第1章 光电技术基础
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光电技术研究
光电技术研究第一章：光电技术概述光电技术是指利用光和电相互作用的原理，实现光和电的转换、存储、传输和处理等功能的技术。
光电技术广泛应用于通讯、信息、医疗、军事、航空航天等领域，是当今高科技领域中不可或缺的一部分。
本章将简要介绍光电技术的发展历程、基本原理和主要研究方向。
一、光电技术的历史光电技术起源于19世纪，最早使用光电效应来测量光强度。
1899年克鲁克发现，金属表面照射光线时，会产生电流，这就是光电效应的发现。
20世纪初，Einstein揭示了光电效应的基本原理，为光电技术的发展奠定了理论基础。
随着半导体材料及其应用的发展，光电技术迅速发展，特别是光纤通信技术的成功应用，更是对光电技术的发展做出了巨大贡献。
二、光电技术的基本原理光电技术的基本原理是光和电的相互作用。
其中，光是由电磁波构成的，波长不同的光对应着不同的颜色。
电则是带电粒子的运动，可以产生电场和磁场的相互作用。
在光电技术中，最常见的光电效应包括光电子效应、光致电子效应、光伏效应、光导效应等。
光电技术通过研究这些效应，实现了光和电的互转。
光电技术的主要研究方向包括光电器件、光纤通信、光电信息处理、光电显示等。
三、光电技术的主要研究方向1.光电器件光电器件包括发光二极管、激光器、半导体器件、传感器等，是光电技术的基础。
光电器件通过光电效应将光信号转换成电信号，或者将电信号转换成光信号，用于光通信、光计算、光显示、光储存等领域。
发光二极管是一种将电能转换成光能的器件，主要应用于显示、照明等领域。
激光器则是一种将电能转换成激光光能的器件，在通讯、医疗、军事等领域有广泛的应用。
2.光纤通信光纤通信是一种利用光纤作为传输介质的通讯方式。
与传统的铜线通讯相比，光纤通讯具有传输速度快、信号损失低、安全可靠等优点。
光纤通讯技术的主要设备包括光纤收发器、中继器、输电缆等。
3.光电信息处理光电信息处理是指利用光电器件和光学技术实现对信息的处理和传输。
在光电信息处理中，激光器可以用来制造高精度的光阵列，从而实现光信息的高速处理和传输。
光电技术第四版期末总结
光电技术第四版期末总结本学期的光电技术课程中，我从理论到实践，全面系统地学习和掌握了光电技术的基础知识和相关实验操作技能。
通过课程的学习，我对光电技术的发展现状、应用领域以及未来的发展方向有了更全面的了解。
首先，在理论方面，我系统地学习了光电技术的基本概念、原理和相关理论知识。
光电技术是现代科学技术的一项重要组成部分，与多个学科有着密切的关联。
通过学习光电技术的基本原理，我了解到光电材料、光电器件以及光电系统的构成和工作原理。
同时，我也学习到了光电材料的特性、光电器件的分类和特点以及光电系统的设计和应用。
这些理论知识的掌握，为我进一步的学习和研究打下了坚实的基础。
其次，在实践方面，我通过实验操作和实际项目的开展，掌握了光电技术的实际应用技能。
在实验中，我学习了激光器的原理和调谐方法、光电器件的测试和应用以及光纤通信系统的设计和搭建。
通过实验操作的学习，我对光电器件的性能测试和系统调试有了更加深入的了解。
此外，我还参与了一个实际光电项目的开发，通过对项目的需求分析、方案设计、原型制作和实验测试等环节的学习和实践，我学到了项目管理的基本方法和实践技巧。
这些实践经验的积累，为我今后从事光电技术领域的工作打下了良好的基础。
最后，通过本学期的学习，我对光电技术的应用领域和未来发展方向有了更加深入的认识。
光电技术作为一门交叉学科，广泛应用于信息技术、生物医学、能源和环境等领域。
特别是在通信领域，光纤通信和光网络技术已经成为主流，为信息传输和存储提供了更加高效和可靠的方式。
未来，光电技术的发展方向主要包括光电器件的微纳制造技术、光电材料的合成和改性技术以及光电系统的高性能和低成本化。
我相信，随着光电技术的不断进步，它将在更多领域发挥重要作用，为社会发展和人类福祉做出更大贡献。
综上所述，通过本学期光电技术的学习，我不仅掌握了光电技术的理论知识和相关实践技能，而且对光电技术的应用领域和未来发展方向有了更加深入的了解。
光电技术与应用作业指导书
光电技术与应用作业指导书第1章光电技术概述 (3)1.1 光电技术基本概念 (3)1.2 光电技术发展历程与趋势 (3)1.3 光电技术的主要应用领域 (3)第2章光的传播与变换 (4)2.1 光的波动性描述 (4)2.2 光的传播方程 (4)2.3 光的变换技术 (4)第3章光电探测器 (5)3.1 光电探测器原理 (5)3.2 常见光电探测器 (5)3.3 光电探测器的功能评价 (5)第4章光电发射器件 (6)4.1 光电发射原理 (6)4.2 常见光电发射器件 (6)4.2.1 光电管 (6)4.2.2 光电倍增管 (6)4.2.3 太阳能电池 (7)4.3 光电发射器件的应用 (7)4.3.1 光通信 (7)4.3.2 光电检测 (7)4.3.3 太阳能利用 (7)4.3.4 其他应用 (7)第5章光电显示技术 (7)5.1 光电显示原理 (7)5.1.1 发光原理 (7)5.1.2 液晶显示原理 (8)5.2 常见光电显示器件 (8)5.2.1 LED显示屏 (8)5.2.2 