光电检测技术第一章2.pptx

第第1 1章章 主要内容主要内容1.11.1引言引言1.21.2光电检测系统的基本构成和基本光电检测系统的基本构成和基本工作原理工作原理 1.31.3光电检测技术的现代发展光电检测技术的现代发展 1.1 引言引言一、光电检测技术的定义一、光电检测技术的定义 光光学学与与电电子子学学技技术术相相结结合合而而产产生生的的一一门门新新兴兴检检测测技技术术，它它是是利利用用电电子子技技术术对对光光学学信信息息进进行行检检测测，并并进进一一步步传传递递、储存、控制、计算和显示等。储存、控制、计算和显示等。二、光电检测技术的检测量二、光电检测技术的检测量 从原理上讲可以检测一切能够影响从原理上讲可以检测一切能够影响光量光量或或光特性光特性的非电量。的非电量。光量光量：光通量或光强度：光通量或光强度光特性光特性：光波的幅值、频率、相位、偏振：光波的幅值、频率、相位、偏振三、光电检测技术的主要内容三、光电检测技术的主要内容 光电检测技术的主要内容是通过光学光电检测技术的主要内容是通过光学系统把携带被测信息的非电量信息变换成便系统把携带被测信息的非电量信息变换成便于接收的光学信息，然后用光电探测器将光于接收的光学信息，然后用光电探测器将光学信息变换成电量，并进一步经电路放大、学信息变换成电量，并进一步经电路放大、处理等，达到输出的目的。处理等，达到输出的目的。信息变换技术信息变换技术和和电信号处理技术电信号处理技术。信息变换技术：信息变换技术：非电量变换成光学量非电量变换成光学量 光学量变换成电量光学量变换成电量 1.21.2光电检测系统的基本构成和光电检测系统的基本构成和基本工作原理基本工作原理 一、几个光电检测实例一、几个光电检测实例1 1、红外防盗报警系统、红外防盗报警系统 图图112 2、激光外径扫描仪、激光外径扫描仪 图图1 12 2 1 1旋转多面体旋转多面体 2 2半导体激光器半导体激光器 3 3透镜透镜 4 4工件工件 5 5物镜物镜 6 6光电器件光电器件3 3、光弹性效应测力计、光弹性效应测力计 图图1 13 31-1-白炽灯白炽灯2-2-聚光镜聚光镜3-3-滤光片滤光片4-4-减光楔减光楔5-5-分束镜分束镜6-6-起偏振镜起偏振镜7-7-云母片云母片8-8-测力元件测力元件9-9-检偏振镜检偏振镜1010，12-12-光电池光电池11-11-减光楔减光楔13-13-检流计检流计 二、光电检测系统的构成框图二、光电检测系统的构成框图 图图1 14 4 光电检测系统框图光电检测系统框图 光光是信息传递的媒介，它由是信息传递的媒介，它由光源光源产生。光源产生。光源与与照明光学系统照明光学系统一起获得测量所需的一起获得测量所需的光载波，光载波，光光载波与载波与被测对象被测对象同时作用在光学系统上而将被测同时作用在光学系统上而将被测量载荷到光载波上，称为量载荷到光载波上，称为光学变换光学变换。光学变换是光学变换是用各种调制的方法来实现的。光学变换后的光载用各种调制的方法来实现的。光学变换后的光载波上载荷有各种被测信息，称为波上载荷有各种被测信息，称为光信息光信息。光信息。光信息经光电器件实现由光向经光电器件实现由光向电的信息电的信息转换，称为转换，称为光电光电转换转换。然后被测信息就可用各种电信号处理的方。然后被测信息就可用各种电信号处理的方法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，或送法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，或送到计算机进行进一步的运算，直接显示被测量或到计算机进行进一步的运算，直接显示被测量或者存储或者去控制相应的装置。者存储或者去控制相应的装置。光电检测系统各部分的功能：光电检测系统各部分的功能：（1 1）光源和照明光学系统）光源和照明光学系统考虑光源的辐射功率、光谱范围、发光空间分考虑光源的辐射功率、光谱范围、发光空间分布；布；发出的光作为载波或者被测对象；发出的光作为载波或者被测对象；照明光学系统的分类照明光学系统的分类（2 2）被测对象及光学变换）被测对象及光学变换光学变换：通过光学元件和光学系统把待测量转光学变换：通过光学元件和光学系统把待测量转换为光参量换为光参量光学系统可以根据不同的光学性质、光学效应，光学系统可以根据不同的光学性质、光学效应，其结构形式不同其结构形式不同光参量：光本质是电磁波，其参量有幅值、频率、光参量：光本质是电磁波，其参量有幅值、频率、相位、偏振态、传播方向等相位、偏振态、传播方向等（3 3）光信号的匹配处理）光信号的匹配处理 光信号的处理主要包括光信号的调制、变光光信号的处理主要包括光信号的调制、变光度、光谱校正、光漫射，以及会聚、扩束、分束度、光谱校正、光漫射，以及会聚、扩束、分束等。