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1、光电信息技术,张永爱,物理与信息工程学院,第1章 光源与光电探测器,光源应用,科学研究 共用应用,能把光辐射量转换为另一种便于测量的物理量的器件,光辐射量,光电探测器,电信号,光探测器,光子探测器,光电探测器的物理效应,光子效应,光热效应,热探测器,4.1 光电信息技术中常用的光源,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，在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光源是人为将各种形式能量（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辐射的器件称为电光源。在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。,4.1
2、.1 光源的基本特性参数,1. 辐射效率和发光效率,在给定波长范围内，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,相应地，对于可见光范围，某一光源的发光效率v为所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的光效率，即,2. 光谱功率分布,4.1.1 光源的基本特性参数,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1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分析。,表1 常用光源的发光效率,4.1.1 光源的基本特性参
3、数,图中（a）称为线状光谱，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，它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）是混合光谱，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。,典型的光谱功率分布,4.1.1 光源的基本特性参数,在选择光源时，它的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，一般采用可见光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，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，通常使用氚灯
4、、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源，在光纤技术中，通常使用发光二极管和半导体激光器等光源,4.1.1 光源的基本特性参数,3. 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。,超高压球形氙灯的光强分布,在有的情况下，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。,4.1.1 光源的基本特性参数,4. 光源的色温,黑体的温度
5、决定了它的光辐射特性。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,辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱分布，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。这种辐射体的光谱辐亮度可表示为,（2）色温,4.1.1 光源的基本特性参数,若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。辐射源发射光的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。,对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑
6、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。,4.1.1 光源的基本特性参数,5. 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。 比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颜色的 一致性，称为该光源的显色性。,4.1.2 热辐射源,（1）它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控
7、制它们的发光或辐射性质；,（2）它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。但在通常情况下，紫外辐射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；,（3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光获得很高的稳定度。,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。,（3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光获得很高的稳定度。,4.1.2 热辐射源,热辐射源应用,科学研究 共用应用,4.1.2 热辐射源,1. 太阳,太阳可看成是一个直径为1.392 109 m的光球。它到地球的年平均
8、距离是1.491011m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。其平均辐亮度为2.01l07Wm-2sr-1平均亮度为1.95109cdm-2。,太阳的光谱能量分布曲线,4.1.2 热辐射源,射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射在光谱和空间分布、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(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、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大阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质，在标准海平面上太阳的光谱
9、辐射照度曲线，其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带,4.1.2 热辐射源,2. 黑体模拟器,在许多军用红外光电信息技术和光电系统中，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。,黑体模拟器的结构,4.1.2 热辐射源,3. 白炽灯,白炽灯是照明工程和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体射曲线相差约0.5%，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%。此外，白炽灯使用和量值复现方便，它的发光特性稳定，寿命长，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。,4.1.2 热辐射源,图(a)所示为BDQ型发光强度标准
10、灯，用来传递和复现发光强度单位(cd)的量值。发光强度标准灯是通过精确控制流过灯丝的直流电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法线方向上的光强度。,图(b)是BDT型光通量标准灯，用来传递和复现光通量值光通量标准灯的灯丝是旋转对称的，这样使电压与灯参数的变化曲线其光分布在各旋转方向尽可能一致。,图(c)为BW型温度标准灯，它的发光体是一条狭长的钨带，当通以电流时，钨带炽热发光。主要工作在80025000C 范围内，复现和验定光学高温计及某些以光学高温计作标准的温度源，也可以代替能量标准灯使用。,4.1.3 气体放电光源,4.2 光电探测器的性能参数与噪声,4.2.1 光电探测器的性能参数,
11、响应度是光电探测器输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。描述的是光电探测器的光电转换效能。定义为光电探测器的输出均方根电压或电流与入射到光电探测器上的平均光功率之比,1. 响应度 -灵敏度,R V和R I分别称为光电探测器的电压响应度和电流响应度，由于光电探测器的响应度随入射辐射的波长变化而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度,光电探测器本质是一个外电压偏置的电流输出器件，通过负载电阻可改变为电压输出器件。,4.2.1 光电探测器的性能参数,2. 光谱响应度,光谱响应度又叫单色响应度，它表示不同波长的单位辐射功率，辐射入射到一个探测器的敏感元上，探测器输出强弱的不同。光谱响应度用R表示，是光电
12、探测器的输出电压或者输出电流与入射到探测器上单色辐射通量（光通量）之比,R是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。,4.2.1 光电探测器的性能参数,3.积分响应度,积分响应度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为,光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度。由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为,可得积分响应度为,4.2.1 光电探测器的性能参数,4. 响应时间,响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探
13、测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。,上升时间和下降时间,4.2.1 光电探测器的性能参数,由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关系，其表达式为,5频率响应,一般规定，R f下降到,可得到放大器的上限截止频率,光电探测器的频率响应曲线,4.2.1 光电探测器的性能参数,信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即,6信噪比（S/N）,若用分贝
14、（dB）表示，则为,信号功率 相同方可比较,单个光电探测器，其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，若入射辐射强，接收面积大，S/N就大，但性能不一定好-局限性,4.2.1 光电探测器的性能参数,它定义为器件在特定带宽内（1Hz）产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量，此时，其他参数，如频率、温度等应加以规定。这个参数是在确定光电探测器件的探测极限（以输入能量为瓦或流明表示）时使用。,7等效噪声输入（ENI）,4.2.1 光电探测器的性能参数,或称最小可探测功率Pmin。它定义为探测器输出的信号功率与噪声功率之比为1时所需的入射到探测器上的辐射通量（单位为瓦），即,8
15、噪声等效功率（NEP）,一个良好的探测器NEP约为1011W，NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。,NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。信号辐射功率小于噪声等效功率，则探测器信号输出小于噪声，意味着探测器将无法感知目标辐射。噪声等效功率实际上就是探测器能够探知的最小目标辐射，标志着一个探测器的灵敏度、噪声等效功率越小，探测器灵敏度越高。,4.2.1 光电探测器的性能参数,9探测率D与比探测率D*,只用NEP无法比较两个不同来源的光探器的优劣。为此，引入两个新的性参数探测率D和比探测率D*,探测率D又称探测度，是探测器接收单位功率辐射所能获得的信噪比，是NEP的倒数，作为探测器探测最小辐射信
16、号能力的指标。,D愈大，光电探测器的性能愈好。所描述的特性是：光电探测器在它的电平之上产生一个可观测的电信号的本领。即光电探测器能响应的入射光功率越小，其探测能力越高,4.2.1 光电探测器的性能参数,主要是探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响甚大。,通常情况下,为了比较比较各种探测器的性能，需除去A、 的差别 所带来的影响,归一化参数来表示,4.2.1 光电探测器的性能参数,归一化探测度,D*大的探测器其探测能力一定好。,考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明 响应波长、光辐射调制频率f及测量带宽f， 即D*(, f ,f )。,4.2.1 光电探测器的性能参数,10噪声等效带宽,噪声等效带宽fN是在噪声计算中所讨论的带宽。反映系统对噪声的选择性。噪声等效带宽定义为一个矩形噪声功率增益曲线的频率间隔。,矩形噪声功率增益曲线与频率坐标图围成的面积等于实际噪声功率增益曲线与频率坐标间的面积。此矩形的高为实际最大功率增益。,4.2.1 光电探测器的性
