光電技術(shù)_01光電技術(shù)基礎(chǔ)

1、光光 電電 技技 術(shù)術(shù) 第第1 1章章 光電技術(shù)基礎(chǔ)光電技術(shù)基礎(chǔ) 光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。即光是光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。即光是以電磁波方式傳播的粒子。以電磁波方式傳播的粒子。 光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光子。光子具有動量與能量，并分別表示為光子。光子具有動量與能量，并分別表示為p p與與e e，式中，式中h h為普朗克常數(shù)（為普朗克常數(shù)（6.6266.6261010-34-34J Js s）；）；v v為光的振動頻率為光的振動頻率(s(s-1-1) )；c c為光在真空中的傳播速度（為光在真空中的傳播速度

2、（3 310108 8m ms s-1-1）。）。 光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時引起的光光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時引起的光電效應，而光電效應又充分證明了光的量子性。電效應，而光電效應又充分證明了光的量子性。 圖圖1-11-1為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定義（稱為為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定義（稱為電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無線電波（到無線電波（10102 210102525HzHz）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從幾納米到

3、幾毫米，波譜中的一小部分，它包括的波長區(qū)域從幾納米到幾毫米，即即1010-9-91010-3-3m m的范圍。在這個范圍內(nèi)，只有的范圍。在這個范圍內(nèi)，只有0.380.380.780.78m m的的光才能引起人眼的視覺感，故稱這部分光為可見光。光才能引起人眼的視覺感，故稱這部分光為可見光。紅外紫外可見光可見光10156182191210101010101010324f/Hz圖1-1 電磁輻射光譜的分布X射線射線近紅外遠紅外電磁波1.1 1.1 光輻射的度量光輻射的度量 1.1.1 1.1.1 與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù) 1. 輻（射）能和光能輻（射）能和光能

4、 輻（射）能輻（射）能: :以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為，符號以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為，符號: :Qe，單位，單位: :焦耳焦耳（J）。）。 光能光能: :光通量在可見光范圍內(nèi)對時間的積分，符號光通量在可見光范圍內(nèi)對時間的積分，符號: : Qv，單位，單位: :流明秒（流明秒（lms）。）。 2.輻（射）通量和光通量輻（射）通量和光通量 輻（射）通量或輻（射）功率輻（射）通量或輻（射）功率: :以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率功率；或者說，；或者說，在單位時間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能稱為輻（射）通量，在單位時間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射

5、、傳播或接收的輻（射）能稱為輻（射）通量，符號符號: :e e表示，表示， 單位單位: :瓦（瓦（W W），）， tQddeetQee 光通量光通量: :光源表面在無窮小時間段內(nèi)發(fā)射、傳播光源表面在無窮小時間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜，光能被無窮短時間間隔或接收的所有可見光譜，光能被無窮短時間間隔d dt t來除，其商定義為光通量來除，其商定義為光通量v v，即，即 （1-31-3） 若在若在t t時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時間時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時間改變，則式（改變，則式（1-31-3）簡化為）簡化為 （1-41-4） 單位單位: :流流( (明明) )（lmlm）

6、。）。 tQddvvtQvv 3.輻(射)出(射)度和光出(射)度 是描述面輻射源上各面源輻射能力的物理量。是描述面輻射源上各面源輻射能力的物理量。 定義為輻通量定義為輻通量de與該面元面積與該面元面積dA之比，輻之比，輻(射射)出出(射射)度度Me，即，即 （1-5）單位單位：瓦（特）每平方米：瓦（特）每平方米Wm2?？傒椡靠傒椡浚好婀庠矗好婀庠碅 A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為 （1-6） AMddee)(eedAAM)(eedAAM光出光出(射射)度度Mv：對于可見光，面光源對于可見光，面光源A表面某一點處的面元表面某一點處的面元向半球面空間發(fā)射的光通

7、量向半球面空間發(fā)射的光通量dv、與面元面積、與面元面積dA之比稱之比稱為，即為，即 （1-7） 單位：勒單位：勒(克司克司)lx或或lm/m2。 對對均勻發(fā)射輻射均勻發(fā)射輻射的面光源有的面光源有 （1-8）總光通量總光通量：面光源向半球面空間發(fā)射的為：面光源向半球面空間發(fā)射的為 （1-91-9）AMvv)(vvdAAMAMddv4.4.輻輻( (射射) )強度和發(fā)光強度強度和發(fā)光強度 是描述點輻射源的輻射功率在不同方向上的分布，對點光源在給定方向的立體角元對點光源在給定方向的立體角元d d內(nèi)發(fā)射內(nèi)發(fā)射的輻通量的輻通量d de e，與該方向立體角元，與該方向立體角元d d之比定義為點光源在該方向