液晶显示屏（LCD） (8)5.2.3 有机发光二极管显示屏（OLED） (8)5.2.4 等离子显示屏（PDP） (8)5.3 光电显示技术的发展趋势 (8)第6章光通信技术 (9)6.1 光通信原理 (9)6.1.1 光通信概述 (9)6.1.2 光的传播特性 (9)6.1.3 光的调制与解调 (9)6.2 光纤通信系统 (9)6.2.1 光纤概述 (9)6.2.2 光纤的种类与特性 (9)6.3 光通信网络技术 (10)6.3.1 波分复用技术 (10)6.3.2 光开关与光交换技术 (10)6.3.3 光网络的结构与拓扑 (10)6.3.4 光通信网络的管理与控制 (10)第7章光电测量技术 (10)7.1 光电测量原理 (10)7.2 常见光电测量方法 (10)7.2.1 光电效应法 (10)7.2.2 光谱分析法 (11)7.2.3 干涉法 (11)7.3 光电测量系统的功能评价 (11)7.3.1 灵敏度 (11)7.3.2 精确度 (11)7.3.3 稳定度 (11)7.3.4 响应速度 (11)7.3.5 抗干扰能力 (12)第8章光电成像技术 (12)8.1 光电成像原理 (12)8.1.1 光电器件的感光原理 (12)8.1.2 光电转换原理 (12)8.1.3 信号输出原理 (12)8.2 光电成像器件 (12)8.2.1 光电传感器 (13)8.2.2 成像器件 (13)8.2.3 光电探测器 (13)8.3 光电成像系统的应用 (13)8.3.1 工业检测 (13)8.3.2 医疗影像 (13)8.3.3 安全监控 (13)8.3.4 航天遥感 (13)8.3.5 通信与显示 (13)8.3.6 其他应用 (14)第9章光电传感器技术 (14)9.1 光电传感器原理 (14)9.2 常见光电传感器 (14)9.3 光电传感器在自动化领域的应用 (14)第10章光电技术的创新与发展 (15)10.1 光电技术新兴领域 (15)10.1.1 光量子计算 (15)10.1.2 光电传感器 (15)10.1.3 光通信技术 (15)10.1.4 光电显示技术 (16)10.2.1 集成化和微型化 (16)10.2.2 绿色环保 (16)10.2.3 跨学科融合 (16)10.3 光电技术在我国的应用前景与挑战 (16)10.3.1 应用前景 (16)10.3.2 挑战 (16)第1章光电技术概述1.1 光电技术基本概念光电技术是指将光与电相结合，通过对光的产生、传输、调制、检测和转换等过程的研究与应用，实现信息获取、处理和传输的技术。
武汉理工大学 光电信号检测技术-复习内容2019
6. 人眼能接收极其微弱的光，即(1) 2X10-17W； (2) 3X10-15W； (3) 2X10-16W； 人眼能接收的强光是(1) 2X10-5W； (2) 3X10-4W； (3) 2X10-3W。
7. 视力为 1.0 的人，一般可以分辨的视角是(1) 1'(角度分)；(2) 1"； (3) 0.1"； 人眼通过光学仪器，可以分辨的视角是(1) 1'(角度分)；(2) 1"； (3) 0.1"。
光电检测技术习题试题
第 1 章光电检测技术概论
选择题：
1. 一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器是(1)人眼；(2)光电倍增管；(3)半导体 光敏器件； 在大脑传送信息的 300 万条神经纤维中，视神经纤维占了(1) 2/3； (2) 1/2；(3)1/3
2. 人体内，视神经细胞接收器的数目是(1) 3X108； (2) 2 X 108； (3) 2X 104 ； (4)3X104 ； 人体内，听觉接收细胞的接收器的数目是(1) 3X108； (2) 2X108； (3) 2 X 104 ； (4) 3X104。
7. 色温越高的辐射体，可见光的成分越(1)多；(2)少。 色温越高的辐射体，光视效能越(1)高；(2)低。
8. 色温越高的辐射体，光度量越(1)高；(2)低。 白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱(1)减弱 (2)增强；
9. 白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的光视效能(1)降低；(2)提高。 白炽灯的供电电 压降低时，灯丝温度降低，此时用光照度计检测出的光照度将(1)下 降；(2)增大。
问答题
1. 什么是视觉？为什么说一个人的视觉最重要？ 2. 什么是视见函数？明视觉与暗视觉各有什么作用？ 3. 什么是光电传感器？它有什么作用？ 4. 试述光电检测系统的特点？ 5. 近年来光电技术与光电检测技术在光电材料与器件方面有什么进展？
7. 视力为 1.0 的人，一般可以分辨的视角是(1) 1'(角度分)；(2) 1"； (3) 0.1"； 人眼通过光学仪器，可以分辨的视角是(1) 1'(角度分)；(2) 1"； (3) 0.1"。
光电检测技术习题试题
第 1 章光电检测技术概论
选择题：
1. 一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器是(1)人眼；(2)光电倍增管；(3)半导体 光敏器件； 在大脑传送信息的 300 万条神经纤维中，视神经纤维占了(1) 2/3； (2) 1/2；(3)1/3
