光电检测技术及应用（第2版）

本课程学习目的：（1）学习一种非接触式的测量方法。（2）掌握一般光电检测系统的基本工作原理、组成结构以及设计和应用。

本课程主要内容：

光电检测技术是以半导体、激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模、数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需的检测物理量等参数。主要内容有：光源、光学系统、光电器件、光电检测技术和方法、典型的光电检测系统及其应用光电检测技术的主要应用范围辐射度量和光度量的检测

光电检测可以消除人眼测量带来的误差；光电检测仪器经计量标定，可以达到很高的精度。常用的仪器有：光强度计、光亮度计、辐射计、以及光测高温计和辐射测温计光电检测技术的主要应用范围光电元器件及光电成像系统特性的检测

检测表征光电器件的使用性能的一些特性参量，如光谱特性、光电灵敏度、亮度增益等。每个特性参数的检测系统都是一个光电检测系统。检测表征光电成像系统（直视近红外成像仪、热像仪等）性能的若干特性参量，比如系统的亮度增益、最小可分辨温差等。光电检测技术的主要应用范围光学材料、元件及系统特性的检测比如材料、元件的光谱特性；光学系统的调制传递函数；大倍率的减光片等光电检测技术的主要应用范围非光物理量的光电检测核心是如何把非光物理量转换为光信号，主要有两种方法（1）通过一定手段将非光量转换为发光量，通过对发光量的光电检测，实现对非光物理量的检测；（2）使光束通过被检测对象，让其携带待测物理量的信息，通过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。检测对象十分广泛：各种射线及电子束强度的检测；各种几何量的检测；各种机械量的检测，各种电量与磁量的检测；以及对温度、湿度、材料浓度及成份等参量的检测。应用领域精密测量红外探测其他各种非电量测量在宇宙航行、激光雷达、夜视、空中侦察、武器制导、自动跟踪、光通讯、图象信息处理和计算技术等方面也得到了广泛应用。在工业生产中的应用优越性更加显著。由于光电检测精度高、速度快，是一种非接触测量方法，所以适应于生产过程的自动检测和控制。例如，机床位移量的精密控制，生产过程中的产品尺寸和外观自动光电检测等。光电检测技术的应用指纹锁门禁光电鼠标料位自动控制电动扶梯自动启停电动扶梯自动启停光电开关光电检测技术的应用光栅光纤光电管光敏电阻光电检测技术的应用与本课程相关的课程工程光学模拟电路和数字电路大学物理教学计划1、相关知识（第1章）光电检测系统的初步了解（基本工作原理，基本结构组成）；光的本质；辐射度与光度学的基本概念；光在介质表面的反射和折射；光与物质的相互作用—光的吸收、色散、散射、干涉、衍射、偏振等。教学计划(续)2、常用光源（第2章）发光二极管；激光器；其他光源3、光学变换（第3章）4、光电探测器件（第4、5、6、7章）真空光电器件；光电导器件；光伏特器件；成像器件(CCD、CMOS)教学计划(续)5、光电检测常用电路（第8章）6、光电检测技术和方法非相干和相干检测应用技术（第9章和第10章）7、按检测系统采用的光调制原理（光的强度、相位、偏振、频率或波长）不同来分析一些较典型的光电检测系统的组成原理、工作特点及设计分析方法。（第11、12章）本课程的学习要求1、了解并掌握典型的光电器件的原理和特点，会正确选用光电器件。2、学会根据光电器件的特点选择和设计光电检测电路和有关参数。3、能根据被测对象的要求，设计光电检测系统。第1章概述掌握内容光电检测技术的研究内容、系统基本构成、工作原理及基本结构形式；理解内容光的本质及相关知识；辐射度与光度学的基本概念。

了解内容了解光电检测技术的优缺点；光电检测技术的展望第1章主要内容§1.1引言§1.2光电检测系统的基本构成和基本工作原理§1.3光电检测技术的现代发展

§1.1引言一、光电检测技术的定义

光学与电子学技术相结合而产生的一门新兴检测技术，它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示等。二、光电检测技术的检测量

从原理上讲可以检测一切能够影响光量或光特性的非电量。光量：光通量或光强度光特性：光波的幅值、频率、相位、偏振三、光电检测技术的主要内容

光电检测技术的主要内容是通过光学系统把携带被测信息的非电量信息变换成便于接收的光学信息，然后用光电探测器将光学信息变换成电量，并进一步经电路放大、处理等，达到输出的目的。信息变换技术和电信号处理技术。信息变换技术：非电量变换成光学量光学量变换成电量

§1.2光电检测系统的基本构成和基本工作原理

一、几个光电检测实例1、红外防盗报警系统

图1－12、激光外径扫描仪

图1－21－旋转多面体2－半导体激光器3－透镜4－工件5－物镜6－光电器件3、光弹性效应测力计

图1－31-白炽灯2-聚光镜3-滤光片4-减光楔5-分束镜6-起偏振镜7-云母片8-测力元件9-检偏振镜10，12-光电池11-减光楔13-检流计

二、光电检测系统的构成框图

图1－4光电检测系统框图

光是信息传递的媒介，它由光源产生。光源与照明光学系统一起获得测量所需的光载波，光载波与被测对象同时作用在光学系统上而将被测量载荷到光载波上，称为光学变换。光学变换是用各种调制的方法来实现的。光学变换后的光载波上载荷有各种被测信息，称为光信息。光信息经光电器件实现由光向电的信息转换，称为光电转换。然后被测信息就可用各种电信号处理的方法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，或送到计算机进行进一步的运算，直接显示被测量或者存储或者去控制相应的装置。