使用的光学器件可以是透镜、滤光片、光阑、等。使用的光学器件可以是透镜、滤光片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅等。光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅等。（4 4）光电转换）光电转换以光信号为媒质，以光电探测器为手段，以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将经过待测量调制的光信号转换成电信号；将经过待测量调制的光信号转换成电信号；决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响应响应；光电探测器光电探测器（5 5）电信号的放大与处理）电信号的放大与处理主要实现两个功能：主要实现两个功能：实现对微弱信号的检测；实现对微弱信号的检测；实现光源的稳定化实现光源的稳定化（6 6）存储、显示与控制系统）存储、显示与控制系统三、基本工作原理三、基本工作原理 光电检测系统是以光信息变换为基础的，光电检测系统是以光信息变换为基础的，把待测量通过光信号变换为电量来进行测量把待测量通过光信号变换为电量来进行测量的。的。（一）把待测量变换为光信息量（一）把待测量变换为光信息量 它是以光通量的大小来反映待检测量的它是以光通量的大小来反映待检测量的大小。光电探测器的输出往往与入射到它的大小。光电探测器的输出往往与入射到它的光敏面上的光通量成正比，所以，光电探测光敏面上的光通量成正比，所以，光电探测器的光电流大小可以反映出待检测量的大小，器的光电流大小可以反映出待检测量的大小，即光电流即光电流I I是待检测信息量是待检测信息量Q Q值的函数：值的函数：I=f(Q)(1-1)I=f(Q)(1-1)这是一种模拟量信息变换。这是一种模拟量信息变换。（二）把待检测量变换为光信息脉冲（二）把待检测量变换为光信息脉冲 它是以光脉冲或条纹数的多少来反映待它是以光脉冲或条纹数的多少来反映待测量的大小，光电探测器的输出为低电平和测量的大小，光电探测器的输出为低电平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息，高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息，这些数字信息量这些数字信息量T T是待测信息量是待测信息量Q Q的函数：的函数：T=f(Q)(1-2)T=f(Q)(1-2)这是一种模这是一种模/数信息转换。数信息转换。四、基本结构形式四、基本结构形式1 1、辐射式、辐射式图图1 15 15 1、被测物体、被测物体 2 2、会聚透镜、会聚透镜 3 3、光电二极管、光电二极管例：全辐射测温：例：全辐射测温：由斯忒藩玻尔兹曼（由斯忒藩玻尔兹曼（StefanStefanBoltzmanBoltzman）定律）定律可知，物体的全辐射出射度为：可知，物体的全辐射出射度为：（1 11 1）式中：式中：比辐射率，对于某一物体比辐射率，对于某一物体值为常数值为常数 斯忒藩玻尔兹曼常数；斯忒藩玻尔兹曼常数；T T绝对温度。绝对温度。在近距离测量时，可不考虑大气对辐射的吸收作在近距离测量时，可不考虑大气对辐射的吸收作用，则光电探测器输出的电压信号为：用，则光电探测器输出的电压信号为：式中式中为光电变换系数。将（为光电变换系数。将（1 11 1）代入上式得：）代入上式得：(12)2 2、反射式、反射式图图1 16 16 1、光源、光源 2 2、被测物、被测物 3 3、光电探测器、光电探测器测转速的例子：测转速的例子：轴转动一周，光电探测器轴转动一周，光电探测器4 4就获得一个由光源就获得一个由光源1 1发出的反射光的脉冲，此脉冲数就反映了轴的发出的反射光的脉冲，此脉冲数就反映了轴的转速。