1、光電信息技術光電信息技術肖孟超肖孟超l成績判定：期末考試成績判定：期末考試 70%+平時成績平時成績30% l教材：廖家鼎教材：廖家鼎光電技術光電技術浙江大學出版浙江大學出版社社 l主要參考資料：主要參考資料：l雷玉堂雷玉堂 光電檢測技術光電檢測技術 中國計量出版社中國計量出版社l浦昭邦浦昭邦 光電測試技術光電測試技術 機械工業出版社機械工業出版社 l書名中有：光電信息、光電檢測、光電測試、書名中有：光電信息、光電檢測、光電測試、光電技術的書光電技術的書l其它：中國期刊網，互聯網其它：中國期刊網，互聯網課程簡介課程簡介光電技術光電技術l光學技術光學技術處理的是空間光強信息，它具有遠距離、處理的

2、是空間光強信息，它具有遠距離、非接觸、多維、并行、快速數據處理等能力非接觸、多維、并行、快速數據處理等能力l電子技術電子技術處理的是隨時間的變化的一維電量，它有處理的是隨時間的變化的一維電量，它有較高的運算靈活性和變換精度較高的運算靈活性和變換精度l光電技術光電技術是將傳統光學技術和現代微電子技術以及是將傳統光學技術和現代微電子技術以及計算機技術緊密結合在一起的一門高新技術計算機技術緊密結合在一起的一門高新技術l是獲取光信息或者借助光來提取其它信息，例如力、是獲取光信息或者借助光來提取其它信息，例如力、溫度、聲音、電流、生物信息的重要手段溫度、聲音、電流、生物信息的重要手段光電技術作用光電技術

3、作用l擴展了人類的視覺范圍擴展了人類的視覺范圍:380nm-780nm200nm紫外紫外-1mm遠紅外遠紅外l提高了探測閾值到光子探測的極限水平提高了探測閾值到光子探測的極限水平l提高了響應速度到納秒、皮秒、飛秒量級提高了響應速度到納秒、皮秒、飛秒量級l有廣泛的適用范圍：有廣泛的適用范圍： 能獲取和處理各種光學信息以及可以轉換為光信息的能獲取和處理各種光學信息以及可以轉換為光信息的非光學參量，包括探測機構內部或危險環境下的工作非光學參量，包括探測機構內部或危險環境下的工作參量參量l有較高的信號檢測能力：有較高的信號檢測能力： 能進行遠距離、非接觸、快速、高靈敏度的檢測和傳能進行遠距離、非接觸、

4、快速、高靈敏度的檢測和傳輸；檢測所需的輸入能量幾乎不影響被測物的能量狀輸；檢測所需的輸入能量幾乎不影響被測物的能量狀態；檢測信噪比高，信息容量大，傳輸能力強態；檢測信噪比高，信息容量大，傳輸能力強光電技術的應用光電技術的應用l光電技術的應用已遍及軍事、科學研究、工業、光電技術的應用已遍及軍事、科學研究、工業、宇宙和環境科學、醫療衛生和民用等各個領域宇宙和環境科學、醫療衛生和民用等各個領域l星體溫度探測星體溫度探測l導彈跟蹤導彈跟蹤l生物細胞組織的識別生物細胞組織的識別l環境的監測環境的監測l視覺工業機器人視覺工業機器人l民用全自動照相機民用全自動照相機l民用簡單光電開關民用簡單光電開關l生產領

5、域中生產過程的視覺檢查和制品加工自動化生產領域中生產過程的視覺檢查和制品加工自動化課程內容課程內容l輻射度與光度學的基礎輻射度與光度學的基礎知識知識l光電儀器中的常用光源光電儀器中的常用光源l光輻射探測器的理論基光輻射探測器的理論基礎礎l真空光電器件真空光電器件 l半導體光電導器件半導體光電導器件l半導體結型器件半導體結型器件 l真空成像器件真空成像器件l固體成像器件固體成像器件l熱探測器熱探測器l光輻射的調制光輻射的調制l直接探測和相干探測直接探測和相干探測l光電檢測電路設計光電檢測電路設計本課程要求本課程要求l掌握輻射度、光度學和探測器的物理基礎掌握輻射度、光度學和探測器的物理基礎l熟悉光