光电检测系统各部分的功能：（1）光源和照明光学系统考虑光源的辐射功率、光谱范围、发光空间分布；发出的光作为载波或者被测对象；照明光学系统的分类（2）被测对象及光学变换光学变换：通过光学元件和光学系统把待测量转换为光参量光学系统可以根据不同的光学性质、光学效应，其结构形式不同光参量：光本质是电磁波，其参量有幅值、频率、相位、偏振态、传播方向等（3）光信号的匹配处理

光信号的处理主要包括光信号的调制、变光度、光谱校正、光漫射，以及会聚、扩束、分束等。使用的光学器件可以是透镜、滤光片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅等。

（4）光电转换以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将经过待测量调制的光信号转换成电信号；决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响应；光电探测器（5）电信号的放大与处理主要实现两个功能：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化

（6）存储、显示与控制系统三、基本工作原理

光电检测系统是以光信息变换为基础的，把待测量通过光信号变换为电量来进行测量的。（一）把待测量变换为光信息量

它是以光通量的大小来反映待检测量的大小。光电探测器的输出往往与入射到它的光敏面上的光通量成正比，所以，光电探测器的光电流大小可以反映出待检测量的大小，即光电流I是待检测信息量Q值的函数：

I=f(Q)(1-1)

这是一种模拟量信息变换。（二）把待检测量变换为光信息脉冲

它是以光脉冲或条纹数的多少来反映待测量的大小，光电探测器的输出为低电平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息，这些数字信息量T是待测信息量Q的函数：

T=f(Q)(1-2)

这是一种模/数信息转换。四、基本结构形式1、辐射式图1－51、被测物体2、会聚透镜3、光电二极管例：全辐射测温：由斯忒藩－玻尔兹曼（Stefan—Boltzman）定律可知，物体的全辐射出射度为：（1－1）式中：ε—比辐射率，对于某一物体ε值为常数

σ—斯忒藩－玻尔兹曼常数；

T—绝对温度。在近距离测量时，可不考虑大气对辐射的吸收作用，则光电探测器输出的电压信号为：式中β为光电变换系数。将（1－1）代入上式得：

(1—2)2、反射式图1－61、光源2、被测物3、光电探测器例：测转速

轴转动一周，光电探测器4就获得一个由光源1发出的反射光的脉冲，此脉冲数就反映了轴的转速。

图1－71、光源2、转轴3、小平面镜4、光电探测器3、遮挡式

图1－81、光源2、待检测物3、光电探测器4、透射式：根据工作原理不同又分为：（1）模拟量信息变换方式（2）模/数信息变换方式

图1－9图1－105、干涉式

图1－111－光源2－透镜3－分束器4－反射镜5－待测物体6－光电探测器6、衍射式

图1－12衍射测量原理结构

五、基本方法

光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过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。因此光电检测技术涉及到的具体技术包括：1.方法分类2.方法的选择

合理选择光学测量方法主要依据以下五点来综合考虑：

⑴被测对象与被测量；

⑵测量范围；

⑶测量的灵敏度或精度；

⑷经济性；

⑸测量时的环境要求。测量精度与测量灵敏度

选择测量方法的另一主要原则是灵敏度和要求的精度。右图是主要光学测量方法在尺寸上能达到的分辨率。而精度一般来说是测量分辨率的1～3倍。

测量的经济性与环境要求经济性好,环境要求低经济性中,环境要求一般经济性偏高，有环境要术衍射计量扫描计量散斑计量光纤计量莫尔与拓扑法图像计测法共路干涉计量全息计量光谱计量纳米计量表：主要光学测量方法的经济性和对环境的要求3.方法选择小结

以上选择的依据是初步的，测量方法的最终确定应有具体设计方案，综合考虑以上各方面的因素。测量方法的确定往往是测量是否取得成功的关键。

§1.3光电检测技术的现代发展1.技术特色2.技术现状（光学测量技术学科的组成）光学是这个基本体系中的原理基础，而精密机械、电子技术与计算机技术构成塔底三角形，是光学测量的支撑基础。技术现状（光学测量技术主要原理分类）

