辐射度量光度量电子教案

任课教师：高朋适用专业：应用物理学课程类型：专业选修学分：2总学时：36周学时：2教材：《光电检测技术》雷玉堂中国计量出版社 2009年第2版第1,2学时授课题目（教学章节或主题）：概论。

本授课单元教学目标或要求：使学生对光电检测技术的含义、发展及应用有一个宏观的了解，增进学习兴趣及动机。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：教学重点：对光电检测系统与光电传感器的宏观理解。

* 基本内容与教学过程：引入：简要介绍光电检测技术的发展1．光电技术：新兴的跨学科边缘技术，涉及光、机、电、算（智能化光电系统）2．应用广泛：工业、农业、文教、卫生、国防、科研、家庭生活等各领域，这些领域几乎都涉及到将光辐射信息转换为电信息的问题，即光辐射的检测问题。

3．光电检测技术：非接触测量的高新技术，其实现过程是：激光、红外、光纤——载荷的光辐射——光电检测器件（接收、转换）——电信号——输入电路、放大滤波——A/D转换接口——计算机处理——显示、打印各被测参数是计量检测技术的重要发展方向。

一、人的视觉功能及扩展（一）人的视觉功能人眼：近似球体d=23mm，如图眼球前——后：角膜：屈光的作用虹膜中央的瞳孔：扩大、缩小，调节光亮晶状体：相当于透镜d=9mm视网膜：光学成像。

分布着锥状细胞、杆状细胞及其他一些细胞组成感光单元。

人眼分辨物体的过程：感光单元——视网膜上的锥状细胞和杆状细胞光刺激——感光单元——神经冲动——视神经——高级视觉中枢——亮度和色彩、物体形状和大小的判断人眼是一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器视神经细胞的接收器数目为2×108；听觉细胞的接收器数目为3×104；80%信息通过眼睛得到。

人的视觉功能：1.辨别光亮和颜色的双重功能明视场：可同时判断亮度和颜色；暗视场：判断来亮度由锥状细胞和杆状细胞相互配合实现。

锥状细胞——主管明视觉，分布于视网膜中心处中央窝，约650万个，可分辨物体的细节和颜色；杆状细胞——主管暗视觉，分布于视网膜边缘，约1亿个，可判断亮度，不能分辨景物的细节和颜色。

2．对明暗光的适应能力瞳孔扩大或缩小：调节进入眼球的光亮，白昼时直径为2mm，弱光下可扩大到8mm或更大，对光亮的调节可改变10—20倍；杆状细胞中感光化学物质的变化：适应暗光，提高只在黑暗中起作用的特殊感光性。

黑色素、眼睑可挡住一部分光：强光防护人眼感光范围： 2×10-17W—2×10-5W，灵敏度极高。

3．人的视觉具有很高的分辨能力人眼区别对象细节的能力称作分辨率，用视力V表示，V=1/αVαV是视角，用分表示，定义如图（教材第2页图1-1）。

视力为1.0的人可以分别1′的视角，像大小与锥状细胞相仿。

4．具有很高的辩色能力可见光谱：380-780nm红（700nm）、橙（620nm）、黄（580nm）、绿（530nm）、青（480nm）、蓝（440nm）、紫（400nm）视见函数：人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度。

也称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V（λ）.此定义是由国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法确定的。

能量相同、波长不同的光，在人眼中引起的视觉强度不同。

对绿光灵敏度最高，红光低。

P2图1-2为明暗视觉两种情况下的人眼视见函数曲线（解释一下）在整个可见光谱范围内，人眼可分辨一百多种颜色，颜色分辨率与光谱位置有关。

5．人眼的视觉暂留时间与动态响应时间视觉暂留：人在观察景物时，光信号传人大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。

视觉暂留时间：光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间，人眼约为0.1s。

动态响应时间：从观察到物体到大脑形成感觉和判断所需要的时间，大约为50ms。

6．人眼能在粗略感知大视场内景物的同时能把主要分辨力集中于视力集中的小范围内。

可根据大脑综合判断使眼球活动，以便扫视更宽广的视场或瞄准相对运动的主要目标。

总之，人眼的视觉活动是复杂的生理和心理活动，通过感知明暗、色彩获取光学信息，大脑进行识别、判断、决策。

人工传感器望尘莫及。

（二）光学仪器是人类视觉的扩展人类生存于光的世界，很早就对光学现象进行了研究，古老而年轻的学科。

经历了漫长的发展道路，光学仪器历经了300多年的发展，随着生产、实践、军事和科学事业的发展，促使光学仪器形成了一个独立的工业部门。

光学仪器：利用光辐射现象和特性，提取信息实现控制，视觉参与，人类视觉在时间和空间上的延伸和扩展1．时间上扩展照片、纪录片、科幻片：展示过去和未来2．空间上扩展如望远镜：观察远处和看不清的地方立体测图仪：可看到整个城市的三维形态和山川形貌3．识别能力上扩展光学经纬仪：分辨能力可以从分精确到秒；放大镜、显微镜：分辨人眼看不清或看不到的东西，如医学显微镜可看到细胞。

光学仪器应用领域：资源勘探、地形测绘、地震预测、气象观察、宇航工程、交通运输、医疗卫生、工程建筑、机械、文化教育、环境保护、公安、国防、各类产品质量控制和科学研究等。

科技高度密集的工业部门，美国、德国、日本和英国光学仪器产值占绝对优势。

出口额76%。

不断涌现新型光学仪器设备，正向高精度、高分辨、多功能、自动解析测量等智能化方向发展。

传统光学仪器的缺陷：经典光学方法不能满足现代化需要，均需要人的视觉参与，受极窄的可见光谱限制。

现代科技发展的需求：复杂信息的高速采集和自动控制如，信息的采集：静止对象——高速运动或瞬息即逝的过程；处理对象：一维变量——二维、三维；宏观——微观；常规——超精细、超远距；可见光——非可见光等。