2. 人体内，视神经细胞接收器的数目是(1) 3X108； (2) 2 X 108； (3) 2X 104 ； (4)3X104 ； 人体内，听觉接收细胞的接收器的数目是(1) 3X108； (2) 2X108； (3) 2 X 104 ； (4) 3X104。
7. 色温越高的辐射体，可见光的成分越(1)多；(2)少。 色温越高的辐射体，光视效能越(1)高；(2)低。
8. 色温越高的辐射体，光度量越(1)高；(2)低。 白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱(1)减弱 (2)增强；
9. 白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的光视效能(1)降低；(2)提高。 白炽灯的供电电 压降低时，灯丝温度降低，此时用光照度计检测出的光照度将(1)下 降；(2)增大。
问答题
1. 什么是视觉？为什么说一个人的视觉最重要？ 2. 什么是视见函数？明视觉与暗视觉各有什么作用？ 3. 什么是光电传感器？它有什么作用？ 4. 试述光电检测系统的特点？ 5. 近年来光电技术与光电检测技术在光电材料与器件方面有什么进展？
复习总结
2013-10-24 13
2 .5设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2KΩ，且已 知它在90~120lx范围内的γ=0.9。试求该光敏电阻在 110lx光照下的阻值？
解：
g =SgEγ
R =1/SgEγ
R /R0=(E0/E)γ
R =(E0/E)γ R0 =(100/110)0.9×2=1.84KΩ 2 .6已知某光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550Ω，在 700lx的光照下的阻值为450Ω。试求该光敏电阻在550lx 和600lx光照下的阻值？
2013-10-24 9
1.17 在微弱辐射作用下，光电导材料的光电导灵敏度有什 么特点？为什么要把光敏电阻的形状制造成蛇形？
q 在微弱辐射作用下，半导体的光电导 g hl 2 e, 可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量成线性关系。 光电导灵敏度为 dg q Sg d e , hcl2
Le, m V ( ) Le,
6
1.7 一束波长为0.5145μｍ输出功率为3W的氩离子激光束均 匀地投射到0.2cm2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多 少？若屏幕的反射系数为0.8，其光出射度为多少？屏幕每 分钟接收多少个光子？
解：φe,λ =3mW，查表得V（0.5145um）=0.6082
hc 1239 (nm) 解题思路：L Eth Eth
Eth E A
N型半导体
Eth Eg EA
P型半导体
1.11 ΔEi=Eth=1.24/13=0.095ev
1.19 Eth=1239/680=1.82ev
1.20 Eg=1.239/λL=1.239/1.4=0.886ev
光生伏特效应属于内光电效应
q I (1 e d )Φe, h
2 .5设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2KΩ，且已 知它在90~120lx范围内的γ=0.9。试求该光敏电阻在 110lx光照下的阻值？
解：
g =SgEγ
R =1/SgEγ
R /R0=(E0/E)γ
R =(E0/E)γ R0 =(100/110)0.9×2=1.84KΩ 2 .6已知某光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550Ω，在 700lx的光照下的阻值为450Ω。试求该光敏电阻在550lx 和600lx光照下的阻值？
2013-10-24 9
1.17 在微弱辐射作用下，光电导材料的光电导灵敏度有什 么特点？为什么要把光敏电阻的形状制造成蛇形？
q 在微弱辐射作用下，半导体的光电导 g hl 2 e, 可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量成线性关系。 光电导灵敏度为 dg q Sg d e , hcl2
Le, m V ( ) Le,
6
1.7 一束波长为0.5145μｍ输出功率为3W的氩离子激光束均 匀地投射到0.2cm2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多 少？若屏幕的反射系数为0.8，其光出射度为多少？屏幕每 分钟接收多少个光子？
解：φe,λ =3mW，查表得V（0.5145um）=0.6082
hc 1239 (nm) 解题思路：L Eth Eth
Eth E A
N型半导体
Eth Eg EA
P型半导体
1.11 ΔEi=Eth=1.24/13=0.095ev
1.19 Eth=1239/680=1.82ev
1.20 Eg=1.239/λL=1.239/1.4=0.886ev
