光 电 技 术

2. 光 电 技 术

3. 第1章 光电技术基础 • 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。 • 光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p与e，式中h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光的振动频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度（3×108m·s-1）。 • 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。

4. 图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。 紫外 红外 可见光 Γ射线 远红外 电磁波 X射线 近红外 6 10 10 10 3 10 24 10 10 21 10 18 12 15 9 10 f /Hz 图1-1 电磁辐射光谱的分布

5. 1.1 光辐射的度量 1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数 1. 辐（射）能和光能 辐（射）能:以辐射形式发射、传播或接收的能量称为，符号:Qe，单位:焦耳（J）。 光能:光通量在可见光范围内对时间的积分，符号: Qv，单位:流明秒（lm·s）。 2.辐（射）通量和光通量 辐（射）通量或辐（射）功率:以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，符号:Φe表示， 单位:瓦（W），

6. 光通量:光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量Φv，即光通量:光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量Φv，即 • （1-3） • 若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则式（1-3）简化为 （1-4） • 单位:流(明)（lm）。

7. 3.辐(射)出(射)度和光出(射)度 是描述面辐射源上各面源辐射能力的物理量。 定义为辐通量dΦe与该面元面积dA之比，辐(射)出(射)度Me，即 （1-5） 单位：瓦（特）每平方米[W／m2]。 总辐通量：面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为 （1-6）

8. 光出(射)度Mv：对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dΦv、与面元面积dA之比称为，即光出(射)度Mv：对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dΦv、与面元面积dA之比称为，即 （1-7） 单位：勒(克司)[lx]或[lm/m2]。 对均匀发射辐射的面光源有 （1-8） 总光通量：面光源向半球面空间发射的为 （1-9）

9. 4.辐(射)强度和发光强度 是描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布，对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，即 单位：瓦（特）每球面度[W／sr]。 点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量为 总辐通量：各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为 （1-10） （1-11） （1-12）

10. （1-13） • 对可见光，与式（1-9）类似，定义发光强度为 对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。 发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。 由式（1-13），对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIＶ＝12.566 lm。 （1-14）

11. 5.辐(射)亮度和亮度 辐射亮度Le：垂直于辐射方向上单位面积、单位立体角发出的辐射通量，即 单位：为瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2 ）]。 亮度Lv： 单位：坎德拉每平方米[cd／m2]。 余弦辐射体或朗伯辐射体：若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关 （1-15） （1-16）

12. 黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 • 余弦辐射体表面某面元dS处向半球面空间发射的通量为 式中， 。 对上式在半球面空间内积分的结果为 光学系统 CCD2

13. （1-17） • 由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为 （1-18）

14. 6.辐(射)效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与提供的功率P之比称为发光效率ηv。它们分别为 辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。 对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率 式中,Φeλ称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。 （1-19） （1-20） （1-21）

15. 1.1.2与接收器有关的辐射度参数与光度参数 从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与接收器有关的辐射度参数与光度参数。接收光源发射辐射的接收器可以是探测器，也可以是反射辐射的反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下2种。 1.辐照度与照度 辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe除以该面元的面积dA的商，即 Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。 （1-22）

16. 若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（1-22）简化为 • 注意，不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。 (1-23) 光学系统1 被测物 重叠部分 CCD2 光学系统2

17. 本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer（λ）（r代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度Ee（λ）的关系为 • 式中,ρe（λ）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式（1-24）的波长积分，得到反射体的辐出度 • (1-25) (1-24)

18. 对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即 （1-26） Ev的计量单位是勒（克司）[lx]。 对接收光的反射体，同样有 （1-27） （1-28） 式中，ρv（λ）为光度光谱反射比，是波长的函数。

19. 2.辐照量和曝光量 辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。 照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积分称为辐照量He，即 （1-29） 辐照量He的计量单位是焦尔每平方米[J/m2]。 如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式（1-29）可简化为 （1-30）

