光电技术第1讲-光电技术基础.ppt

1、第一，光电技术的基础，1，光电技术的介绍，光电技术是信息科学的一个分支。 将现有光学技术、现代微电子技术和校正机技术紧密结合，成为取得光信息或利用光提取其他信息的重要手段。 电子技术的许多方式，诸如调制解调、放大与振荡、倍频、频率、差频等技术，是注入光波段并产生光波段的电子技术。 该技术使人类大大扩展了自身的视觉能力，将视觉的长波限扩展到毫米波，短波限扩展到紫外、x射线、辐射甚至高能量粒子，以飞秒时间级记录了超高速现象(如核反应、航空发射)的变化过程。 光电技术渗透到国民经济的所有领域：半导体激光器的高分辨率CCD摄像元件红外线成像技术等，2，本课程的具体安排，1，全书共11章：光电技术的基础

2、和光电元件(1-6)和光电信息转换技术(7)，图像信息的光电转换(7) 2，本课程为试验课3、本学期合订16周，有16次课程，具体分配如下：技术基础完成10次(包括练习题课)，应用技术完成5次，侑下1周考试。 3、光电技术的基础、光电信息转换技术要探讨各种光电传感器器件，对光电传感器器件的性能评价和应用说明光的测量和光电技术的基本理论。 主要内容：热辐射的基本规律、光与物作用的光电效应、光辐射的基础、光具有波粒二象性，光以电磁波形式传播的粒子几何光学基于光的波动性研究折射、反射规律，得出光传播、光成像、成像系统和成像系统的像差等结论的物理光学基于光的波动性光的本质是物质，具有粒子性，称为光量子

3、或光子。 光子具有动量和能量，分别在公式中，表示为h=6.2610E(-34)Js、普朗克常数v为光的振动频率(1/s) c=310E(8) m/s、spectts的可见光只有0.38-0.78m。 光电传感器的分光响应范围远远超过人眼的视觉范围，是从x射线到红外线放射、远红外线、毫米波的范围。 特殊材料热电器件的范围超过厘米波，人可以通过各种光电器件对整个光辐射光谱带中的光信息进行光电转换。 一般来说，“光”是指可见光，也就是给人的眼睛带来刺激而产生“光”的电磁辐射。 可见光进入人眼时，人眼的主观感觉有红、橙、黄、绿、蓝、蓝、紫等颜色，不同颜色的光的波长如表2-1所示。 紫外线带宽在100到

4、380nm之间，而在10到1OOnm之间的带宽称为x射线。 红外波段中的波长通常用m表示，并且大约在078-10oom之间。 通常分为近红外、中红外、远红外三个部分。 可见光波长表、光度学是研究光度测定的科学，光度学量是电磁辐射引起人眼刺激大小的测定，它在物理上与电磁辐射的辐射测定类似。 对其他波段的辐射测量称为辐射度测量。 在电光系统中能产生光辐射的系统称为光源，其质量的好坏对电光系统的测量精度有很大影响。 光度学的基本物理量光具有波动性和粒子性。 光的波动性能很好地说明光的干涉、衍射和偏振光等现象，光的粒子性能很好地说明物质相互作用的光电效应。 根据光的粒子性，光由光子构成，被认为每光子的

5、能量为：其中，h为普朗克常数，c为光速； 是光的频率。光的波长式(1)表示每个光子的能量仅与光的频率有关，光量(光谱光能Qv )光量指光的能量，是与放射能q对应的物理量。光量的单位为流明秒(lms )，放射能的单位为焦耳(j )，光量为光束v相对于时间的积分，(1)、(2-2)，光束(v )光束也称为光功率，单位为流明(lm )，光通量和放射通量的关系可以用下式表示，式中，v () 其特征如图2-1所示，Km是光功当量，人眼在明视条件下，波长为555m时，表示光放射的光感觉性能，按照国际温度标IITS-68理论，校正值Km=6831m/W。 同样，其他光度量和辐射量的校正计算也有同样的关系。

