1、光電器件與系統(tǒng)光電器件與系統(tǒng) 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 鄖建平鄖建平2012光電大賽題目 1、基于光電導(dǎo)航的無人駕駛智能車 2、激光反射法音頻聲源定位與語音內(nèi)容解析第第 1 1 章章 光電技術(shù)基礎(chǔ)光電技術(shù)基礎(chǔ)光電技術(shù)光電技術(shù) 是由光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門技術(shù)。 主要內(nèi)容是利用光電結(jié)合的原理和方法，實(shí)現(xiàn)信息的獲取、發(fā)送、探測、傳輸、變換、存儲(chǔ)、處理和重現(xiàn)等。 光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時(shí)引起的光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)又充分證明時(shí)引起的光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)又充分證明了光的量子性。了光的量子性。 光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱光的

2、本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光子。光子具有動(dòng)量與能量，并為光量子或光子。光子具有動(dòng)量與能量，并分別表示為分別表示為 p=hv/c 與與 E=hv 。 光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性，即光是以電磁波方式傳播的粒子。性，即光是以電磁波方式傳播的粒子。紅外紫外可見光10156182191210101010101010324f/Hz圖1-1 電磁輻射光譜的分布X射線射線近紅外遠(yuǎn)紅外電磁波 電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無線電波（到無線電波（1021025Hz）的寬闊頻域。光輻射僅）的寬闊頻域。光輻射

3、僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從幾納米到幾毫米，即幾納米到幾毫米，即10-910-3m的范圍。在這個(gè)范的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只有圍內(nèi)，只有0.38 0.78 m的光才能引起人眼的視覺的光才能引起人眼的視覺感，稱為可見光。感，稱為可見光。電磁波譜8電磁波譜圖電磁波譜圖定定 義：義：被測信息：被測信息：傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)。測系統(tǒng)。全部操作：全部操作：檢測過程：檢測過程：確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作。確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作。信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)顯示、信號(hào)采集、信

4、號(hào)處理、信號(hào)顯示、信號(hào)輸出。信號(hào)輸出。物理量（光、電、力、熱、磁、聲、物理量（光、電、力、熱、磁、聲、）被測對象：被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動(dòng)物、植物、天體宇宙萬物（固液氣體、動(dòng)物、植物、天體 ）檢測器具：檢測器具：化學(xué)量（化學(xué)量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） 例：空調(diào)機(jī)測量控制室溫例：空調(diào)機(jī)測量控制室溫空氣空氣被測對象：被測對象：被測信息：被測信息：檢測器具：檢測器具：操作過程：操作過程：室內(nèi)空氣室內(nèi)空氣溫度溫度溫度傳感器溫度傳感器 - 熱電阻、熱電偶熱電阻、熱電偶熱敏電阻熱敏電阻電信號(hào)電信號(hào) 處理處理 顯示顯示空調(diào)機(jī)空調(diào)機(jī)直接測量：直接測量：對儀表讀數(shù)不

5、經(jīng)任何運(yùn)算，直接得出被對儀表讀數(shù)不經(jīng)任何運(yùn)算，直接得出被測量的數(shù)值。例如：測量的數(shù)值。例如： 長度：直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺長度：直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺 電壓：萬用表電壓：萬用表 質(zhì)量：天平質(zhì)量：天平間接測量：間接測量：測量幾個(gè)與被測量相關(guān)的物理量，通過測量幾個(gè)與被測量相關(guān)的物理量，通過函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出被測量。例如：函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出被測量。例如： 電功率：電功率：P = I VP = I V（電流（電流/ /電壓）電壓） 重力加速度：單擺測量重力加速度：單擺測量（L L：擺的線長，：擺的線長，T T：擺動(dòng)的周期）：擺動(dòng)的周期）224TLg色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）