转速。图图1 17 7 1 1、光源、光源 2 2、转轴、转轴 3 3、小平面镜、小平面镜 4 4、光电探测器、光电探测器3、遮挡式、遮挡式 图图1 18 8 1 1、光源、光源 2 2、待检测物、待检测物 3 3、光电探测器、光电探测器4 4、透射式：根据工作原理不同又分为：、透射式：根据工作原理不同又分为：（1 1）模拟量信息变换方式）模拟量信息变换方式（2 2）模）模/数信息变换方式数信息变换方式 图图1 19 9图图1 110105 5、干涉式、干涉式 图图1 111111 1光源光源 2 2透镜透镜 3 3分束器分束器 4 4反射镜反射镜 5 5待测物体待测物体 6 6光电探测光电探测器器6 6、衍射式、衍射式 图图1 112 12 衍射测量原理结构衍射测量原理结构 2024/4/8 周一光电检测技术25五、基本方法1.方法分类2024/4/8 周一光电检测技术262.2.方法的选择方法的选择 合理选择光学测量方法主要依据以下五点来综合考虑：被测对象与被测量；测量范围；测量的灵敏度或精度；经济性；测量时的环境要求。2024/4/8 周一光电检测技术27测量精度与测量灵敏度 选择测量方法的另一主要原则是灵敏度和要求的精度。右图是主要光学测量方法在尺寸上能达到的分辨率。而精度一般来说是测量分辨率的13倍。2024/4/8 周一光电检测技术28测量的经济性与环境要求测量的经济性与环境要求经济性好,环境要求低 经济性中,环境要求一般 经济性偏高，有环境要术 衍射计量扫描计量散斑计量光纤计量 莫尔与拓扑法图像计测法共路干涉计量 全息计量光谱计量纳米计量 表：主要光学测量方法的经济性和对环境的要求方法选择小结方法选择小结 以上选择的依据是初步的，测量方法的最终确定应有具体设计方案，综合考虑以上各方面的因素。测量方法的确定往往是测量是否取得成功的关键。2024/4/8 周一光电检测技术291.3 1.3 光电检测技术的现代发展光电检测技术的现代发展1.技术特色技术特色2024/4/8 周一光电检测技术302.2.技术现状（光学测量技术学科的组成）技术现状（光学测量技术学科的组成）光学是这个基本体系中的原理基础，而精密机械、电子技术与计算机技术构成塔底三角形，是光学测量的支撑基础。2024/4/8 周一光电检测技术31技术现状（光学测量技术主要原理分类）技术现状（光学测量技术主要原理分类）2024/4/8 周一光电检测技术32技术现状（光学测量系统的主要构成）技术现状（光学测量系统的主要构成）2024/4/8 周一光电检测技术33光学测量技术发展趋势（原理上）从主观光学发展成为客观光学，即用光电探测器取代人眼这个主观探测器，提高了测量精度与效率；用激光光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光线用于各种光学测量上；从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化。光学测量技术发展趋势（功能上）从静态测量发展成为动态测量；从逐点测量发展成为全场测量；从低速度测量发展成快速的，具有存贮、记录功能的测量。2024/4/8 周一光电检测技术343.技术发展方向技术发展方向亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展；利用新的物理学原理和光电子学原理而产生的新的光学测量方法将不断出现；以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的集成光学和其他微传感器将成为技术的主流方向，小型的、微型的非接触式光学传感器以及微光学这类微结构系统将崭露头角；半导体激光器(LD)及其阵列，光开关，光滤波器，光电探测阵列等新器件将在过程控制，在线测量与控制上得到广泛应用；2024/4/8 周一光电检测技术35快速、高效的3D测量技术将取得突破，成为带存贮功能的全场动态测量仪器；发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与光学控制的一体化；发展光学诊断和光学无损检测技术；生物科学研究中的光探测越来越收到世界科技工作者的共同关注。3.3.