光电传感器应用技术 课件 第1章 第1节.ppt

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1、光电传感器应用技术天津大学精仪学院王庆有2008年10月第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。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，

2、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。红外紫外可见光10156182191210101010101010324f/Hz图1-1电磁辐射光谱的分布X射线Γ射线近红外远红外电磁波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

3、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）Φv的计量单位为流(明)

4、（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（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（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（1-7）其计量单位为勒(克司)[lx]或[lm/m2]。对均匀发射辐

5、射的面光源有（1-8）由式（1-7），面光源向半球面空间发射的总光通量为（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）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

6、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＝12.566lm。（1-13）（1-14）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

7、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，即式中，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·m2）]。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Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。（1-15）（1-16）若Le，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式（1-15）、（1-16）表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。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

8、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由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为（1-17）（1-18）6.辐(射)效率与发光