技术现状（光学测量系统的主要构成）3.技术发展方向亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展；利用新的物理学原理和光电子学原理而产生的新的光学测量方法将不断出现；以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的集成光学和其他微传感器将成为技术的主流方向，小型的、微型的非接触式光学传感器以及微光学这类微结构系统将崭露头角；半导体激光器(LD)及其阵列，光开关，光滤波器，光电探测阵列等新器件将在过程控制，在线测量与控制上得到广泛应用；快速、高效的3D测量技术将取得突破，成为带存贮功能的全场动态测量仪器；发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与光学控制的一体化；发展光学诊断和光学无损检测技术；生物科学研究中的光探测越来越收到世界科技工作者的共同关注。3.技术发展方向非接触化、小型化、集成化、数字化、智能化4.光学测量技术发展趋势（原理上）从主观光学发展成为客观光学，即用光电探测器取代人眼这个主观探测器，提高了测量精度与效率；用激光光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光线用于各种光学测量上；从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化。4.光学测量技术发展趋势（功能上）从静态测量发展成为动态测量；从逐点测量发展成为全场测量；从低速度测量发展成快速的，具有存贮、记录功能的测量。5.光电检测技术的优点（1）非接触式检测。（2）响应速度快。（3）测量精度高。（4）检测对象范围宽。（5）远距离、大量程。（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。（7）寿命长。光电检测技术的缺点

(1)由于光电检测系统中用到光学元件，容易被沾污，影响光信号的传输，必须采取措施，否则使用受限制。（2）外界干扰光影响大。背景光及外干扰光的影响使信噪比变差，但可采取措施减至最小。（3）使用温度范围小，不能用在高温。补充知识§1.4光的本质§1.5光在介质表面的反射和折射§1.6光与物质的相互作用§1.7光的干涉、衍射和偏振§1.8辐射度的基本物理量§1.9光度的基本物理量

§1.4光的本质光是电磁波具有波、粒二象性牛顿—微粒说（1）根据光的直线传播现象，解释了反射和折射现象（2）不能解释：干涉、衍射和偏振等复杂光学现象波动理论（1）能解释光的干涉和衍射现象。（2）惠更斯、杨氏和菲涅尔理论等。（3）麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波。电磁波谱10^-14 :宇宙射线10^-12 :γ射线10^-10 :

x射线10^-7 :紫外线10^-6 :可见光3.8^-7~7.8^-710^-5 :红外线10^-4 :毫米波10^-3 :厘米波10^-2~10^2 :无线电光波电磁波谱图一、基本概念

1.光谱可见光波长0.38μm～0.78μm光速C=f.λ紫外线0.01μm～0.38μm具有荧光作用（荧光灯），生理作用（医用紫光灯）光学玻璃透射弱石英玻璃透射强红外线0.78μm～1000μm具有热辐射作用（人体保健）近红外λ<3μm,远红外λ>3μm（人体辐射9.4μm――远红外内衣）2.色谱在可见光范围内，由于波长的不同。而对视觉产生的颜色差异。（人眼的光谱）0.38～0.435～0.49～0.58～0.60～0.65～0.78

紫蓝绿黄橙红

3.光的单位◎光强度：光源产生光的强弱。频率为540×1012

（λ＝0.555μm）的单色光在给定方向上产生的辐射功率为1/680W/Sr（球面度）定为光强度单位。称坎德拉cd◎光通量：具有1cd均匀光源在一个球面内产生的光的辐射量，定为光通量单位称流明lm◎光照度：物体表面被光照亮的程度。1lm的光通量在1㎡的平面上产生的照度，单位为勒克斯lx

§1.5光在介质表面的反射和折射一、光在两透明介质分界面上的反射和折射

实质上是光波的电磁场与物质的相互作用，反射光和折射光的传播方向与入射光入射角的关系就是我们熟知的反射定律和折射定律。那么入射波、反射波和折射波的能量关系是与反射率（R）和透射率（T）有关。二、光在金属表面上的反射（1）金属反射光的能力与金属包含的自由电子的密度有关

自由电子密度越大（电导率也越大），反射本领也越高（2）对于同一种金属，入射光波长不同，反射率也不同

频率较低的红外辐射，主要对金属中的自由电子发生作用；频率较高的可见光和紫外辐射，也可以对金属中的束缚电子发生作用。（这时因为束缚电子本身的固有频率处在可见光和紫外辐射区）束缚电子使金属的反射能力降低，透射能力增大，呈现出非金属的光学性质。（3）金属表面的反射率也与光的入射角有关

与电介质表面的反射不同，不论在什么角度下反射，金属都不能使反射光成为全偏振。§1.6光与物质的相互作用

——光的吸收、色散和散射一、光的吸收与色散（1）导电介质和绝缘介质都可以引起光吸收现象。（2）光的吸收是基于朗伯一比尔定律，用公式表示为:

（1.11）式中：I为吸收后的光强度；I。是物质浓度为零(即不存在吸收物质)时的光强度；L为色皿(采样槽)的长度；为吸收常数。用图可以表示为：

图1－5朗伯－比尔定律原理图吸收系数：（1）是波长的函数，这种函数关系称为吸收光谱；不同的材料吸收光谱完全不同。（2）吸收系数与折射率有关，为：式中，称为吸收率或消光系数；消光系数和折射率都是波长的函数。（3）色散定义：当某一介质的吸收系数随波长不同而改变时，则光在该媒质中传播时，不同波长的光路将被散开。表示介质折射率随波长变化的程度，用色散率表示：二、光的散射