技术发展方向技术发展方向非接触化、小型化、集成化、数字化、智能化非接触化、小型化、集成化、数字化、智能化光电检测技术的优点：光电检测技术的优点：（1 1）非接触式检测。）非接触式检测。（2 2）响应速度快。）响应速度快。（3 3）测量精度高。）测量精度高。（4 4）检测对象范围宽。）检测对象范围宽。（5 5）远距离、大量程。）远距离、大量程。（6 6）具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂）具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。信息并行处理。（7 7）寿命长。）寿命长。光电检测技术的缺点：光电检测技术的缺点：(1)(1)由于光电检测系统中用到光学元件，容易被由于光电检测系统中用到光学元件，容易被沾污，影响光信号的传输，必须采取措施，否则沾污，影响光信号的传输，必须采取措施，否则使用受限制。使用受限制。（2 2）外界干扰光影响大。背景光及外干扰光的影）外界干扰光影响大。背景光及外干扰光的影响使信噪比变差，但可采取措施减至最小。响使信噪比变差，但可采取措施减至最小。（3 3）使用温度范围小，不能用在高温。）使用温度范围小，不能用在高温。补补 充充 知知 识识1.4 1.4 光的本质光的本质1.5 1.5 光在介质表面的反射和折射光在介质表面的反射和折射1.6 1.6 光与物质的相互作用光与物质的相互作用1.7 1.7 光的干涉、衍射和偏振光的干涉、衍射和偏振1.8 1.8 辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量1.9 1.9 光度的基本物理量光度的基本物理量 1.4 1.4 光的本质光的本质光是电磁波光是电磁波具有波、粒二象性具有波、粒二象性电磁波谱电磁波谱10-1410-14:宇宙射线宇宙射线10-1210-12:射线射线1010-10-10:x x 射线射线10-710-7:紫外线紫外线10-610-6:可见光可见光3.8-77.8-73.8-77.8-710-510-5:红外线红外线10-410-4:毫米波毫米波10-310-3:厘米波厘米波10-210210-2102:无线电无线电光波光波电磁波谱图电磁波谱图一、基本概念一、基本概念 1.1.光谱光谱可见光波长可见光波长 0.38m0.38m0.78m 0.78m 光速光速C=f.C=f.紫外线紫外线 0.01m0.01m0.38m 0.38m 具有荧光作用（荧光灯）具有荧光作用（荧光灯），生理作用（医用紫光灯），生理作用（医用紫光灯）光学玻璃光学玻璃 透射弱透射弱 石英玻璃石英玻璃 透射强透射强红外线红外线 0.78m0.78m1000m 1000m 具有热辐射作用（人体具有热辐射作用（人体保健）保健）近红外近红外3m,3m3m（人体辐射（人体辐射9.4m9.4m远红外内衣）远红外内衣）2.2.色谱色谱在可见光范围内，由于波长的不同。而对视觉产在可见光范围内，由于波长的不同。而对视觉产生的颜色差异。（人眼的光谱）生的颜色差异。（人眼的光谱）0.380.380.4350.4350.490.490.580.580.600.600.650.650.780.78 紫紫 蓝蓝 绿绿 黄黄 橙橙 红红 3.3.光的单位光的单位光强度：光源产生光的强弱。光强度：光源产生光的强弱。频率为频率为54010540101212 （0.555m0.555m）的单色光在给定方向上产生的）的单色光在给定方向上产生的辐射功率为辐射功率为1/680 W/Sr1/680 W/Sr（球面度）定为光强度（球面度）定为光强度单位。称坎德拉单位。称坎德拉cdcd光通量：具有光通量：具有1cd1cd均匀光源在一个球面内产生的均匀光源在一个球面内产生的光的辐射量，定为光通量单位光的辐射量，定为光通量单位 称流明称流明lmlm光照度：物体表面被光照亮的程度。光照度：物体表面被光照亮的程度。1lm1lm的光通的光通量在量在1 1的平面上产生的照度，单位为勒克斯的平面上产生的照度，单位为勒克斯lxlx 1.5 1.5 光在介质表面的反射和折射光在介质表面的反射和折射一、光在两透明介质分界面上的反射和折射一、光在两透明介质分界面上的反射和折射 实质上是光波的电磁场与物质的相互作用，实质上是光波的电磁场与物质的相互作用，反射光和折射光的传播方向与入射光入射角的关反射光和折射光的传播方向与入射光入射角的关系就是我们熟知的反射定律和折射定律。