8、的輻之比定義為點光源在該方向的輻( (射射) )強度強度I Ie e，即，即 單位單位：瓦（特）每球面度：瓦（特）每球面度 Wsr。點光源在有限立體角點光源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻通量為內(nèi)發(fā)射的輻通量為 總輻通量總輻通量：各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為：各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為 Iddee（1-10）Idee（1-11）40eee4dII（1-12）對可見光，與式（對可見光，與式（1-9）類似，定義發(fā)光強度為）類似，定義發(fā)光強度為 對各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總光通量為對各向同性的點光源向所有方向發(fā)射的總光通量為 一般點光源是各向異性的，其發(fā)光強度分布隨方向而

9、異。一般點光源是各向異性的，其發(fā)光強度分布隨方向而異。 發(fā)光強度的單位是坎德拉發(fā)光強度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎，簡稱為坎cd。1979年第十年第十六屆國際計量大會通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射六屆國際計量大會通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540 1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強度為的單色輻射源，在此方向上的輻強度為（1/683）W/sr，其發(fā)，其發(fā)光強度定義為光強度定義為一個坎德拉一個坎德拉cd。 由式（由式（1-13），對發(fā)光強度為），對發(fā)光強度為1cd的點光源，向給定方向的點光源，向給定方向1球面度球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量

10、定義為內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（流明（lm）。）。發(fā)光強度為發(fā)光強度為1cd的點光源在整個球的點光源在整個球空間所發(fā)出的總光通量為空間所發(fā)出的總光通量為=4I12.566 lm。 Iddvv（1-13）Idvv（1-14）5.5.輻輻( (射射) )亮度和亮度亮度和亮度 輻射亮度輻射亮度L Le e ：垂直于輻射方向上單位面積、單位立體角發(fā)出的輻射通量，即：垂直于輻射方向上單位面積、單位立體角發(fā)出的輻射通量，即 單位單位：為瓦（特）每球面度平方米：為瓦（特）每球面度平方米WW（srsrm m2 2 ） 。 亮度亮度L Lv v：單位單位：坎德拉每平方米：坎德拉每平方米cdcdm m2 2 。

11、 余弦輻射體或朗伯輻射體余弦輻射體或朗伯輻射體：若：若L Le e ，L Lv v與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)cosdddcosdde2eeAAIL（1-15）cosdddcosddv2vvAAIL（1-16）黑體是一個理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙黑體是一個理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽等是一個近似的余弦輻射體。表面的輻射體或反射體及太陽等是一個近似的余弦輻射體。 余弦輻射體表面某面元余弦輻射體表面某面元d dS S處向半球面空間發(fā)射的通量為處向半球面空間發(fā)射的通量為 式中，式中， 。 對上式在半球

12、面空間內(nèi)積分的結(jié)果為對上式在半球面空間內(nèi)積分的結(jié)果為 光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)CCD2SLddcosdddsind2020ddcossindddALALv由上式得到由上式得到余弦輻射體余弦輻射體的的M Me e與與L Le e、M Mv v與與L Lv v的關(guān)系為的關(guān)系為v eeML （1-17）vvML （1-18） 6.輻(射)效率與發(fā)光效率 光源所發(fā)射的總輻射通量光源所發(fā)射的總輻射通量e與外界提供給光源的功率與外界提供給光源的功率P之比之比稱為光源的輻稱為光源的輻(射射)效率效率e；光源發(fā)射的總光通量；光源發(fā)射的總光通量v與提供的功與提供的功率率P之比稱為發(fā)光效率之比稱為發(fā)光效率v。它們分別為。

13、它們分別為 輻效率輻效率e無量綱，發(fā)光效率無量綱，發(fā)光效率v的計量單位是流明每瓦的計量單位是流明每瓦lmW-1。 對限定在波長對限定在波長12范圍內(nèi)的輻效率范圍內(nèi)的輻效率 式中式中,e稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻射通量。稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻射通量。 00ee100PPvv（1-19）（1-20）0021ee100dP（1-21）1.1.2 與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù) 從接收器的角度討論輻射度與光度的參數(shù)稱為與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)從接收器的角度討論輻射度與光度的參數(shù)稱為與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)。接收光源發(fā)射輻射的接收器可以是探測器，也可以是

