1、光电检测技术,第二章 光电检测技术基础,第二章 光电检测技术基础,主要教学内容：2.1 光的基本性质2.2 辐射与光度学量2.3 半导体基础知识（重点）2.4 光电效应（重点）,2.1 光的基本性质,牛顿微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波,结论：光是某一波段的电磁波,2.1 光的基本性质,光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性,2018/9/
2、22,光源,传输,转运,探测,成像,显示,2.1 光的基本性质,光电检测系统,2.1 光的基本性质,物理发光有两种基本形式：热辐射和发光辐射,（一）热辐射（温度辐射）源,任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射。,热辐射光谱时连续光谱。热辐射源遵循有关黑体的定律。应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据,2.1 光的基本性质,常见热辐射源：,自然界一切物体都属于热辐射体太阳白炽灯,太阳可以看成是一个直径为1.392x109m的光球。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。在大气层外
3、，太阳对地球的辐射照度值在不同的光谱区所占的百分比为： 紫外区（0.78mm） 47.29%,2.1 光的基本性质,黑体及黑体辐射定律,对于外来的辐射，物体有反射和吸收作用。 如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为黑体。一个开有小孔的封闭空腔可看作是黑体。,黑体辐射问题所研究的是辐射（电磁波）与周围物体处于平衡状态时能量按波长（频率）的分布。,黑体及黑体辐射定律,2.1 光的基本性质,在 频率之间的辐射能量密度 只与空腔的温度T有关，而与空腔的形状及其组成物质无关。实验曲线：,黑体辐射公式Planck公式,1918年Planck获得诺贝尔物理学奖。,2.1 光的基本性质
4、,黑体模拟器,在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特征和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。,2.1 光的基本性质,黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而实际应用的大多数是在2000K以下。,2.1 光的基本性质,（二）发光辐射的产生方法,激励可以使发光物质产生光，外界需要提供足够的激励能。外界提供激励能的形式可以有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发光、热发光。,发光与热辐射的区别,发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱,热辐射是热平
5、衡状态的辐射，也称温度辐射。,2.1 光的基本性质,2.1 光的基本性质,2.1 光的基本性质,2.1 光的基本性质,光电检测系统光源的选择：根据测量对象要求选择,在目视光学系统中，一般采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。,在彩色摄影系统中，为获得较好的色彩还原，应采用类似日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。,在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源。,在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。,第二章 光电检测技术基础,主要教学内容：2.1 光的基本性质2.2 辐射与光度学量2.3 半导体基础知识2.4 光电效应,1、辐射度单位体系：辐射度学是对
6、光学辐射进行定量评价的一门实验科学。是通过电磁光谱来处理辐射能的测量,一、光辐射的计量方法：对光能进行定量研究,2.2 辐射与光度学量,评价光电探测系统的性能，与辐射量和光度量有密切关系。,2、光度学单位体系：光度学是研究光度测量的科学。在光度学中根据人眼的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。适合于可见光区，包含人眼特性，参数角标为“u”,适合于整个电磁波辐射范围。通过电磁光谱来处理辐射能的测量，是从物理（客观）角度来计量。辐射度学主要研究频率为31011 31016Hz的光辐射，对应于0.011000m微米的波长。波段范围包括红外、可见光、紫外线参数角标为“e”,1、辐射度学