光生伏特效应属于内光电效应
q I (1 e d )Φe, h
光电技术练习册-第1章-2015-9-11
第1章 辐射度学与光度学基础一、选择题（单选或多选）1. 为了描述显示器的每个局部面元在各个方向的辐射能力，最适合的辐射度量是（ ）A 辐照度B 辐强度C 辐出度D 辐亮度2. 已知某辐射源发出的功率为1W ，该波长对应的光谱光视效率为0.5，则该辐射源辐射的光通量为（ ）A 683lmB 341.5lmC 1276lmD 638lm3. 电磁波谱中可见光的波长范围为（ ）A 0.38~0.78umB 0.38~1umC 1~3umD 8~12um4. 下列选项中的参数与接收器有关的有（ ）A ．曝光量 B.光通量 C.亮度 D.照度5. 100W 标准钨丝灯在0.2sr 范围内所发出的辐射通量为（ ）A. W 592.1B. lm 223.27C. W 184.3D. W 223.27二、判断题1. 辐射通量与光通量的单位是相同的。
( )2. 朗伯辐射体的辐射出射度等于他的辐射亮度。
（ ）3. 被照明物体表面的辐射照度和光源与物体表面的距离平方成反比。
（ ）4. 辐射出射度Me 与辐射照度Ee 的定义式都是：某点处面元的辐通量e d Φ除以改面元的面积dA的商，所以这两个物理量是具有相同的概念。
（ ）5. 在对具有一定量度和颜色的非黑体辐射体的温度标测中，亮温度与实际温度的偏差最小，色温度次之，辐射温度与实际温度的偏差最大。
（ ）6. 在弱辐射作用的情况下，半导体的光电导效应与入射辐射通量的关系是线性的。
（ ）三、计算题1. 试写出v Φ、v M 、v I 、v L 光度量之间的关系式，说明它们与辐射度量之间如何转换。
2. 波长为532nm （V （0.532um ）=0.88）的绿光固体激光器输出功率为15W ，均匀的投射到0.22cm 的白色屏幕上。
问屏幕上的光照度为多少？若屏幕的反射系数为0.9，其光出射度为多少？3. 某半导体激光器发出波长为642nm 的激光束，其功率为100mW ，光斑发射角为0.6mrad ，光束直径为1.22mm 。
光电信息技术 光电发射效应
显然在红限处光电子的初速应该为零因此金属的红限为上一页上一页下一页下一页回首页回首页结束结束第一章第一章112光电发射效应回目录回目录4光电发射的瞬时性光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性
§1.1.2 光电发射效应
物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应
或称光电发射效应，这种多发生于金属和金属氧化物。在 第
光电器件中，光电管、光电倍增管和某些光电器件都是建 一
章
立在光电发射效应基础上的。
光
光电发射效应的几个规律。其中主要的基本定律和性质有： 电
1、光电发射第一定律
信
当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电
息 技
发射电流 IK 与被阴极所吸收的光通量ΦK 成正比。即
术
IK = SK ΦK
物 理
式中SK 为表征光电发射灵敏度的系数。这个关系式看上去 基
第 一 章
定了外光电效应器件具有很高的频响。
根据光量子理论，每个电子的逸出都是由于吸收了一 光
个光子能量的结果，而且一个光子的全部能量都由辐射转 变成光电子的能量。因此，光线愈强，也就是作用于阴极 表面的量子数愈多，这样就会有较多的电子从阴极表面逸
电 信 息 技
出。同时，入射光线的频率愈高，也就是说每个光子的能 术
以上的结论严格说来是在绝对零度时才是正确的。
因为随着温度的增加。阴极材料内电子的能量亦将提高， 第
而有可能在原来的红限以下即已逸出表面。但是，实际上 一 由于温度提高时这种具有很大能量的电子数目为数很少， 章
因此，爱因斯坦方程和红限的结论对大多数金属来说仍是 光
正确的。
电 信
最早的时候，认为光电发射效应只发生在阴极材料的 息
第 一 章
§1.1.2 光电发射效应
物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应
或称光电发射效应，这种多发生于金属和金属氧化物。在 第
光电器件中，光电管、光电倍增管和某些光电器件都是建 一
章
立在光电发射效应基础上的。
光
光电发射效应的几个规律。其中主要的基本定律和性质有： 电
1、光电发射第一定律
信
当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电
息 技
发射电流 IK 与被阴极所吸收的光通量ΦK 成正比。即
术
IK = SK ΦK
物 理
式中SK 为表征光电发射灵敏度的系数。这个关系式看上去 基
第 一 章
定了外光电效应器件具有很高的频响。
根据光量子理论，每个电子的逸出都是由于吸收了一 光
个光子能量的结果，而且一个光子的全部能量都由辐射转 变成光电子的能量。因此，光线愈强，也就是作用于阴极 表面的量子数愈多，这样就会有较多的电子从阴极表面逸
电 信 息 技
出。同时，入射光线的频率愈高，也就是说每个光子的能 术
以上的结论严格说来是在绝对零度时才是正确的。
因为随着温度的增加。阴极材料内电子的能量亦将提高， 第
