《光電傳感器應(yīng)用技術(shù)》王慶有第1章第1節(jié)

1、光電傳感器應(yīng)用技術(shù)光電傳感器應(yīng)用技術(shù) 天津大學(xué)精儀學(xué)院天津大學(xué)精儀學(xué)院王慶有王慶有20082008年年1010月月第第1 1章章 光電技術(shù)基礎(chǔ)光電技術(shù)基礎(chǔ) 光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。即光是光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。即光是以電磁波方式傳播的粒子。以電磁波方式傳播的粒子。 光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光子。光子具有動(dòng)量與能量，并分別表示為光子。光子具有動(dòng)量與能量，并分別表示為p p與與e e，式中，式中h h為普朗克常數(shù)（為普朗克常數(shù)（6.6266.6261010-34-34J Js s）；）；v v為光的振動(dòng)頻率

2、為光的振動(dòng)頻率(s(s-1-1) )；c c為光在真空中的傳播速度（為光在真空中的傳播速度（3 310108 8m ms s-1-1）。）。 光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時(shí)引起的光光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時(shí)引起的光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)又充分證明了光的量子性。電效應(yīng)，而光電效應(yīng)又充分證明了光的量子性。 圖圖1-11-1為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定義（稱為為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定義（稱為電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無線電波（到無線電波（10102 210102525HzHz）的寬闊頻域。

3、光輻射僅僅是電磁）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從幾納米到幾毫米，波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從幾納米到幾毫米，即即1010-9-91010-3-3m m的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只有的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只有0.380.380.780.78m m的的光才能引起人眼的視覺感，故稱這部分光為可見光。光才能引起人眼的視覺感，故稱這部分光為可見光。紅外紫外可見光10156182191210101010101010324f/Hz圖1-1 電磁輻射光譜的分布X射線射線近紅外遠(yuǎn)紅外電磁波1.1 1.1 光輻射的度量光輻射的度量 1.1.1 1.1.1 與光源有關(guān)的輻射度參

4、數(shù)與光度參數(shù)與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù) 1. 輻（射）能和光能輻（射）能和光能 以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻（射）能，用符號(hào)以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻（射）能，用符號(hào)Qe表表示，其計(jì)量單位為焦耳（示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。）。 光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，以光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，以Qv表示，其計(jì)量單位表示，其計(jì)量單位為流明秒（為流明秒（lms）。）。 2.輻（射）通量和光通量輻（射）通量和光通量 輻（射）通量或輻（射）功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；輻（射）通量或輻（射）功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)

5、間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能稱為或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能稱為輻（射）通量，以符號(hào)輻（射）通量，以符號(hào)e e表示，表示， 其計(jì)量單位為瓦（其計(jì)量單位為瓦（W W），即），即 tQddeetQee 對(duì)可見光，光源表面在無窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接對(duì)可見光，光源表面在無窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜，光能被無窮短時(shí)間間隔收的所有可見光譜，光能被無窮短時(shí)間間隔d dt t來除，其來除，其商定義為光通量商定義為光通量v v，即，即 （1-31-3） 若在若在t t時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時(shí)間改變，則時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時(shí)

6、間改變，則式（式（1-31-3）簡化為）簡化為 （1-41-4） v v的計(jì)量單位為流的計(jì)量單位為流( (明明) )（lmlm）。）。 顯然，輻（射）通量對(duì)時(shí)間的積分稱為輻（射）能，顯然，輻（射）通量對(duì)時(shí)間的積分稱為輻（射）能，而光通量對(duì)時(shí)間的積分稱為光能。而光通量對(duì)時(shí)間的積分稱為光能。 tQddvvtQvv 3.輻(射)出(射)度和光出(射)度 對(duì)有限大小面積對(duì)有限大小面積A的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量de與該面元面積與該面元面積dA之比，定義為輻之比，定義為輻(射射)出出(射射)度度Me，即，即 （1-5） Me的

7、計(jì)量單位是瓦（特）每平方米的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米Wm2。 面光源面光源A A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為 （1-6） AMddee)(eedAAM)(eedAAM 對(duì)于可見光，面光源對(duì)于可見光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量空間發(fā)射的光通量dv、與面元面積、與面元面積dA之比稱為光出之比稱為光出(射射)度度Mv，即，即 （1-7） 其計(jì)量單位為勒其計(jì)量單位為勒(克司克司)lx或或lm/m2。 對(duì)均勻發(fā)射輻射的面光源有對(duì)均勻發(fā)射輻射的面光源有 （1-8） 由式（由式（1-7），面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為）

