光電子學(xué)(一)光度量光輻射度量朗伯定律與輻射量計(jì)算

1、光電子學(xué)教材教材 光電信號(hào)檢測(cè)原理與技術(shù)光電信號(hào)檢測(cè)原理與技術(shù) 趙遠(yuǎn)編趙遠(yuǎn)編 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社參考教材參考教材 光電技術(shù)光電技術(shù) 江文杰等江文杰等 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù) 蒲昭邦蒲昭邦 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 紅外物理紅外物理 張建奇等張建奇等 西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社授課教師授課教師 趙遠(yuǎn)趙遠(yuǎn) 靳辰飛靳辰飛 聯(lián)系電話聯(lián)系電話引言：引言： 近代科學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)是對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行定量的描述近代科學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)是對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行定量的描述和控制，必須對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量和控制，必須對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量直接測(cè)量：直接測(cè)量

2、： 利用已有的確定標(biāo)準(zhǔn)完成，如：米尺、卡尺、千分尺利用已有的確定標(biāo)準(zhǔn)完成，如：米尺、卡尺、千分尺光的變化光的變化 強(qiáng)度變化，頻率變化，位相變化，偏振變化。強(qiáng)度變化，頻率變化，位相變化，偏振變化。檢測(cè)光的變化檢測(cè)光的變化 古代只能依靠人眼的直接觀察。古代只能依靠人眼的直接觀察。間接測(cè)量：間接測(cè)量： 利用物理規(guī)律（物理量之間的變化規(guī)律）完成測(cè)量利用物理規(guī)律（物理量之間的變化規(guī)律）完成測(cè)量如：邁克爾遜干涉儀如：邁克爾遜干涉儀 測(cè)量精度達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)測(cè)量精度達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí) 1010-5-51010-7-7m m。31014Hz31011Hz300G300MHz300M300Hz射線X射線紫外線可見(jiàn)光 紅外

3、線無(wú)線電波微波10-8 10-6 10-4 10-2 10-11 10 102 104 106 108 1010 1012波長(zhǎng)波長(zhǎng)/m/m10 2050102200500 1032000 5000104 2104 波長(zhǎng)波長(zhǎng)( (毫微米毫微米nm)近中遠(yuǎn)極遠(yuǎn)遠(yuǎn)近390770nm770nm1mm10390nm電磁波譜光電子技術(shù)：光電子技術(shù)： 光電子技術(shù)主要研究光的產(chǎn)生、控制、傳輸及其探測(cè)技術(shù)。光子技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合。 光的產(chǎn)生： 激光原理 光的控制、傳輸： 光學(xué)設(shè)計(jì) 大氣光學(xué) 光纖技術(shù)光與物質(zhì)的相互作用 非線性光學(xué) 散射光學(xué)光的探測(cè) 光電檢測(cè)技術(shù)，統(tǒng)計(jì)光學(xué)光電檢測(cè)及處理技術(shù)的含義：光電檢測(cè)及處理

4、技術(shù)的含義： 利用光探測(cè)器件的檢測(cè)把光輻射轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)一利用光探測(cè)器件的檢測(cè)把光輻射轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列電信號(hào)的處理，提取某些必需的信息。系列電信號(hào)的處理，提取某些必需的信息。光電檢測(cè)利用的基本原理光電檢測(cè)利用的基本原理光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理 光源光源控制及傳輸路徑控制及傳輸路徑目標(biāo)及目標(biāo)及背景背景光電光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換顯示顯示記錄記錄計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)及信號(hào)處理信號(hào)處理1、對(duì)光源輸出光的傳輸變化進(jìn)行控制、對(duì)光源輸出光的傳輸變化進(jìn)行控制2、光輻射與目標(biāo)相互作用產(chǎn)生信息載體（信號(hào)光）、光輻射與目標(biāo)相互作用產(chǎn)生信息載體（信號(hào)光）3、光輻

5、射（信號(hào)光）的探測(cè)過(guò)程，利用光探測(cè)器把光、光輻射（信號(hào)光）的探測(cè)過(guò)程，利用光探測(cè)器把光輻射轉(zhuǎn)換為電學(xué)量輻射轉(zhuǎn)換為電學(xué)量4、利用電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)提取信息、利用電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)提取信息光電檢測(cè)技術(shù)的主要應(yīng)用范圍光電檢測(cè)技術(shù)的主要應(yīng)用范圍 1輻射度量和光度量的檢測(cè)輻射度量和光度量的檢測(cè) （光輻射能量的檢測(cè)）（光輻射能量的檢測(cè)） 采用光電檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)定光度量和輻射度量。采用光電檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)定光度量和輻射度量。方法簡(jiǎn)便，能達(dá)到很高的精度。方法簡(jiǎn)便，能達(dá)到很高的精度。 目前常用的這類儀器有：光強(qiáng)度計(jì)、光亮度計(jì)、目前常用的這類儀器有：光強(qiáng)度計(jì)、光亮度計(jì)、輻射計(jì)、以及光測(cè)高溫計(jì)和輻射測(cè)溫儀等。輻射計(jì)、