传统光学仪器难以适应，如太空、深水、核辐射、高温等恶劣环境。

必须走光、机、电、算相结合的道路，实现光学仪器的自动化、智能化，发展光电技术和光电检测技术。

二、光电检测技术与光电传感器（一）光电检测技术现代科技发展特点：学科交叉，相互渗透，涌现出许多边缘学科。

光学现象：近似线性化，可移植电系统中的一些理论和分析方法。

如，频谱分析——傅里叶光学；随机过程的统计分析——统计光学；电信号系统中的技术手段如放大、振荡、调制、编码、滤波、反馈……均可由光学方法实现。

无线电雷达——光学雷达；无线电通讯——光通讯；大规模集成电路——光学集成化光学技术的广泛应用，促进了光学系统和电系统的结合，形成了二者兼备的混合系统。

光电技术——光电结合的桥梁。

光电系统组成：发射系统：将光辐射流以一定规律变换，形成具有信息的光信号。

传输介质：光信号的传送，光纤等接收装置：光信号的采集、变换、处理光电技术主要研究：能量状态的转换、信息的处理及变换等等。

频谱范围从X射线、紫外、可见光、直至红外波段。

光电产业：研究、开发、生产各类光电子元器件，和以光电子器件为主体，系统应用光、机、电、算、材等综合应用技术的新兴产业。

受到各国普遍的重视，将成为21世纪的支柱产业、竞争焦点。

光电检测技术：光电技术核心部分之一，专门研究用光电的方法进行各种检测、变换和处理的原理和方法的技术。

包括：光电传感检测器件、检测电路的设计，以及与微机接口之间实现光电信号的变换和处理方法等等。

（二）光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

被测量的变化——光信号的变化——电信号（借助光电元件）一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

各种光电检测器件是光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

如光敏电阻、硅光电池、光电二极管、光敏三极管等等。

有人预测80%的电信号传感器，在未来均可能被光电式传感器取代。

在光电系统中，光电传感器具有如下作用：1． 检测光辐射的平均特性如，测量背景亮度的平均值，以及被测目标光学信号长时间的变化规律等。

这类传感器的输出信号是投射到传感器光电敏感区域上的光通量的积分结果，是信号光亮的平均值。

这类传感器称作单体传感器或光电检测器件。

如硅光电池2． 检测物体的有无、轮廓、形状等几何尺寸，以及可以变换成光学信号的非光学量（压力、温度、应变等）如，光开关或光电耦合器：物体的计数、保护；象限式光电传感器：判断物体方位；坐标传感器：用模拟信号表示二维坐标。

3． 可以检测出物体的亮度等级和空间分布。

器件内部具有自扫描能力，可进行空间亮度分布对时序电信号的分布的转换，称为光电成像器件。

包括电子管摄像器件和固体摄像器件（CCD ）。

4． 在单项指标上扩大了人的视觉能力如，光谱灵敏度范围：0.25μm ——数十个μm ；光电倍增管：逐个计数光子像增强器：暗光中观察目标普通光敏二极管：响应速度为10-7s雪崩型光电二极管APD ：响应速度10-9s电荷耦合器件CCD 或CMOS 固体摄像器件：最小像素尺寸可达数微米的微细程度（与锥状细胞直径相仿）这些光电传感器的应用，大为提高了人的视觉能力。

光电转换器件：上述器件主要是代替人眼的检测以实现测量，作为系统输入装置（光——电）电光显示器件：用于显示数字、文字、图形和电视图像。

LED 等光控器件：用作信号传送和处理的电光、磁光、声光调制和偏转器件。

三、光电检测系统的组成和特点（一）光电检测系统的组成传统光学仪器：光辐射效应在人的视觉参与下工作的仪器，过分依赖于人的视觉。

光电仪器和系统：观测对象的信息载荷于光学辐射中，依赖于光辐射对电能的转换。

通常包括精密机械、光学系统、光电信号传感器、电信号处理器、运算控制计算机、输出显示设备等环节。

各环节分别实现各自职能，组成光、机、电、算综合系统。

典型的光电检测系统组成如图。

辐射源:发出电磁辐射（紫外，可见，红外），作为信息载体传输媒质：传输辐射流，存在扰动检测目标：载荷被测信息光学系统：收集辐射流，根据光谱成分和偏振程度进行光学色散、几何成像、分束、改变辐射流传送方向、辐射通量的求和迭加等。

滤波器：选择性限制辐射流通过光电检测器件：接收到载荷被测物体的信号后，实现光电转换。

（能量转换、二维光强分布转换）。

转换后的电信号是时序串行电流、电压模拟量或数字量。

信息处理：放大转换、滤波电路。

处理内容和顺序取决于具体系统和任务。

主要包括微型计算机，或将处理软件固化在数字信号处理器（DSP）中。

输出设备：由系统功能决定，可以是电信号的指令、打印和光学显示、光盘或磁盘记录、绘图设备和图片照片的摄制装置等。

不完全包括上述环节或更为复杂。

（二）光电检测系统的特点光电检测系统：分辨率高、灵敏度高，可测多维信号，快速响应。

特点：1．可以得到直接反应物质基本物理属性的信息吸收系数、反射率、发光能力以及光强、光谱分布和偏振等本质信息。

2．使光检测系统动作的输入能量小，测量灵敏度高CCD、弱光传感器灵敏度高。