6、電器件特點及性能參數，能正確選用光熟悉光電器件特點及性能參數，能正確選用光電器件電器件l學會選擇和設計簡單的光電檢測電路學會選擇和設計簡單的光電檢測電路第一章：輻射度與光度學的基礎第一章：輻射度與光度學的基礎知識知識l第一節第一節 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量l第二節第二節 光度的基本物理量光度的基本物理量l第三節第三節 輻射度和光度中的基本定律輻射度和光度中的基本定律l第四節第四節 黑體輻射黑體輻射第一節第一節 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量電磁波譜電磁波譜l怎樣度量電磁輻射？怎樣度量電磁輻射？l輻射度量和光度量是度量電磁輻射的物理量輻射度量和光度量是度量電磁輻射的物理量 （正

7、如度量長度用長度單位）（正如度量長度用長度單位）l輻射度量輻射度量 l描述輻射能的描述輻射能的客觀客觀物理量（純粹的物理量）物理量（純粹的物理量）l光度量光度量l是光輻射能為是光輻射能為平均人眼平均人眼接受所引起的接受所引起的視覺刺激大小視覺刺激大小的度量（還包含的度量（還包含生理學生理學和和心理學心理學的概念）的概念）l有的近紅外近紫外的弱光你能感覺到，但別人不一定有的近紅外近紫外的弱光你能感覺到，但別人不一定能能l等功率的綠光比紅光亮等功率的綠光比紅光亮l昆蟲能感受到波長為昆蟲能感受到波長為240nm的紫外光的紫外光l輻射度量輻射度量 l輻射能輻射能Qel輻射通量輻射通量el輻照度輻照度E

8、el輻射出射度輻射出射度Mel輻射強度輻射強度Ie（方向（方向性）性）l輻射亮度輻射亮度Le（方向（方向性）性）l光度量光度量l光能光能Qvl光通量光通量vl光照度光照度Evl光出射度光出射度Mvl發光強度發光強度Ivl光亮度光亮度Lvl1.輻射能輻射能(Qe) 輻射能是以輻射形式發射、傳播或接收的輻射能是以輻射形式發射、傳播或接收的能量。單位能量。單位: 焦耳焦耳(J)。l2.輻射通量輻射通量(e) 又稱為輻射功率又稱為輻射功率 定義為某一截面上單位時間內流過的輻射定義為某一截面上單位時間內流過的輻射能能 單位單位: 瓦特瓦特(W)，焦耳，焦耳/秒秒(J/s)dQdeet l3.輻射出射度輻

9、射出射度描述面光源的發射描述面光源的發射 輻射體單位面積上（通常為向半空間）發輻射體單位面積上（通常為向半空間）發射的輻射通量，單位為射的輻射通量，單位為W/m2l4.輻射照度輻射照度描述面對輻射的接收描述面對輻射的接收 接收面單位面積上（通常為從半空間）接接收面單位面積上（通常為從半空間）接收的輻射通量，單位為收的輻射通量，單位為W/m2ddeeMSddeeESl5.輻射強度輻射強度(Ie)-描述點光源的發射描述點光源的發射 輻射強度輻射強度Ie定義為：點輻射源在給定方向上定義為：點輻射源在給定方向上單位立體角內發射的輻射通量單位立體角內發射的輻射通量 單位單位: W/srddeeIl立體角

10、定義立體角定義l曲面上面積微元曲面上面積微元ds與其矢量半徑的二次方的比值與其矢量半徑的二次方的比值d=ds/r2；l閉合球面的立體角都是閉合球面的立體角都是4。 l立體角與平面角的關系立體角與平面角的關系24 sin4a l立體角的積分立體角的積分 建立直角坐標系，建立直角坐標系， 用用()定位立體角定位立體角l推論：推論：l點輻射源各向異性，則在整個空間內輻射的通量點輻射源各向異性，則在整個空間內輻射的通量為為l點輻射源各向同性，則在有限立體角內輻射的通點輻射源各向同性，則在有限立體角內輻射的通量為量為eeI 200( , )( , )sineeeIdId d sindd d l6. 輻射

