第1章1.1,1.2_图文

光电器件与系统

武汉大学电子信息学院 郧建平

2012光电大赛题目
1、基于光电导航的无人驾驶智能车 2、激光反射法音频声源定位与语音内容解析

第 1 章

光电技术基础

光电技术 是由光学技术和电子技术相结合而形成
的一门技术。 是研究“光子”与物质中“电子” 相互作用的一门科学;它以光学和电子学为基础, 综合利用光学、电子学、精密机械、仪器仪表、材 料科学、控制科学和计算机技术解决各种工程应用 课题的技术学科。 主要内容是利用光电结合的原理和方法,实现 信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处 理和重现等。

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=hv/c 与 E=hv 。 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。

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 ~ 0.78 μm的光才能引起人眼的视觉 感,称为可见光。
红外 可见光 紫外
电磁波 远红外 近红外
6

X射线
15

Γ射线

f /Hz 10 24

10 3 10

10 9 1012

10

1018

1021

图1-1 电磁辐射光谱的分布

电磁波谱

电磁波谱图

8

检测的基本概念
定 义: 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作。 被测对象: 宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体 ……)

被测信息: 物理量(光、电、力、热、磁、声、…)
化学量(PH、成份…)

生物量(酶、葡萄糖、…) …… 全部操作: 检测器具:传感器、检测仪器、检测装置、检 测系统。 检测过程: 信号采集、信号处理、信号显示、 信号输出。

例:空调机测量控制室温

被测对象: 室内空气 被测信息: 温度 检测器具: 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程:空气 ?热敏电阻 ?电信号 ? 处理 ?显示

空调机

直接测量:对仪表读数不经任何运算,直接得出被 测量的数值。例如: 长度:直尺、游标卡尺、千分尺 电压:万用表 质量:天平 间接测量:测量几个与被测量相关的物理量,通过 函数关系式计算出被测量。例如: 电功率:P = I V(电流/电压) 重力加速度:单摆测量 (L:摆的线长,T:摆动的周期)
4? 2 L g? T2

光电探测器的种类
类 型 PN结 实 例
PN光电二极管(Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管(Si) 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电三极管(Si) 光电池 集成光电传感器和光电晶闸管(Si) 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管,摄像管,光电倍增管

非PN结 电子管类 其他类

色敏传感器 固体图象传感器(SI,CCD/MOS/CPD型) 位置检测用元件(PSD)

光电检测器件
光子器件
真空器件
? 光电管
? 光电倍增管 ? 真空摄像管

热电器件

固体器件
? 光敏电阻 ? 光电池 ? 光电二极管 ? 光电三极管 ? 光纤传感器 ? 电荷耦合器件 CCD ? 热电偶/热电堆 ? 热辐射计/热敏 电阻 ? 热释电探测器

? 变像管
? 像增强管

光电检测系统
光电检测技术以光电器件为基础,对载 有被检测物体信号的光辐射(发射、反射、 散射、衍射、折射、透射等)进行检测,即 通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信 号进行处理。 由输入电路、放大滤波等检测电路提取 有用的信息,再经过A/D变换接口输入微型 计算机运算、处理,最后显示或打印输出所 需检测物体的几何量或物理量。

光 源

光 学 系 统

被 测 对 象

光 学 变 换

光 电 传 感

变 换 电 路

电 信 号 处 理











光学变换

电路处理

光电技术的发展史
19 世纪 70 年代到 1960 年以前,光学与电子学仍是两门 独立的学科。 1960 年,美国梅曼成功研制第一台激光器-红宝石激光 器,引起连锁反应。 1961年,第一台激光测距机问世, 随后各种激光武器相 继研 制成功。 20 世纪70 年代,低损耗的光纤、半导体激光器的成熟、 CCD 问世,导致光信息技术蓬勃发展。 20世纪80年代,对量子阱材料等其他材料的深入研究,导 致一些新的光电子器件的产生与应用。 20世纪90年代,光电子技术在通信领域和光存储方面取得 了极大成功。

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 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐(射)能, 用符号Qe表示,其计量单位为焦耳(J)。光能是光通量在 可见光范围内对时间的积分,以 Qv表示,其计量单位为流 明秒(lm· s)。 2. 辐(射)通量和光通量 辐(射)通量或辐(射)功率是以辐射形式发射、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,以符号Φe表示, 其计量单位为瓦(W),即
Φe ? dQe dt

(1-1)

Φe ?