光在不均匀介质中，才有散射。根据散射光波长与入射光波长是否相同，散射可分为两类：（一）瑞利散射

散射光波长与入射光波长相同。

根据不均匀结构的性质，瑞利散射又可分为三类：（1）丁达尔散射

介质中有很多大质点(颗粒)，其线度约等于光的波长，它们的折射率与周围均匀介质的折射率不同。如乳状液、含有悬浮物的流体、胶体溶液。由这些质点的无规则排列所引起的散射称为丁达尔散射。散射光的强度和入射光的波长的关系不明显，散射光的波长和入射光的波长相同。（2）分子散射

光通过纯净介（媒）质时，由于构成该媒质的分子密度起伏破坏了介质的光学均匀性，从而导致散射。这种散射光的强度和波长的4次方成反比，即：称为瑞利定律。散射光的波长还是原来入射光的波长，只是入射光中波长较短的光散射系数大，即容易被散射。（3）瑞利散射

在各向异性介质中，除了密度起伏外，分子的去向与它们最可能的平均取向也有偏差。这种偏差表现为这部分分子的极化率（P=XE中的X）对其平均值有起伏，破坏了次波的相干性，导致光的散射。（二）喇曼散射在散射光中，除有与入射光频率相同的瑞利散射外，在瑞利线的两侧还有频率为的散射线存在。这种散射现象称之为喇曼散射。§1.7光的干涉、衍射和偏振一、光的干涉1、波的叠加原理2、波强度3、相干条件4、光源的相干性（1）时间相干性（2）空间相干性二、光的衍射分类菲涅耳衍射：夫朗和费衍射：三、光的偏振1.分类自然光偏振光（1）线偏振光（2）圆偏振光（3）椭圆偏振光（4）完全偏振光（5）部分偏振光2、获得偏振光的方法（1）反射和折射产生偏振光（2）双折射产生偏振光（3）偏振片光的偏振调制方法：1、旋光现象振动面旋转的角度决定于旋光物质的性质、厚度以及入射光的波长2、法拉第效应一些不具有旋光性的物质，在磁场的作用下也可以使穿过它的偏振光的振动方向旋转。这种在磁场作用下产生的旋光效应或磁致旋光效应。3、光弹效应（1）双折射现象（2）光弹效应4、克尔电光效应迄今为止已发现的电光效应有两种：一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pochels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的平方成比例，称为克尔（Kerr）效应。利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡克尔斯效应制成的调制器称为泡克尔斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克尔斯盒又可分为纵向和横向调制器两种。

克尔电光效应

§1.8辐射度的基本物理量1、辐射能Qe

辐射能是一种以辐射的形式发射、传播或接收的能量，单位为J（焦耳）。当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等等。2、辐射通量辐射通量又称辐射功率Pe，是以辐射形式发射、传播或接收的功率，单位为W（瓦），即1W=1J/S（焦耳每秒）。它也是辐射能随时间的变化率:

(1.1)3、辐射强度Ie

辐射强度定义为在给定方向上的单位立体角内，离开点辐射源（或辐射面源）的辐射通量。从图1-1可见：

(1.2)

单位为W/sr（瓦每球面度）。图1-1点辐射源的辐射强度

若点辐射源是各向同性的，即其辐射强度在所有方向上都相同，则该辐射源在有限立体角内发射的辐射通量为:(1.3)在空间所有方向（）上发射的辐射通量为：（1.4）

实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源，其辐射强度随方向而变化，可用极坐标辐射强度表示，即

如图1-2所示。这样，点辐射源在整个空间发射的辐射通量为：

(1.5)1-2某一方向上的发光强度4、辐射出射度Me

辐射出射度为面辐射源表面单位面积（通常往半空间立体角）上发射的辐射通量，即:

(1.6)单位为W/m2（瓦每平方米）。5、辐射照度Ee

辐射照度为接收面上单位面积所照射的辐射通量，即:(1.7)辐射通量的单位为W/m2（瓦每平方米）。辐射出射度Me与辐射照度Ee的表达式和单位完全相同，其区别仅在于前者是描述面辐射源向外发射的辐射特性，而后者则为描述辐射接收面所接收的辐射特性。对此，应从概念上区别。6、辐射亮度Le（图1-3）辐射亮度定义为辐射源表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直与该方向的平面上的正投影面积，即:(1.8)

单位为W/sr（瓦每球面度平方米）。

图1-3辐射源的辐射亮度

一般辐射源表面各处的辐射亮度及该面源各方向上的辐射亮度都是不相同的，此时辐射源的辐射亮度的一般表达式为：

（1.9）7、光谱辐射量实际上，辐射源所发射的能量往往由很多波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射能量，还必须对单一波长的光辐射作相应的规定。前面介绍的几个重要辐射量，都有与其相对应的光谱辐射量。光谱辐射量又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。

光谱辐射通量：辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系曲线如图1-4所示，其关系式为(1.10)

单位为W/um（瓦每微米），或W/nm（瓦每纳米）

图1-4光谱辐射通量与波长的关系其它辐射量也有类似的关系：光谱辐照度：光谱辐射出射度：光谱辐射亮度：辐射源的总辐射通量是：其它辐射量也有类似的关系，用一般的函数表示：