6、位置檢測用元件（PSD）其他類光電管，攝像管，光電倍增管電子管類光電元件(CdS, CdSe, Se, PbS)熱電元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)非PN結(jié)PN光電二極管（Si,Ge, GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si, Ge)光電三極管(Si)光電池集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)PN結(jié)實(shí) 例類 型光電檢測器件光電檢測器件光子器件光子器件熱電器件熱電器件真空器件真空器件固體器件固體器件光電管光電管光電倍增管光電倍增管真空攝像管真空攝像管變像管變像管像增強(qiáng)管像增強(qiáng)管光敏電阻光敏電阻光電池光電池光電二極管光電二極管光電三極管光電三極管光纖傳感器光纖傳感器電荷

7、耦合器件電荷耦合器件CCDCCD熱電偶熱電偶/ /熱電堆熱電堆熱輻射計(jì)熱輻射計(jì)/ /熱敏熱敏電阻電阻熱釋電探測器熱釋電探測器 光電檢測技術(shù)以光電器件為基礎(chǔ)，對載有被檢測物體信號(hào)的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理。 由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。 變 換 電 路 光 電 傳 感 光 源 光 學(xué) 系 統(tǒng) 被 測 對 象 光 學(xué) 變 換 電 信 號(hào) 處 理存 儲(chǔ)顯 示控 制光學(xué)變換電路處理19 世紀(jì)世紀(jì) 70 年代到年

8、代到 1960 年以前，光學(xué)與電子學(xué)仍是兩門年以前，光學(xué)與電子學(xué)仍是兩門 獨(dú)立的學(xué)科。獨(dú)立的學(xué)科。1960 年，美國梅曼成功研制第一臺(tái)激光器紅寶石激光年，美國梅曼成功研制第一臺(tái)激光器紅寶石激光 器，引起連鎖反應(yīng)。器，引起連鎖反應(yīng)。1961年，第一臺(tái)激光測距機(jī)問世，年，第一臺(tái)激光測距機(jī)問世， 隨后各種激光武器相隨后各種激光武器相 繼研繼研 制成功。制成功。20 世紀(jì)世紀(jì)70 年代，低損耗的光纖、半導(dǎo)體激光器的成熟、年代，低損耗的光纖、半導(dǎo)體激光器的成熟、 CCD 問世，導(dǎo)致光信息技術(shù)蓬勃發(fā)展。問世，導(dǎo)致光信息技術(shù)蓬勃發(fā)展。20世紀(jì)世紀(jì)80年代，對量子阱材料等其他材料的深入研究，導(dǎo)年代，對量子阱材

9、料等其他材料的深入研究，導(dǎo)致一些新的光電子器件的產(chǎn)生與應(yīng)用。致一些新的光電子器件的產(chǎn)生與應(yīng)用。20世紀(jì)世紀(jì)90年代，光電子技術(shù)在通信領(lǐng)域和光存儲(chǔ)方面取得年代，光電子技術(shù)在通信領(lǐng)域和光存儲(chǔ)方面取得了極大成功。了極大成功。1.1 1.1 光輻射的度量光輻射的度量 tQddeetQee1. 輻（射）能和光能 以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻（射）能，用符號(hào)Qe表示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對時(shí)間的積分，以 Qv表示，其計(jì)量單位為流明秒(lms)。2. 輻（射）通量和光通量 輻（射）通量或輻（射）功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)

10、射、傳播或接收的輻（射）能稱為輻（射）通量，以符號(hào)e表示， 其計(jì)量單位為瓦（W），即（1-2）（1-1）1.1.1 1.1.1 與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)對可見光，光源表面在無窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接對可見光，光源表面在無窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜，光能被無窮短時(shí)間間隔收的所有可見光譜，光能被無窮短時(shí)間間隔d dt t來除，其來除，其商定義為光通量商定義為光通量v v，即，即 （1-31-3）若在若在t t時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時(shí)間改變，則時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時(shí)間改變，則式（式（1-31-3）簡化為）簡化為 （1-4