而有可能在原来的红限以下即已逸出表面。但是，实际上 一 由于温度提高时这种具有很大能量的电子数目为数很少， 章
因此，爱因斯坦方程和红限的结论对大多数金属来说仍是 光
正确的。
电 信
最早的时候，认为光电发射效应只发生在阴极材料的 息
第 一 章
光机电测控技术基础光机电测控技术概述
课程介绍
课程性质
专业课程ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ选修）
学分
2.5 学分
考核方式
期末考试成绩75％；平时成绩25％(课后作业)
课程介绍
课程体系
第1章 光机电测控技术概述 光机电测控技术概念,系统的组成,应用介绍,发展趋势
第2章 光电技术基础 光的基本概念,光辐射,热辐射,光源的基本特性参数,光辐射调制
第3章 激光测试基础 激光的基本性质,分类和特点, 激光准直技术,激光多普勒测速技 术,激光测距技术
1-1 光机电技术的历史
1948 年发明了晶体管之后，晶体管和其他半导体设备集成 到一块电路板有了可能。
机电系统的发展 在半导体制造技术的帮助下，1971 年发明了微处理器，对
于相关技术领域带来了不可估量的影响，尤其是在硬件和软件 技术的相互协同、融合发展中，各种不同技术与计算机技术相 互结合。这种融合使机器能够把模拟信号转变为数字信号，进 行计算，得出基于计算结果和软件算法的结论，最终根据这些 结论出合适的动作，并且能够在它自身携带的记忆体里积累知 识、数据、信息。这项新功能使得机械系统有了更好的灵活性 和适应性。
然而，为了让系统向精密、智能、自主性等更深 层次的方向发展，光和光学工程技术必须嵌入到 机电一体化系统，来完善已有的功能和创造新的 功能。光机电系统由光学元件、机械元件、电子 或电气元件和计算机系统组成。
第6章 光纤检测技术 光纤在温度检测中的应用,光纤流速与流量测量,光纤位移及压 力测量,光纤电压电流测量,光纤检测技术在其他方面的应用
第7章 光电探测器 光电探测器概述,分类,器性能参数,基本原理,光电导探测器特 性,实用光电导探测器件,光伏探测器基本原理,性能参数,实用 光伏探测器件,电荷耦合器件基本原理,成像器件,多元及多色 探测器,光机扫描探测技术
课程性质
专业课程ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ选修）
学分
2.5 学分
考核方式
期末考试成绩75％；平时成绩25％(课后作业)
课程介绍
课程体系
第1章 光机电测控技术概述 光机电测控技术概念,系统的组成,应用介绍,发展趋势
第2章 光电技术基础 光的基本概念,光辐射,热辐射,光源的基本特性参数,光辐射调制
第3章 激光测试基础 激光的基本性质,分类和特点, 激光准直技术,激光多普勒测速技 术,激光测距技术
1-1 光机电技术的历史
1948 年发明了晶体管之后，晶体管和其他半导体设备集成 到一块电路板有了可能。
机电系统的发展 在半导体制造技术的帮助下，1971 年发明了微处理器，对
于相关技术领域带来了不可估量的影响，尤其是在硬件和软件 技术的相互协同、融合发展中，各种不同技术与计算机技术相 互结合。这种融合使机器能够把模拟信号转变为数字信号，进 行计算，得出基于计算结果和软件算法的结论，最终根据这些 结论出合适的动作，并且能够在它自身携带的记忆体里积累知 识、数据、信息。这项新功能使得机械系统有了更好的灵活性 和适应性。
然而，为了让系统向精密、智能、自主性等更深 层次的方向发展，光和光学工程技术必须嵌入到 机电一体化系统，来完善已有的功能和创造新的 功能。光机电系统由光学元件、机械元件、电子 或电气元件和计算机系统组成。
第6章 光纤检测技术 光纤在温度检测中的应用,光纤流速与流量测量,光纤位移及压 力测量,光纤电压电流测量,光纤检测技术在其他方面的应用
第7章 光电探测器 光电探测器概述,分类,器性能参数,基本原理,光电导探测器特 性,实用光电导探测器件,光伏探测器基本原理,性能参数,实用 光伏探测器件,电荷耦合器件基本原理,成像器件,多元及多色 探测器,光机扫描探测技术
第一章 智能光电系统基础
1.常用图像传输系统的成像特性
1.照相摄影物镜 (1)焦距f：决定于目标在接收器上成像的大小。 对同一位置的目标而言，焦距越大，所得到的 像也越大。焦距可从几毫米到几米不等。 (2)相对孔径D/f：其大小决定了物镜的分辨率、 像面照度，并影响成像质量。相对孔径越大， 物镜的分辨率越高，像面照度越大。1/4.5~1/2 (3)视场角2ω ：决定了能在接收器上成像的空间 范围。当f一定时，视场角越大，成像的尺寸也 越大。对一定尺寸的CCD器件，其像敏面尺寸 一定，f越长， 2ω 就越小。
光学仪器已经不简单是光学和机械的简单结 合，也不单纯是那种典型的光学、机械、电子 相结合的产品，而是综合各类科学技术的科学 仪器。 光学仪器从一般的目视观察、照相、摄影读 数、数字显示向着数据处理、自动检测和图像 自动识别等方向发展。
计算机的应用，可有以下几个方面目的： 1.进行大量的数据采集和处理，减轻劳动强度， 增强实时性 2.提高光学仪器的自动化程度 3.解决一般光学仪器解决不了的问题，提高扩 展仪器的功能 4.对影响仪器精度的某些误差进行自动修正， 提高仪器精度 5.利用计算机进行高速运算和存储功能，提高 仪器的分析、测量速度 6.对图像数据进行自动处理和识别