一、光度学的基本物理量光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。为避免混淆，在辐射度量符号上加下标“e”，而在光度量符号上加下标“V”。表1-1给出了辐射度量与光度量之间的对应关系。§1.9光度的基本物理量

表1-1辐射度量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Qvlm

s辐[射]通量或辐[射]功率W光通量lm辐[射]照度EeW

m-2光照度Evlx=lm

m-2

辐[射]出度MeW

m-2光出射度Mvlm

m-2

辐[射]强度IeW

sr-1发光强度Ivcd=lm

sr-1

辐[射]亮度LeW

m-2sr-1

光亮度光谱光视效率Lvcd

m-2

二、光谱光视效率

由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的。光谱辐射通量为的可见光辐射，所产生的视觉刺激值，即光通量：其中Km称为视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为555nm[V（λ=555）=1]光辐射产生的光视效能，且λ1=

380nm，

λ2=780nm

国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称视见函数，用表示。Km＝683lm/W，它表示在人眼视觉系统最敏感的波长(555nm)上，每瓦光功率相应的流明数；

K′m＝1725lm/W；V（

）－明视觉光视效率；V’(

)－暗视觉光谱光视效率。三、光通量与辐通量的关系式为

光通量Φv

单位时间内通过某一面积，并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光辐射通量，单位流[明]（lm）。

流[明]：光强度为1坎[德拉]（cd）的均匀点光源，在1球面度（sr）立体角内发射的光通量。

例如：一只40W的钨丝灯泡输出的光通量为468lm；一只40W的日光灯输出的光通量为2100lm。常见电光源的发光效率，是指1W的电功率能转化成多少光通量。

常见光源的大致效率（流明/瓦）

白炽灯，15

日光灯，50

钠灯，120光强度Iv

点光源在给定方向上单位立体角发射的光通量单位:坎[德拉]（cd）：一光源发出频率为540*1012Hz的单色辐射，且给定方向上辐射强度为1/683W/sr。常见光源发光强度（cd）：

太阳，2.8E27

高亮手电，10000

常用光强的介绍:

探照灯:~106cd

一般功率的投光灯:几万---几十万cd

路灯(400W):~5000cd

矿灯:1200cd

烛光:1cd.LED(白光):XX-XXXmcd(毫cd)光照度Ev

照度是指落到某一面元上的光通量与这个面元面积之商。也可以说：照度等于单元面积上的光通量。照度的单位叫勒克斯（lx），当1流明的光通量均匀地照射在1平方米的面积上时，这个面上的照度就等于lx，即1lx＝1lm/m2。假定点光源的发光强度为Iv（cd），则它发出的总光通量等于4

；而一个半径为R的球，总球面积为4R2。所以点光源距离R处所产生的照度E为常见照度（勒克司）

阳光直射（正午）下：110,000LX

阴天室外：1000LX

商场内：500LX

普通房间灯光下：100LX

满月照射下：0.2LX

烛光（20cm远处）：10～15LX。距60W台灯60cm桌面：300LX；黄昏室内：10LX； 夜间路灯：0.1LX；光亮度LV亮度表示每单位面积上的发光强度。

如果这个面的法线与观察方向所成的角度为

时，上式将变为亮度的单位为cd/m2。尼特（nt）由于故有这是亮度更通用表达式。亮度不仅可用来描述一个发光面，而且还可以用来描述光路中的任意一个截面。

常见发光体的亮度（尼特）

太阳表面：2,000,000,000nt

白炽灯灯丝：10,000,000nt

阳光下的白纸：30,000 nt

眼能习惯的亮度：3,000nt

满月表面：2,500nt

人眼能比较好的分辨出颜色的亮度：1nt

满月下的白纸：0.07nt

无月夜空：0.0001ntΦvEvIvΦv=Ev·SΦv=Iv·ΩIv=Ev·l2常用光度学单位及其相互关系光通量Φv（lm）光强Iv（cd）照度Ev（lx）

1、余弦定律

又称朗伯余弦定律任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化。1、余弦定律

如果有一个面积为A的均匀发光面，它在某一方向上的亮度为L

，则它在这个方向上的发光强度I

应为

：发光面的法线与所指定的方向的夹角。又称朗伯余弦定律三、光度学基本定律(光度计量原理)假若这个面光源的亮度在各个方向上都相等，即亮度不依赖于方向角，则现定义I0为这个面光源法线方向上的发光强度，即I0＝L·A。上式变为朗伯面的光强分布曲线朗伯定律：一个亮度在各个方向上都相等的发光面，在某一方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度乘以方向角的余弦。

一个朗伯发射面，它向空间两个任意

1和

2之间所发出的光通量：对于半球体应取

1=0°，

2=90°，可得

一个朗伯发射面发出的总光通量等于它的垂直发光强度乘

立体角。

若朗伯发射面的面积为A，则因I0＝LA，可得立体角元与面元的关系点P向一个垂直面元dA所张的立体角d=dA/R2，可得：故可得由照度的定义可得由照度定义推导距离平方反比定律：2.距离平方反比定律距离平方反比定律：垂直于光线传播方向的被照表面的光照度与从光源到该表面的距离的平方成反比3、亮度守恒定律