那么入系就是我们熟知的反射定律和折射定律。那么入射波、反射波和折射波的能量关系是与反射率射波、反射波和折射波的能量关系是与反射率（R R）和透射率（和透射率（T T）有关。）有关。二、光在金属表面上的反射二、光在金属表面上的反射（1 1）金属反射光的能力与金属包含的自由电子的）金属反射光的能力与金属包含的自由电子的密度有关密度有关 自由电子密度越大（电导率也越大），反射自由电子密度越大（电导率也越大），反射本领也越高本领也越高（2 2）对于同一种金属，入射光波长不同，反射率）对于同一种金属，入射光波长不同，反射率也不同也不同 频率较低的红外辐射，主要对金属中的自由频率较低的红外辐射，主要对金属中的自由电子发生作用；频率较高的可见光和紫外辐射，电子发生作用；频率较高的可见光和紫外辐射，也可以对金属中的束缚电子发生作用。（这时因也可以对金属中的束缚电子发生作用。（这时因为束缚电子本身的固有频率处在可见光和紫外辐为束缚电子本身的固有频率处在可见光和紫外辐射区）束缚电子使金属的反射能力降低，透射能射区）束缚电子使金属的反射能力降低，透射能力增大，呈现出非金属的光学性质。力增大，呈现出非金属的光学性质。（3 3）金属表面的反射率也与光的入射角有关）金属表面的反射率也与光的入射角有关 与电介质表面的反射不同，不论在什么角度与电介质表面的反射不同，不论在什么角度下反射，金属都不能使反射光成为全偏振。下反射，金属都不能使反射光成为全偏振。1.6 1.6 光与物质的相互作用光与物质的相互作用 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射一、光的吸收与色散一、光的吸收与色散（1 1）导电介质和绝缘介质都可以引起光吸）导电介质和绝缘介质都可以引起光吸收现象。收现象。（2 2）光的吸收是基于朗伯一比尔定律，用）光的吸收是基于朗伯一比尔定律，用公式表示为公式表示为:（1.111.11）式中：式中：I I为吸收后的光强度；为吸收后的光强度；I I。是物质浓度为零。是物质浓度为零(即不存在吸收物质即不存在吸收物质)时的光强度；时的光强度；L L为色皿为色皿(采样采样槽槽)的长度；的长度；为吸收常数。用图可以表示为：为吸收常数。用图可以表示为：图图1 15 5 朗伯比尔定律原理图朗伯比尔定律原理图吸收系数吸收系数 ：（1 1）是波长的函数，这种函数关系称为吸收光谱；）是波长的函数，这种函数关系称为吸收光谱；不同的材料吸收光谱完全不同。不同的材料吸收光谱完全不同。（2 2）吸收系数与折射率有关，为：）吸收系数与折射率有关，为：式中，式中，称为吸收率或消光系数；消光系数和折称为吸收率或消光系数；消光系数和折射率都是波长的函数。射率都是波长的函数。（3 3）色散定义：当某一介质的吸收系数）色散定义：当某一介质的吸收系数 随随波长不同而改变时，则光在该媒质中传播时，波长不同而改变时，则光在该媒质中传播时，不同波长的光路将被散开。不同波长的光路将被散开。表示介质折射率随波长变化的程度，用色表示介质折射率随波长变化的程度，用色散率表示：散率表示：二、光的散射二、光的散射 光在不均匀介质中，才有散射。光在不均匀介质中，才有散射。根据散射光波长与入射光波长是否相同，根据散射光波长与入射光波长是否相同，散射可分为两类：散射可分为两类：（一）瑞利散射（一）瑞利散射 散射光波长与入射光波长相同。散射光波长与入射光波长相同。根据不均匀结构的性质，瑞利散射又可分为三类：根据不均匀结构的性质，瑞利散射又可分为三类：（1 1）丁达尔散射）丁达尔散射 介质中有很多大质点，其线度约等于光的波介质中有很多大质点，其线度约等于光的波长，它们的折射率与周围均匀介质的折射率不同。长，它们的折射率与周围均匀介质的折射率不同。如乳状液、含有悬浮物的流体、胶体溶液。如乳状液、含有悬浮物的流体、胶体溶液。由这些质点的无规则排列所引起的散射称为丁由这些质点的无规则排列所引起的散射称为丁达尔散射。达尔散射。（2 2）瑞利散射）瑞利散射 由于介质中存在着密度起伏，破坏了介质的由于介质中存在着密度起伏，破坏了介质的光学均匀性，从而导致散射。这种散射光的强度光学均匀性，从而导致散射。