8、，面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為 （1-91-9）AMvv)(vvdAAMAMddv 4.4.輻輻( (射射) )強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度 對(duì)點(diǎn)光源在給定方向的立體角元對(duì)點(diǎn)光源在給定方向的立體角元d d內(nèi)發(fā)射的輻通量內(nèi)發(fā)射的輻通量d de e，與該方向立，與該方向立體角元體角元d d之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻( (射射) )強(qiáng)度強(qiáng)度I Ie e，即，即 輻輻(射射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度 Wsr。 點(diǎn)光源在有限立體角點(diǎn)光源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻通量為內(nèi)發(fā)射的輻通量為 各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為各向同

9、性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為 Iddee（1-10）Idee（1-11）40eee4dII（1-12）對(duì)可見光，與式（對(duì)可見光，與式（1-9）類似，定義發(fā)光強(qiáng)度為）類似，定義發(fā)光強(qiáng)度為 對(duì)各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為對(duì)各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為 一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。 發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎，簡稱為坎cd。1979年第十年第十六屆國際計(jì)量大會(huì)通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射六屆國際計(jì)量大會(huì)通過決議，將坎德拉重新定義

10、為：在給定方向上能發(fā)射540 1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)，其發(fā)光強(qiáng)度定義為光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉一個(gè)坎德拉cd。 由式（由式（1-13），對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為），對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（流明（lm）。）。發(fā)光強(qiáng)度為發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為空間所發(fā)出的總光通量為=4I12.566 lm。 Iddvv（1-13）Idvv（1-14） 5.5.輻輻( (射射) )亮度和亮度亮度和

11、亮度 光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度L Le e，即即 式中，為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度式中，為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度L Le e的計(jì)量單的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度平方米位為瓦（特）每球面度平方米WW（srsrm m2 2 ） 。 對(duì)可見光，亮度對(duì)可見光，亮度L Lv v定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影方向上的

12、發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即面積，即 L Lv v的計(jì)量單位是坎德拉每平方米的計(jì)量單位是坎德拉每平方米cdcdm m2 2 。 cosdddcosdde2eeAAIL（1-15）cosdddcosddv2vvAAIL（1-16） 若若L Le e ，L Lv v與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)，且由式（與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)，且由式（1-151-15）、（）、（1-161-16）表）表示，這樣的光源稱為余弦輻射體或朗伯輻射體。黑體是一個(gè)理想的余弦輻示，這樣的光源稱為余弦輻射體或朗伯輻射體。黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及

13、射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽等是一個(gè)近似的余弦輻射體。太陽等是一個(gè)近似的余弦輻射體。 余弦輻射體表面某面元余弦輻射體表面某面元d dS S處向半球面空間發(fā)射的通量為處向半球面空間發(fā)射的通量為 式中，式中， 。 對(duì)上式在半球面空間內(nèi)積分的結(jié)果為對(duì)上式在半球面空間內(nèi)積分的結(jié)果為 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)CCD2SLddcosdddsind2020ddcossindddALALv由上式得到由上式得到余弦輻射體余弦輻射體的的M Me e與與L Le e、M Mv v與與L Lv v的關(guān)系為的關(guān)系為v eeML （1-17）vvML （1-18） 6.輻(射)效率與發(fā)光效

14、率 光源所發(fā)射的總輻射通量光源所發(fā)射的總輻射通量e與外界提供給光源的功率與外界提供給光源的功率P之比之比稱為光源的輻稱為光源的輻(射射)效率效率e；光源發(fā)射的總光通量；光源發(fā)射的總光通量v與提供的功與提供的功率率P之比稱為發(fā)光效率之比稱為發(fā)光效率v。它們分別為。它們分別為 輻效率輻效率e無量綱，發(fā)光效率無量綱，發(fā)光效率v的計(jì)量單位是流明每瓦的計(jì)量單位是流明每瓦lmW-1。 對(duì)限定在波長對(duì)限定在波長12范圍內(nèi)的輻效率范圍內(nèi)的輻效率 式中式中,e稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻射通量。稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻射通量。 00ee100PPvv（1-19）（1-20）002