11、亮度輻射亮度-描述面光源的發射描述面光源的發射 輻射體某點處的面元在給定方向上的輻射輻射體某點處的面元在給定方向上的輻射強度，除以該面元在垂直與該方向的平面強度，除以該面元在垂直與該方向的平面上的正投影面積，單位為上的正投影面積，單位為W/sr-m22ddd cosd d coseeeILS Sl7.光譜輻射量光譜輻射量l輻射度量輻射度量：各波長輻射一起統計：各波長輻射一起統計l光譜輻射量光譜輻射量：單位波長處的輻射度，即輻射量：單位波長處的輻射度，即輻射量的光譜密度，輻射量隨波長的變化率的光譜密度，輻射量隨波長的變化率l光度量光度量：輻射度：輻射度+其視覺刺激值其視覺刺激值( )eedXXd

12、0( )eeXXd( )eedd第一章：輻射度與光度學的基礎第一章：輻射度與光度學的基礎知識知識l第一節第一節 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量l第二節第二節 光度的基本物理量光度的基本物理量l第三節第三節 輻射度和光度中的基本定律輻射度和光度中的基本定律l第四節第四節 黑體輻射黑體輻射l輻射度量輻射度量 l輻射能輻射能Qel輻射通量輻射通量el輻照度輻照度Eel輻射出射度輻射出射度Mel輻射強度輻射強度Ie（方向（方向性）性）l輻射亮度輻射亮度Le（方向（方向性）性）l光度量光度量l光能光能Qvl光通量光通量vl光照度光照度Evl光出射度光出射度Mvl發光強度發光強度Ivl光亮度光亮度L

13、v第二節第二節 光度的基本物理量光度的基本物理量怎么評估？怎么評估？輻射度輻射度+ +其視覺刺激值其視覺刺激值l光譜光視效率（視見函數）光譜光視效率（視見函數）v() 視神經對不同波視神經對不同波長光的長光的感光靈敏感光靈敏度度不一樣（對綠不一樣（對綠光最敏感）光最敏感）不同人不同人對各種波長對各種波長光的感光靈敏度不光的感光靈敏度不一樣一樣大量人眼試驗大量人眼試驗平均相對靈敏平均相對靈敏度度光譜光視效率光譜光視效率歸一化歸一化l光度的基本物理量光度的基本物理量l光譜輻射通量光譜輻射通量to光譜光通量光譜光通量 Km為明視覺最大光譜光視效率（光功當量），為明視覺最大光譜光視效率（光功當量），表

14、示人眼對波長為表示人眼對波長為555nm光輻射產生光感覺的光輻射產生光感覺的效能。效能。Km683 lm/W l一般性的關系式：一般性的關系式：( )( )( )vmeK ( )( )( )vmeXKX 780380( )( )vmeXKXd 第一章：輻射度與光度學的基礎第一章：輻射度與光度學的基礎知識知識l第一節第一節 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量l第二節第二節 光度的基本物理量光度的基本物理量l第三節第三節 輻射度和光度中的基本定律輻射度和光度中的基本定律l第四節第四節 黑體輻射黑體輻射第三節第三節 輻射度與光度中的基本定律輻射度與光度中的基本定律1. 余弦定律：余弦定律：l 從光

15、束傳輸路徑的角度從光束傳輸路徑的角度l光束傳輸路徑上，任一表面的輻照度隨該表面光束傳輸路徑上，任一表面的輻照度隨該表面法線法線和輻射能和輻射能傳輸方向傳輸方向之間夾角的余弦而變化。之間夾角的余弦而變化。 /coscoscosESSES 相對于相對于正照面正照面，斜照面斜照面照度按斜照角度的余弦照度按斜照角度的余弦減小減小習題習題1l如圖所示，求輻射強度為如圖所示，求輻射強度為I的點光源下的點光源下A點點處的輻照度處的輻照度解：根據余弦定律有：解：根據余弦定律有：22coscoscoscoscosnnnnnndI dEEiiidAdAdAIIiidARR 強度標準燈也是照度標準燈強度標準燈也是照

