第2章-光电检测技术基础

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第2章 光电检测技术基础 为了描述光源的光通量与辐射通量的关系，通常引入光视 效能Ｋ，其定义为目视引起刺激的光通量与光源发出的辐射 通量之比，单位为lm/W。 它度量了同样的辐射功率下人眼 的不同亮度感觉。 K m V ( ) e ( )d V 0 K K mV e e ( )d
问题：如何度量光的特性呢？
请看演示
第2章 光电检测技术基础
问题：如何度量光的特性呢？
某液晶显示器的参数： 对比度：350:1 亮度：250cd/m2 ? 响应时间 1ms 分辨率 1024*768 可视角度 -170°- 170° 40瓦的白炽灯泡的光通量为340流明（lm） ? 40瓦的日光灯的光通量为1100流明（lm） ? Lm是什么意思，白炽灯与日光灯为什么不一样？
立体角 （steradian）
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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 dS r
2

r sin d d r
2
sin d d
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)
2.2.3 朗伯辐射体（Lambertian）及其辐射特性
对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即 辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯辐射体。
1. 朗伯余弦定律（Lambert's cosine law）
按照朗伯辐射体亮度不随角度 变化的定义，得
L I0 dA I d A co s
L
E

第2章 光电检测技术基础
问题
• 前面我们介绍了光源的度量，探测器的性能又是 如何度量的呢？
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第2章 光电检测技术基础
2.3 光电检测器件的特性参量
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(1) 外光电效应(external photoelectric effect)：当光子入射到探 测器阴极表面(一般是金属或金属氧化物)时，探测器把吸收的入 射光子能量(h=hc/)转换成自由电子的动能，当电子动能大于电 子从材料表面逸出所需的能量时，自由电子逸出探测器表面，在 外电场的作用下，形成了流向阳极的电子流，在外电路产生光电 流。
2. 在可见光范围内，光度量与辐射度量以一条曲线联系起来。
什么样的曲线？
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人眼对不同波长的光的敏感程度是不一样的（即便 它们的辐射（光）功率相同）
http://knol.google.com/k/light-and-vision#
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2.2.2 光度量 (Photometry)
0
常见光源的光视效能 光视效能(lm/W) 光源类型 钨丝灯(真空) 钨丝灯(充气) 石英卤钨灯 气体放电管 8~9.2 9.2~21 30 16~30 日光灯 高压水银灯 超高压水银灯 钠光灯 27~41 34~45 40~47.5 60 光源类型 光视效能(lm/W)
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第2章 光电检测技术基础
第2章 光电检测技Байду номын сангаас基础
各种环境照度值：单位lux ? • 黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；阴天室 内：5—50；阴天室外：50—500；晴天室内： 100—1000；阅读书刊时所需的照度：50—60； 家用摄像机标准照度：1400。 上述参数代表什么意思？
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•真空中速度约为每秒30万公里。
•无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ 射线 都是电磁波。差别仅在于波长。
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2.1电磁波的性质与电磁波谱
何谓电磁波谱：
为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频 率的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱。
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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。
Luminous energy Luminous flux Luminous intensity Luminance Luminous emittance Illuminance Luminous efficacy
y
θ dA
r dS

x
z
平面角（弧度）
立体角（球面度）
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第2章 光电检测技术基础 辐射强度（I）：定义为在给定传输方向上的单位立体角内光 源发出的辐射通量，即
I d d
大多数光源向空间各方向的 辐射强度是不均匀的。辐射 强度描述了光源在空间某个 方向上发射辐射通量的大小 和分布。
钨丝白炽灯发光强度 的空间分布
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照度计原理
光辐射探测器放在待测平面，光照引起探测器的光电流，放大后通 过仪表或数字读出。对于标定过的照度计，读出的数据代表了所测 平面的照度值。 照度计的基本结构是光电测量头及其示数装置。
问题：漫射光器、减光器、校正滤光片各起什么作用？
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照度计原理
问题：漫射光器、减光器、校正滤光片各起什么作用？ 漫射光器：将入射光改为漫射光，防止菲涅耳反射, 造成测量不准 减光器：防止探测器饱和,增大量程 。 校正滤光片：校正探测器的光谱响应，与视见函数V()一致。
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图中杆状细胞和锥状细胞敏感度曲线为何有这么大 差别？
明视觉：峰值出现波长为555nm,峰值683 lm/W
暗视觉：峰值出现波长为507nm,峰值1725 lm/W
结论：杆状细胞比锥状细胞更敏感
问题：曲线是如何测量出来的？
http://knol.google.com/k/light-and-vision#
P ds
dS
L
z