14、反射輻射與光度參數(shù)。接收光源發(fā)射輻射的接收器可以是探測器，也可以是反射輻射的反射器，或兩者兼有。與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)有以下的反射器，或兩者兼有。與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)有以下2種。種。 1.輻照度與照度 輻照度輻照度Ee是照射到物體表面某一點處面元的輻通量是照射到物體表面某一點處面元的輻通量de除以該面元的面積除以該面元的面積dA的商，即的商，即E Ee e的計量單位是瓦（特）每平方米的計量單位是瓦（特）每平方米WWm m2 2 。 AEddee（1-22） 若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（1-221-22）簡化為）簡化為

15、注意，不要把輻照度注意，不要把輻照度Ee與輻出度與輻出度Me混淆起來?；煜饋?。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。 被測物被測物光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)2CCD2光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)1重疊部分重疊部分AEee(1-23)v本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當做輻射體，則光譜反射一部分。若把反射體當做輻射體，則光譜輻出度輻出度M

16、Merer（）（）（r r 代表反射）與輻射體接代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度收的光譜輻照度E Ee e（）的關(guān)系為）的關(guān)系為 v式中式中, ,e e（）為輻射度光譜反射比，是波長）為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。對式（的函數(shù)。對式（1-241-24）的波長積分，得到反射）的波長積分，得到反射體的輻出度體的輻出度 v (1-25) )()(eeerEM(1-24)d)(eeeEM 對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量d dv v除除以該面元面積以該面元面積d dA A稱為光照度稱為光照度E Ev v，即，即AEddvv（1-26）AEvvEv的

17、計量單位是勒（克司）的計量單位是勒（克司）lx。 對接收光的反射體，同樣有對接收光的反射體，同樣有 )()()(vvvEMd)(vvvEM（1-27）（1-28）式中，式中，v（）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。 2.2.輻照量和曝光量輻照量和曝光量 輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號常與所接收的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。入射輻射能量有關(guān)。 照射到物體表面某一面元的輻照度照射到物體表面某一面元的輻照度E Ee e在時間在時間t t內(nèi)內(nèi)的積分稱為輻照

18、量的積分稱為輻照量H He e，即，即 ttEH0eed（1-29）輻照量輻照量He的計量單位是焦爾每平方米的計量單位是焦爾每平方米 J/m2。 如果面元上的輻照度如果面元上的輻照度Ee與時間無關(guān)，式（與時間無關(guān)，式（1-29）可簡化為可簡化為 tEHee（1-30） 與輻照量與輻照量He對應的光度量是曝光量對應的光度量是曝光量Hv，它定義為物體表面某一面元接收的光照度它定義為物體表面某一面元接收的光照度Ev在時間在時間t內(nèi)的積分，即內(nèi)的積分，即ttEH0vvdHv的計量單位是勒（克司）秒的計量單位是勒（克司）秒lx.s。 如果面元上的光照度如果面元上的光照度Ev與時間無關(guān)，與時間無關(guān)，式（式

19、（1-31）可簡化為）可簡化為 tEHvv（1-31）1.2 光譜輻射分布與量子流速率 1.2.1 光源的光譜輻射分布參量 光譜密度Xe,:光源在單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量，簡稱為光譜輻射量，即 dde, exX（1-32）光譜密集度Xv,:表示光源在可見光區(qū)單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的光度量，簡稱為光譜光度量，即 ddv,vXX（1-33）絕對光譜輻射分布曲線:光源的輻射度參量Xe,隨波長的分布曲線稱為該光源的絕對光譜輻射分布曲線。 相對光譜輻射量相對光譜輻射量: :max, e, er, eXXX相對光譜輻射分布曲線相對光譜輻射分布曲線:相對光譜輻射量Xe,r與波長的關(guān)系。 光源在波長12 范圍內(nèi)

20、發(fā)射的輻射通量 21, eed（1-35）若1 =0,2 ，得光源發(fā)出的所有波長的總輻射通量 0r, emax, e0, eedd 光源的比輻射光源的比輻射qe:0, e21, eeddq1.2.2 1.2.2 量子流速率量子流速率 定義：光源在給定波長處, 每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜量子流速率dNe,，即 dhvhvNddd, ee, e 光源在波長為0范圍內(nèi)發(fā)射的總量子流速率 0, emax, e0, eeddrhchvN（1-38）（1-39）可見光區(qū)域，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù) d78. 038. 0, evhcN（1-40）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)