16、度標準燈2nIER 照度距離平照度距離平方反比方反比科科1 1l從漫反射角度，也叫朗伯余弦定律從漫反射角度，也叫朗伯余弦定律l朗伯表面（余弦輻射體）：在任何發射方向上朗伯表面（余弦輻射體）：在任何發射方向上輻亮度不變輻亮度不變的表面的表面(太陽、白墻、白紙、毛玻璃、太陽、白墻、白紙、毛玻璃、黑體、平面狀鎢燈黑體、平面狀鎢燈 )l朗伯表面在某方向上的輻射強度隨該方向和表朗伯表面在某方向上的輻射強度隨該方向和表面法線之間的夾角的余弦而變化。面法線之間的夾角的余弦而變化。 斜射強度按斜射角度的余弦減小斜射強度按斜射角度的余弦減小00cosLLIIdAdA I0 I cosoII習題習題2l如圖所示，

17、求亮度為如圖所示，求亮度為L的朗伯面元對張角為的朗伯面元對張角為a的立體角內輻射的通量的立體角內輻射的通量2222200dsddd cosd d cosdd cosd cosd cosiinns sin2aILS SLSL SL SdaLdd ddS 解：解： 軸上面元向光學系統里輻射的通量軸上面元向光學系統里輻射的通量是不是也可這樣算？是不是也可這樣算？l推論推論1：朗伯面元對半球空間輻射的通量為朗伯面元對半球空間輻射的通量為l推論推論2：朗伯面元亮度與出射度的關系為朗伯面元亮度與出射度的關系為dLdS /LM2sin2aLdS 亮度標準也是出射度標準亮度標準也是出射度標準2、距離平方反比定

18、律：、距離平方反比定律：l點光源點光源在傳輸方向上某點的輻照度和該點在傳輸方向上某點的輻照度和該點到點光源的距離平方成反比。到點光源的距離平方成反比。22SSSdI dEdSdI dIdRR 注：該定律并不要求點光源光強度各向均勻注：該定律并不要求點光源光強度各向均勻強度標準燈標定照度強度標準燈標定照度l對于擴展光源對于擴展光源l可以證明：當求距離光源表面足夠遠處的照度可以證明：當求距離光源表面足夠遠處的照度時，才能用平方反比定律而不產生明顯的誤差。時，才能用平方反比定律而不產生明顯的誤差。l2R/ L1：5 用平方反比定律誤差為用平方反比定律誤差為1l2R/ L1：15 用平方反比定律誤差為

19、用平方反比定律誤差為0.1(R為面光源半徑，為面光源半徑，L為光源與接收表面距離為光源與接收表面距離)l圓形朗伯表面對其法線上面元的輻照度圓形朗伯表面對其法線上面元的輻照度lr處環帶上面元處環帶上面元ds向向dA2發射的輻通量發射的輻通量lr處環帶向處環帶向dA2發射的輻通量、照度發射的輻通量、照度12()cosos2cdL dsdsdr rLdd dscosdLdsd222cosddEdALrdrddA對整個表面對整個表面A1進行積分進行積分2223sin22 () ()22coscosddrdrl tgd l tgl tgl 2sincosdELd 002222sincosmmEdELdR

20、LRl 322222212coscoscos( /cos )dAdAdAdrll 綜上綜上22cosLEdrrddAd朗伯面元標定照度朗伯面元標定照度、亮度守恒定律：、亮度守恒定律： 輻射傳輸路徑上無損失時，表面輻射傳輸路徑上無損失時，表面2的輻亮度的輻亮度等于表面等于表面1輻亮度，即輻亮度傳輸是守恒的。輻亮度，即輻亮度傳輸是守恒的。21211112122222;coscosdLdAddLdAd 11112222coscosL dAdL dAd 211122221122coscc sososcoLdAdAdAL dARR 12LL l推論：推論： 可證明光學系統像面輻亮度可證明光學系統像面輻亮