这种散射光的强度和波长的和波长的4 4次方成反比，即：次方成反比，即：称为瑞利定律。称为瑞利定律。散射光的波长还是原来入射光的波长，只是散射光的波长还是原来入射光的波长，只是入射光中波长较短的光散射系数大，即容易被散入射光中波长较短的光散射系数大，即容易被散射。射。（3 3）瑞利散射）瑞利散射 在各向异性介质中，除了密度起伏外，分在各向异性介质中，除了密度起伏外，分子的去向与它们最可能的平均取向也有偏差。子的去向与它们最可能的平均取向也有偏差。这种偏差表现为这部分分子的极化率（这种偏差表现为这部分分子的极化率（P=XEP=XE中中的的X X）对其平均值有起伏，破坏了次波的相干性，）对其平均值有起伏，破坏了次波的相干性，导致光的散射。导致光的散射。（二）喇曼散射（二）喇曼散射 在散射光中，除有与入射光频率相同的在散射光中，除有与入射光频率相同的瑞利散射外，在瑞利线的两侧还有频率为的瑞利散射外，在瑞利线的两侧还有频率为的散射线存在。这种散射现象称之为喇曼散射。散射线存在。这种散射现象称之为喇曼散射。1.7 1.7 光的干涉、衍射和偏振光的干涉、衍射和偏振一、光的干涉一、光的干涉1 1、波的叠加原理、波的叠加原理2 2、波强度、波强度3 3、相干条件、相干条件4 4、光源的相干性、光源的相干性（1 1）时间相干性）时间相干性（2 2）空间相干性）空间相干性二、光的衍射二、光的衍射1 1、定义、定义2 2、分类、分类菲涅耳衍射：菲涅耳衍射：夫朗和费衍射：夫朗和费衍射：三、光的偏振三、光的偏振1 1、定义、定义2 2、分类、分类自然光自然光偏振光偏振光 （1 1）线偏振光线偏振光 （2 2）圆）圆偏振光偏振光 （3 3）椭圆偏振光）椭圆偏振光 （4 4）完全偏振光）完全偏振光 （5 5）部分偏振光）部分偏振光3 3、获得偏振光的方法、获得偏振光的方法（1 1）反射和折射产生偏振光）反射和折射产生偏振光（2 2）双折射产生偏振光）双折射产生偏振光（3 3）偏振片）偏振片光的偏振调制方法：光的偏振调制方法：1 1、旋光现象、旋光现象振动面旋转的角度决定于旋光物质的性质、厚振动面旋转的角度决定于旋光物质的性质、厚度以及入射光的波长度以及入射光的波长2 2、法拉第效应、法拉第效应 一些不具有旋光性的物质，在磁场的作用一些不具有旋光性的物质，在磁场的作用下也可以使穿过它的偏振光的振动方向旋转。这下也可以使穿过它的偏振光的振动方向旋转。这种在磁场作用下产生的旋光效应或磁致旋光效应。种在磁场作用下产生的旋光效应或磁致旋光效应。3 3、光弹效应、光弹效应（1 1）双折射现象）双折射现象（2 2）光弹效应）光弹效应4 4、克尔电光效应、克尔电光效应 迄今为止已发现的电光效应有两种：一种是折迄今为止已发现的电光效应有两种：一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（为泡克耳斯（PochelsPochels）效应；另一种是折射率）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的平方成比例，称为克尔的变化量与外电场强度的平方成比例，称为克尔（KerrKerr）效应。利用克尔效应制成的调制器称为）效应。利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡克尔斯效应制成的调制器称有机化合物。利用泡克尔斯效应制成的调制器称为泡克尔斯盒，其中的光学介质为非中心对称的为泡克尔斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克尔斯盒又可分为纵向和横向调制压电晶体。泡克尔斯盒又可分为纵向和横向调制器两种。器两种。克尔电光效应克尔电光效应 1.8 1.8 辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量1 1、辐射能、辐射能Q Qe e 辐射能是一种以辐射的形式发射、传播或接辐射能是一种以辐射的形式发射、传播或接收的能量，单位为收的能量，单位为J J（焦耳）。当辐射能被其它（焦耳）。当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等等。能、电能等等。