6、以及光測(cè)高溫計(jì)和輻射測(cè)溫儀等。 2光學(xué)材料、元件的檢測(cè)光學(xué)材料、元件的檢測(cè) 光學(xué)儀器及測(cè)量技術(shù)中所涉及的材料、元件光學(xué)儀器及測(cè)量技術(shù)中所涉及的材料、元件的光學(xué)特性測(cè)量，如：材料、元件的光譜特性；的光學(xué)特性測(cè)量，如：材料、元件的光譜特性；都需要借助于光電檢測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。都需要借助于光電檢測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。3非光物理量的光電檢測(cè)和控制非光物理量的光電檢測(cè)和控制所能完成的檢測(cè)對(duì)象十分廣泛。包括所能完成的檢測(cè)對(duì)象十分廣泛。包括: : 把非光物理量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。再對(duì)帶有待測(cè)信息的光把非光物理量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。再對(duì)帶有待測(cè)信息的光信號(hào)進(jìn)行光電檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)非光物理量的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行光電檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待

7、測(cè)非光物理量的檢測(cè)。 各種幾何量如尺度、坐標(biāo)；各種機(jī)械量如重量、應(yīng)各種幾何量如尺度、坐標(biāo)；各種機(jī)械量如重量、應(yīng)力、壓強(qiáng)、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、流量，力、壓強(qiáng)、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、流量，以及材料的硬度和強(qiáng)度等參量。以及材料的硬度和強(qiáng)度等參量。光電探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用光電探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用激光雷達(dá)，測(cè)距，定位，夜視激光雷達(dá)，測(cè)距，定位，夜視光通信，寬帶網(wǎng)光通信，寬帶網(wǎng)DVD, VCDDVD, VCD，數(shù)碼相機(jī)，公安交通監(jiān)測(cè)，森林防火報(bào)警數(shù)碼相機(jī)，公安交通監(jiān)測(cè)，森林防火報(bào)警醫(yī)學(xué)影像，微光電視醫(yī)學(xué)影像，微光電視航空、衛(wèi)星遙感，深海測(cè)量航空、衛(wèi)星遙感，深海測(cè)量傅立葉光譜，天文干涉光譜儀傅立葉

8、光譜，天文干涉光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理1防盜報(bào)警系統(tǒng)防盜報(bào)警系統(tǒng) 放大報(bào)警鑒別后處理后處理透鏡探測(cè)器光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理2.2.紅外測(cè)溫系統(tǒng)紅外測(cè)溫系統(tǒng)光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)D/A打印譜圖打印譜圖白光白光探測(cè)器探測(cè)器A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)D/A打印譜圖打印譜圖白光白光A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)D/A打印譜圖打印譜圖白光白光動(dòng)鏡動(dòng)鏡 M2M2探測(cè)器探測(cè)器A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)D/A打印譜圖打印譜圖白光光源白光光源探測(cè)器探測(cè)器A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)D/A打印譜圖打印譜圖A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)D/A打印譜圖打印譜圖固定鏡固

9、定鏡 M1M1動(dòng)鏡動(dòng)鏡 M2M2探測(cè)器探測(cè)器樣品樣品3.傅立葉變換光譜議傅立葉變換光譜議光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理4.4.單脈沖激光測(cè)距雷達(dá)單脈沖激光測(cè)距雷達(dá) 光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理光電探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理5. 紅外紅外3D激光成像雷達(dá)激光成像雷達(dá)光電探測(cè)系統(tǒng)的分類和應(yīng)用范圍光電探測(cè)系統(tǒng)的分類和應(yīng)用范圍光電系統(tǒng)光電系統(tǒng)光譜光譜可見(jiàn)光光電系統(tǒng)可見(jiàn)光光電系統(tǒng)紅外光電系統(tǒng)紅外光電系統(tǒng)照明照明被動(dòng)照明系統(tǒng)被動(dòng)照明系統(tǒng)主動(dòng)照明系統(tǒng)主動(dòng)照明系統(tǒng)功能功能用途用途光學(xué)計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)光學(xué)計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)光電控制系統(tǒng)光電控制系統(tǒng)搜索、跟蹤、距離和方位的系統(tǒng)搜索、跟蹤、距離和方位的系統(tǒng)溫差分布、熱