20. 与辐照量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即与辐照量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即 （1-31） Hv的计量单位是勒（克司）秒[lx.s]。 如果面元上的光照度Ev与时间无关，式（1-31）可简化为

21. 1.2 光谱辐射分布与量子流速率 • 1.2.1 光源的光谱辐射分布参量 光谱密度Xe,λ:光源在单位波长范围内发射的辐射量，简称为光谱辐射量，即 （1-32） 光谱密集度Xv,λ:表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量，简称为光谱光度量，即 （1-33）

22. 绝对光谱辐射分布曲线:光源的辐射度参量Xe,λ随波长λ的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。绝对光谱辐射分布曲线:光源的辐射度参量Xe,λ随波长λ的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。 相对光谱辐射量: 相对光谱辐射分布曲线: 相对光谱辐射量Xe,λr与 波长λ的关系。

23. 光源在波长λ1～λ2范围内发射的辐射通量 （1-35） 若λ1 =0,λ2→∞，得光源发出的所有波长的总辐射通量 光源的比辐射qe:

24. 1.2.2 量子流速率 定义：光源在给定波长λ处, 每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,λ，即 （1-38） 光源在波长λ为0→∞范围内发射的总量子流速率 （1-39） 可见光区域，光源每秒发射的总光子数 （1-40）

25. 1.3 物体热辐射 物体通常以两种不同形式发射辐射能量。 第一种称为热辐射。第二种称为发光。 1.3.1 黑体辐射定律 1.黑体 能够在任何温度下完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为1，发射系数也为1。

26. 2.普朗克辐射定律（根据量子假说） • 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示为 • 式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为绝对温度；c为真空中的光速。 （1-40）

27. 黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为 （1-41）

28. 图中每一条曲线都有一个最大值，最大 值的位置随温度升高向短波方向移动。 随着温度升高，黑体的总辐亮度迅速增加

29. 3.斯忒藩-波尔兹曼定律（红外隐身技术） 黑体发射的总辐射出射度 ： （1-42） σ：斯特藩-波尔兹曼常数，且 Me,sT的四次方成正比

30. 红外隐身技术 在光电对抗技术中，红外隐身技术的第一要素就是如何价低 武器平台的温度，以最大限度地减少向外辐射的红外辐 射能，从而使远处光电探测器上得到的辐照度低于探测水平

31. 4. 维恩位移定律 对黑体辐出度微分，使之为“0”，可得峰值光 谱辐出度对应的λm与温度T之间的关系为： （1-43） 峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是 常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波 长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。

32. 利用维恩位移定律，可以方便的得地估算出在给定利用维恩位移定律，可以方便的得地估算出在给定 温度下黑体或近似黑体的物体在什么波段范围内辐射出射 度最多。如：太阳表面的温度约为5900K，相应的 λmax=0.49μm，这就意味着可见光波段0.49μm附近太阳 辐射的能量最多，这与人眼光谱光视效率最大值所对应的 波长0.55μm很近。在光电探测系统中，利用维恩位移定 律计算出辐射源（目标）某一温度下的峰值波长，一确定 红外探测器工作的峰值波长，实现“光谱匹配”。

33. 例1-1若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？例1-1若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？ 解（1）人体正常体的绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为

34. (μm)=9.36μm • （2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为 峰值光谱辐射出射度为 Wcm-2μm-1 =3.72 Wcm-2μm-1 （3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为 发烧时的峰值光谱辐射出射度为 =3.81Wcm-2μm-1

35. 例1-2 将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。 解标准钨丝灯的温度为TW=2856K，因此它的峰值辐射波长为 (μm) 峰值光谱辐射出射度为 =1.309×28565×10-15 =248.7Wcm-2μm-1 总辐射出射度为

36. 1.4 辐射度参数与光度参数的关系 辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内（可见光谱区）经常相互使用，它们之间存在着一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。本节将重点讨论它们的转换关系，掌握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。 光学系统 CCD2