15、1ee100dP（1-21）1.1.2 與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù) 從接收器的角度討論輻射度與光度的參數(shù)稱為與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)從接收器的角度討論輻射度與光度的參數(shù)稱為與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)。接收光源發(fā)射輻射的接收器可以是探測(cè)器，也可以是反射輻射與光度參數(shù)。接收光源發(fā)射輻射的接收器可以是探測(cè)器，也可以是反射輻射的反射器，或兩者兼有。與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)有以下的反射器，或兩者兼有。與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)有以下2種。種。 1.輻照度與照度 輻照度輻照度Ee是照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量是照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量de除以該面元的面積除

16、以該面元的面積dA的商，即的商，即E Ee e的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米WWm m2 2 。 AEddee（1-22） 若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（1-221-22）簡化為）簡化為 注意，不要把輻照度注意，不要把輻照度Ee與輻出度與輻出度Me混淆起來?；煜饋?。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。 被測(cè)物被測(cè)物

17、光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)1重疊部分重疊部分AEee(1-23)v本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則分，反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻出度光譜輻出度M Merer（）（）（r r 代表反射）與輻射代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度體接收的光譜輻照度E Ee e（）的關(guān)系為）的關(guān)系為 v式中式中, ,e e（）為輻射度光譜反射比，是波長）為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。對(duì)式（的函數(shù)。對(duì)式（1-241-24）的波長積分，得到反射）的波長積分，得到反射體的輻出度體的輻出度 v (1-25)

18、 )()(eeerEM(1-24)d)(eeeEM 對(duì)可見光，照射到物體表面某一面元的光通量對(duì)可見光，照射到物體表面某一面元的光通量d dv v除除以該面元面積以該面元面積d dA A稱為光照度稱為光照度E Ev v，即，即AEddvv（1-26）AEvvEv的計(jì)量單位是勒（克司）的計(jì)量單位是勒（克司）lx。 對(duì)接收光的反射體，同樣有對(duì)接收光的反射體，同樣有 )()()(vvvEMd)(vvvEM（1-27）（1-28）式中，式中，v（）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。 2.2.輻照量和曝光量輻照量和曝光量 輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的輻照量與曝光

19、量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號(hào)常與所接收的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號(hào)常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。入射輻射能量有關(guān)。 照射到物體表面某一面元的輻照度照射到物體表面某一面元的輻照度E Ee e在時(shí)間在時(shí)間t t內(nèi)內(nèi)的積分稱為輻照量的積分稱為輻照量H He e，即，即 ttEH0eed（1-29）輻照量輻照量He的計(jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫椎挠?jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫?J/m2。 如果面元上的輻照度如果面元上的輻照度Ee與時(shí)間無關(guān)，式（與時(shí)間無關(guān)，式（1-29）可簡化為可簡化為 tEHee（1-30） 與輻照量與輻照量He對(duì)應(yīng)的光度量是曝光量對(duì)應(yīng)的光度量是曝光量Hv，它

20、定義為物體表面某一面元接收的光照度它定義為物體表面某一面元接收的光照度Ev在時(shí)間在時(shí)間t內(nèi)的積分，即內(nèi)的積分，即ttEH0vvdHv的計(jì)量單位是勒（克司）秒的計(jì)量單位是勒（克司）秒lx.s。 如果面元上的光照度如果面元上的光照度Ev與時(shí)間無關(guān)，與時(shí)間無關(guān)，式（式（1-31）可簡化為）可簡化為 tEHvv（1-31）1.2 光譜輻射分布與量子流速率 1.2.1 光源的光譜輻射分布參量 光源發(fā)射的輻射能在輻射光譜范圍內(nèi)是按波長分布的。光源在單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度Xe,，簡稱為光譜輻射量，即 dde, exX式中，通用符號(hào)Xe,是波長的函數(shù)，代表所有的光譜輻射量，如光譜輻射通量e,、光譜輻射出度Me,、光譜輻射強(qiáng)度Ie,、光譜輻射亮度Le,、光譜輻照度Ee,等。 （1-32） 同樣，以符號(hào)Xv,表示光源在可見光區(qū)單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的光度量稱為光度量的光譜密集度，簡稱為光譜光度量，即 ddv,vXX式中，Xv,代表