11、1-4） v v的計(jì)量單位為流的計(jì)量單位為流( (明明) )（lm）。）。 顯然，輻（射）通量對時(shí)間的積分稱為輻（射）能，顯然，輻（射）通量對時(shí)間的積分稱為輻（射）能，而光通量對時(shí)間的積分稱為光能。而光通量對時(shí)間的積分稱為光能。 tQddvvtQvvAMddee)(eedAAM3.3.輻(射)出(射)度和光出(射)度 對有限大小面積A的面光源面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量de與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即（1-5）Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米Wm2。面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為（1-6）AMvv)(vvdAAMAMddv 對于可見光，面

12、光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dv、與面元面積dA之比稱為光出(射)度Mv，即 （1-7）其計(jì)量單位為勒(克司)lx或lm/m2。對均勻發(fā)射輻射的面光源有（1-8）面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為（1-9）Iddee（1-10）Idee（1-11）40eee4dII（1-12）4. 4. 輻輻( (射射) )強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度 對對點(diǎn)光源點(diǎn)光源在給定方向的立體角元在給定方向的立體角元d內(nèi)內(nèi)發(fā)射的輻通量de，與該方向立體角元d之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦(特)每球面度 W/sr。 點(diǎn)光源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻通量為 各向同

13、性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為Iddvv（1-13）Idvv（1-14）對可見光，類似定義發(fā)光強(qiáng)度對可見光，類似定義發(fā)光強(qiáng)度為為對各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為對各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為 發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela，簡稱簡稱cd）。19791979年第十六屆國際計(jì)量大會(huì)通過決議，將坎德拉重新定義為：年第十六屆國際計(jì)量大會(huì)通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射在給定方向上能發(fā)射540540101012 12 Hz 的單色輻射源，在此方向的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定

14、義為，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)一個(gè)cdcd。 發(fā)光強(qiáng)度為發(fā)光強(qiáng)度為1cd1cd的點(diǎn)光源，向給定方向的點(diǎn)光源，向給定方向1 1球面度球面度( (sr) )內(nèi)發(fā)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為射的光通量定義為1 1流明（流明（lm）。）。發(fā)光強(qiáng)度為發(fā)光強(qiáng)度為1cd1cd的點(diǎn)光源在的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4I V12.566 (lm)。 一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。cosdddcosdde2eeAAIL（1-15）cosdddcosddv2vvAAIL（1-16）5. 5. 輻輻( (射射) )亮度和亮度亮度和亮度 光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上

15、的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le式中，式中， 為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度平方米單位為瓦（特）每球面度平方米W/(srm2) 。 對可見光，亮度對可見光，亮度L Lv v定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即面積，即L Lv v的計(jì)量單位是坎德拉每平方米的計(jì)量單位是坎德拉每平方米cdm2。24立體角立體角 立體角是描述輻射能向空

16、間發(fā)射、傳輸或被某一表面接收時(shí)的發(fā)散或會(huì)聚的角度，定義為：以錐體的基點(diǎn)為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比 。 式中，為天頂角；為方位角；d d分別為其增量。立體角的單位是球面度(sr) 222dsindddsinddSrrr dsrdddo2.2.1 輻射度量輻射度量式中，式中， 。ddsind2020ddcossinddddcosdALALAL 余弦輻射體表面面元 dA處向半球面空間發(fā)射的通量為余弦余弦輻射體輻射體或或朗伯輻射體朗伯輻射體: : 若若Le ，Lv與光源發(fā)射與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)，且由式（輻射的方向無關(guān)，且由式（1-15）、（）、（1-1

17、6）表示）表示的光源的光源。黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般。黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽等是一個(gè)近似的余弦輻射體?；蚍瓷潴w及太陽等是一個(gè)近似的余弦輻射體。eeML （1-17）vvML （1-18）余弦輻射體的Me與Le、Mv與Lv的關(guān)系為00ee100P%100vvP（1-19）（1-20）0021ee100dP（1-21）6. 輻(射)效率與發(fā)光效率 光源發(fā)射的總輻射通量光源發(fā)射的總輻射通量e 與外界提供給光源的功率與外界提供給光源的功率P之比稱為光源的輻之比稱為光源的輻(射射)效率

