光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2節(jié)

1、光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 1.3 1.3 物體熱輻射物體熱輻射 物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。 第一種稱為熱輻射。第二種稱為發(fā)光。第一種稱為熱輻射。第二種稱為發(fā)光。 1.3.1 1.3.1 黑體輻射定律黑體輻射定律 1.1.黑體黑體 能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長的輻能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長的輻 射，并且在每一個方向都能最大可能地發(fā)射任意波射，并且在每一個方向都能最大可能地發(fā)射任意波 長輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)長輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù) 為為1 1，發(fā)射系數(shù)也為，發(fā)射系數(shù)也為1 1。 光

2、電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 2.2.普朗克輻射定律普朗克輻射定律 黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射 度度Me,s,（角標(biāo)（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示表示黑體）由普朗克公式表示 為為 式中，式中，k為波爾茲曼常數(shù)；為波爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；為普朗克常數(shù)；T為為 絕對溫度；絕對溫度；c為真空中的光速。為真空中的光速。 ) 1e ( 2 5 2 , s , e kT hc hc M （1-40） 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 黑體光譜輻亮度Le,s,和光譜輻強度Ie,s,分別為 ) 1e ( 2 5 2 s,e, kT hc

3、 hc L （1-41） ) 1e ( cos2 5 2 s,e, kT hc hAc I 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 圖圖1-2 繪出了黑體輻繪出了黑體輻 射的相對光譜輻亮度射的相對光譜輻亮度 Le,s,r與波長的等溫與波長的等溫 關(guān)系曲線。圖中每一關(guān)系曲線。圖中每一 條曲線都有一個最大條曲線都有一個最大 值，最大值的位置隨值，最大值的位置隨 溫度升高向短波方向溫度升高向短波方向 移動。移動。 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 將式（1-40）對波長求積分，得到黑體發(fā)射的 總輻射出射度 s , e M 0 4 , s , es , e dTMM （1-42） 式中，是斯特藩-波

4、爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q 定 428 23 45 KWm1067. 5 15 2 ch k 由式（1-42），Me,s與T的四次方成正比 3.3.斯忒藩-波爾茲曼定律 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 將普朗克公式（1-40）對波長求微分后令其 等于0，則可以得到峰值光譜輻射出射度所對 應(yīng)的波長m與絕對溫度T的關(guān)系為 T m 2898 (m) （1-43） 可見，峰值光譜輻出度對應(yīng)的波長與絕對溫度 的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時，峰值光譜輻射 出射度對應(yīng)的波長向短波方向位移，這就是維 恩位移定律。 4. 維恩位移定律 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 將式（將式（1-431-43）代入式（）

5、代入式（1-401-40），得到黑體的峰值），得到黑體的峰值 光譜輻出度光譜輻出度 155 se 103091 T.M m , Wcm-2m-1K-5 以上三個定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 例例1-1 若可以將人體作為黑體，正常人體溫的為若可以將人體作為黑體，正常人體溫的為 36.5，（，（1）試計算正常人體所發(fā)出的輻射出射）試計算正常人體所發(fā)出的輻射出射 度為多少度為多少W/m2？（？（2）正常人體的峰值輻射波長）正常人體的峰值輻射波長 為多少為多少m？峰值光譜輻射出射度？峰值光譜輻射出射度Me,s, m為多少？ 為多少？ （3）人體發(fā)燒到）人體發(fā)燒到38時

6、峰值輻射波長為多少？發(fā)時峰值輻射波長為多少？發(fā) 燒時的峰值光譜輻射出射度燒時的峰值光譜輻射出射度Me,s, m又為多少？ 又為多少？ 解解 （1 1）人體正常體的絕對溫度為）人體正常體的絕對溫度為T T=36.5+273=309.5K=36.5+273=309.5K，根，根 據(jù)斯特藩據(jù)斯特藩- -波爾茲曼輻射定律，正常人體所發(fā)出的輻射出射波爾茲曼輻射定律，正常人體所發(fā)出的輻射出射 度為度為 24 , s , e m/W3 .5205 .309M 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) （2）由維恩位移定律，正常人體的峰值輻射波長為）由維恩位移定律，正常人體的峰值輻射波長為 T m 2898 (m

7、)=9.36m 峰值光譜輻射出射度為 155 se 103091 T.M m , Wcm-2m-1 =3.72 Wcm-2m-1 （3）人體發(fā)燒到38時峰值輻射波長為 m32. 9 38273 2898 m 發(fā)燒時的峰值光譜輻射出射度為 155 , s , e 10309. 1 TM m =3.81Wcm-2m-1 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 例例1-2 1-2 將標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈為黑體時，試計算它的峰值輻射波將標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈為黑體時，試計算它的峰值輻射波 長，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。長，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。 解解 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的溫度為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的溫度為T TW

