《光电检测技术》投影

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1、光电检测技术 教材：雷玉堂等，光电检测技术，北京：中国计量出版社，1997年第一版。参考文献：（1为基本要求；2为中等要求；3为高要求）1、缪家鼎，龚兆远等编，光电技术基础，杭州：浙江大学出版社，1988年第一版。2、钱浚霞，郑坚立编著，光电检测技术，北京：机械工业出版社，1993年第一版。3、图书馆有关参考书和期刊本门课学习方法1、认真听课并做好课堂笔记、课堂作业；2、考前认真复习课堂笔记、课堂作业。3、笔记中不清楚的地方或感兴趣处，去图书馆查参 考文献或互相交流，包括问；4、通过实验认识现代光电检测系统一个实例，实验 中要求再重温课堂有关内容；5、在图书馆至少找出一个运用光电检测解决工业生

2、 产中测控问题的实例，要求看懂； （其中1、2为基本要求；3、4为中等要求；5为较高要求） 第1章 概 述1、什么是光电检测技术 ？2、光电检测技术有何优点？3、光电检测系统的基本构成4、五种光电变换的结构5、光电检测技术的发展趋势 ？1、什么是光电检测技术 ？ 将待测量的非电量信息变换成便于接收的光学信息，再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。 2、光电检测技术有何优点？ 是一种非接触式的检测方法，检测速度快，精度高，能自动、连续地进行检测，可进行遥测，可与计算机联接形成智能仪器，便于动态检测。3、光电检测系统的基本构成 光电检测系统由光电传感器，处理电路

3、和显示控制三个基本部分组成。 光电传感器由光源、光学系统和光电探测器三部分组成。光电传感器是检测系统的核心部分，它以光为媒介，将各种待测量变换成电量（电压，电流或频率等）进行检测。 4、五种光电变换的结构 A. 反射式 镜面反射: 光按一定方向反射，可用来判断光信号 的有无（典型用例：测量转速）。1光源2待测物3光电探测器 漫反射:接收到的光通量的大小与漫反射表面材料性 质，表面粗糙度及表面缺陷等有关，可检测 表面外观质量。 B透射式 光通过待测物体，一部分光被吸收或散射另一部分光透射。用于检测液、气体浓度等。 透射光通量入射光通量吸收系数介质厚度 dC辐射式 待测物体本身就是辐射源。光电探测

4、器检测其辐射量的大小，以确定待测量的大小。如辐射高温计、火警报警器和热成象仪等。D遮挡式 根据被遮挡光束的次数或被遮挡光通量的大小进行检测，如产品计数器、光控开关和防盗报警等。 E干涉式 光束分成两路，一路为参考光，一路为测量光。用光电探测器检测干涉条纹信号。如检测位移、振动、折射率和液体浓度等。其检测灵敏度，精度很高，动态范围大，但成本高。5、光电检测技术的发展趋势 ？（1）非接触，小型化，集成化，数字化，智能化。（2）作为机器人视觉系统。（3）光导纤维传感器。可以解决传统检测技术难 以解决或无法解决的许多问题。如在噪声、 干扰或污染严重的工业过程检测，在海洋、 反应堆中（高温、高压、高辐射

5、、化学腐蚀 等）。第2章 光的基础知识 2.1 光到底是什么？五个阶段的认识： 粒子说。代表人物：牛顿 波动说。代表人物：惠更斯 电磁波说。代表人物：麦克斯韦 光子说。代表人物：爱因斯坦 波粒二象性。目前的普遍观点电磁波说认为：光是一种电磁波。这可以解释光的反射，折射，干涉，衍射，偏振和光的传播现象等，但未能解释物质对光的吸收，色散和散射等。光子说认为：光由光量子组成。1905年爱因斯坦在普朗克1900年提出的辐射量子论的基础上提出了光量子概念，认为光由光量子组成，光量子具有波粒两重性，光子的能量E=h (h=6.62510Js)，每个光子以速度c传播，光子的波长c/ 。光在不同介质中的传播速

6、度：v=c/n。光不论在什么介质中传播，其频率总是不变的。在很多情况下，由于光子数巨大，使光的波动性占统治地位，例如，1mW的 He-Ne激光器每秒发射10个光子，发射光束可用平面波理论解释。 光的波长范围：在整个电磁波谱中，波长从0.011000mm的黄绿光反应最敏感。 2.2 光的反射、折射、吸收、色散和散射 正入射时可见光的反射率Rn： 设光由n1向n2入射，有 例：空气n1，玻璃n，得R4.3%。 可见：对于构造复杂的光学系统，由于反射面过多，光能量的损失也是相当严重的。 全反射时光能没有透射损失（几乎）。往往利用其来改变光线的传播方向。如光导纤维将光由一端传播到另一端。 光在金属的清