光在同一种介质中传播时，若传播过程中无能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等，即亮度守恒。光从一种介质传输到另一种介质，即所取二个面元分别处于不同介质中，并认为光在介质表面无反射和吸收损失，基本辐亮度（定义：辐射亮度/介质平方）是守恒的。第二章光电检测用光源掌握内容

发光二极管和激光光源的产生机理及基本特性，为正确使用打下基础。理解内容

光产生的基本原理及方法了解内容

气体光源和部分固体光源的机理和基本特性。§2.1光的产生§2.2光电仪器中的常用光源§2.3发光二极管§2.4激光光源§2.5其他光源第二章主要内容§2.1光的产生

一、光的辐射光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质粒子在不断地运动：原子内有若干电子围绕原子核不断运动

运动有多种可能状态不同运动状态的电子具有不同能量当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。

假设E0、E1为电子的两个运动状态，E0为基态，电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态时，能量从E1变到E0，此时发射光子的频率为：

式中：h为普朗克常数，h=6．62×10-27尔格·秒=4.13×l0-15eV·S

应用：由于原子中有很多可能的能级，而原子受激后可发射出多种频率的光。因此，利用光的频率分立特性，用适当的仪器可以把它们分辩出来。（分立的线光谱称为原子光谱，其中每一条谱线代表一个频率的光。）

1、热辐射温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。自然界中的任何物体都是热辐射体。温度低的物体发红外辐射，500°C左右时物体的温度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的辐射波长越短；大约在1500°C时的温度辐射体开始发白光。热辐射光谱是连续光谱。应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据。2、发光辐射二、光的产生方法

激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发光、热发光和场致发光。1、电致发光

物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。这一过程称为电致发光。例如：发光二极管所产生的光就是电致发光。2、光致发光

物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。例如：荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射)；短波长的紫外光照射到杂质(油污)上发出波长较长的可见荧光。光致发光原理当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用(吸收、动量传递等)，引起电子能态的改变，电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。

3、化学发光

由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。

4、热发光

物体被加热到一定温度而发光，称热发光。例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。热发光的原理是特定的材料在特定的温度下才可能发光。火焰中的原子、离子或电子具有足够的动能去碰撞达到一定温度的钠原子，使钠原子受激而发光，其光谱为线光谱。

实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同属几种受激过程。例如：

白炽灯中钨丝通以电流会发光，本质是电流通过电阻丝产生的热发光；物质加热后燃烧发的光通常是氧化化学反应发光；平衡和非平衡辐射：

激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱。温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。

三、光源分类定义：

一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。天然光源：是自然界中存在的：如太阳、恒星等，在天文光电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光源：人为将各种形式的能量(热能、电能、化学能)转化成光辐射能的器件。其中利用电能产生光的器件称为电光源，在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。

场致发光光源

发光二极管气体激光器固体激光器染料激光器半导体激光器固体发光光源气体放电光源热辐射光源太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器汞灯荧光灯钠灯氙灯金属卤化物灯氘灯空心阴极灯分类：按照发光机理，光源可以分成如下几类：激光器光源§2.2光源的基本特性参数一、辐射效率和发光效率

定义1：

在给定λ1—λ2波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率。

（1）从ηe

、ην可以看出，如果光电测量系统的光谱范围为λ1~λ2，那么应尽可能选用η较高的光源。（2）Km称为明视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为555nm[V（λ=555）=1]光辐射产生光感觉的效能，且λ1=380nm，λ2=780nm。实际上是光度参量对辐射度参量的转换常数。（3）V（λ）称为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称视见函数。二、光谱功率分布定义：自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为l，将光谱功率分布进行规一化处理，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。

光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：图a为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成。如低压汞灯。图b称为带状光谱，由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。图c为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱。图d为混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成。一般荧光灯的光谱就属于这种分布。P（λ）λoP（λ）λoP（λ）λoP（λ）λo图2—1四种典型的光谱功率分布应用：在选择光源时，光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。

在目视光学系统中，一般采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。

彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。

在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源。

在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。

为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。

三、空间光强分布

对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。四、光源的色温黑体的温度决定了它的光辐射特性。（在任何温度下可以全部吸收任何波长辐射的物体称为绝对黑体,简称黑体）对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。1、分布温度

定义：辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。2、色温

定义：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。3、相关色温

定义：对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。五、光源的颜色

光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色。荧光灯的色表呈白色。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色(也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉)与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。白炽灯、卤钨灯、镝灯等几种光源的显色性较好，适用于辨色要求较高的场合，如彩色电影、彩色电视的拍摄和放映、染料、彩色印刷等行业。高压汞灯、高压钠灯等光源

激光和发光二极管是检测技术中应用广泛的光源。本节还另外介绍几种光源：热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源。§2.3光电检测常用光源一、热辐射光源

定义：任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。例如：炉上的一块铁，刚开始加热时，温度较低呈暗红色。若继续加热，随着温度的升高，铁块的颜色会由暗红色逐渐变为炽白，而且发光也更明亮。热辐射源遵循有关黑体的定律。1、太阳