Qe t

(1-2)

对可见光,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Φ v,即
dQv Φv ? dt

(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
Qv Φv ? t

(1-4)

Φ v的计量单位为流(明)(lm)。
显然,辐(射)通量对时间的积分称为辐(射)能, 而光通量对时间的积分称为光能。

3.辐(射)出(射)度和光出(射)度 对有限大小面积A的面光源,表面某点处的面 元向半球面空间内发射的辐通量dΦe 与该面元面积 dA之比,定义为辐(射)出(射)度Me,即
dΦe Me ? dA

(1-5)

Me的计量单位是瓦(特)每平方米[W/m2]。面光 源A向半球面空间内发射的总辐通量为
Φe ? ?( A) M e dA

(1-6)

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 为光出(射)度Mv,即
Mv ? dΦν dA

(1-7)

其计量单位为勒(克司)[lx]或[lm/m2]。对均匀发射 辐射的面光源有
Mv ? Φv A

(1-8)

面光源向半球面空间发射的总光通量为
Φv ? ?( A) M v dA

(1-9)

4. 辐(射)强度和发光强度 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
Ie ? dΦe dΩ

(1-10)

辐(射)强度的计量单位为瓦(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
Φe ? ?Ω IedΩ
4?

(1-11)
(1-12)

各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为
Φe ? I e ?0 dΩ ? 4πI e

对可见光,类似定义发光强度为
Iv ? dΦv dΩ

(1-13)

对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为
Φv ? ?Ω I v dΩ

(1-14)

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540×1012 Hz 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cd。 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ΦV=4πI V=12.566 (lm)。

5. 辐(射)亮度和亮度
光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面 元在垂直于给定方向平面上的正投影面积,称为辐射亮度Le
dI e d 2Φe Le ? ? dA cos ? dΩdA cos ?

(1-15)

式中,θ为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量 单位为瓦(特)每球面度平方米[W/(sr· 2)] 。 m 对可见光,亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元在给定 方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影 面积,即
dI v d 2Φv Lv ? ? dA cos ? dΩdA cos ?

(1-16)

Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]。

2.2.1 辐射度量

立体角
立体角Ω是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时的 发散或会聚的角度,定义为:以锥体的基点为球心作一球表面,锥体 在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比 。

d S r 2 sin ? d ? d ? d? ? 2 ? ? sin ? d ? d ? 2 r r
式中,?为天顶角;?为方位角;d? d?分别为其增量。立体角的单位 是球面度(sr)
d?

ds
d? o d?

r

24

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,且由式(1-15)、(1-16)表示 的光源。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。
余弦辐射体表面面元 dA处向半球面空间发射 的通量为
dΦ ? ?? L cos?dAdΩ ? LdA? d? ? 2 sin ? cos?d? ? πLdA
? ?0 ? ?0
2π π

式中, dΩ ? sin?d?d? 。

余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为
Me Le ? π

(1-17)

Mv Lv ? π

(1-18)

6. 辐(射)效率与发光效率
光源发射的总辐射通量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。
?e ?
?v ?
Φe ?100 0 0 P
Φv ? 100 % P

(无量纲)
(计量单位lm· -1) W

(1-19) (1-20)

对限定在波长λ1~λ2范围内的辐效率
?e?? ?

