第1章1.1,1.2

1、光电器件与系统光电器件与系统 武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院 郧建平郧建平2012光电大赛题目 1、基于光电导航的无人驾驶智能车 2、激光反射法音频声源定位与语音内容解析第第 1 1 章章 光电技术基础光电技术基础光电技术光电技术 是由光学技术和电子技术相结合而形成的一门技术。 主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。 光的量子性成功地解释了光与物质作用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时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。了光的量子性。 光的本质是物质，它具有粒子性，又称光的

2、本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，并为光量子或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为分别表示为 p=hv/c 与与 E=hv 。 光电技术最基本的理论是光的波粒二象光电技术最基本的理论是光的波粒二象性，即光是以电磁波方式传播的粒子。性，即光是以电磁波方式传播的粒子。红外紫外可见光10156182191210101010101010324f/Hz图1-1 电磁辐射光谱的分布X射线射线近红外远红外电磁波 电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（到无线电波（1021025Hz）的宽阔频域。光辐射仅）的宽阔频域。光辐射

3、仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从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，即几纳米到几毫米，即10-910-3m的范围。在这个范的范围。在这个范围内，只有围内，只有0.38 0.78 m的光才能引起人眼的视觉的光才能引起人眼的视觉感，称为可见光。感，称为可见光。电磁波谱8电磁波谱图电磁波谱图定定 义：义：被测信息：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检传感器、检测仪器、检测装置、检测系统。测系统。全部操作：全部操作：检测过程：检测过程：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作。确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作。信号采集、信号处理、信号显示、信号采集、信

4、号处理、信号显示、信号输出。信号输出。物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）检测器具：检测器具：化学量（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） 例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温空气空气被测对象：被测对象：被测信息：被测信息：检测器具：检测器具：操作过程：操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器 - 热电阻、热电偶热电阻、热电偶热敏电阻热敏电阻电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调机直接测量：直接测量：对仪表读数不

5、经任何运算，直接得出被对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：测量的数值。例如： 长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺、千分尺 电压：万用表电压：万用表 质量：天平质量：天平间接测量：间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出被测量。例如：函数关系式计算出被测量。例如： 电功率：电功率：P = I VP = I V（电流（电流/ /电压）电压） 重力加速度：单摆测量重力加速度：单摆测量（L L：摆的线长，：摆的线长，T T：摆动的周期）：摆动的周期）224TLg色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）

6、位置检测用元件（PSD）其他类光电管，摄像管，光电倍增管电子管类光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS)热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)非PN结PN光电二极管（Si,Ge, GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si, Ge)光电三极管(Si)光电池集成光电传感器和光电晶闸管(Si)PN结实 例类 型光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强管像增强管光敏电阻光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光纤传感器光纤传感器电荷

7、耦合器件电荷耦合器件CCDCCD热电偶热电偶/ /热电堆热电堆热辐射计热辐射计/ /热敏热敏电阻电阻热释电探测器热释电探测器 光电检测技术以光电器件为基础，对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号进行处理。 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。 变 换 电 路 光 电 传 感 光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换 电 信 号 处 理存 储显 示控 制光学变换电路处理19 世纪世纪 70 年代到年

8、代到 1960 年以前，光学与电子学仍是两门年以前，光学与电子学仍是两门 独立的学科。独立的学科。1960 年，美国梅曼成功研制第一台激光器红宝石激光年，美国梅曼成功研制第一台激光器红宝石激光 器，引起连锁反应。器，引起连锁反应。1961年，第一台激光测距机问世，年，第一台激光测距机问世， 随后各种激光武器相随后各种激光武器相 继研继研 制成功。制成功。20 世纪世纪70 年代，低损耗的光纤、半导体激光器的成熟、年代，低损耗的光纤、半导体激光器的成熟、 CCD 问世，导致光信息技术蓬勃发展。问世，导致光信息技术蓬勃发展。20世纪世纪80年代，对量子阱材料等其他材料的深入研究，导年代，对量子阱材

9、料等其他材料的深入研究，导致一些新的光电子器件的产生与应用。致一些新的光电子器件的产生与应用。20世纪世纪90年代，光电子技术在通信领域和光存储方面取得年代，光电子技术在通信领域和光存储方面取得了极大成功。了极大成功。1.1 1.1 光辐射的度量光辐射的度量 tQddeetQee1. 辐（射）能和光能 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号Qe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 Qv表示，其计量单位为流明秒(lms)。2. 辐（射）通量和光通量 辐（射）通量或辐（射）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，以辐射形式发

10、射、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，以符号e表示， 其计量单位为瓦（W），即（1-2）（1-1）1.1.1 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对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接对可见光，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收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔d dt t来除，其来除，其商定义为光通量商定义为光通量v v，即，即 （1-31-3）若在若在t t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则式（式（1-31-3）简化为）简化为 （1-4

11、1-4） v v的计量单位为流的计量单位为流( (明明) )（lm）。）。 显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）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。 tQddvvtQvvAMddee)(eedAAM3.3.辐(射)出(射)度和光出(射)度 对有限大小面积A的面光源面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量de与该面元面积dA之比，定义为辐(射)出(射)度Me，即（1-5）Me的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2。面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为（1-6）AMvv)(vvdAAMAMddv 对于可见光，面

12、光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，即 （1-7）其计量单位为勒(克司)lx或lm/m2。对均匀发射辐射的面光源有（1-8）面光源向半球面空间发射的总光通量为（1-9）Iddee（1-10）Idee（1-11）40eee4dII（1-12）4. 4. 辐辐( (射射) )强度和发光强度强度和发光强度 对对点光源点光源在给定方向的立体角元在给定方向的立体角元d内内发射的辐通量de，与该方向立体角元d之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，即辐(射)强度的计量单位为瓦(特)每球面度 W/sr。 点光源在有限立体角内发射的辐通量为 各向同

