面积上获得的辐照功率第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律又：得：所以，第二章光电测量的光学基础

第一节光度学基本定律

从而当l>>R

时，得：即：只有当两者距离足够远时，才能用平方反比定律而不产生明显的误差。有限距离时，其相对误差为：

一般测量中，待测表面到光源的距离远大于光源的线尺寸，距离平方定律完全可用。第二章光电测量的光学基础

第三节光辐射在空气中的传播

光电检测中通常以空气为信道，而大气构成成分的复杂性和不稳定性会影响光束的特性，对测量主要带来以下若干影响：一、大气衰减

1．大气分子吸收

吸收分子主要吸收谱线的中心波长/mH2O0.720.820.930.941.131.381.461.872.663.156.2611.712.613.514.3CO21.41.62.054.35.210.4注：