8、W=2856K=2856K，因此它的峰值輻射，因此它的峰值輻射 波長為波長為 015. 1 2856 28962898 T m (m) 峰值光譜輻射出射度為 155 , s , e 10309. 1 TM m =1.3092856510-15 =248.7Wcm-2m-1 總輻射出射度為 24484 , s , e m/W1077. 328561067. 52856 M 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)CCD2 輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對光輻射 進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi) （可見光譜區(qū)）經(jīng)常相互使用，它們之間存在著 一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；有些光電傳感器件采

9、用光度參 數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參 數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，因此討論它們之間的轉(zhuǎn)換是 很重要的。本節(jié)將重點討論它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系，掌 握了這些轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對用不同度量參數(shù)標(biāo) 定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。 1.4 輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) v用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼 的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時，發(fā)現(xiàn)波長的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時，發(fā)現(xiàn)波長 =0.555m=0.555m處的光譜輻射亮度處的光譜輻射亮度L Le,m e,m小于其它波長的光 小于其

10、它波長的光 譜輻亮度譜輻亮度L Le, e,。把波長 。把波長=0.555m=0.555m的光譜輻射亮度的光譜輻射亮度 L Le,m e,m被其它波長的光譜輻亮度 被其它波長的光譜輻亮度L Le, e,除得的商，定義為 除得的商，定義為 正常人眼的明視覺光譜光視效率正常人眼的明視覺光譜光視效率V V（），即），即 v e, m e, )( L L V （1-54） 1.4.1 1.4.1 人眼的視覺靈敏度人眼的視覺靈敏度 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 如圖1-5所示為人眼的明 視覺光譜光視效率V（） ，它為與波長有關(guān)的相對值。 對正常人眼的圓柱細(xì)胞， 以微弱的各種單色輻射刺 激時，發(fā)現(xiàn)

11、在相同刺激程 度下，波長為處的光譜輻 射亮度Le，507nm小于其他波 長的光譜輻射亮度 Le,。 把 Le，507nm 與Le,的比值 定義為正常人眼的暗視覺 光譜光視效率，即 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) V(）也是一個無量綱的相對值，它與波長的 關(guān)系如圖1-5中的虛線所示。 e, nm507, e )( L L V (1-55) 對于正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單 色輻射刺激時，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長為 處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長的光 譜輻射亮度 Le,。把 Le，507nm 與Le,的比值定義 為正常人眼的暗視覺光譜光視效率，即 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件

12、第1章第2 節(jié) 1.4.2 人眼的光譜光視效能 無論是錐狀細(xì)胞還是柱狀細(xì)胞，單色輻射對其 刺激的程度與Le,成正比。 對于明視覺，刺激程度平衡的條件為 )( , em,v VXKX （1-56） 式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的 光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其 值為683lm/W。 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 對于暗視覺，為 )( , VXKX emv 式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參 量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。 引進(jìn)，K（），并令 )()( m , e ,v VK X X K （1-58） （1-57） )()( m , e ,v VK X

13、 X K （1-59） 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 式中，式中，K K（），），KK（）分別稱為人眼的明視覺）分別稱為人眼的明視覺 和暗視覺光譜光視效能。和暗視覺光譜光視效能。 由式（由式（1-581-58）、（）、（1-591-59），在人眼最敏感的波長），在人眼最敏感的波長 =0.555m=0.555m，=0.507m=0.507m處，分別有處，分別有V V（m m）=1=1， VV （m m）=1 =1 ，這時，這時K K（m m）= = K Km m，KK（m m ）= = K Km m 。 因此因此，K Km m，K Km m 分別稱為正常人眼的明視覺最大光譜分別稱為正常人

14、眼的明視覺最大光譜 光視效能和暗視覺最大光譜光視效能。光視效能和暗視覺最大光譜光視效能。 根據(jù)式（根據(jù)式（1-581-58）和（）和（1-591-59），可以將任何光譜輻射量轉(zhuǎn)），可以將任何光譜輻射量轉(zhuǎn) 換成光譜光度量。換成光譜光度量。 CCD2 重疊部分重疊部分 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) v例例1-3 1-3 已知某已知某He-NeHe-Ne激光器的輸出功率為激光器的輸出功率為3mW3mW， 試計算其發(fā)出的光通量為多少試計算其發(fā)出的光通量為多少lmlm？ v解解 He-NeHe-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，激光器輸出的光為光譜輻射通量， 根據(jù)式（根據(jù)式（1-561-56）可

