作者：王庆有
出版社：电子工业出版社
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光电技术(第3版)试读：
前言
光电技术作为信息科学的一个分支，它将传统光学技术、现代微电子技术、精密机械及计算机技术有机结合起来的新技术，成为获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。它将电子技术的各种基本概念，如调制与解调、放大与振荡、倍频与差频等技术移植到光频段，产生了光频段的电子技术。这一先进技术使人类能更有效地扩展自身的视觉能力，使视觉的长波限延伸到亚毫米波，短波限延伸至紫外、X射线、γ射线，乃至高能粒子，并可以在飞秒级记录超快速现象（如核反应、航空器发射）的变化过程。
随着光电技术的迅猛发展，新技术、新器件不断涌现。例如，半导体激光器已得到广泛应用，千万像素的CCD面阵固体摄像器在工业和民用领域已随处可见，热成像技术也已广泛应用于军事和工业领域。可见，光电技术已经渗透到许多科学领域。
光电技术的内容涉及光电转换器件、光学检测、激光、计算机接口技术和数字与模拟电子技术等内容，它的光学检测内容有别于基于人眼的“光学检测技术”，是建立在以光电接收器为目标的光电检测技术。
本书作者总结了多年的教学经验，为适应当前新技术的发展对高等学校人才培养的需要而编写了本教材。
本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。
本书第1、2版分别于2005、2008年出版，期间，承蒙广大高校师生的厚爱，有近百所院校将本书选做教材或作为有关课程的指定参考书，并得到大量的使用反馈信息，以及很好的意见、建议。
这次的第3版在保持原书的基本内容和特色的基础上，内容上主要有以下几个方面的变化：（1）贯彻教育部近期推出的一系列提高学生动手动脑能力的举措和加强实践教学环节的有关精神，增加了第12章“光电技术课程设计与毕业设计”的内容。这部分内容安排学生在课程设计与毕业设计过程中自学，会收到更好的效果。（2）应广大师生的要求，增加了全书各章“思考题与习题”的解答，便于读者自学和检验学习效果。（3）这次再版所作的其他修订有近百处。其中大部分改动使论述更为准确、严谨，易于阅读和理解。以进一步提高教材的质量。
本书有以下几个方面的特点：
● 内容全面，体系完整，结构合理，重点突出，注重应用，适应更加广泛的专业教学需要。
● 注重内容的科学性与先进性，适度增加现代光电技术应用的内容，使经典理论与现代科技内容相辅相成，循序渐进，便于组织教学。
● 例题与习题的选择密切联系当今科技发展的方向，使学生能充分感受课程的重要价值，提高学习的积极性。
● 配备有不同学时安排的免费电子课件，帮助教师与学生掌握不同专业和学时要求的重点内容；书中章节前标“*”的，为选学内容。
● 本书涉及的光电传感器有关内容的实验均由天津市耀辉光电技术有限公司在GDS-Ⅲ型光电综合实验平台上验证通过。
本书由天津大学王庆有主编并统稿。具体写作分工为：天津大学黄战华编写第12章，并对全书的编写提出宝贵意见和建议；首都师范大学张存林编写第11章；长春理工大学马宏编写7.3节、第10章；其余章节由王庆有编写。全书习题解答由尚可可（第8、9章）、宋振明（第1～6章）、顾宏（第7、10、11章）完成。
西安工业大学刘缠牢教授对书稿进行了认真细致的审校并提出了许多宝贵建议，在此表示衷心的感谢。本书在编写过程中参考了大量的国内外资料，特对这些文献的作者表示感谢。本书在编写过程中还得到天津大学光电信息工程系许多同志和研究生的大力支持和帮助，天津市耀辉光电技术有限公司的全体员工也给予了很多帮助，在此特向他们表示诚挚的谢意。第3版的编写工作还得到闽南理工学院光电与机电工程系教师们的帮助，在此表示感谢。
感谢电子工业出版社韩同平编辑在本书编辑、出版过程中的辛勤工作和热情帮助。
由于作者水平有限，书中难免出现错误和不足，诚望读者批评指正。
作者联系方式：wqy＠tju.edu.cn
编者
第1章 光电技术基础
光电信息变换技术总要讨论各种光电敏感器件，对这些光电敏感器件的性能评估和应用说明都离不开光的度量与光电技术的基本理论。本章在讨论光的基本度量方法和度量参数的基础上，还将讨论物体热辐射的基本定律、光与物质作用产生的各种光电效应等问题，为学习光电信息变换技术打下基础。
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。几何光学依据光的波动性研究了光的折射与反射规律，得出了许多关于光的传播、光学成像、光学成像系统和成像系统像差等理论。物理光学依据光的波动性成功地解释了光的干涉、衍射等现象，为光谱分析仪器、全息摄影技术奠定了理论基础。然而，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=hν/c，E=hν
式中，h=6.626×，为普朗克常数；ν为光的振动频-18-1率（s）；c=3×10m·s，为光在真空中的传播速度。
光的量子性成功地解释了光与物质作用时所引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
图1-1所示为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义，称为电2磁波谱。电磁波谱的频率范围很宽：从宇宙射线到无线电波（10～2510Hz）。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域-9-3从几纳米到几毫米，即10～10m量级。只有波长为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。
光电敏感器件的光谱响应范围远远超出人眼的视觉范围，一般从X光到红外辐射甚至于远红外、毫米波的范围。特种材料的热电器件具有超过厘米波光谱响应的范围，即人们可以借助于各种光电敏感器件对整个光辐射波谱范围内的光信息进行光电变换。图1-1 电磁波谱
1.1 光辐射的度量
为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。光辐射的度量方法有两种：一种是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；另一种是生理（主观）的计量方法，是以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法，称为光度参数。光度参数只适用于0.38～0.78μm的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。
辐射度参数与光度参数在概念上虽不一样，但它们的计量方法却有许多相同之处，为学习和讨论方便，常用相同的符号表示辐射度参数与光度参数。为区别它们，常在对应符号的右下角标以“e”表示辐射度参数，标以“v”表示光度参数。1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数
与光源有关的辐射度参数是指计量光源在辐射波长范围内发射连续光谱或单色光谱能量的参数。