2 2、辐射通量、辐射通量 辐射通量又称辐射功率辐射通量又称辐射功率P Pe e，是以辐射，是以辐射形式发射、传播或接收的功率，单位为形式发射、传播或接收的功率，单位为W W（瓦），即（瓦），即1W=1J/S1W=1J/S（焦耳每秒）。它也是（焦耳每秒）。它也是辐射能随时间的变化率辐射能随时间的变化率:(1.1)(1.1)3 3、辐射强度、辐射强度I Ie e 辐射强度定义为在给定方向上的单位立体角辐射强度定义为在给定方向上的单位立体角内，离开点辐射源（或辐射面源）的辐射通量。内，离开点辐射源（或辐射面源）的辐射通量。从图从图1-11-1可见：可见：(1.2)(1.2)单位为单位为W/srW/sr（瓦每球面度）。（瓦每球面度）。图图1-1点辐射源的辐射强度点辐射源的辐射强度 若点辐射源是各向同性的，即其辐射强度在所若点辐射源是各向同性的，即其辐射强度在所有方向上都相同，则该辐射源在有限立体角内发有方向上都相同，则该辐射源在有限立体角内发射的辐射通量为射的辐射通量为:(1.3)(1.3)在空间所有方向（在空间所有方向（）上发射的辐射通量为：）上发射的辐射通量为：（1.41.4）实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源，实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源，其辐射强度随方向而变化，可用极坐标辐射强度其辐射强度随方向而变化，可用极坐标辐射强度表示，即表示，即 如图如图1-21-2所示。这样，点辐射源在整个空间发所示。这样，点辐射源在整个空间发射的辐射通量为：射的辐射通量为：(1.5)(1.5)1-2 1-2 某一方向上的发光强度某一方向上的发光强度4 4、辐射出射度、辐射出射度M Me e 辐射出射度为面辐射源表面单位面积辐射出射度为面辐射源表面单位面积（通常往半空间立体角）上发射的辐射通（通常往半空间立体角）上发射的辐射通量，即量，即:(1.6)(1.6)单位为单位为W/mW/m2 2（瓦每平方米）。（瓦每平方米）。5 5、辐射照度、辐射照度E Ee e 辐射照度为接收面上单位面积所照射的辐射辐射照度为接收面上单位面积所照射的辐射通量，即通量，即:(1.7)(1.7)辐射通量的单位为辐射通量的单位为W/mW/m2 2（瓦每平方米）。（瓦每平方米）。辐射出射度辐射出射度M Me e与辐射照度与辐射照度E Ee e的表达式和单位的表达式和单位完全相同，其区别仅在于前者是描述面辐射源向完全相同，其区别仅在于前者是描述面辐射源向外发射的辐射特性，而后者则为描述辐射接收面外发射的辐射特性，而后者则为描述辐射接收面所接收的辐射特性。对此，应从概念上区别。所接收的辐射特性。对此，应从概念上区别。6 6、辐射亮度、辐射亮度L Le e（图（图1-31-3）辐射亮度定义为辐射源表面一点处的辐射亮度定义为辐射源表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直与该方向的平面上的正投影面积，元在垂直与该方向的平面上的正投影面积，即即:(1.8)(1.8)单位为单位为W/srW/sr（瓦每球面度平方米）。（瓦每球面度平方米）。图图1-3 1-3 辐射源的辐射亮度辐射源的辐射亮度 一般辐射源表面各处的辐射亮度及该面源各方一般辐射源表面各处的辐射亮度及该面源各方向上的辐射亮度都是不相同的，此时辐射源的辐向上的辐射亮度都是不相同的，此时辐射源的辐射亮度的一般表达式为：射亮度的一般表达式为：（1.91.9）7 7、光谱辐射量、光谱辐射量 实际上，辐射源所发射的能量往往由很实际上，辐射源所发射的能量往往由很多波长的单色辐射所组成。为了研究各种波多波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射能量，还必须对单一波长的光辐射长的辐射能量，还必须对单一波长的光辐射作相应的规定。前面介绍的几个重要辐射作相应的规定。前面介绍的几个重要辐射量，都有与其相对应的光谱辐射量量，都有与其相对应的光谱辐射量 。光谱辐。光谱辐射量又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波射量又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。