21、度L與物面輻亮度與物面輻亮度L之間有如下關系：之間有如下關系： n，n分別為物像空間的折射率，分別為物像空間的折射率，為光學為光學系統的透射比。系統的透射比。l一般成像系統中，一般成像系統中，nn， 1，則：，則：LLl即光學系統無助于亮度的增加。即光學系統無助于亮度的增加。2()nLLn第一章：輻射度與光度學的基礎第一章：輻射度與光度學的基礎知識知識l第一節第一節 輻射度的基本物理量輻射度的基本物理量l第二節第二節 光度的基本物理量光度的基本物理量l第三節第三節 輻射度和光度中的基本定律輻射度和光度中的基本定律l第四節第四節 黑體輻射黑體輻射第四節、黑體輻射第四節、黑體輻射l1.基爾霍夫熱輻

22、射定律基爾霍夫熱輻射定律l描述熱平衡下物體的輻射與吸收的一般規律描述熱平衡下物體的輻射與吸收的一般規律l2.普朗克定律普朗克定律l定量描述黑體光譜輻射與波長、溫度的關系定量描述黑體光譜輻射與波長、溫度的關系l3.維恩位移定律維恩位移定律l定量描述黑體光譜輻射曲線峰值波長與溫度關定量描述黑體光譜輻射曲線峰值波長與溫度關系系l4.斯蒂芬斯蒂芬玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律l定量描述黑體總輻射與溫度的關系定量描述黑體總輻射與溫度的關系l5.黑體輻射定律應用黑體輻射定律應用輻射測溫輻射測溫l6.人工黑體人工黑體黑體爐黑體爐l7.輻射度標準輻射度標準l標定照度計標定照度計l標定光譜輻射亮度標準燈標定光譜輻射亮

23、度標準燈l標定光譜輻射照度標準燈標定光譜輻射照度標準燈l8.光度標準光度標準物理學晴空中的物理學晴空中的“兩朵烏云兩朵烏云”l19世紀的最后一天，歐洲著名的科學家歡世紀的最后一天，歐洲著名的科學家歡聚一堂會上，英國著名物理學家開爾文聚一堂會上，英國著名物理學家開爾文發表了新年祝詞他在回顧物理學所取得發表了新年祝詞他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所剩只是一些修飾工作同時，他在展望剩只是一些修飾工作同時，他在展望20世紀物理學前景時，卻若有所思地講道：世紀物理學前景時，卻若有所思地講道：“動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方動力理論肯定了熱和

24、光是運動的兩種方式，現在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩式，現在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了朵烏云籠罩了l其中一朵與黑體輻射有關其中一朵與黑體輻射有關 1. 基爾霍夫熱輻射定律基爾霍夫熱輻射定律l描述熱平衡下物體的輻射與吸收的一般規律描述熱平衡下物體的輻射與吸收的一般規律l基爾霍夫熱輻射定律基爾霍夫熱輻射定律l同一熱平衡體系中，所有物體的光譜輻射同一熱平衡體系中，所有物體的光譜輻射出射度出射度與與吸收比吸收比的比值是相同的，并等于平衡體系中的的比值是相同的，并等于平衡體系中的光譜輻照度。光譜輻照度。l光譜輻射吸收比光譜輻射吸收比l定義：定義：a(,T)=Me (,T)/Ee (,T)l

25、 Me (,T)為其光譜輻射出射度為其光譜輻射出射度lEe (,T)為熱平衡溫度為熱平衡溫度T時投射到物體上的光譜輻時投射到物體上的光譜輻照度照度l根據定義：根據定義：a(,T)=Me (,T)/Ee (,T)， 又因為在一個熱平衡溫度又因為在一個熱平衡溫度T的腔中，所有物的腔中，所有物體接收的光譜輻照度體接收的光譜輻照度Ee (,T)相同相同,因此有：因此有： Ee (,T) =Me1 (,T)/ a1(,T)= Me2 (,T)/ a2(,T)=-l概念及推論概念及推論l黑體黑體：光譜輻射吸收比：光譜輻射吸收比a(,T)=1的物體。的物體。l黑體吸收所有投射到自身的輻射（無反射，透射）黑體