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Q表示，其计量单位为焦耳（J）。e
光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Q表示，其计v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Φ表示，其计量单位为瓦（W），e即
若在t时间内所发射、传播或接收的辐射能不随时间改变，则式（1-1）可简化为
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，其光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量Φ，v即
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
Φ的计量单位为流（明）（lm）。v
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
对面积为A的有限面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量dΦ与该面元面积dA之比，定义为辐（射）出（射）度eM，即e2
M的计量单位是瓦（特）每平方米［W/m］。e
由式（1-5）可得，面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为
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dΦ与面元面积dA之比，称为光出（射）度M，即vv2
其计量单位为勒（克司）［（lx）或（lm/m）］。
对均匀发射辐射的面光源有
由式（1-7）可得，面光源向半球面空间发射的总光通量为
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dΦ，与该方e向立体角元dΩ之比，定义为点光源在该方向的辐（射）强度I，即e
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
对可见光，与式（1-10）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12向上能发射540×10Hz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1cd。
由式（1-14）可得，对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1sr（球面度）内发射的光通量，定义为1lm（流明）。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
Φ=4πI=12.566lmvv
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，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐亮度L，即e
式中，θ为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度L的计量单e2位为瓦（特）每球面度平方米［W/（sr·m）］。
对可见光，亮度L定义为：光源表面某一点处的面元在给定方向v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2
L的计量单位是坎德拉每平方米（cd/m）。v
若L，L与光源发射辐射的方向无关，且可由式（1-15）、式ev（1-16）表示，则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，而一般光源的亮度与方向有关。粗糙表面的辐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dA处向半球面空间发射的通量为
dΦ=∬LcosθdAdΩ
式中，dΩ=sinθdθdφ。
对上式在半球面空间内积分
由上式得到余弦辐射体的M与L、M与L的关系为eevv
6.辐（射）效率与发光效率
光源所发射的总辐通量Φ，与外界提供给光源的功率P之比，称e为光源的辐（射）效率η；光源发射的总光通量Φ，与提供的功率Pev之比，称为发光效率η。即v-1
辐效率η无量纲，发光效率η的计量单位是流明每瓦（lm·W ）。ev
对限定在波长λ ～λ范围内的辐效率为12
式中，Φ称为光源辐通量的光谱密集度，简称为光谱辐通e，λ量。1.1.2 与接收器有关的辐射度参数及光度参数
从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数，称为与接收器有关的辐射度参数及光度参数。接收器可以是探测器，也可以是反射辐射的反射器，或两者兼有的器件。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下两种。
1.辐照度与照度
将照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦ除以该面元的面积edA的商，称为辐照度e，即e2
e的计量单位是瓦（特）每平方米（W/m）。e
若辐通量是均匀地照射在物体表面上的，则式（1-22）可简化为
注意，不要把辐照度E与辐出度M混淆起来。虽然两者单位相ee同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。
本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度M（λ）（下标r代表反射）与辐er射体接收的光谱辐照度E（λ）的关系为e
式中，ρ（λ）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。e
将式（1-24）对波长积分，得到反射体的辐出度
对可见光，用照射到物体表面某一面元的光通量dΦ，除以该面v元面积dA的商，称为光照度e，即v
或表示为
E的计量单位是勒（克司）（lx）。v
对接收光的反射体，同样有
或者
式中，ρ（λ）为光度光谱反射比，是波长的函数。v
2.辐照量和曝光量
辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数。光电器件的输出信号大小与所接收的入射辐射能量有关。
将照射到物体表面某一面元的辐照度E在时间t内的积分称为辐e照量H，即e2
H的计量单位是焦（耳）每平方米（J/m）。e
如果面元上的辐照度E与时间无关，则式（1-29）可简化为e
与辐照量H对应的光度量是曝光量H，它定义为物体表面某一ev面元接收的光照度E在时间t内的积分，即v
H的计量单位是勒（克司）秒（）。v
如果面元上的光照度E与时间无关，则式（1-31）可简化为v
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]