6、光束与光量度中的基本单位的发光强度Iv的关系为：(2-3)，也就是说，光束是发光强度Iv的光源的单位立体角内的放射束。 如果光源的所有方向的发光强度相同，则如果光源的立体角内的放射光束v=Iv，则向所有方向放射的光束、(2-4)、光强度(Iv )的光强度，如图2-2所示，定义为：点的辐射源向某方向的单位立体角内放射的光束。 发光强度为：(2-5)、单位为烛光lm/Sr=candela=cd即(cd )。 1烛光相当于均匀的点光源在单位立体角内发出1流明的光束。 光亮度(Lv )是光源上的某点上的图格(ds )的规定方向的光强度dIv，光亮度Lv是：光强度dIv相对于在与图格ds的发光强度方向垂

7、直的平面上的投影面积的比，即光亮度的单位被定义为：cd/m2或lm/m2，是6照度(如果放射光束是dv，接收面要素的面积是dA，则照度Ev=dV/dA，单位是勒克斯Lx=lm/m2，曝光量(Hv )曝光量是照度对时间的积分与线谱和带谱的特征相同，其总辐射光束的单位为勒克斯秒Lx.s，光源辐射的辐射能量在辐射光谱范围内波长分布，光源在单位波长范围内辐射的辐射量指的是光谱密度。 根据可见光、光源的分光放射分布残奥表、光源的分光放射测定波长的分布曲线被称为光源的绝对分光放射分布曲线。 相对光谱辐射量：相对光谱辐射分布：比辐射，0，12，量子流速，光源辐射的辐射功率是每秒辐射光子能量的总和。 光谱量子

8、流速：光源在某个波长，用- d范围内发射的辐射束除以该波长的光子能量，得到光源在该波长每秒发射的光子数，称为光谱光子流速dNe。光源在波长0-范围内发射的总量子流率、光源在可见光区域每秒发射的总量子流率、量子流率单位为辐射源的光子数每秒(l/s )、物体的热辐射、物体通常超过绝对零度的都具有辐射能力，其光谱辐射量为温度氏的物体发射红外光，达到500 物体通过加热保持一定温度，保持一定温度持续放射的放射形态叫做物体热辐射。 能够发射连续光谱并且辐射是温度函数的物体称为热辐射体。 发光物体不是在加热保持温度下维持辐射，而是发出由外部能量激发的辐射。 发射光谱是非连续光谱，不是温度函数。在由外部能量

9、激发发光的方式中，有电致发光(由气体放电产生的辉光)、光致发光(荧光)、化学发光(磷酸化发光)、热发光(来自钠或钠盐的黄色光)。 发光是非平衡辐射过程，光谱主要是线或带光谱。 黑体辐射规律，黑体完全吸收从所有角度入射的任意波长的辐射，能够在任意方向上最大限度地辐射任意波长的辐射的物体称为黑体。 黑体的辐射和吸收系数均为1 .黑体模型：黑体是理想的温度辐射体，常用作辐射校正量标准。 可以在有限的温度范围内制作黑体模型。 例如，开有小孔的密闭空洞恒温辐射体，在空洞的内壁涂黑色物质，其反射系数极小，小孔的孔径远小于空洞的直径，将空洞辐射体放入恒温槽内，工作中使空洞的温度保持一定。 这个空洞体接近黑体

10、。 从任意方向入射的辐射进入小孔后，在空洞内反射多次从小孔射出。 但是，由于空洞内黑色物质的反射系数极小，经过多次反射，反射的放射能已经极低，大部分入射的放射能被空洞体吸收，面空洞的吸收系数高，所以1 .被空洞体吸收的能量全部变换为热能，空洞体空腔位于恒温槽内，被吸收的辐射以温度辐射方式通过小孔只能向外部发出任意波长的辐射(连续光谱)。 普朗克辐射定律黑体是理想的侑弦辐射体，其光谱辐射出射度Me，s用普朗克式表示，式中为波尔兹曼常数、普朗克常数、绝对温度、光真空中速度。 上式表示黑体向表面半球空间放射的波长为的光谱，其放射出射度是与黑体温度和波长相关的函数，这是普朗克放射的规律。 如果斯特凡-