21、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 能夠在任何溫度下完全吸收從任何角度入射能夠在任何溫度下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)射任意波長輻射能的物體稱為黑體。顯可能地發(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)為然，黑體的吸收系數(shù)為1 1，發(fā)射系數(shù)也為，發(fā)射系數(shù)也為1 1。 2.2.普朗克輻射定律（普朗克輻射定律（根據(jù)量子假說根據(jù)量子假說） 黑體為理想的余弦輻

22、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（角標“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 (252, s , ekThchcM（1-40） 黑體光譜輻亮度Le,s,和光譜輻強度Ie,s,分別為) 1e (252s,e,kThchcL（1-41）) 1e (cos252s,e,kThchAcI圖中每一條曲線都有一個最大值，最大圖中每一條曲線都有一個最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動。

23、值的位置隨溫度升高向短波方向移動。 隨著溫度升高，黑體的總輻亮度迅速增加隨著溫度升高，黑體的總輻亮度迅速增加) 1e (252s,e,kThchcL黑體發(fā)射的總輻射出射度 ：s , eM04, s , es , edTMM（1-42）：斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，且4282345KWm1067. 5152chkMe,sT的四次方成正比 3.3.斯忒藩-波爾茲曼定律（紅外隱身技術(shù)）) 1e (252, s , ekThchcM紅外隱身技術(shù)4. 維恩位移定律 2898()mmT （1-43） 常數(shù)。當溫度升高時，峰值光譜輻射出射度對應的波) 1e (252, s , ekThchcM 對黑體輻出度微分，

24、使之為“0”，可得峰值光譜輻出度對應的m與溫度T之間的關(guān)系為：峰值光譜輻出度對應的波長與絕對溫度的乘積是長向短波方向位移，這就是維恩位移定律。利用維恩位移定律，可以方便的得地估算出在給定溫度下黑體或近似黑體的物體在什么波段范圍內(nèi)輻射出射度最多。如：太陽表面的溫度約為5900K，相應的max=0.49m，這就意味著可見光波段0.49m附近太陽輻射的能量最多，這與人眼光譜光視效率最大值所對應的波長0.55m很近。在光電探測系統(tǒng)中，利用維恩位移定律計算出輻射源（目標）某一溫度下的峰值波長，一確定紅外探測器工作的峰值波長，實現(xiàn)“光譜匹配”。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

25、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，根據(jù)斯特藩，根據(jù)斯特藩- -波爾茲曼輻

26、射波爾茲曼輻射定律，正常人體所發(fā)出的輻射出射度為定律，正常人體所發(fā)出的輻射出射度為 24, s , em/W3 .5205 .309M （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 Tm2898(m)=9.36m 峰值光譜輻射出射度為 155se103091T.Mm,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. 9382732898m發(fā)燒時的峰值光譜輻射出射度為 155, s , e10309. 1TMm=3.81Wcm-2m-1 例例1-2 1-2 將將標準鎢絲燈為黑體時，試計算它的峰值輻射標準鎢絲

27、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。波長，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。解解 標準鎢絲燈的溫度為標準鎢絲燈的溫度為T TW 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. 1285628962898Tm(m) 峰值光譜輻射出射度為 155, s , e10309. 1TMm=1.3092856510-15 =248.7Wcm-2m-1 總輻射出射度為 24484, s , em/W1077. 328561067. 52856M光學系統(tǒng)光學系統(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行度量的參數(shù)，這些

28、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用光度參數(shù)標定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標定其特性參數(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)標定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進行比較。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v用各種單色輻射分別刺激正常人（標準觀察者）眼用各種單色輻射分別刺激正常人（標準觀察者）眼的錐狀細胞，當刺激程度相同時，發(fā)現(xiàn)波長的錐狀細胞，當刺激程度相同時，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

29、Le,me,m小于其它波長的光小于其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,me,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,me,)(LLV（1-54） 1.4.1 1.4.1 人眼的視覺靈敏度人眼的視覺靈敏度 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

30、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 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)(LLV(1-55) 對于正常人眼的圓柱細胞，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1.4.2 人眼的光譜光視效能 無論是錐狀細胞還是柱狀細胞，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 )

31、(, em,vVXKX（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。 對于暗視覺，為 )(,VXKXemv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，K（），并令 )()(m, e,vVKXXK（1-58）（1-57）)()(m, e,vVKXXK（1-59） 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=

32、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v例例1-31-3 已知某已知某He-

33、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 31010-3-3v =0.492(lm) =0.492(lm)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