10、成像系統(tǒng)溫差分布、熱成像系統(tǒng)天文、醫(yī)學(xué)光電系統(tǒng)天文、醫(yī)學(xué)光電系統(tǒng)光電光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向3 3、光電檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展：光電檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展：在不改變被測(cè)物性質(zhì)的條件下，在不改變被測(cè)物性質(zhì)的條件下，檢測(cè)非接觸化，遠(yuǎn)程化。多信息量：多光譜、多變量、檢測(cè)非接觸化，遠(yuǎn)程化。多信息量：多光譜、多變量、多像素。集成化、自動(dòng)化、多像素。集成化、自動(dòng)化、“智能智能”化?；?。 1、 “光子挑戰(zhàn)電子，電子聯(lián)盟光子光子挑戰(zhàn)電子，電子聯(lián)盟光子” 利用利用光子技術(shù)可光子技術(shù)可望突破電子技術(shù)中邏輯門器件運(yùn)行速度的望突破電子技術(shù)中邏輯門器件運(yùn)行速度的“瓶頸效應(yīng)瓶頸效應(yīng)”，可以大大提高信息處理的速度和擴(kuò)大信息

11、傳輸?shù)娜萘??？梢源蟠筇岣咝畔⑻幚淼乃俣群蛿U(kuò)大信息傳輸?shù)娜萘俊?2、光電子材料的研究得到了迅速發(fā)展，特別是半導(dǎo)體超晶、光電子材料的研究得到了迅速發(fā)展，特別是半導(dǎo)體超晶格材料和量子阱結(jié)構(gòu)與器件的研究發(fā)展，使垂直腔面發(fā)射格材料和量子阱結(jié)構(gòu)與器件的研究發(fā)展，使垂直腔面發(fā)射激光器得以實(shí)現(xiàn)。光子晶體半導(dǎo)體新型光子器件、有機(jī)聚激光器得以實(shí)現(xiàn)。光子晶體半導(dǎo)體新型光子器件、有機(jī)聚合物光子晶體、光子晶體光纖和光子晶體光纖放大器均取合物光子晶體、光子晶體光纖和光子晶體光纖放大器均取得了一定的進(jìn)展。得了一定的進(jìn)展。光電探測(cè)器件向著高靈敏度和高性能方光電探測(cè)器件向著高靈敏度和高性能方向發(fā)展，向發(fā)展， 其工作波長(zhǎng)范圍也向

12、紅外、紫外方向擴(kuò)展。其工作波長(zhǎng)范圍也向紅外、紫外方向擴(kuò)展。第一章：光輻射物理光輻射物理第二章：光輻射探測(cè)器光輻射探測(cè)器第三章：光輻射直接探測(cè)和外差探測(cè)光輻射直接探測(cè)和外差探測(cè)第四章：光電信號(hào)的前置放大電路和濾波光電信號(hào)的前置放大電路和濾波第五章：微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè)第六章： 典型的光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)典型的光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng) 光電子學(xué)課程內(nèi)容一、光輻射的度量一、光輻射的度量 tQPQV1. 輻射度量的基本物理量輻射度量的基本物理量 1）輻射能量輻射能量 Q 以電磁波的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量以電磁波的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量2) 輻射能密度輻射能密度 輻射場(chǎng)單位體積中的能量輻射場(chǎng)單位體積中的

13、能量(J/m3)3）輻射功率輻射功率 P 單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射傳輸接收的輻射能量單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射傳輸接收的輻射能量(J)第一章第一章 光輻射物理基礎(chǔ)光輻射物理基礎(chǔ)(W)點(diǎn)源與擴(kuò)展源點(diǎn)源與擴(kuò)展源 當(dāng)不使用光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，相對(duì)觀測(cè)者輻射源的最大尺寸小于當(dāng)不使用光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，相對(duì)觀測(cè)者輻射源的最大尺寸小于觀測(cè)距離十倍以內(nèi)時(shí)，一般都可稱為觀測(cè)距離十倍以內(nèi)時(shí)，一般都可稱為點(diǎn)輻射源點(diǎn)輻射源，否則，即，否則，即為擴(kuò)展源。為擴(kuò)展源。 當(dāng)使用光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，充滿光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的輻射源作擴(kuò)展源當(dāng)使用光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，充滿光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的輻射源作擴(kuò)展源處理，而未充滿視場(chǎng)的則算作處理，而未充滿視場(chǎng)的則算作點(diǎn)源點(diǎn)源。立體角：立體角：半徑為半徑為R