11、波兹曼定律对波长积分普朗克定律公式，并且黑体辐射的总辐射辐射强度在公式中是斯特凡-波兹曼常数，并且维恩的位移定律对波长微分普朗克定律并使其相等，那么可以获得峰值光谱车的辐射强度Me，s。 对应的波长与温度t的关系是，峰值波长与温度t的积为常数，当温度上升时峰值波长向短波长方向位移是veen位移的法则。 普朗克定律、斯特凡波兹曼定律、维也纳位移定律统称为黑体辐射定律。 例题，1，假设人体为黑体，正常人体体温为36.5，求出正常人体的放射度正常人体的峰值放射波长及峰值光谱放射度人体烧成38时的峰值放射波长及发热时的峰值光谱放射度。 发热后：发热后的人体放射波长变短，峰放射出射度增大，有远距离测量用

12、这种方法制作的人体体温的机器。 2 .标准钨灯为黑体时，试着修正其峰辐射波长、峰光谱辐射出射度及其总辐射出射度。总辐射出射度：标准钨灯的温度：峰辐射波长：峰光辐射出射度：辐射体分类及其温度显示、热辐射体的分类灰体辐射体的光谱辐射出射度与同温度黑体的光谱辐射出射度之比如果是与波长无关的系数，则称为灰体。 系数称为灰体发射率。 选择性辐射体是不遵循黑体辐射规律的辐射体，被称为选择性辐射体。 其光谱辐射率是波长的函数，辐射分布曲线可能具有多个最大值。 热辐射体的温度表示辐射温度t，在热辐射体的总辐射通量与黑体的总辐射通量相等时，以黑体的温度缩放该热辐射体的温度，将该温度称为辐射温度Te。 当热辐射体

13、在可见光区域所放射的光谱放射分布具有与某个放弃的可见光的光谱放射分布相同的形状时，色温Tf以黑体的温度来缩放该热辐射体的温度，称为热辐射体的色温。明亮温度Tv :当可见光区域某波长的热辐射体的辐射亮度与黑体相同波长的辐射亮度相等时，以黑体的温度缩放该热辐射体的温度，称为明亮温度Tv。 放射度残奥仪和光度残奥仪的关系，放射度学残奥仪和光度残奥仪是从不同角度测量光放射的残奥仪，在可见光区域中经常使用，它们之间有一定的变换关系，有些光电器件用光度残奥仪对其特性残奥仪进行标定。 因此，研究它们之间的变换是重要的，通过把握它们的变换关系，可以比较通过不同的测定残奥仪表所标定的电光器件的灵敏度等特性残奥仪

14、表。 人眼的视觉灵敏度人眼的视网膜中充满了很多感觉细胞，即棒状细胞和锥状细胞。 棒状细胞灵敏度高，能感受微弱的光刺激，锥状细胞虽然感光度低，但能很好地区别颜色，判别被视物的细节。 视觉神经对光的感光度因波长而异，对绿色光的感光度最高，对红蓝色光的感光度最低。 国际照明委员会(CIE )根据实验结果，如图2-1所示，确定人眼对各种波长的光的相对灵敏度，称为“分光光视效率或视认函数”。 在清晰观看情况下，即，如果光亮大于3cd/M2，则对应于人眼的敏感波长，即，光谱观看效率的峰值的波长是555nm。 在暗视的情况下，即，在光强小于00Olcd/M2的情况下，人眼的敏感波长在507nm处，并且其分光可见率曲线如图中虚线所示。 光谱光视效率在单色辐射下分别刺激正常人眼睛的锥形细胞时，如果刺激程度相同，则波长555nm的光谱辐射亮度比其他波长的光谱辐射亮度小。 因此定义为健康人眼睛的明视光谱光视效率。 也有夜视光谱的光视效率。 人眼光谱光视性能无论是锥形细胞还是柱状细胞，单色辐射其刺激程度与V()Le成比例，多色