光谱不连续，而且光谱与气体或金属蒸气的 种类和放电条件有关。气体放电灯发出的热 量少，对光电探测器件的温度影响小。 低压汞灯、氢灯、钠灯、氙灯、氦灯
3. 激光器
激光器是主动光电系统中具有重要地位的光 源。亮度高、方向性好、相干性好。
半导体激光器：体积小、效率高，能直接利 用电源对输出激光进行调制。
续
3.光电探测器 将光能转变为电能。 4.电子系统及其他 将微弱信号放大、调制、整形、鉴频或 鉴相处理，获得有用信号以进行记录、 显示或进一步处理
第1章 光电技术基础下
电阻率大于1012Ω·cm
电阻率为10-3—1012Ω·cm
半导体的独特性能
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其应用 极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：
光敏性——半导体受光照后，其导电能力 大大增强；
热敏性——受温度的影响，半导体导电能 力变化很大； 掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质， 其导电能力极大地增强；
n N e , (1 e
) 载流子的平均寿命。
q dg d e, 2 hl
与电极间距 平方成反比
τ=1/Kf(ni+pi)称为
达到动态平衡状态时， n0 N e, μ为电子 光激发载流子引起半导体电导率的变化 n0 q 迁移率
bd qbd 本征半导 g N e , 体光电导 l l
+4
+4
空穴 硼
+3
硅
+4
受主能级的存在使较高能量的电子 直接跳上它而不跳向导带，所以平 均电子的能量降低，费米能级降低。
3. N型半导体
在纯净的硅晶体中掺入五价元 素（如磷或锑），使之取代晶 格中硅原子的位置，就形成了 N（Negative）型半导体。五 个价电子，其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键，必定 多出一个电子，它很容易被激 发而成为自由电子，该原子就 成了不能移动的带正电的离子。 每个五价原子给出一个电子， 称为施主原子。这种半导体又 称为“电子型半导体”。 因施主能级的存在可使较多电子高 跳上导带，在高能态的电子就多， 所以费米能级升高。 磷
导通压降 硅0.6~0.8V 锗0.2~0.3V
U
反向饱和电流
反向特性
P
–
+N
死区电压
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图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义 称为电 为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义(称为电 为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义 磁波谱)。电磁波谱的频率范围很宽， 磁波谱 。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无 线电波(10 的宽阔频域。 线电波 2～1025Hz)的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的 的宽阔频域 一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米， 一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～103m的范围。在这个范围内，只有 的范围。 的范围 在这个范围内，只有0.38～0.78µm的光才能引起 ～ 的光才能引起
π
由上式得到余弦辐射体的 由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为 余弦辐射体
Me Le = π
(1-17)
Mv Lv = π
(1-18)
6. 辐(射)效率与发光效率
光源所发射的总辐射通量Φ 光源所发射的总辐射通量 e与外界提供给光源的 功率P之比称为光源的辐 之比称为光源的辐(射 效率 效率η 功率 之比称为光源的辐 射)效率 e；光源发射的总光 通量Φ 与提供的功率P之比称为发光效率 之比称为发光效率η 通量 v与提供的功率 之比称为发光效率 v。它们分 别为
3. 辐(射)出(射)度和光出(射)度 度和光出(
对有限大小面积A的面光源， 对有限大小面积 的面光源，表面某点处的面元 的面光源 向半球面空间内发射的辐通量dΦ 与该面元面积dA之 向半球面空间内发射的辐通量 e与该面元面积 之 比，定义为辐(射)出(射)度Me，即 定义为辐 射 出 射 度
dΦe Me = dA
