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1、光电传感器应用技术,天津大学精仪学院 王庆有 2008年10月,第1章 光电技术基础,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。 光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p与e，式中h为普朗克常数（6.62610-34Js）；v为光的振动频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度（3108ms-1）。 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了光的量子性。,图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（1021025Hz）的宽阔
2、频域。光辐射仅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10-910-3m的范围。在这个范围内，只有0.380.78m的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。,红外,紫外,可见光,10,15,6,18,21,9,12,10,10,10,10,10,10,10,3,24,f,/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,1.1 光辐射的度量 1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数,1. 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，
3、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,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dt来除，其商定义为光通量v，即 （1-3） 若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则式（1-3）简化为 （1-4） v的计量单位为流(明)（lm）。 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。,3.辐(射)出(射)度
4、和光出(射)度 对有限大小面积A的面光源，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）,对于可见光，面光源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） 由式（1-7），面光源向半球面空间发射的总光通量为 （1-9）,4.辐(射)强度和发光强度 对点光源在给定方向的立体角元d内发射的辐通量de，与该
5、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 Wsr。 点光源在有限立体角内发射的辐通量为 各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为,（1-10）,（1-11）,（1-12）,对可见光，与式（1-9）类似，定义发光强度为 对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。 发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎cd。1979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5401012Hz的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度
6、定义为一个坎德拉cd。 由式（1-13），对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4I12.566 lm。,（1-13）,（1-14）,5.辐(射)亮度和亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上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，即 式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦（特）每球面度平方米W（srm2 ）。 对可见光，亮度Lv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面积，即 Lv的
7、计量单位是坎德拉每平方米cdm2。,（1-15）,（1-16）,若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式（1-15）、（1-16）表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。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。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 余弦辐射体表面某面元dS处向半球面空间发射的通量为 式中， 。 对上式在半球面空间内积分的结果为,光学系统,CCD2,由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为,（1-17）,（1-18）,6.辐(射)效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量e与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐(射)效率
8、e；光源发射的总光通量v与提供的功率P之比称为发光效率v。它们分别为 辐效率e无量纲，发光效率v的计量单位是流明每瓦lmW-1。 对限定在波长12范围内的辐效率 式中,e称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。,（1-19）,（1-20）,（1-21）,1.1.2 与接收器有关的辐射度参数与光度参数,从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与接收器有关的辐射度参数与光度参数。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。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下2种。 1.辐照度与照度 辐照度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
9、的商，即 Ee的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2。,（1-22）,若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（1-22）简化为 注意，不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。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。,被测物,光学系统2,CCD2,光学系统1,重叠部分,(1-23),本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer（）（r 代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度Ee（）的关系为 式中,e（）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式（1-24）的波长积分，得到反射体的
10、辐出度 (1-25),(1-24),对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即,（1-26）,Ev的计量单位是勒（克司）lx。,对接收光的反射体，同样有,（1-27）,（1-28）,式中，v（）为光度光谱反射比，是波长的函数。,2.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。 照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积分称为辐照量He，即,（1-29）,辐照量He的计量单位是焦尔每平方米 J/m2。,如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式（1-29）可简化为,（1-30）,与辐照
11、量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即,Hv的计量单位是勒（克司）秒lx.s。,如果面元上的光照度Ev与时间无关，式（1-31）可简化为,（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 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,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）,同样，以符号Xv,表示
12、光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为光度量的光谱密集度，简称为光谱光度量，即,式中，Xv,代表光谱光通量v,、光谱光出射度Mv,、光谱发光强度Iv,和光谱光照度Ev,等。,（1-33）,光源的辐射度参量Xe,随波长的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。,该曲线任一波长处的Xe,除以峰值波长max处的光谱辐射量最大值Xe,max的商Xe,r，称为光源的相对光谱辐射量，即,（1-34）,相对光谱辐射量Xe,r与波长的关系称为光源相对光谱辐射分布。,光源在波长12 范围内发射的辐射通量,（1-35）,若积分区间从1 =0到2 ，得到光源发出的所有波长的总辐射通量,光源在波长1 2 之间的辐通量e与总辐通量e之比称为该光源的比辐射qe，即,式中，qe没有量纲。,（1-36）,（1-37）,1.2.2 量子流速率,光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长处, 由到波长范围内发射的辐射通量de除以该波长的光子能量hv，得到光源在该波长处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,，即,光源在波长为0范围内发射的总量子流速率,（1-38）,（1-39）,对可见光区域，光源每秒发射的总光子数,量子流速率Ne或Nv的计量单位为辐射元的光子数每秒1/s。,（1-40）,