7、洁磨光表面上一般有很强的反射。这与金属中存在密度很大的自由电子有关（1cm3中电子数约为1022数量级）。自由电子受到光场强迫振动会产生次波，这造成了强烈的反射波和较弱的透射波。红外辐射主要对自由电子发生作用，紫外辐射（频率较高）也可以对束缚电子发生作用，后者使反射能力下降，透射能力增强。银对红光和红外Rn90，对316nm附近紫外光Rn4.2。铝对紫外仍有相当高的反射率，抗腐蚀性好，常被用做反射镜的涂料。 光的吸收 。 朗伯定律： I0:介质表面上辐射光强 （平面波：单位时间内通过垂直于传播方向的单位 面积的能量）。x:光在介质中传播距离:介质对光的吸收系数在0至1/深度内，辐射光强被吸收了

8、62.8，只剩约1/3的光强能继续传播，1/亦称透入深度。 光的色散 不同波长的光被散开的现象称为色散。 介质折射率n随波长变化。 光的散射 光透过介质时，使一部分光离开了原来的方向，这种现象称为散射。 1.均匀介质不会产生光的散射，光只能沿原来的方向传播。 2.非均匀介质中有很多大质点时（其线度约等于光的波长），这些无规则排列的质点将引起丁达尔散射（例如悬浮液，胶体溶液，乳状液等介质）。 3.由于介质中存在密度起伏，从而导致光的散射，其散射光强与波长四次方成反比（瑞利定律，瑞利散射），散射光的波长还是原来入射光的波长。大气散射是瑞利散射，这解释了天空为什么是蓝色的(波长较短的光易被散射)。

9、上述三种散射光，其波长与入射光相同，称为瑞利散射。此外还发现在散射光中，除有与入射光频率f0相同的瑞利散射外，在瑞利线的两侧还有频率为f0f1, f0f2,的散射线存在，这种散射称为喇曼散射。 2.3 光的干涉、衍射和偏振 2.3.1 光的干涉 由同一光源发出的光，用适当的方法分成两部分，并使它们经不同的光程后相遇，相遇各点光强在某极大值和极小值之间变化(其极大值可超过两部分光强之和，其极小值可以是零)。这种现象称为光的干涉。明暗相间的条纹称为干涉条纹。 两光波产生干涉的条件： 两光波在相遇点有固定的相位差； 两光波在相遇点振动方向一致。 这是产生干涉的两个必要条件。 产生明显的干涉现象须满足

10、的两个补充条件： 两光波在相遇点振幅差不悬殊； 两光波在相遇点光程差不太大。 实际上光源所发出的光波是由一系列有限长的波列组成的。当两光波在相遇点的光程差很小时，两光波中有固定相位差的波列几乎同时作用于一点，能产生清晰的干涉，当光程差很大时，一光波的波列早已通过，而另一相应的波列尚未到达，两相应的波列间无重叠，因而无干涉现象出现。 干涉条纹的清晰程度： 实际中不可能得到 =1的干涉条纹。 一般认为 0.8时，条纹是清晰的。 2.3.2 光的衍射 ： 当光在传播途中遇到障碍时，就会绕过它而继续前进，当障碍物（包括小孔）的大小和光波波长相近时，这种现象尤其明显，这种现象称为光的衍射。 爱里斑：通过

11、半径为a的圆孔的光，由透镜或反射镜汇聚于焦面上时，得到的不是一个象点，而是一个衍射图形，中心光强最大(称爱里斑)，四周有若干最小和次最大光强形成的圆环，爱里斑直径对圆孔中心的张角为： 光学系统成像的分辨率与此有关。 2.3.3 光的偏振 ： 如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随相位改变，这样的光叫线偏振光。从普通光源发出的光是具有一切可能的振动方向的许多光波的总和。 从自然光中获得偏振光的几种方法： 1、由反射和折射产生偏振光。 当入射角满足1+2=2 (2为折射角)，发射光成为完全偏振光，其光矢量的振动垂直于入射面，这个2角叫起偏振角。利用玻璃表面可获得偏振光。若多片玻璃合成片堆，则