15、以計算出它發(fā)出的光通量為）可以計算出它發(fā)出的光通量為 vv,v,= =K K,e ee e, ,=K=Km mV()V()e e, , v = =6836830.240.243 31010-3 -3 v =0.492(lm) =0.492(lm) 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 1.4.3 1.4.3 輻射體光視效能輻射體光視效能 一個熱輻射體發(fā)射的總光通量v與總輻射通量 e之比，稱為該輻射體的光視效能K，即 e v e v K 對發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，由上式 及式（1-58）可得總光通量v為 d )( nm780 nm380 e,mv VK (1-60) (1-61) 光電傳感器

16、應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 將式（將式（1-351-35）、（）、（1-611-61）代入式（）代入式（1-601-60），得到），得到 （1-62） 式中式中,V是輻射體的光視效率。是輻射體的光視效率。 VK VK K m 0 , e nm780 nm380 , em d d )( 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖1-7所示， 圖中的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對光譜輻射 分 、光譜光視效率V（）和光譜光視效 率與相對光譜輻射分布之積 ，積分 r , e X r V e, )X( r e X , )d( 780nm nm380 e, VX r r V e, )X( 為曲線所圍的面積Al，而積分 光電

17、傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) d 0 e, r X面積A2。因此，由(1-62)可得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲 燈的光視效能Kw為 1 .17 2 1 mW A A KKlm/W 由式（1-60），已知某 種輻射體的光視效能K 和輻射量Xe，就能夠計 算出該輻射體的光度量 Xv，該式是輻射體的輻 射量和光度量的轉(zhuǎn)換關(guān) 系式。 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 例如，對于色溫為例如，對于色溫為 2 856 K2 856 K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視 效能為效能為17lm/W17lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為 e e100W100W時，其光通量為時，其光通量為

18、 v v = 1710lm = 1710lm。 由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光 的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白 熾鎢絲燈的供電電壓降低時，燈絲溫度降低，燈熾鎢絲燈的供電電壓降低時，燈絲溫度降低，燈 的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照 度計檢測光照度時，照度將顯著下降度計檢測光照度時，照度將顯著下降。 tEH vv 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 1.5 半導(dǎo)體對光的吸收 1.5.1 物質(zhì)對光吸收的一般規(guī)律物質(zhì)對光吸收的一般規(guī)律 光波入射到物

19、質(zhì)表面上，用透射法測定光通 量的衰減時，發(fā)現(xiàn)通過路程dx的光通量變化d 與入射的光通量和路程dx的乘積成正比，即 （1-63）xdd 式中，稱為吸收系數(shù)。 如圖1-8所示，利用初始條件 x=0時 ，解這個微分方程， 可以找到通過x路程的光通 量為 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) （1-64） x e 0 可見，當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時，透過的能量衰減到 原來能量的e-1時所透過的路程的倒數(shù)等于該物質(zhì) 的吸收系數(shù)，即 x 1 （1-65） 另外，根據(jù)電動力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時， 其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律 exp(-xc-1)衰減。 )(j ee c nx t c x 0Y EE

20、)(j 0 ee c nx t c x Z HH 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) （1-66） 乘積的其實數(shù)部分應(yīng)是輻射通量隨傳播路徑x的 變化關(guān)系。即 c x 2 0e 式中，稱為消光系數(shù)。 由此可以得出 42 c （1-67） 半導(dǎo)體的消光系數(shù)與入射光的波長無 關(guān)，表明它對愈短波長的光吸收愈強。 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) （1-68） 普通玻璃的消光系數(shù)普通玻璃的消光系數(shù)也與波長也與波長無關(guān)，無關(guān)， 因此，它們對短波長輻射的吸收比長波長強。因此，它們對短波長輻射的吸收比長波長強。 當(dāng)不考慮反射損失時，吸收的光通量應(yīng)為當(dāng)不考慮反射損失時，吸收的光通量應(yīng)為 )e1 ( 00

21、x 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 1.5.2 1.5.2 半導(dǎo)體對光的吸收半導(dǎo)體對光的吸收 在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時，半導(dǎo)體中的電 子基本上處于價帶中，導(dǎo)帶中的電子很少。當(dāng)光入射到 半導(dǎo)體表面時，原子外層價電子吸收足夠的光子能量， 越過禁帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，成為可以自由運動的自由電子。 同時，在價帶中留下一個 自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴 對。如圖1-9所示，半導(dǎo)體 價帶電子吸收光子能量躍 遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴 對的現(xiàn)象稱為本征吸收。 d 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大 于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，才能使價帶EV上的電子 吸收足夠的能量躍入到導(dǎo)帶底能級EC之上，即 由此，可以得到發(fā)生本征吸收的光波長波限 （1-69） g Ehv gg L 24. 1 EE hc （1-70） 只有波長短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征 吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。 光電傳感器應(yīng)用技術(shù)課件第1章第2 節(jié) 2.2.雜質(zhì)吸收雜質(zhì)