光电系统设计第三章.pptVIP

第三章 光电测量与传感器 3.1 光辐射的度量 3.1.1辐射量 （1）辐射能Qe 辐射能是一种以辐射形式发射、传播或接收的能量，单位是J。 当辐射被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等。 （2）辐射通量Φe 辐射通量又称辐射功率： 3.1.1 辐射量 （3）辐射强度Ie 在给定方向上单位立体角内离开辐射源或辐射面元的辐射通量 （4）辐射出射度Me 面辐射源单位表面积发射的辐射通量 3.1.1 辐射量 （5）辐射照度Ee 接收面上单位面积所照射的辐射通量 （6）辐射亮度Le 辐射源表面一点处面元在给定方向上的单位截面的辐射强度 3.1.1 辐射量 （7）光谱辐射量 前述6个辐射量随波长的变化率，称为相应的光谱辐射量 光谱辐射能量：Qe (λ)=dQe/dλ，单位J·m-1 光谱辐射通量： Φ e (λ)= dΦe/dλ，单位W·m-1 光谱辐射出射度： Me (λ)= dMe/dλ，单位W·m-3 光谱辐射强度： Ie (λ)= dIe/dλ，单位W·sr-1·m-1 光谱辐射照度： Ee (λ)= dEe/dλ，单位W·m-3 光谱辐射亮度： Le (λ)= dLe/dλ，单位W·sr-1·m-3 3.1.2 光度量 辐射度量是用客观的物理量来描述辐射，而光度量则是用人眼视觉来评定。光度量中最基本的单位是发光强度的单位——坎德拉(cd) （1）光能Qv，单位lm·s （2）光通量Φv，单位lm （3）光照度Ev，单位lx=lm·m-2 （4）光出射度Mv，单位lm·m-2 （5）发光强度Iv，单位cd= lm·sr-1 （6）光亮度Lv，单位cd·m-2 3.1.3 光和辐射的联系量 (1)光视效能k和光谱光视效能k(λ) k=Φv/Φe k(λ)= Φv(λ )/Φe (λ ) 最大光谱光视效能是频率为540×1012Hz 的单色辐射的光谱光视效能，其值为： km=683 lm·W-1 (2)光谱光视效率V(λ) V(λ)= k(λ)/km 3.1.4 光辐射基本定律和公式 （1）朗伯定律 理想的漫射发光或漫反射面，在某方向上的辐射强度同该方向与表面法线夹角呈余弦函数关系，若发光面法线方向的发光强度为I0 ,则与法线夹角为θ的方向的发光强度为：Iθ = I0 cosθ （2）布给定律 被照射面上的照度E同垂直照明时照度E0的关系是： E = E0 cosθ （3）平方反比定律 由点光源形成的照度，与该光源在一定方向上的发光强度成正比，而与被照面到点光源的距离平方成反比。即E = I/l2 （4）亮度守恒定律 光辐射能在同种传输介质中没有损失时，表面2的亮度和表面1的亮度是相等的。 （4）亮度守恒定律 光辐射能在两种介质边界面上没有吸收、反射等损失时，则在两种介质里的亮度满足关系： 在一般成像光学系统中，像面亮度L’与物体亮度L有如下关系： L’ =τ(n’/n)2L 式中n，n’——物、像空间折射率； τ——光学系统的透过率 （5）普朗克定律 黑体的光谱辐射出射度同波长λ、绝对温度T之间的关系式： 式中：c——光速；k——玻尔兹曼常数；h——普朗克常数。 （6）维恩位移定律 黑体的峰值辐射波长λm随辐射体绝对温度T 的变化呈反比关系： λm T=2897.8 μm·K （7）斯特芬——玻尔兹曼定律 黑体辐射全部波长成分的总辐射出射度与黑体的绝对温度的四次方成正比。即： MeB(T)=σT4 式中σ=5.67×10-8W·m-2·K-4，称为斯特芬——玻尔兹曼常数。 3.1.3 光辐射测量仪器 （1）光度计 光度计是用于比较两个光源光度特性的仪器，一般分为目视和非目视两类。 （2）积分球 （3）照度计 （4）辐射计 辐射计——测量某一波长或一定波长范围的光辐射功率或能量的仪器。 辐射计探头种类： 光电二极管，用于一般辐射测量； 光电倍增管，用于极微弱辐射测量； 热电偶，光谱响应范围较宽且平坦，灵敏度低，主要在实验室作校准仪器用； 热释电探测器，性能与用途与热电偶类似。 常用光电探测头相对光谱灵敏度及运放电路 （5）光谱辐射计 用途：测量辐射光谱光度、色度。 3.2 光辐射源 按发光机理，光电检测系统中的光源分为： 热辐射光源：太阳；白炽灯；黑体辐射。 气体放电光源：汞灯；荧光灯；钠灯；氙灯；金属卤化物灯；氘灯；空心阴极灯。 固体发光光源：场致发光灯；发光二极管。 激光器：气体激光器；固体激光器；染料激光器；半导体激光器。 3.2.1 光源的基