光电技术第1讲-光电技术基础

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1、第一讲光电技术基础1、光电技术简介光电技术是信息科学的一个分支。将传统光学技术、现代微电子技术及计算机技术紧密结合，成为获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。电子技术中的许多手段，如调制解调、放大与振荡、倍频、和频、差频等技术，移植到光频段，产生光频段的电子技术。该技术使人类大扩展了自身的视觉能力，使视觉的长波限延伸到毫米波，短波限延伸至紫外、X射线、γ射线，乃至高能粒子，并在飞秒时间量级上记录超快速现象（如核反应、航空发射）的变化过程。光电技术已渗透到国民经济的各个领域：如半导体激光器高分辨力的CCD摄像器件红外成

2、像技术等2、本课程的具体安排1、全书共分11章：光电技术基础及光电器件（1-6）和光电信息变换技术（7）、图像信息的光电变换（8）、光电信号数据采集与接口（9）、典型应用（10）、光电技术的新进展（11）；2、本课程为考试课，闭卷。3、本学期共计16周，就是有16次课程，具体分配如下：技术基础——10讲完成（包括习题课），应用技术——5讲完成，余下一周考试。3、光电技术基础光电信息变换技术要讨论各种光电敏感器件，对光电敏感器件的性能评估和应用说明离不开光的度量及光电技术的基本理论。主要内容：热辐射基本定律、光与物质作用的

3、光电效应光辐射基础光具有波粒二象性，光是以电磁波形式传播的粒子几何光学根据光的波动性研究了折射、反射规律，得到了光传播、光成像、成像系统和成像系统像差等结论；而物理光学在光的波动性基础上，研究了光干涉、光衍射等现象，为各种光谱仪器、全息摄影技术奠定了理论基础。光的本质是物质，具有粒子性，称为光量子或光子。光子具有动量和能量，分别表示为：式中：h=6.26×10E（-34）J·s，普朗克常数v是光的振动频率（1/s）c=3×10E(8)m/sSpectrumofelectromagnetic(orHertzian)wave

4、光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，包括波长区域从几nm到几mm。可见光仅仅为0.38-0.78μm。光电敏感器件的光谱响应范围远远超出人眼的视觉范围，从X光到红外辐射甚至远红外、毫米波范围。特种材料热电器件具有超过厘米波的范围，即人可以借助各种光电器件对整个光辐射波谱频段内的光信息进行光电变换。而人们常说的“光”一般指的是可见光，即能对人眼刺激而产生“光亮”的电磁辐射。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，而不同色光的波长如表2-1所示。紫外光波段在100一380nm之间，而10一1OOn

5、m之间波段称X光。红外波段波长一般用μm表示，约在0·78一10OOμm之间。通常又分为近红外、中红外和远红外三部分。可见光波长表光度学是研究光度测量的一门科学，而光度学量是电磁辐射能引起人眼刺激大小的度量，它在物理量上与电磁辐射的辐射度量是类似的。对其它波段的辐射测量称为辐射度测量。在光电系统中能产生光辐射的系统称为光源，它的质量好坏对光电系统测量精度有很大影响。光度学的基本物理量光具有波动性和粒子性。光的波动性可以圆满地解释光的干涉、衍射和偏振等现象，光的粒子性可以圆满的解释物质相互作用的光电效应。按照光的粒子性，认

6、为光由光子组成，每个光子的能量为:式中，h是普朗克常数；c是光速；ν是光的频率;λ是光的波长式(1)表明，每个光子的能量仅与光频率有关光量(光谱光能Qv)光量是指光的能量，它是与辐射能Q相对应的物理量。光量的单位是流明·秒(lm·s)，而辐射能的单位是焦耳(J)，光量是光通量Φv对时间的积分(1)(2-2)光通量(Φv)光通量又称为光功率，单位为流明(lm)，它与电磁辐射的辐射通量Φe相对应，而Φe的单位是瓦(W)。光通量与辐射通量之间的关系可以用下式来表示:式中，V(λ)是视见函数，其特征如图2-1所示;Km是光功当量

7、，它表示人眼在明视条件下，在波长为555m时，光辐射所产生的光感觉效能，按照国际温标IITS-68理论计算值Km=6831m/W。同样，对其他光度量与辐射量之间的计算也可用类似关系。光通量与光度量中的基本单位发光强度Iv之间的关系为:(2-3)即光通量是发光强度为Iv的光源在单位立体角内的辐射通量。若光源在所有方向上的发光强度都相同，则光源在立体角Ω内的辐射光通量Φv=IvΩ，那么在所有方向发射的光通量(2-4)光强度(Iv)光强度定义为:点辐射源在给定方向上的单位立体角内辐射的光通量，如图2-2所示。发光强度:(2-5

8、)单位为坎德拉lm/Sr=candela=cd即(cd)。1坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内发出1流明的光通量。光亮度(Lv)光源上某点处的面元(ds)在给定方向的光强度dIv，那么光亮度Lv定义为:光强度dIv与面元ds在垂直于发光强度方向平面上的投影面积之比，即光亮度的单位为:cd/m2或者lm/sr·m2(