14、 R的部分球面的部分球面A A的邊緣各點(diǎn)對(duì)球心連線所包圍的空間的邊緣各點(diǎn)對(duì)球心連線所包圍的空間A OR2AR PMAPI4) 輻出輻出度度 M 輻射源輻射源單位表面積單位表面積向向半球空間半球空間發(fā)射的功率發(fā)射的功率 (W/m2)5)輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 I 點(diǎn)輻射源點(diǎn)輻射源在某方向單位立體角的輻射功率在某方向單位立體角的輻射功率 (W/Sr)dAd Snq qrqcos2ApLPEA6)輻射亮度輻射亮度 L 擴(kuò)展源擴(kuò)展源在某方向單位投影面積和單位立體角發(fā)在某方向單位投影面積和單位立體角發(fā) 射的輻射功率射的輻射功率 (W/m2Sr) 7)輻射照度輻射照度 E 入射到單位接收表面上的輻射功率入射到單

15、位接收表面上的輻射功率 (W/m2)dAqd rn光譜輻射度量和光子輻射度量光譜輻射度量和光子輻射度量 光譜輻射量光譜輻射量 指定波長(zhǎng)附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射量， APMqMMh 光子輻射量光子輻射量 單位時(shí)間發(fā)射或接收的光量子數(shù)定義的各輻射量光度學(xué)光度學(xué)：以：以“標(biāo)準(zhǔn)人眼標(biāo)準(zhǔn)人眼”的視覺(jué)響應(yīng)對(duì)輻射量進(jìn)行度量的視覺(jué)響應(yīng)對(duì)輻射量進(jìn)行度量人眼的視覺(jué)響應(yīng)存在生理、心理影響，光度學(xué)不是客人眼的視覺(jué)響應(yīng)存在生理、心理影響，光度學(xué)不是客觀標(biāo)準(zhǔn)觀標(biāo)準(zhǔn)19241924年國(guó)際照明委員會(huì)，根據(jù)年國(guó)際照明委員會(huì)，根據(jù)200200多位觀察者的測(cè)定，多位觀察者的測(cè)定，給出平均人眼對(duì)可見(jiàn)光的平均靈敏度，稱為人眼視覺(jué)函給出

16、平均人眼對(duì)可見(jiàn)光的平均靈敏度，稱為人眼視覺(jué)函數(shù)數(shù)視覺(jué)函數(shù)視覺(jué)函數(shù)（光效函數(shù)）（光效函數(shù)）V()明視明視V()，峰值波長(zhǎng)，峰值波長(zhǎng)555nm555nm（綠（綠光），錐體細(xì)胞的強(qiáng)光反應(yīng)光），錐體細(xì)胞的強(qiáng)光反應(yīng)暗視暗視V()，峰值波長(zhǎng)，峰值波長(zhǎng)505nm505nm，桿，桿體細(xì)胞的弱光反應(yīng)體細(xì)胞的弱光反應(yīng)1.0400505555750 /nmV( )明視暗視2. 光度量的基本物理量光度量的基本物理量1） 光能量光能量 Q 以電磁波的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量（只考慮可見(jiàn)光）以電磁波的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量（只考慮可見(jiàn)光） 2） 光能密度光能密度 輻射場(chǎng)單位體積中的光能量輻射場(chǎng)單位體積中的光能量QV

17、tQF流明流明 (lm)3） 光通量光通量 F 單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸、接收的光能量單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸、接收的光能量( )FP光度量與輻射度量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系光度量與輻射度量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系在明視情況下，在明視情況下，波長(zhǎng)波長(zhǎng)0.5550.555m m 的的 V(V()=1. )=1. ，c=683c=683/ / 1W 輻射功率 = 683 Lm 光通量。 對(duì)于對(duì)于 0.555m 以外的光輻射以外的光輻射1W 輻射功率 = 683 V() Lm 光通量( ) ( )FcVP4） 光出射度光出射度 M M 面光源單位表面積向半球空間發(fā)射的光通量面光源單位表面積向半球空間發(fā)射的光通量 （lm/m2)AF

18、M5）光強(qiáng)度光強(qiáng)度 I 點(diǎn)輻射源點(diǎn)輻射源在某方向單位立體角的光通量在某方向單位立體角的光通量(lm/Sr=cd) 坎德拉坎德拉FI1 Candela（坎德拉）（坎德拉）1流明流明/單位立體角，在英制單位立體角，在英制cd=燭光燭光cd是光度學(xué)的基本單位，19791979年國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議：年國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議：“cdcd是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出的頻率是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出的頻率為為54054010101212HzHz的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為（1/6831/683）W/srW/sr”7） 光照度光照度 E 入射到單位接收表面上的光通量入射到單位接收表面上的光通量（lm/m2=lx)勒克斯勒克斯AFE6） 光亮度光亮度 L 擴(kuò)展源擴(kuò)展源在某方向單位投影面積和單位立體角發(fā)射的光通量在某方向單位投影面積和單位立體角發(fā)射的光通量 （lm/m2Sr=nt）（尼特）（尼特）qcos