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐(射) 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐 射 能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳 。 用符号 表示，其计量单位为焦耳(J)。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分， 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以 Qv表示，其计量单位为流明秒 表示，其计量单位为流明秒(lm·s)。 。
Φe ηe = × 100 0 0 P
Φv ηv = P
(1-19)
(1-20)
辐效率η 无量纲，发光效率η 辐效率 e无量纲，发光效率 v的计量单位是流明每瓦 [lm·W-1]。 。
对限定在波长λ 对限定在波长 1～λ2范围内的辐效率
ηe∆λ
∫λ Φ λ dλ × 100 =
1 e
λ2
0
P
0
（1-21） ）
Φe Ee = A
(1-23)
注意: 不要把辐照度E 与辐出度M 混淆起来。 注意 不要把辐照度 e与辐出度 e混淆起来。虽然两 者单位相同，但定义不一样。 者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接 收辐射通量的角度来定义的， 收辐射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。 发射辐射的角度来定义的。
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， 除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积， 称为辐射亮度L 称为辐射亮度 e，即
dI e d 2Φe Le = = dA cos θ d dA cos θ
(1-15)
式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度 式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le 的计量单位为瓦(特 每球面度平方米 每球面度平方米[W/(sr·m2 )]。 的计量单位为瓦 特)每球面度平方米 。 对可见光，亮度 对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面 元在给定方向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， 向平面上的正投影面积，即
对点光源在给定方向的立体角元d 对点光源在给定方向的立体角元 内发射的辐通 与该方向立体角元d 量dΦe，与该方向立体角元 之比定义为点光源在该 方向的辐(射 强度 强度I 方向的辐 射)强度 e，即
dΦe Ie = d
(1-10)
强度的计量单位为瓦(特 每球面度 辐(射)强度的计量单位为瓦 特)每球面度 [W/sr]。 射 强度的计量单位为瓦 。 点光源在有限立体角 内发射的辐通量为
余弦辐射体表面某面元dS处向半球面空间发射的 余弦辐射体表面某面元 处向半球面空间发射的 通量为
dΦ = ∫∫ L cos θdSd
式中， 式中， d = sin θdθdϕ 。 对上式在半球面空间内积分的结果为
dΦ = LdA∫
2π
ϕ =0
dϕ ∫ 2 sin θ cos θdθ = πLdA
θ =0
式中,Φ 称为光源辐射通量的光谱密集度， 式中 eλ称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光 谱辐射通量。 谱辐射通量。
1.1.2 与接收器有关的辐射度参数与光度参数
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与光度参数。 接收器有关的辐射度参数与光度参数。接收光源发射 辐射的接收器可以是探测器， 辐射的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。 射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光 度参数有以下2种。 度参数有以下 种
2. 辐(射)通量和光通量
通量或辐(射 功率是以辐射形式发射 功率是以辐射形式发射、 辐(射)通量或辐 射)功率是以辐射形式发射、传 射 通量或辐 播或接收的功率；或者说，在单位时间内， 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 能称为辐(射 通量 通量， 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)，即 符号 e表示， 其计量单位为瓦 ，
(1-3)
若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变， 若在 时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变， 时间内发射 则上式简化为
Qv Φv = t
Φv的计量单位为流 明)（lm）。 的计量单位为流(明 （ ）。
(1-4)
显然， 显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射） 通量对时间的积分称为辐（ 而光通量对时间的积分称为光能。 能，而光通量对时间的积分称为光能。