37. 1.4.1 人眼的视觉灵敏度 • 用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555μm处的光谱辐射亮度Le,λm小于其它波长的光谱辐亮度Le,λ。把波长=0.555μm的光谱辐射亮度Le,λm被其它波长的光谱辐亮度Le,λ除得的商，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率V（λ），即 （1-54）

38. 如图1-5所示为人眼的明 视觉光谱光视效率V（λ） ，它为与波长有关的相对值。 对正常人眼的圆柱细胞， 以微弱的各种单色辐射刺 激时，发现在相同刺激程 度下，波长为处的光谱辐 射亮度Le，507nm小于其他波 长λ的光谱辐射亮度Le,λ。 把Le，507nm 与Le,λ的比值 定义为正常人眼的暗视觉 光谱光视效率，即

39. 对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为处的光谱辐射亮度Le，507nm小于其他波长λ的光谱辐射亮度Le,λ。把Le，507nm 与Le,λ的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率，即 (1-55) V`(λ）也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如图1-5中的虚线所示。

40. 1.4.2 人眼的光谱光视效能 • 无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其刺激的程度与Le,λ成正比。 • 对于明视觉，刺激程度平衡的条件为 （1-56） 式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为683lm/W。

41. （1-57） • 对于暗视觉，为 式中，K'm为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为1725lm/W。 引进，K（λ），并令 （1-58） （1-59）

42. 式中，K（λ），K`（λ）分别称为人眼的明视觉和暗视觉光谱光视效能。式中，K（λ），K`（λ）分别称为人眼的明视觉和暗视觉光谱光视效能。 由式（1-58）、（1-59），在人眼最敏感的波长λ=0.555μm，λ=0.507μm处，分别有V（λm）=1， V`（λm）=1 ，这时K（λm）= Km，K`（λm）= Km` 。 因此，Km，Km`分别称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。 根据式（1-58）和（1-59），可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。 重叠部分 CCD2

43. 例1-3已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？例1-3已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？ • 解He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（1-56）可以计算出它发出的光通量为 • Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ • =683×0.24×3×10-3 • =0.492(lm)

44. 1.4.3 辐射体光视效能 • 一个热辐射体发射的总光通量Φv与总辐射通量Φe之比，称为该辐射体的光视效能K，即 (1-60) 对发射连续光谱辐射的热辐射体，由上式及式（1-58）可得总光通量Φv为 (1-61)

45. （1-62） • 将式（1-35）、（1-61）代入式（1-60），得到 式中,V是辐射体的光视效率。 标准钨丝灯发光光谱的分布如图1-7所示，图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射 分 、光谱光视效率V（λ）和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积 ，积分 为 曲线所围的面积Al，而积分

46. 面积A2。因此，由(1-62)可得标准钨丝 灯的光视效能Kw为 lm/W 由式（1-60），已知某种辐射体的光视效能K和辐射量Xe，就能够计算出该辐射体的光度量Xv，该式是辐射体的辐射量和光度量的转换关系式。

47. 例如，对于色温为 2 856 K的标准钨丝灯其光视效能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为Φe＝100W时，其光通量为 Φv = 1710lm。 • 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。

48. 1.5 半导体对光的吸收 • 1.5.1 物质对光吸收的一般规律 光波入射到物质表面上，用透射法测定光通量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化dΦ与入射的光通量Φ和路程dx的乘积成正比，即 （1-63） 式中，α称为吸收系数。 如图1-8所示，利用初始条件x=0时，解这个微分方程，可以找到通过x路程的光通量为

49. （1-64） 可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质的吸收系数α，即 （1-65） 另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律exp(-ωμxc-1)衰减。

50. 乘积的其实数部分应是辐射通量随传播路径x的变化关系。即乘积的其实数部分应是辐射通量随传播路径x的变化关系。即 （1-66） 式中，μ称为消光系数。 由此可以得出 （1-67） 半导体的消光系数μ与入射光的波长无关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。