18、效率e；光源發(fā)射的總光通量；光源發(fā)射的總光通量v 與提與提供的功率供的功率P之比稱為發(fā)光效率之比稱為發(fā)光效率v。對限定在波長對限定在波長12范圍內(nèi)的輻效率范圍內(nèi)的輻效率（無量綱）（無量綱）（計(jì)量單位（計(jì)量單位lmW-1）式中，式中，e稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻射通量。射通量。1 1.1 1.2 2 與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù) Ee 的計(jì)量單位是（Wm2）。 AEddee（1-22） 接收光源發(fā)射輻射的接收器可以是探測器也可以是反射輻射的反射器或兩者兼有。1. 1. 輻照度與照度輻照度與照度 輻照

19、度Ee是照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量 de 除以該面元的面積dA的商，即被測物被測物光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)2CCD2重疊部分重疊部分AEee( (1-23) )注意不要把輻照度注意不要把輻照度 Ee 與輻出度與輻出度Me 混淆起混淆起來。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。來。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。射的角度來定義的。 若輻通量是均勻地照射在物體表面上，若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（則式（1-22）簡化為）簡化為 )()

20、()(eeerEM(1-24)d)(eeeEM反射體：反射體：本身不輻射，接收輻射后吸收一部分并本身不輻射，接收輻射后吸收一部分并反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻出度出度Mer() ( r 代表反射代表反射) 與反射體接收的光譜輻照與反射體接收的光譜輻照度度Ee（）的關(guān)系為的關(guān)系為e()為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。 對上式的波長積分，得到反射體的輻出度對上式的波長積分，得到反射體的輻出度(1-25)AEddvv（1-26）AEvvEv的計(jì)量單位是勒克司的計(jì)量單位是勒克司（lx）。對接收光的反射體。對接收

21、光的反射體同樣有同樣有 )()()(vvvEMd)(vvvEM（1-27）（1-28）v（）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。 對可見光，照射到物體表面某一面元的光通對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量量dv除以該面元面積除以該面元面積dA稱為光照度稱為光照度Ev，即，即 2. 2.輻照量和曝光量輻照量和曝光量 輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號(hào)常與所接收的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號(hào)常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。入射輻射能量有關(guān)。 照射到物體表面某一面元的輻照度照射到物體表面某

22、一面元的輻照度 Ee 在時(shí)間在時(shí)間t內(nèi)的積分稱為輻照量內(nèi)的積分稱為輻照量 He，即，即 ttEH0eed（1-29）輻照量輻照量He的計(jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫椎挠?jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫?J/m2。 如果面元上的輻照度如果面元上的輻照度Ee與時(shí)間無關(guān)，可簡化為與時(shí)間無關(guān)，可簡化為 tEHee（1-30） 與輻照量與輻照量He對應(yīng)的光度量是曝光量對應(yīng)的光度量是曝光量Hv，它定義，它定義為物體表面某一面元接收的光照度為物體表面某一面元接收的光照度Ev在時(shí)間在時(shí)間 t 內(nèi)的內(nèi)的積分，即積分，即ttEH0vvdHv的計(jì)量單位是勒克司的計(jì)量單位是勒克司秒秒lx s。 如果面元上的光照度如果面元上的光照度Ev與

23、時(shí)間無關(guān)，上式可簡與時(shí)間無關(guān)，上式可簡化為化為 tEHvv（1-31）1.2 光譜輻射分布與量子流速率 1.2.1 光源的光譜輻射分布參量 dde, eXX式中，通用符號(hào)Xe, 是波長的函數(shù)，代表所有的光譜輻射量，如光譜輻射通量e,、光譜輻射出度Me,、光譜輻射強(qiáng)度Ie,、光譜輻射亮度Le,、光譜輻照度Ee,等。 （1-32） 光源發(fā)射的輻射能在輻射光譜范圍內(nèi)是按波長分布的。光源在單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度Xe,，簡稱為光譜輻射量，即35 2.2.2 光度量光度量 光度量和輻射度量光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的。表2-3列出了基本光度量的名稱、符號(hào)、定義方程及單位、單位符號(hào)。無量綱無量綱 同樣，以符號(hào)