26、吸收所有投射到自身的輻射（無反射，透射）l黑體將吸收的輻射全部輻射黑體將吸收的輻射全部輻射l灰體灰體：光譜輻射吸收比：光譜輻射吸收比a(,T) 輻射溫度輻射溫度l普朗克定律應用普朗克定律應用單色輻射溫度計單色輻射溫度計l標定：黑體溫度標定：黑體溫度T對對應應Vl測溫：輻射計測溫：輻射計V推得推得實物表面實物表面輻射溫度輻射溫度l發射率修正，得到發射率修正，得到真實溫度真實溫度215()(1)TCTCMe22115()()5(1)(1)TCCTTCCMee實黑體黑體T輻輻射射計計VL L覆蓋覆蓋濾光片濾光片實物實物T輻輻射射計計VL L覆蓋覆蓋濾光片濾光片真實溫度真實溫度 輻射溫度輻射溫度l普朗

27、克定律應普朗克定律應用用比色輻射比色輻射溫度計溫度計l總可找到兩個波總可找到兩個波長，在這兩波長長，在這兩波長處，黑體的輻射處，黑體的輻射比值比值R與黑體與黑體T存存在一一對應關系在一一對應關系215()(1)TCTCMe122211()()5512( )/(1)(1)CCTTCCR Teel普朗克定律應普朗克定律應用用比色輻射比色輻射溫度計溫度計l測得比值測得比值r，推得，推得R值乃至值乃至T值值215()(1)TCTCMe221211112()()55212( )/( )(1)(1)CCTTCCr TR Tee實物實物比比值值r12 l1.基爾霍夫熱輻射定律基爾霍夫熱輻射定律l2.普朗克定

28、律普朗克定律l3.維恩位移定律維恩位移定律l4.斯蒂芬斯蒂芬玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律l5.黑體輻射定律應用黑體輻射定律應用輻射測溫輻射測溫l6.人工黑體人工黑體黑體爐黑體爐l7.輻射度標準輻射度標準l8.光度標準光度標準第四節、黑體輻射第四節、黑體輻射6. 人工黑體人工黑體黑體爐黑體爐l結構：結構： 目前，人造黑體最高工作溫度為目前，人造黑體最高工作溫度為3000K，實際應，實際應用多在用多在2000K以下以下。低溫黑體爐低溫黑體爐主要參數：主要參數：量程量程50C350C；發射率固定為；發射率固定為0.95；分辨；分辨率率0.1C；加熱時間：；加熱時間：30分鐘到最大溫度；冷卻分鐘到最大溫度

29、；冷卻時間：時間：40分鐘到分鐘到100C；目標直徑；目標直徑57mm中高溫黑體爐中高溫黑體爐主要參數：主要參數：溫度范圍溫度范圍 150C1200C 腔口發射率在腔口發射率在0.995以上，分辨率達到以上，分辨率達到0.1C、高精、高精度黑體則達到度黑體則達到0.01C；7.輻射度標準輻射度標準l標定照度計標定照度計l標定光譜輻射亮度標準燈標定光譜輻射亮度標準燈l標定光譜輻射照度標準燈標定光譜輻射照度標準燈標定照度計標定照度計前面已知前面已知“圓形朗伯表面對其法線上面元的輻照度圓形朗伯表面對其法線上面元的輻照度”22202sincosmRELdLRl 222sARELLll當距離當距離l l

30、相對光闌半徑足夠大時：相對光闌半徑足夠大時：黑體黑體照度計照度計探頭探頭ASl黑體黑體照度計照度計探頭探頭ASl根據斯蒂芬根據斯蒂芬玻耳茲曼定律，黑體的輻射亮度玻耳茲曼定律，黑體的輻射亮度 L Le e = T= T4 4/對于發射率為對于發射率為實際的人工黑體實際的人工黑體, ,其輻射亮度為：其輻射亮度為： L L = T= T4 4/所以，探頭上的照度為：所以，探頭上的照度為：42sAETl222sARELLlll標定光譜輻射亮度標準燈標定光譜輻射亮度標準燈 根據普朗克定律，可以算出黑體輻射亮度根據普朗克定律，可以算出黑體輻射亮度的光譜密度的光譜密度 因而黑體可作為光譜輻射亮度標準因而黑體可作為光譜