34、體的光視效能K，即 evevK 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 )(nm780nm380e,mvVK(1-60)(1-61) 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。 VKVKKm0, enm780nm380, emdd )( 標準鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖1-7所示，圖中的曲線分別為標準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, eXrVe,)X(reX,)d(780n

35、mnm380e,VXrrVe,)X(為曲線所圍的面積Al，而積分 d0e,rX面積A2。因此，由(1-62)可得標準鎢絲燈的光視效能Kw為1 .1721mWAAKKlm/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。 例如，對于色溫為例如，對于色溫為 2 856 K2 856 K的標準鎢絲燈其光視的標準鎢絲燈其光視效能為效能為17lm/W17lm/W，當標準鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為，當標準鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為e e100W100W時，其光通量為時，其光通量為 v v = 1710lm = 1710lm。

36、 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。 tEHvv1.5 半導體對光的吸收 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

37、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 （1-64）xe0可見，當光在物質(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 x1（1-65）另外，根據(jù)電動力學理論，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。 )(jeecnxtcx0YEE)(j0eecnxtcxZHH（1-66）乘積的其實數(shù)部分應是輻射通量隨傳播路徑x的變化關(guān)系。即 cx20e式中，稱為消光系數(shù)。 由此可以得出 42c（1-67） 半導體的消光系數(shù)與入

38、射光的波長無關(guān)，表明它對愈短波長的光吸收愈強。（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。 當不考慮反射損失時，吸收的光通量應為當不考慮反射損失時，吸收的光通量應為 )e1 (00 x1.5.2 1.5.2 半導體對光的吸收半導體對光的吸收 在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時，半導體中的電子基本上處于價帶中，導帶中的電子很少。當光入射到半導體表面時，原子外層價電子吸收足夠的光子能量，越過禁帶，進入導帶，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-

39、9所示，半導體價帶電子吸收光子能量躍遷入導帶，產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征吸收。 d 顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導體的禁帶寬度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）gEhv ggL24. 1EEhc（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，改變本征半導體的導電特性。 2.2.雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 N型半導體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級（施主能級）躍入導帶，成為自由電子。 同樣，P型半導體中，價帶上的電

40、子吸收了能量hv大于EA（受主電離能）的光子后，價電子躍入受主能級，價帶上留下空穴。相當于受主能級上的空穴吸收光子能量躍入價帶。 這兩種雜質(zhì)半導體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸收。 顯然，雜質(zhì)吸收的長波限 DL24. 1EAL24. 1E（1-71）（1-72）由于EgED或EA ，因此，雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會改變半導體的導電特性，也會引起光電效應。 3. 激子吸收激子吸收 當入射到本征半導體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ED或EA）時，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來束縛電荷的約束而處于受

41、激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會改變半導體的導電特性。 4. 4. 自由載流子吸收自由載流子吸收 對于一般半導體材料，當入射光子的頻率不夠高時，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，而且其強度隨波長增大而增強。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會改變半導體的導電特性。 5. 5. 晶格吸收晶格吸收 晶格原子對遠紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝觿幽艿脑黾樱诤暧^上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應。 以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠

42、直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運動的速度加快，而不會改變半導體的導電特性。 1.6 光電效應 光電效應：分為內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應與外光電效應外光電效應兩類。內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應：被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。外光電效應外光電效應：被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子。光電效應包括光電導效應、光生伏特效應、丹培效應、光磁效應、光子牽引效應、光電發(fā)射效應 等。常用：光電導效應、光生伏特效應和光電發(fā)射效應 1.6.1 1.6.1 內(nèi)光電效應內(nèi)

43、光電效應 1. 光電導效應光電導效應 光電導效應可分為本征光電導本征光電導效應與雜質(zhì)光雜質(zhì)光電導電導效應兩種，本征半導體或雜質(zhì)半導體價帶中的價帶中的電子吸收光子能量躍入導帶產(chǎn)生本征吸收，導帶電子吸收光子能量躍入導帶產(chǎn)生本征吸收，導帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導體的電導率發(fā)生變化。 光的作用下由本征吸收引起的半導體電導率的變光的作用下由本征吸收引起的半導體電導率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導效應?；F(xiàn)象稱為本征光電導效應。 通量為e,的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導體上，波長的單色輻射全部被吸收，則光敏層單位時間所吸收