7、量,一、光辐射度的计量方法,2、光度学,与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为380780nm纳米。出发点是从人的生理学（主观）角度来计量，是以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来进行计量。其参数角标为“u”,一、光辐射度的计量方法,二、辐射度的基本物理量,辐射能（量）Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量。单位：焦耳J辐射通量e：光源在单位时间内辐射的总能量称为光源的辐射通量，也记为辐射功率e，是辐射能的时间变化率。单位：瓦W,六个量：辐射能、辐射通量、辐射出射度、 辐射强度、辐射亮度、辐射照度,辐射强度Ie：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单
8、位：W/Sr,二、辐射度的基本物理量,立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2角度覆盖整个单位圆。在三维空间， 4的球面度立体角覆盖整个单位球面。,从一个球面上去除1球面度立体角的圆锥,例：一个处于均匀介质中的各向同性的点辐射源的总辐射通量为e，则各个方向的Ie为多少？,二、辐射度的基本物理量,由,得,所以,辐射出射度Me ：辐射体在单位面积内向半球面空间所辐射的通量或功率称为辐射出射度（也称辐射本领）。用来量度物体辐射能力的物理量。单位：W/m2,二、辐射度的基本物理量,辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2,Me与Ee区别：定义出发点不同。,二、辐射度的基本物理量,
9、例：一个辐射强度为Ie=1W/Sr的点光源，它的总辐射通量为多少？若用一半径为R的球面将其包围，则球面上的辐射照度为多少？,由,知,（W/m2）,辐射亮度Le,定义：面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。可以表示面辐射源沿不同方向的辐射能力差异。,二、辐射度的基本物理量,单位：W/m2.Sr,辐射源表面的方向与亮度有关，当辐射强度方向dIe与面元ds的法线方向相同时，dIe最大，相应亮度最大,显然：一般辐射体的辐射亮度与空间方向有关。,二、辐射度的基本物理量,特殊辐射体：,辐射体的辐射强度Ie在空间上的分布满足,为面源ds法线方向的辐射强度、辐射亮度,二、辐射度的基本物理量,黑体为典型的余弦辐射
10、体，其辐射亮度与方向角（，）无关，各个方向上都是均匀的。,可以求出辐射亮度为Le0的余弦辐射体上某一面元ds向周围半空间的辐射通量为,为余弦辐射体的Me和Le之间的关系,半球面积分,二、辐射度的基本物理量,黑体为典型的余弦辐射体，其辐射亮度与方向角（，）无关，各个方向上都是均匀的。,可以求出辐射亮度为Le0的余弦辐射体上某一面元ds向周围半空间的辐射通量为,为余弦辐射体的Me和Le之间的关系,定义：单色辐射度量是该辐射度量在波长处的单位波长间隔内的大小，是辐射度量随波长的变化率。,二、辐射度的基本物理量,单色辐射度量,辐射源所辐射的能量往往由很多波长的单色辐射组成。为研究光源对各种波长的辐射贡
11、献，特别提出单色辐射度量。,辐射通量e单色e()辐射出射度Me单色Me(),辐射强度Ie单色Ie()辐射亮度Le单色Le()辐射照度Ee单色Ee(),基本辐射度量的名称、符号和定义方程,2,三、光度学基本物理量,光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可见光区（380780nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。基本物理量：发光强度I,辐射量对人眼视觉的刺激值，是主观的，不管辐射量大小，以看到为准。,光能Qv：按人眼的感觉强度进行度量的辐射能的大小。单位流明秒 lm s光
12、通量v：单位时间内通过某一面积的光能量（功率。单位：流明lm。发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。,三、光度学基本物理量,36,发光强度Iv,发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量。,它可用点光源在单位立体角中发出的光通量来量度。,d是点光源在某一方向d立体角内的光通量。,在国际单位制中，发光强度的单位为坎德拉（Candela），符号：cd。,发光强度的单位是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位均为导出单位。,三、光度学基本物理量,37,一般情况下，发光强度因方向而异，对于各向同性的点光源，设它在空间各方向发出的
13、总光通量为，则其发光强度为：,对于给定的发光体，光具组不能增加总的光通量，光具组的作用是把光通量重新分布。,例如，使它比较集中在某些选定的方向上，而相应地减小其它方向的发光强度。,注意：仅当光源的限度相对观察距离可以忽略时，才能作为点光源，才能用发光强度来描述它的发光特性。,三、光度学基本物理量,光照度Ev：被照表面的单位面积所接收的入射光的量 ，单位：勒克斯lx，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。,三、光度学基本物理量,光出射度:扩展源单位面积向2空间发出的全部光通量。 单位：Lm/m2 (流明/平方米),A为扩展源面积,A为被照面积,照度是表征受照射面被照明程度的物理量。,对点