dI v d 2Φ v Lv = = dA cos θ d dA cos θ
的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]。 Lv的计量单位是坎德拉每平方米 。
(1-16)
若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式 与光源发射辐射的方向无关， ）、（1-16）表示，这样的光源称为余弦辐射 （1-15）、（ ）、（ ）表示， 体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体， 体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而 一般光源的亮度多少与方向有关。 一般光源的亮度多少与方向有关。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。 或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
dQe Φe = dt
Qe Φe = t
对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、 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，光能被无穷短时间间隔dt来除 来除， 接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔 来除， 其商定义为光通量Φ 其商定义为光通量 v，即
dQ v Φv = dt
光 电 技 术
山东轻工业学院数理学院 刘玉波 2009年9月 年 月
第1章
光电技术基础
光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。 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。 是以电磁波方式传播的粒子。 光的本质是物质，它具有粒子性， 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与e， 或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为 与 ， 式中h为普朗克常数 式中 为普朗克常数(6.626×10-34J·s)；v为光的振动频 为普朗克常数 × ； 为光的振动频 为光在真空中的传播速度(3× 率(s-1)；c为光在真空中的传播速度 ×108m·s-1)。 ； 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引起的 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
Me的计量单位是瓦 特)每平方米 的计量单位是瓦(特 每平方米 每平方米[W/m2]。 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(1-5)
面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为 面光源 向半球面空间内发射的总辐通量为
Φe = ∫
( A)
M e dA
(1-6)
对于可见光，面光源 表面某一点处的面元向半 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 球面空间发射的光通量 v、与面元面积 之比称为 光出(射 度 光出 射)度Mv，即
(1-14)
一般点光源是各向异性的， 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方 向而异。 向而异。
发光强度的单位是坎德拉(candela)，简称为坎 ， 发光强度的单位是坎德拉 [cd]。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎 。 年第十六届国际计量大会通过决议， 年第十六届国际计量大会通过决议 德拉重新定义为：在给定方向上能发射 德拉重新定义为：在给定方向上能发射540×1012Hz × 的单色辐射源，在此方向上的辐强度为 的单色辐射源，在此方向上的辐强度为(1/683)W/sr， ， 其发光强度定义为一个坎德拉 其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。 一个坎德拉 。 由式（ ），对发光强度为 的点光源 的点光源， 由式（1-13），对发光强度为 ），对发光强度为1cd的点光源，向给 定方向1球面度 内发射的光通量定义为 流明(lm)。 内发射的光通量定义为1流明 定方向 球面度(sr)内发射的光通量定义为 流明 球面度 。 发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光 的点光源在整个球空间所发出的总光 发光强度为 通量为=4πIＶ＝12.566 lm。 通量为 。