22038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)天津大學(xué)精儀學(xué)院王慶有2008年10月第1章光電技術(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，又稱為光量子或光子。光子具有動(dòng)量與能量，并分別表示為p與e，式中 h為普朗克常數(shù)（6.62610-34Js）；v為光的振動(dòng)頻率(s-1)；c為光在真空中的傳播速度（3108ms-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 電效應(yīng)，而光電效應(yīng)又充分證明了光的量子性。圖1-1為電磁波按波長(zhǎng)的分布及各波長(zhǎng)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 到無(wú)線電波（1021025Hz）的寬闊頻域。光輻射

2、僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長(zhǎng)區(qū)域從幾納米到幾毫米， 即10-910-3m的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只有0.380.78m的光才能引起人眼的視覺(jué)感，故稱這部分光為可見(jiàn)光。紅外可見(jiàn)光紫外射線遠(yuǎn)紅外電磁波X射線近紅外10310610181024f /Hz101210211091015圖1-1 電磁輻射光譜的分布1.1 光輻射的度量1.1.1 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 示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。光能是光通量在可見(jiàn)光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，以Qv表示，其計(jì)量單位 為流明秒（lms）。2. 輻（射）通量和光通量

3、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(shuō)，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)e表示， 其計(jì)量單位為瓦（W），即= Qe= dQeetedt對(duì)可見(jiàn)光，光源表面在無(wú)窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接 收的所有可見(jiàn)光譜，光能被無(wú)窮短時(shí)間間隔dt來(lái)除，其 商定義為光通量v，即dQv = v dt（1-3）若在t時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時(shí)間改變，則式（1-3）簡(jiǎn)化為= Qv（1-4）vtv的計(jì)量單位為流(明)（lm）。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。3.輻(射)出(射)度和光出(射)度對(duì)有

4、限大小面積A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de與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即= deM（1-5）e( A)dA =M dAeeMe的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米Wm2。面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為e = ( A) M edA（1-6）對(duì)于可見(jiàn)光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dv、與面元面積dA之比稱為光出(射) 度Mv，即= d（1-7）MvdA其計(jì)量單位為勒(克司)lx或lm/m2。對(duì)均勻發(fā)射輻射的面光源有= vM（1-8）vA由式（1-7），面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為v= ( A) M vdA（1-9）4.

5、輻(射)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d內(nèi)發(fā)射的輻通量de，與該方向立 體角元d之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即= deI（1-10）ed輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度 Wsr。點(diǎn)光源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻通量為e = Ied各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為（1-11）4pe = Ie 0d = 4Ie（1-12） 對(duì)可見(jiàn)光，與式（1-9）類似，定義發(fā)光強(qiáng)度為= dv（1-13）Ivd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v= I vd（1-14）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（candela），簡(jiǎn)稱

6、為坎cd。1979年第十 六屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射5401012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā) 光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉cd。由式（1-13），對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度(sr) 內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（lm）。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4I12.566 lm。 5.輻(射)亮度和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 元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即d2dI（1-15）L= edA cosq eddA cosqe式中，為所給

7、方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單 位為瓦（特）每球面度平方米W（srm2 ）。對(duì)可見(jiàn)光，亮度Lv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面積，即d2（1-16）dIL= vdA cosq vddA cosqvLv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米cdm2。若Le ，Lv與光源發(fā)射輻射的方向無(wú)關(guān)，且由式（1-15）、（1-16）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 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(yáng)等是一個(gè)近似的余弦輻射體。余弦輻射體表面某面元dS處向半球面空間發(fā)射的通量為d =

8、LcosqdSd式中，d = sinqdqdj 。對(duì)上式在半球面空間內(nèi)積分的結(jié)果為2jsinq cosqq = LdAd = LdAd2dj =0q =0v 由上式得到余弦輻射體的Me與Le、Mv與Lv的關(guān)系為= Me（1-17）Lev= M v（1-18）Lv6.輻(射)效率與發(fā)光效率光源所發(fā)射的總輻射通量e與外界提供給光源的功率P之比 稱為光源的輻(射)效率e；光源發(fā)射的總光通量v與提供的功率P之比稱為發(fā)光效率v。它們分別為= eh（1-19）10000eP= v（1-20）hvP輻效率e無(wú)量綱，發(fā)光效率v的計(jì)量單位是流明每瓦lmW-1。對(duì)限定在波長(zhǎng)12范圍內(nèi)的輻效率ldl2elh=100