12、有较强的光强度。 2、由双折射产生偏振光。 3、偏振片产生偏振光。 2.4 物体的辐射形式及黑体辐射定律 2.4.1 两种辐射形式 热辐射。物体只要维持一定的温度就能产生稳定的辐射，称热辐射（又称温度辐射或平衡辐射）。热辐射的光谱是连续的。任何物体在绝对温度零度以上都能产生热辐射。温度较低时辐射的是不可见的红外光，温度升高到500时开始辐射暗红色光，升高到1500时开始发白光。 非平衡辐射。依靠其他一些激发过程来获得能量而维持的辐射。其光谱主要是线光谱和带光谱。2.4.2 黑体辐射 ： 黑体：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。 基尔霍夫定律：用一根不导热的线将物

13、体悬挂于黑体的空腔中（与腔壁热绝缘），如果腔壁保持恒定的温度，则热交换最终使物体与腔温度相等，达到热平衡。 令 (,T)为热平衡温度T时照射在物体上的光谱辐照度（即接收面上单位面积、单位时间所照射的辐射能），M (,T)为温度T时物体的辐射出射度（面辐射源表示单位面积、单位时间所发射的辐射能）。(,T)为热平衡温度T时物体的吸收比，则有： M (,T)(,T) (,T) 若腔内还有物体2、3，则有： 即所有物体的光谱辐射出射度与其吸收比的比值是相同的，等于空腔内的光谱辐照度。 若物体为绝对黑体，则(,T)1，一般物体的(,T)总小于1，称为灰体。由此可见，灰体的光谱辐射出射度总是小于黑体的光谱

14、辐射出射度。 普朗克辐射公式： 普朗克根据光的量子理论，推导出描述黑体辐射出射度与波长、绝对温度之间的关系式： c1=2hc210-16 (Wm)c2=hc/k=1.4387910-2 (mk)维恩位移定律： 对普朗克辐射公式求导，可得不同温度下，黑体辐射最大光谱辐射出射度的峰值波长m的关系式： mhc/5k=2897（mk） 例：室温下(300k)黑体的m10m，在中红外区；太阳表面温度约600k，其m0.5m，在人眼最灵敏区。 斯蒂芬玻尔兹曼定律 ： 黑体的总辐射出射度 例：T=300k时， 460Wm-2 T=6000k时， 7.36107 Wm-22.5 辐射度的基本物理量和光度的基本

15、物理量 2.5.1 辐射度的基本物理量 A、光辐射度量 为了研究光辐射现象的规律，人们引入了一组辐射度的基本物理量。 1、辐射能Qe 以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。当这些能量被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量（如电能、热能等）。辐射能的单位是焦耳(J)。 2、辐射能密度We 光源在单位体积内的辐射能称为光源的辐射能密度。它表征辐射能的空间特性。 WedQe/dV 式中V为体积。辐射能密度单位是焦耳/立方米。 3、辐射通量e 在单位时间内通过某一定面积的辐射能称为通过该面积的辐射通量。而光源在单位时间内辐射的总能量称为光源的辐射通量。辐射通量也称为辐射功率（用P表示）或辐射能

16、流。 edQe/dt 式中dQe是在dt时间内转移的单元能量。辐射通量的单位为瓦。 4、辐射强度 Ie 从一个点光源出发的，在单位时间内、单位立体角所辐射出的能量称为辐射强度 （一个锥体的顶端在球心，底在球面上，底面积等于球半径的平方，这锥体所包的立体角就叫做单位立体角）。 Iede/dw 式中de为辐射源在dw立方角内所辐射出来的辐射功率。 辐射强度的单位是瓦/球面度(W/sr)。 5、辐射出射度Me 辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率称为辐射出射度或称为辐射发射度。这是用来量度物体辐射能力的物理量。 Mede/dA 式中,de为辐射体面积元dA向一切方向所发出的辐射通量。 辐射出射度的单位是瓦/平方米。 6、辐射亮度Le 由辐射表面定向发射的辐射强度称为辐射亮度。在与辐射表面dA的法线成角的方向上，辐射亮度等于该方向上的辐射强度dIe与辐射表面在该方向上向垂直面上的投影面积之比。 LedIe/dAcos 辐射亮度的单位为瓦/球面度(W/sr) 。 若Ie不随方向而变化，则Le 正比于cos,即 Le=Io.cos 这种光源称为余弦辐射体，也称为均匀漫反射体或朗伯体。 除了黑体、灰