44、的量子數(shù)密度Ne,應為 bdlhNe,e,光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge為 e,eNG etGG光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率應e,tNr在熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)下，半導體的熱電子產(chǎn)生率Gt與熱電子復合率rt相平衡。導帶中的電子與價帶中的空穴的總復合率R： )(iifppnnKRKf-載流子的復合幾率，n-導帶中的光生電子濃度，p-導帶中的光生空穴濃度，ni，pi-熱激發(fā)電子與空穴的濃度。 熱電子復合率: iiftpnKr 熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應與復合率相等。()()fiiKn np p 非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)下，載流子的時間變化率應等于載流子的總產(chǎn)生率與總復合率的差。即 )(dd, eiif

45、iifppnnKpnKNtn)(, eiifnppnpnKNee,ttGGNre,fiiNK n p兩種情況：（1）微弱輻射微弱輻射作用 nni，p時，載流子濃度時，載流子濃度n達到穩(wěn)態(tài)值達到穩(wěn)態(tài)值n0，即達到動，即達到動態(tài)平衡狀態(tài)態(tài)平衡狀態(tài) , e0Nn 光激發(fā)載流子引起半導體電導率的變化為 , eNqnq=電子遷移率n+空穴遷移率p 歐姆定律的微分形式：EJnqvEJEvE按定義：另外：nq,2ddelhqg由此可得半導體材料在弱輻射作用下的光電導靈敏度Sg 2,d dhclqgSegl的平方成反比。 半導體材料的光電導g為 , eNlbdqlbdg在弱輻射作用下的半導體材料的光電導靈敏度

46、為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導材料兩電極間的長度（2）在強輻射的作用下，nni，ppi2, eddnKNtnf利用初始條件t = 0時，n = 0，解微分方程得 tKNnftanh21e, 為強輻射作用下載流子的平均壽命。 e,1fK Ne,d()dfiinNKn ppnnpt 強輻射情況下，半導體材料的光電導與入射輻射通量間的關(guān)系為 21,213eflKhbdqg進行微分得 ,21,213d21deeflKhbdqg 強輻射作用的情況下半導體材料的光電導靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性非線性的。 , eNlbdqlbdg1()fiiknp平均壽命是個非常重要的參量

47、，它表征復合的下使用。強弱， 小表示復合快，大表示復合慢。要制成光電導高的器件，應該使ni和pi有較小的值。因此光電導器件一般是由高阻材料制成或者在低溫2. 光生伏特效應 (1)PN結(jié)的形成 P型半導體的多子是空穴， N型半導體的多子是電子。P型、N型半導體結(jié)合在一起時，載流子的濃度差引起擴散運動。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，剩下帶負電的受主離子；N區(qū)耳朵多子電子向P區(qū)擴散，剩下帶正電的施主離子。從而在靠近PN結(jié)界面的區(qū)域形成一個空間電荷區(qū)。其電場的方向由N區(qū)指向P區(qū)，該電場稱為內(nèi)建電場。內(nèi)建電場的作用下，載流子產(chǎn)生漂移運動，其方向與擴散運動的方向相反。當漂移運動與擴散運動達到平衡時，結(jié)區(qū)內(nèi)建立起了

48、相對穩(wěn)定的內(nèi)建電場。2. 光生伏特效應 (2)PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) N型半導體型半導體 P型半導體型半導體 EcEvEcEvEFpEFn2. 光生伏特效應 (3)光生伏特效應 當入射輻射作用在半導體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，并分別向如圖1-11所示的方向運動，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。 擴散運動擴散運動： 形成內(nèi)建電場光生電流I=ISC2. 光生伏特效應 (4)PN結(jié)電流方程 正向偏壓正向偏壓+-正向電流反向偏壓反向偏壓-+反向電流(1)qUKTDIIe電流大?。? 1(KTqUDeIII正向偏壓：正向偏壓：(1)qUKTDII

49、Ie反向偏壓：反向偏壓：, e)1 (ehqIIdsc) 1ln(OCDIIqKTU開路電壓：開路電壓：光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為 I=I+ID 光電二極管的暗電流ID一般要遠遠小于光電流I，因此，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系 ,)1 (edehqI3. 丹培（Dember）效應 如圖1-13所示，當半導體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時，在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。 這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應。 丹培效應產(chǎn)生的光生電壓可由下式計算 pnpnpnpnDpnnqKTU0001ln 式中，n0與p0為熱平衡載流子的濃度；n0為半導體表面處的光生載流子濃度；n與p分別為電子與空穴的遷移率。n=1400cm2/(Vs)，而p=