9、l10（1-21）eDl0P1.1.2與有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)從的角度討論輻射度與光度的參數(shù)稱為與有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)。接收光源發(fā)射輻射的可以是探測(cè)器，也可以是反射輻射有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)有以下2種。的反射器，或兩者兼有。與1.輻照度與照度輻照度Ee是照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量de除以該面元的面積dA的商，即= deE（1-22）edAEe的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米Wm2。 若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（1-22）簡(jiǎn)化為= eE(1-23)eA 注意，不要把輻照度Ee與輻出度Me混淆起來(lái)。光學(xué)系統(tǒng)雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是被測(cè)物從物體表面接收輻

10、射通量的角度來(lái)定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來(lái)定義的。v 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，則光譜輻出度Mer（）（r代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度Ee（）的關(guān)系為= re (l)Ee (l)(1-24)M erv 式中,e（）為輻射度光譜反射比，是波長(zhǎng)的函數(shù)。對(duì)式（1-24）的波長(zhǎng)積分，得到反射體的輻出度v(1-25)M=r(l)E dleee對(duì)可見(jiàn)光，照射到物體表面某一面元的光通量dv除 以該面元面積dA稱為光照度Ev，即= dvEvdA= vEv（1-26）AEv的計(jì)量單位是勒（克司）lx。對(duì)接收光的反射體，同樣有M v (l)

11、= rv (l)Ev (l)M v= rv (l)Evdl（1-27）（1-28）式中，v（）為光度光譜反射比，是波長(zhǎng)的函數(shù)。2.輻照量和曝光量輻照量與曝光量是光電接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號(hào)常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時(shí)間t內(nèi)的積分稱為輻照量He，即tHe =E dt（1-29）e0輻照量He的計(jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫?J/m2。如果面元上的輻照度Ee與時(shí)間無(wú)關(guān)，式（1-29） 可簡(jiǎn)化為He= Eet（1-30）與輻照量He對(duì)應(yīng)的光度量是曝光量Hv，它定義為物體表面某一面元接收的光照度Ev 在時(shí)間t內(nèi)的積分，即tHv=E dt（1-31）

12、v0Hv的計(jì)量單位是勒（克司）秒lx.s。如果面元上的光照度Ev與時(shí)間無(wú)關(guān)， 式（1-31）可簡(jiǎn)化為H v= Evt1.2 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(zhǎng)分布的。光源在單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度Xe,，簡(jiǎn)稱為光譜輻射量，即= dxe（1-32）Xe,ldl式中，通用符號(hào)Xe,是波長(zhǎng)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。同樣，以符號(hào)Xv,表示光源在可見(jiàn)光區(qū)單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的光度量稱為光度量的光譜密集度，簡(jiǎn)稱為光譜光度

13、量，即= dX vX（1-33）v,ldl式中，Xv,代表光譜光通量v,、光譜光出射度Mv,、光譜發(fā)光強(qiáng)度Iv,和光譜光照度Ev,等。光源的輻射度參量Xe,隨波長(zhǎng)的分布曲線稱為該光源的絕對(duì)光譜輻射分布曲線。該曲線任一波長(zhǎng)處的Xe,除以峰值波長(zhǎng)max處 的光譜輻射量最大值Xe,max的商Xe,r，稱為光源的相對(duì)光譜輻射量，即X e,l=X（1-34）e,lrXe,l max相對(duì)光譜輻射量Xe,r與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光源相對(duì)光譜輻射分布。光源在波長(zhǎng)12 范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量ldl2D=e,l（1-35）el1若積分區(qū)間從1 =0到2 ，得到光源發(fā)出的所有波長(zhǎng)的總輻射通量e= 0e,l dl = e,l max 0e,lrdl（1-36）光源在波長(zhǎng)1 2 之間的輻通量e 與總輻通量e之比稱為該光源的比輻射qe，即ldl2e,llq=1e（1-37）0dle,l式中，qe沒(méi)有量綱。1.2.2 量子流速率光源發(fā)射的輻射功率是每秒鐘發(fā)射光子能量的總和。光源在給定波長(zhǎng)處, 由到波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通