光电技术基础理论.DOC

光信息科学与技术基础理论及实验 2009．12 第1章 光电技术基础理论 1 1.1光辐射与光源 1 1.1.1辐射的基本概念 1 1.1.2光源的基本特性参数和光源的选择 4 1.1.3 半导体光源 7 1.2光电探测器的理论基础 15 1.2.1光电探测器的分类 15 1.2.2光电探测器的性能参数 17 1.2.3 光电探测器中的噪声 19 1.3光电子发射探测器 22 1.3.1光电子发射效应 23 1.3.2光电管 26 1.3.3光电倍增管 29 1.4光伏探测器 38 1.4.1光生伏特效应 39 1.4.2光电池与光电二极管 40 1.4.3光伏探测器的主要性能参数 49 1.5 CCD光电探测器 52 1.5.1 CCD的结构与工作原理 52 1.5.2 CCD图像传感器 58 1.5.3 CCD图像传感器的特性参数 62 第2章 光电技术实验 67 2.1 半导体光源LED的基本特性 67 2.1.1半导体光源的伏安特性曲线测试实验 67 2.1.2光源LED/LD的光谱特性的测试 69 2.1.3光源LED/LD的光电转换特性的测试 70 2.1.4 光源LED/LD的光强分布测量实验 72 2.2光电探测器基本特性测试 73 2.2.1光电探测器光谱响应度的测量 73 2.2.2光电探测器响应时间的测试 77 2.2.3硅光电池特性测试 81 2.3 CCD原理及其应用实验 83 2.3.1 CCD原理及驱动实验 83 2.3.2 CCD特性测试实验 89 2.3.3 CCD输出信号的二值化实验 90 2.3.4 利用CCD检测物体的振动 94 2.3.5 利用CCD测量透镜的调制传递函数 96 第3章 全息照相 100 3.1 全息照相的基本原理及分类 100 3.1.1 全息照相的基本原理 100 3.1.2 平面全息图 103 3.1.3 体积全息图 107 3.2 全息照相实验 107 3.2.1 全息照相原理实验 107 3.2.2 傅里叶变换全息实验 111 3.2.3 全息光栅的设计、制备和性能测试 114 3.2.4 全息透镜的制作与应用 117 3.2.5 测定空气的折射率 120 第1章 光电技术基础理论 1.1光辐射与光源 光电技术的理论基础是光的波粒二象性。光是以电磁波形式传播的物质，电磁波谱的频率范围很宽，其中只有在0.38～0.78μm的光才能被人眼所感知。因此我们把此波段的电磁辐射称为光辐射，把发出光辐射的物体称为光源。通常光辐射可分为热辐射和非热辐射两大类，而光源的种类很多，光电技术中把所用的光源简单划分为自然光源和人造光源。 1.1.1辐射的基本概念 光学中，用来定量描述辐射能强度的量有两类：一类是物理的，称为辐射度学或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区；另一类是生理的，以人眼所见的光辐射对大脑的刺激程度来进行计量，称为光度学或光度参数，它只适用于0.38～0.78μm的可见光谱区，超过这个谱区没有任何意义。辐射度参数和光度参数在概念上不一样，但它们的计量物理量基本相同。 1．辐射度参数 辐射度参数是计量辐射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 辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为J（焦耳）。当辐射能被物质吸收时，可以转换成其他形式的能量，如热能、电能等。当物质吸收了强度调制的辐射能后，可以检测热波、声波等形式的能量来研究物质的性质。 （2）辐射通量 辐射通量又称为辐射功率，是辐射能的时间变化率，即单位时间内发射、传播或接收的辐射能，表示为 （1-1） 单位为W（瓦）。 （3）辐射出射度 辐射出射度是面光源表面任一面元向半球面空间内发射的辐通量 与该面元之比，即 （1-2） 单位为W／m2（瓦每平方米）。 （4）辐射强度 辐射强度定义为点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射能量，即 （1-3） 单位为W／sr（瓦每球面度）。在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源，在有限立体角内发射的辐射通量为 （1-4） 在空间所有方向（）上发射的辐射通量为 （1-5） 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。 （5）辐射亮度 辐射亮度定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，即