14、光源来说，,照度为：,上式称为点光源的照度定律。,它表示点光源产生的照度与点光源的发光强度及照射角的余弦成正比，与照射距离的平方成反比。,当垂直照射时，0，照度最大；,掠射时，90，照度最小，其值为零。,三、光度学基本物理量,晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜
15、0.001lx,光亮度：是用来表示面光源上某面元沿某方向的发光强度。,设发光面上的面元ds发出的光，包围在一个立体角d内，这光束的轴线与ds的法线成一个角度，在光束轴线方向上的ds的投影面积为dscos。从立体角d中发出的光通量为d，则光源的亮度定义为：,三、光度学基本物理量,可见，光亮度等于单位投影面积上沿单位立体角内发出的光通量。,单位：坎德拉/米2， （cd/m2),德国数学家、天文学家朗伯（J. Lambert ，17281777）最早通过实验发现，许多发光体的亮度不随方向 而变化。这相当于,即发光体的发光强度随方向作余弦变化，这样的发光体称为余弦发光体或朗伯光源。,三、光度学基本物理
16、量,描述辐射场的基本物理量小节：,三、光度学基本物理量,注意:,1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，“辐射”“光”。2. 从表达式可直接说出定义及物理意义3. 从表达式可直接说出单位4. 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注意一个是发射，一个是接收。5. 发光强度和亮度的概念不仅适用于自身发光的物体，还可以推广到反射体.,三、光度学基本物理量,三个发射量的区别和关系,三、光度学基本物理量,光谱光视效能是评定辐射量对人眼视觉刺激值的参数。,四、光度量与辐射度量之间的关系,光视效能：是描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少响应的单色光通量的关系式，即光视效能K()定义为同一波长下测
17、得的光通量与辐射通量的比值，即,辐射通量代表的是光源面积元ds在单位时间内辐射的总能量的多少，而我们感兴趣的只是能够引起人眼视觉的那一部分。,光谱光视效能K()实际上是波长为的光辐射的功光当量。,换言之，波长为的1W的辐射通量相当于K()的光通量。,最大光谱光视效能Km是指波长为555nm辐射的功光当量。即Km为最大功光当量，在国际单位制中，,四、光度量与辐射度量之间的关系,由前面可以看到，光通量与辐射通量具有相同的量纲，对555nm波长的光，1W的辐射通量相当于683lm的光通量，则我们可以写作：,1瓦特683流明,注意：流明与瓦特之间的换算关系随波长不同而异，对波长为的单色光，有,1瓦特6
18、83V()流明,四、光度量与辐射度量之间的关系,V()为视见函数,实验表明：在较明亮的环境下（如白天），人眼对0555nm的黄绿光最敏感，其Km 最大。可以用视见函数V()来表示人眼的相对光谱相应特性。并规定波长0555nm的光的视见函数值为1。,四、光度量与辐射度量之间的关系,视见函数（单色光视效率） V() ：是光视效能的归一化结果。,当555nm时，有V(555)1为最大； 为其它值时，则V()1。,K波长的光视效能Km555nm波长光的光视效能,设波长为的光和波长为555nm的光产生相同视觉强度时所需要的辐射通量分别为e 和e555，则其视见函数为：,四、光度量与辐射度量之间的关系,例
19、：实验结果，1.6mW，600nm的红光才能引起与1mW的555nm的黄绿光相同的明暗感觉，则对于波长为600nm的光的视见函数值为：,也就是说，人的视觉对600nm的红光的敏感程度只有555nm黄绿光的0.63。,四、光度量与辐射度量之间的关系,红外光和紫外光无论具有多大的辐射通量都不能引起人眼的视觉反应，其视见函数值为零，所以称为不可见光。,对大量正常眼的测量值统计平均后得到视见函数曲线如图。,实线为白天光照下的曲线，称为明视见函数；,虚线为夜间光照下的曲线，称为暗视见函数。,由图可见，暗视见函数曲线的峰值向短波方向移动了约50nm。,四、光度量与辐射度量之间的关系,圆盘的辐射强度和辐射功率 设圆盘的辐射亮度为L，面积为A，如图所示。圆盘在与其法线成角的方向上的辐射强度为 式中I0=LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度。,圆盘辐射照度,例 题,圆盘向半球空间发射的辐射功率为，按辐射亮度的定义有,因为球坐标的d=sindd，按辐射强度的定义，求得 或按朗伯源的辐射规律M =L，同样可得,小 结,1、 光电检测系统中常见辐射型光源和发光光源。 2、光辐射的两种计量方法。 3、辐射度学基本物理量。 4、光度学基本物理量。 5、辐射度学量和光度学量之间的关系,谢谢！,