长的变化率。光谱辐射通量光谱辐射通量 ：辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系曲线如图的辐射通量。辐射通量与波长的关系曲线如图1-41-4所示，其关系式为所示，其关系式为 (1.10)(1.10)单位为单位为W/umW/um（瓦每微米），或（瓦每微米），或W/nmW/nm（瓦每纳米）（瓦每纳米）图图1-4 1-4 光谱辐射通量与波长的关系光谱辐射通量与波长的关系其它辐射量也有类似的关系：其它辐射量也有类似的关系：光谱辐照度：光谱辐照度：光谱辐射出射度：光谱辐射出射度：光谱辐射亮度：光谱辐射亮度：辐射源的总辐射通量是：辐射源的总辐射通量是：其它辐射量也有类似的关系，用一般的函数表示：其它辐射量也有类似的关系，用一般的函数表示：1.9 1.9 光度的基本物理量光度的基本物理量一、光谱光视效率一、光谱光视效率 国际照明委员会（国际照明委员会（CIECIE）根据对许多人的大量）根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为灵敏度，称为“标准光度观察者标准光度观察者”光谱光视效率，光谱光视效率，或称视见函数，用或称视见函数，用 表示。表示。二、光度学的基本物理量二、光度学的基本物理量 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。为避免混淆，在辐射度量符号上加下标应的。为避免混淆，在辐射度量符号上加下标“e e”，而在光度量符号上加下标，而在光度量符号上加下标“V V”。表。表1-11-1给给出了出了辐射度量与光度量之间的对应关系。辐射度量与光度量之间的对应关系。表表1-11-1辐射度量和光度量的对照表辐射度量和光度量的对照表辐射度量符号 单位光度量符号 单位辐射能Qe J光量Qv lm s 辐射通量或辐射功率W光通量lm辐射照度Ee Wm-2 光照度Ev lx=lm m-2 辐射出度MeW m-2 光出射度Mv lm m-2 辐射强度IeW sr-1 发光强度Ivcd=lm sr-1 辐射亮度LeWm-2 sr-1 光亮度光谱光视效率Lvcd m-2 由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的。光谱辐射通量为能所产生的光感觉是不同的。光谱辐射通量为 的可见光辐射，所产生的视觉刺激值，即光通量：的可见光辐射，所产生的视觉刺激值，即光通量：其中其中K Km m称为视觉最大光谱光视效能，它表示人眼称为视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对对波波长长为为555nm555nmVV（=555=555）=1=1光光辐辐射射产产生生的的光光视效能，且视效能，且1 1=380nm380nm，2 2=780nm=780nm三、光度学基本定律三、光度学基本定律1 1、余弦定律、余弦定律 又称朗伯余弦定律又称朗伯余弦定律 任意表面上的照度随该表面法线与辐射任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化。能传播方向之间的夹角余弦变化。2 2、亮度守恒定律、亮度守恒定律 光在同一种介质中传播时，若传播过程中无光在同一种介质中传播时，若传播过程中无能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等，即能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等，即亮度守恒。亮度守恒。光从一种介质传输到另一种介质，即所取二光从一种介质传输到另一种介质，即所取二个面元分别处于不同介质中，并认为光在介质表个面元分别处于不同介质中，并认为光在介质表面无反射和吸收损失，基本辐亮度（定义：辐射面无反射和吸收损失，基本辐亮度（定义：辐射亮度亮度/介质平方）是守恒的。介质平方）是守恒的。3 3、照度与距离平方反比定律、照度与距离平方反比定律 当均匀点光源向空间发射球面波，则点当均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方成反比。源距离平方成反比。