太阳可看成是一个直径为1.392×109m的光球。它到地球的年平均距离是1.496×1011m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.5330。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为：紫外区(<0.38um)6.46%可见区(0.38—0.78um)46.25%红外区(>0.78um)47.29%

射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射的光谱和空间分布、能量大小、偏振状态等都发生了变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中氧(02)、水汽(H20)、臭氧(03)、二氧化碳(C02)、一氧化碳(CO)和其它碳氢化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了太阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质。2、黑体模拟器

在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。实际工作温度的精确测量和控制是黑体辐射能（稳定）产生的关键。目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而实际应用的大多是在2000K以下。3、白炽灯

定义

白炽灯发射的是可见光连续光谱，它是在电源供电下，依靠电能加热金属丝使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光的器件，因此称为白炽灯。

灯丝要求

①熔点高，可适用于较高的工作温度，从而使光源发光光谱向短波方向移动；

②蒸发率小，要求在高温炽热条件下蒸发愈小愈好，以提高白炽灯的使用寿命；

③对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光辐射；

④其他要求，如加工性能、机械性能等。

分类真空白炽灯

玻壳内真空条件的作用是保护钨丝，使其不被氧化。它的功率不太大，其灯丝温度常在2300～2800K之间，发光效率约为10lm/W，进一步增加钨的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从而缩短寿命。充气白炽灯

在灯泡中充入不和钨发生化学反应的惰性气体氩、氮或氩和氮的混和气体。当灯丝在高温下蒸发的钨原子与气体分子发生频繁的碰撞时，部分钨原子返回灯丝表面，抑制钨的蒸发。因此，在与真空型灯泡同样寿命的条件下，充气钨丝白炽灯的工作温度可以提高到2600～3000K左右，相应的光效提高到17lm/W。卤钨白炽灯

在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），在一定温度下可以形成卤钨循环。

图2－4卤钨循环工作原理图

卤钨灯的特点

卤钨灯也是利用电能使灯丝发热到白炽状态而发光的电光源。但它具有较高的发光效率和较长的使用寿命，得到了方泛应用。与白炽灯相比，它有许多优点：

(1)体积小，是同功率白炽灯的0.5%~3%，因而可使光学系统小型化；

(2)光通量稳定，最终的光通量为开始的95％~98％，而白炽灯为60％；

(3)紫外线较丰富，因卤钨灯的灯丝温度较高，而且它的泡壳也能通过紫外辐射，所以可作为紫外辐射源用于光谱辐射测量方面；

(4)发光效率比白炽灯高2—3倍；

(5)寿命长。卤钨灯的缺点是价格较贵，另外它的管壁温度高，应注意安全，以免烧毁其它物质。白炽灯的性能

此外，白炽灯的性能与电压有显著关系，在额定电压下工作正常，升高电压将会缩短灯的使用寿命，甚至烧毁。如欲延长白炽灯的使用寿命，工作电压应比额定电压低，但光适量及发光效能也随之减少。白炽灯的光参数(光通量、光效率)、电参数(灯电压、电流、功率、电阻)和寿命之间有着密切的关系。图2-3电压与灯参数的变化曲线

二、气体放电光源定义：

利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。电流通过气体媒质时的放电现象称气体放电。利用气体放电而发光的原理制成的灯，称为气体放电灯。气体放电灯的光谱是不连续的（白炽灯的光谱是连续的）气体光源发光颜色由其光辐射谱决定特点：气体光源发光效率高，比同瓦数的白炽灯发光效率高2~10倍，因此具有节能的特点。气体放电灯发出的热量小，气体光对电器和检测对象的温度影响小。对电压稳定性的要求也比白炽灯低。结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击。寿命长。一般比白炽灯寿命长5~10倍。光色适应性强，可在很大范围内变化。原理：l 气体放电光源制作时，在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。在电场作用下激励出电子和离子气体变成导电体。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量。当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。部分内层电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。气体放电光源的种类很多，主要按下列方法分类：按气体放电类型分：有辉光放电灯、弧光放电灯和高频放电灯等。按放电时灯内气体压强分：有低压放电灯、高压放电灯和超高压放电灯等。按放电发光物质的种类分：有汞灯、钠灯、各种金属卤化物灯和稀有气体灯(如氙灯、氖灯、氪灯等)。按灯的电极形式分：有冷阴极气体放电灯、热阴极气体放电灯和无极气体放电灯。

气体光源发光颜色由其光辐射谱决定。辉光放电的正柱光辉在空气中略带红色，在汞汽中为绿色，在氖气中为红紫色，在钠蒸汽中为黄色等。改变气体或蒸汽的成份、气体压力及放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。根据充气压力的不同，可分为低气压放电灯和高气压放电灯。低压汞灯、氢灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。而利用高压或超高压氙气放电发光而制成的氙灯适合于码头、车站等大面积照明，有时也作为布匹的颜色检验，塑料、橡胶的老化试验等的光源。