??1 Φe? d? ?100 0
P

?2

0

(1-21)

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。

1.1.2

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。 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
dΦe Ee ? dA

(1-22)

Ee 的计量单位是(W/m2)。

若辐通量是均匀地照射在物体表面上, 则式(1-22)简化为
Φe Ee ? A

(1-23)

注意不要把辐照度 Ee 与辐出度Me 混淆起 被测物 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 重叠部分 CCD2 光学系统2 射的角度来定义的。

反射体:本身不辐射,接收辐射后吸收一部分并 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) 与反射体接收的光谱辐照 度Ee(λ)的关系为

M er (? ) ? ?e (? ) Ee (? )

(1-24)

ρe(λ)为辐射度光谱反射比,是波长的函数。 对上式的波长积分,得到反射体的辐出度
M e ? ? ?e (? )Eed?

(1-25)

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
dΦv Ev ? dA
Φv Ev ? A

(1-26)

Ev的计量单位是勒克司(lx)。对接收光的反射体 同样有
M v (? ) ? ? v (? ) Ev (? )
M v ? ? ?v (? )Evd?

(1-27)
(1-28)

ρ v(λ)为光度光谱反射比,是波长的函数。

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
H e ? ?0 Ee dt
t

(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,可简化为
H e ? Eet

(1-30)

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
H v ? ?0 Ev dt
t

(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,上式可简

化为

H v ? Ev t

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 光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长 分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为 辐射量的光谱密度Xe,λ ,简称为光谱辐射量,即
X e ,? ? dX e d?

(1-32)

式中,通用符号Xe,λ 是波长的函数,代表所有的光 谱辐射量,如光谱辐射通量Φ e,λ 、光谱辐射出度 Me,λ 、光谱辐射强度Ie,λ 、光谱辐射亮度Le,λ 、光谱 辐照度Ee,λ 等。

2.2.2 光度量
光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。表2-3列出了基 本光度量的名称、符号、定义方程及单位、单位符号。

无量纲

35

同样,以符号 Xv,λ 表示光源在可见光区单位波 长范围内发射的光度量称为光度量的光谱密度,简 称为光谱光度量,即
X v ,? dX v ? d?

(1-33)

Xv,λ 代表光谱光通量Φ v,λ 、光谱光出射度Mv,λ 、光谱

发光强度Iv,λ 和光谱光照度Ev,λ 等。
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。

相对光谱辐射量:绝对光谱辐射分布曲线任一波长 λ 处的 Xe,λ 值除以峰值波长λ
max

处的光谱辐射量

最大值 Xe,λ

max

的商 Xe,λ r。即
X e ,?

X e?r ?

X e,? max

(1-34)

相对光谱辐射分布:相对光谱辐射量 Xeλ r 与波长λ 的关系。
光源在波长λ 1~λ
?Φe ? ?? Φe ,? d?
1

2

范围内发射的辐射通量 (1-35)

?2

若积分区间从λ

1

=0到λ 2→∞ ,得到光源发出的
?

所有波长的总辐射通量
Φe ? ? Φe,? d? ? Φe,? max ? Φe,?r d?
0 0 ?

(1-36)

光源在波长λ 1 ~λ 2 之间的辐通量Δ Φ e与总辐 通量Φ e 之比称为该光源的比辐射 qe,即

??1 Φe,? d? qe ? ? ?0 Φe,? d?
式中,qe 没有量纲。

?2

(1-37)

1.2.2

量子流速率

? ? d?

光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的 总和。光源在给定波长λ ~λ +dλ范围内发射的辐射 通量 dΦ e 除以该波长λ 的光子能量 hv,得到光源 在该波长λ 处每秒钟发射的光子数,称为光谱量子 流速率dNe,λ,即
dN e ,? dΦe Φe ,? d? ? ? hv hv

(1-38)

光源在波长λ 为 0→∞范围内发射的总量子流速率
N e ? ?0
?

Φe ,? d? Φe ,? max ? hv hc

?

?

0

Φe ,?r ?d?

(1-39)

对可见光区域,光源每秒发射的总光子数
Φe , ? N v ? ?0.38 ?d? hc
0.78

(1-40)

量子流速率 Ne 或 Nv 的计量单位为辐射元的 光子数每秒[1/s]。

2014-1-3

42

南京农业大学 生命科学学院


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