13、性的点光源向所有方向发射的总辐通量为Iddvv（1-13）Idvv（1-14）对可见光，类似定义发光强度对可见光，类似定义发光强度为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 发光强度的单位是坎德拉发光强度的单位是坎德拉（candela，简称简称cd）。19791979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：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在给定方向上能发射540540101012 12 Hz 的单色辐射源，在此方向的单色辐射源，在此方向上的辐强度为上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定

14、义为，其发光强度定义为一个一个cdcd。 发光强度为发光强度为1cd1cd的点光源，向给定方向的点光源，向给定方向1 1球面度球面度( (sr) )内发内发射的光通量定义为射的光通量定义为1 1流明（流明（lm）。）。发光强度为发光强度为1cd1cd的点光源在的点光源在整个球空间所发出的总光通量为整个球空间所发出的总光通量为=4I V12.566 (lm)。 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。cosdddcosdde2eeAAIL（1-15）cosdddcosddv2vvAAIL（1-16）5. 5. 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

15、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，称为辐射亮度Le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的计量的计量单位为瓦（特）每球面度平方米单位为瓦（特）每球面度平方米W/(srm2) 。 对可见光，亮度对可见光，亮度L Lv v定义为光源表面某一点处的面元在给定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向平面上的正投影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，即面积，即L Lv v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cdm2。24立体角立体角 立体角是描述辐射能向空

16、间发射、传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度，定义为：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比 。 式中，为天顶角；为方位角；d d分别为其增量。立体角的单位是球面度(sr) 222dsindddsinddSrrr dsrdddo2.2.1 辐射度量辐射度量式中，式中， 。ddsind2020ddcossinddddcosdALALAL 余弦辐射体表面面元 dA处向半球面空间发射的通量为余弦余弦辐射体辐射体或或朗伯辐射体朗伯辐射体: : 若若Le ，Lv与光源发射与光源发射辐射的方向无关，且由式（辐射的方向无关，且由式（1-15）、（）、（1-1

17、6）表示）表示的光源的光源。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般。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。或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。eeML （1-17）vvML （1-18）余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为00ee100P%100vvP（1-19）（1-20）0021ee100dP（1-21）6. 辐(射)效率与发光效率 光源发射的总辐射通量光源发射的总辐射通量e 与外界提供给光源的功率与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐之比称为光源的辐(射射)效率

18、效率e；光源发射的总光通量；光源发射的总光通量v 与提与提供的功率供的功率P之比称为发光效率之比称为发光效率v。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（无量纲）（无量纲）（计量单位（计量单位lmW-1）式中，式中，e称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。射通量。1 1.1 1.2 2 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 Ee 的计量单位是（Wm2）。 AEddee（1-22） 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射器或两者兼有。1. 1. 辐照度与照度辐照度与照度 辐照

19、度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量 de 除以该面元的面积dA的商，即被测物被测物光学系统光学系统2CCD2重叠部分重叠部分AEee( (1-23) )注意不要把辐照度注意不要把辐照度 Ee 与辐出度与辐出度Me 混淆起混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。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收辐射通量的角度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发射辐来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。射的角度来定义的。 若辐通量是均匀地照射在物体表面上，若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（则式（1-22）简化为）简化为 )()

20、()(eeerEM(1-24)d)(eeeEM反射体：反射体：本身不辐射，接收辐射后吸收一部分并本身不辐射，接收辐射后吸收一部分并反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度出度Mer() ( r 代表反射代表反射) 与反射体接收的光谱辐照与反射体接收的光谱辐照度度Ee（）的关系为的关系为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。 对上式的波长积分，得到反射体的辐出度对上式的波长积分，得到反射体的辐出度(1-25)AEddvv（1-26）AEvvEv的计量单位是勒克司的计量单位是勒克司（lx）。对接收光的反射体。对接收

21、光的反射体同样有同样有 )()()(vvvEMd)(vvvEM（1-27）（1-28）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。 对可见光，照射到物体表面某一面元的光通对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量量dv除以该面元面积除以该面元面积dA称为光照度称为光照度Ev，即，即 2. 2.辐照量和曝光量辐照量和曝光量 辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的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重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。入射辐射能量有关。 照射到物体表面某一面元的辐照度照射到物体表面某

22、一面元的辐照度 Ee 在时间在时间t内的积分称为辐照量内的积分称为辐照量 He，即，即 ttEH0eed（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，可简化为与时间无关，可简化为 tEHee（1-30） 与辐照量与辐照量He对应的光度量是曝光量对应的光度量是曝光量Hv，它定义，它定义为物体表面某一面元接收的光照度为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间在时间 t 内的内的积分，即积分，即ttEH0vvdHv的计量单位是勒克司的计量单位是勒克司秒秒lx s。 如果面元上的光照度如果面元上的光照度Ev与

23、时间无关，上式可简与时间无关，上式可简化为化为 tEHvv（1-31）1.2 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 dde, eXX式中，通用符号Xe, 是波长的函数，代表所有的光谱辐射量，如光谱辐射通量e,、光谱辐射出度Me,、光谱辐射强度Ie,、光谱辐射亮度Le,、光谱辐照度Ee,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Xe,，简称为光谱辐射量，即35 2.2.2 光度量光度量 光度量和辐射度量光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。表2-3列出了基本光度量的名称、符号、定义方程及单位、单位符号。无量纲无量纲 同样，以符号