除上述热辐射光源和气体放电光源外，根据特定的用途还可以采用其它辐射能源。例如测量钢板厚度、管壁差、不透明介质的水平面等。一般利用硬射线光

—X射线、丫射线或β射线。另外，直接利用自然照度作为光源，例如照明灯的自动控制。检测有辐射性质的对象，其本身可作为辐射能源，光电高温计测量发热体的温度都属于这一类。由于上述特点，气体放电灯具有很强的竞争力，因而发展很快，并在光电测量和照明工程中得到广泛使用。表2列出了常用的气体放电灯的种类、性能以及它们的主要应用领域。（气体放电光源种类较多，这里就光学仪器中常用的几种光源作简要介绍）表2—2常用气体放电灯的种类、性能和主要应用领域序号 种类 主要性能 应用1． 汞灯：

(1)低压汞灯①冷阴极辉光放电灯辐射强的253．7nm远紫外线杀菌、荧光分析、光谱仪波长基准②热阴极弧光放电灯 ③荧光灯 253．7nm激发荧光粉发光 室内照明 (2)高压汞灯

①紫外线高压汞灯主要辐射波长365.0nm的近紫外线保健理疗、塑料和橡胶试验、荧光分析、紫外探伤 ②仪器高压汞灯 主要辐射波长365.0nm的近紫外线光刻机、光学仪器 ⑧普通高压汞灯辐射404.7nm、435.8nm、546.1nm、大面积照明

577nm等光谱④荧光高压汞灯 汞的可见光谱，365nm激发的荧光辐射厂矿照明

(3)超高压汞灯 紫外可见辐射丰富，亮度高 荧光分析、光刻、光学仪器 2 钠灯（1)低压钠灯 辐射589.0nm和589.6nm黄色谱线 偏振仪，旋光仪，波长基准 (2)高压钠灯光效高达90-100Im／W，寿命长，光色金白大面积照明 种类主要性能应用3、金属卤化物灯(1)镝灯 光效高达70Im／W，光色好，Ra为80电影、电视摄影、相制版、照投影仪、植物温室照明

(2)铊铟灯 发兰绿色光，光效高 灯光诱鱼、水下照明 (3)碘化铊灯 发绿色光，光效高 水下照明、飞机着落信号灯 4、氙灯(1)长弧氙灯 紫外可见连续光谱，光色接近日光大面积照明、材料老化试验 (2)短弧氙灯 高亮度点光源，光色接近日电影放映、光学仪器、摄影制版

(3)脉冲氙灯 连续光谱，脉冲闪光0.2一1ms 激光器光泵、测速、照相、光信号 5、空心阴极辐射阴极金属(合金)的原子光谱线原子吸收分光光度计 6、氘灯 辐射190—400nm连续紫外光谱 紫外分光光度计 7、氢灯 辐射434.1nm、486.1nm和656.3nm谱线干涉仪、分光计、偏振仪 8、氦灯 辐射587.6nm和706.5nm谱线 9、真空紫外灯 HeI和HeI谱线58.4nm、30.4nm 单能光子源、真空紫外波长基准

10、无极放电灯(汞)气体发光、荧光；无电极，寿命长长寿命特殊照明、印刷制版 三、场致发光光源场致发光源是固体发光源。场致发光是固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象，也称为电致发光。

场致发光最早发现于1923年，但当时并没有引起人们的普遍注意。随着近代技术的发展，对发光光源和器件提出了新的要求。例如，电子仪器的固体化和小型化，要求显示的固体化，新的照明技术和显象技术的发展，要求对新的发光材料作深入的研究。场致发光不但能使人们得到全固体化的光源，而且为全固体化显示开辟了途径。

目前常见的场致发光有三种形态，即粉末、薄膜和结型。有场致发光本领的固体材料很多，但达到实际应用水平的主要是Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—V族化合物半导体。Ⅱ—Ⅵ族化合物既是发光效率很高的光致发光和阴极射线发光材料，亦是目前用于实际的唯一的粉末和薄膜场致发光材料。Ⅲ—V族发光材料则在发光二极管方面得到广泛应用。

1－玻璃基板2－透明导电膜（SnO2）3－发光材料4－Ti2O反射层5－背电极（金属）6－防潮树脂7－防潮盖板图2－6交流粉末场致发光光源1）交流粉末场致发光光源1、粉末场致发光光源

按激发方式不同，场致发光光源有交流电场激发和直流电场激发两种。

交流粉末场致发光光源采用的发光材料(通常为ZnS：Cu)悬浮在介电系数很高、透明而又绝缘的胶合介质中，并被两电极所挟持。高介电系数的反射层不仅能有效地反射光，而且还防止击穿。当在两电极间加上交变电场时，粉末就会产生场致发光。场致发光光源的亮度L与所加的交流电压幅度V和频率f有关。场致发光的颜色随基质和激活剂的不同，可以有兰、绿、黄、红等各种颜色。外加电压的频率对发光的颜色也有影响外加电压的频率对亮度的影响：在较低频率下，亮度随频率线性增加。频率高到一定范围，亮度就出现饱和趋势。饱和频率的高低随具体发光材料的种类而变。对同一种发光材料，电压越高，饱和频率也越高。外加电压的频率对发光颜色的影响：常用的场致发光光源的光谱能量分布通常包含两个谱带，一个绿带，一