x
朗伯体辐射空间坐标
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对于处在辐射场中反射率为 的朗伯漫反射体( =1为理 想漫反射体)，不论辐射从何方向入射，它除吸收(1- )的 入射辐射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。 因此，反射表面单位面积发射的辐射通量等于入射到表面 单位面积上辐射通量(辐照度E)的倍。即M=E，故
V ( ) K mV ( ) e ( )
为什么不一样？ 明视觉，视网膜锥状细胞cone cell 暗视觉，视网膜杆状细胞rod cell 哪种多些？ 杆状细胞
http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/vision_background.php
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辐射度量（Radiometry）
辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量， 单位焦耳(J）
例：地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上每分钟太阳辐射能 48000J。
辐射密度(w) ：定义为单位体积元内的辐射能，即
w dQ dv
辐射通量(Φ,P):定义为以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用 以描述辐能的时间特性。又称辐射功率。
关于CIE“平均人眼”的具体标准的讨论
• 问题：国际照明委员会所定义的“平 均人眼”是怎么确定的？视见函数是 如何获取的？ • 侯擎昊、茹锋同学做过调研 • 欢迎侯擎昊同学讲解自己的调研结果
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2.2.2 光度量 (Photometry)
什么是光度量？ Photometry is the science of the measurement of light, in terms of its perceived brightness to the human eye. 光度量学是以人眼感知的亮度来测量光的科学。 光度量与辐射度量有何区别？ 1. 光度量仅限于可见光，红外和紫外人眼根本看不见，无法采用光度 量。辐射度量是绝对度量，度量波长的范围更广（整个电磁波谱）。
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辐照度 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即
E d dA
辐照度和辐射出射度具有相同的定义方 程和单位，但却分别用来描述微面元发 射和接收辐射通量的特性。
第2章 光电检测技术基础
每周案例
• 这是什么？
照度计 测量单位面积上被照射的光通量 价格:数十元-上万元
2
sin d d
设朗伯微面元ds亮度为L，则辐射到dA上的辐射通量为
d P L cos sin dsd d
2
在半球内发射的总通量P为 按照出射度的定义得
P Lds
2 0
y
/2
d
cos sin d Lds

dA
0
r
M
dQ dt
例：某He-Ne激光器的具有的辐射通量（辐射功率）为5mW。
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辐射强度（I）：定义为在给定传输方 向上的单位立体角内光源发出的辐射 通量，即
I d d
何谓立体角？
辐射强度描述了光源辐射的方向特 性。
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第2章 光电检测技术基础
2.2 辐射度量与光度量
辐射度量与光度量
• 辐射度量（Radiometry）：能量的分布的强弱、 时间、空间等特性 • 光度量 (Photometry) ：考虑到人眼的主观感受
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辐射度量（Radiometry）
是用能量单位描述辐射能的客观物理量
• • • • •
辐射能(Q) Radiant energy,焦耳（Joule) 辐能密度 (w) Radiation density, Joule per cubic metre 辐射通量（Ф )或称辐射功率,Radiant flux, 瓦（Watt) 辐射强度（I) Radiant intensity ,Watt per steradian 辐亮度 (L)Radiaance, Watt per steradian per square metre • 辐射出射度(M) Radiant exitance, watt per square metre • 辐照度(E) Irradiance, watt per square metre
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第2章 光电检测技术基础
辐射出射度 (M)：定义为离开光源表面单位面元的辐射通量， 即 d
M dA
面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。例如，太阳表 面的辐射出射度指太阳表面单位表面积向外部空间发射的辐射 通量。
辐照度 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即
E d dA
辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但 却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。
即
I I 0 cos
即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规 定方向单位立 体角内发射(或反射)的辐射通量 和该方向与表面法线方向的夹角α的余弦成正 比——朗伯余弦定律。
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2. 朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系
极坐标对应球面上微面元dA的立体角为：
d dA r
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回顾
第一章 绪论 1.认识光电检测系统，各领域的典型应用。 2.典型光电检测系统的组成 3.光电检测系统的主要应用范围
第二章 光电检测技术基础 1.辐射度量与光度量 辐射能、辐射通量、辐射强度、辐亮度、辐照度…. 光量、光通量、发光强度、亮度、照度、视见函数
第2章 光电检测技术基础
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第2章 光电检测技术基础
辐亮度 (L)：定义为光源在垂直其辐射传输方向上 单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，即
d dA cos dA cos 辐亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作 用，是光源微面元在垂直传输方向辐强度特性的描 述
L
d
2

dI
与dA法线的 夹角
辐射亮度与辐射强度有何区别？ 前者描述面光源，后者描述点光源。 例如对白炽灯，我们只关注作为点光 源的辐射强度，对于天空辐射特性， 希望知道各个部分的辐射特性，因此 用辐亮度。
第2章 光电检测技术基础
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第2章 光电检测技术基础
本章的主要内容
2.1 电磁波的性质与电磁波谱 2.2 辐射度量与光度量基础 2.3 光电检测器件的特性参量
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第2章 光电检测技术基础
2.1电磁波的性质与电磁波谱
何谓电磁波：
•在空间传播着的交变电磁场，即电磁波 （Electromagnetic wave）。
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第2章 光电检测技术基础 光通量V和辐射通量e可通过人眼视觉特性进行转换，即
式中，Km最大光谱光视效能，V()是平均人眼光谱光视效率(或 称视见函数( luminosity function))
下图给出人眼对应明视觉(photopic )和暗视觉(scotopic )的视见函 数( luminosity function)。