第2章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)第2章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)2本章的主要內(nèi)容2.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜2.2輻射度量與光度量基礎(chǔ)2.3光電檢測器件的特性參量2本章的主要內(nèi)容2.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜32.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜何謂電磁波：在空間傳播著的交變電磁場，即電磁波（Electromagneticwave）。真空中速度約為每秒30萬公里。無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波。差別僅在于波長。32.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜何謂電磁波：42.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜何謂電磁波譜：為了對各種電磁波有個全面的了解，人們按照波長或頻率的順序把這些電磁波排列起來，這就是電磁波譜。42.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜何謂電磁波譜：問題：如何度量光的特性呢？請看演示問題：如何度量光的特性呢？請看演示問題：如何度量光的特性呢？某液晶顯示器的參數(shù)：對比度：350:1亮度：250cd/m2?響應(yīng)時間1ms分辨率1024*768可視角度-170°-170°40瓦的白熾燈泡的光通量為340流明（lm）?40瓦的日光燈的光通量為1100流明（lm）?Lm是什么意思，白熾燈與日光燈為什么不一樣？問題：如何度量光的特性呢？某液晶顯示器的參數(shù)：各種環(huán)境照度值：單位lux?黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；陰天室內(nèi)：5—50；陰天室外：50—500；晴天室內(nèi)：100—1000；閱讀書刊時所需的照度：50—60；家用攝像機標準照度：1400。上述參數(shù)代表什么意思？各種環(huán)境照度值：單位lux?輻射度量與光度量輻射度量（Radiometry）：能量的分布的強弱、時間、空間等特性光度量(Photometry)：考慮到人眼的主觀感受輻射度量與光度量輻射度量（Radiometry）：能量的分布輻射度量（Radiometry）是用能量單位描述輻射能的客觀物理量輻射能(Q)Radiantenergy,焦耳（Joule)輻能密度(w)Radiationdensity,Joulepercubicmetre輻射通量（Ф)或稱輻射功率,Radiantflux,瓦（Watt)輻射強度（I)Radiantintensity,Wattpersteradian輻亮度(L)Radiaance,Wattpersteradianpersquaremetre輻射出射度(M)Radiantexitance,wattpersquaremetre輻照度(E)Irradiance,wattpersquaremetre輻射度量（Radiometry）是用能量單位描述輻射能的客觀輻射度量（Radiometry）10輻射能(Q)：簡稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，單位焦耳(J）例：地球表面垂直陽光方向上，每平方米面積上每分鐘太陽輻射能48000J。

輻射密度(w)：定義為單位體積元內(nèi)的輻射能，即輻射通量(Φ,P):定義為以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時間特性。又稱輻射功率。例：某He-Ne激光器的具有的輻射通量（輻射功率）為5mW。

輻射度量（Radiometry）10輻射能(Q)：簡稱輻能，11輻射強度（I）：定義為在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量，即

輻射強度描述了光源輻射的方向特性。何謂立體角？11輻射強度（I）：定義為在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源立體角（steradian）定義為：以錐體的基點為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比。式中，

為天頂角；

為方位角；d

d

分別為其增量。立體角的單位是球面度(sr)122.2輻射度量與光度量zxydAdSθ

r

平面角（弧度）立體角（球面度）立體角（steradian）定義為：以錐體的基點為球心作一13輻射強度（I）：定義為在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量，即

大多數(shù)光源向空間各方向的輻射強度是不均勻的。輻射強度描述了光源在空間某個方向上發(fā)射輻射通量的大小和分布。鎢絲白熾燈發(fā)光強度的空間分布13輻射強度（I）：定義為在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源14輻亮度(L)：定義為光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量，即

輻亮度在光輻射的傳輸和測量中具有重要的作用，是光源微面元在垂直傳輸方向輻強度特性的描述與dA法線的夾角輻射亮度與輻射強度有何區(qū)別？前者描述面光源，后者描述點光源。例如對白熾燈，我們只關(guān)注作為點光源的輻射強度，對于天空輻射特性，希望知道各個部分的輻射特性，因此用輻亮度。14輻亮度(L)：定義為光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面15輻射出射度(M)：定義為離開光源表面單位面元的輻射通量，即面元所對應(yīng)的立體角是輻射的整個半球空間。例如，太陽表面的輻射出射度指太陽表面單位表面積向外部空間發(fā)射的輻射通量。輻照度(E

）：定義為單位面元被照射的輻射通量，即

輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。15輻射出射度(M)：定義為離開光源表面單位面元的輻射通量16輻照度(E

）：定義為單位面元被照射的輻射通量，即

輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。16輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來每周案例這是什么？照度計測量單位面積上被照射的光通量價格:數(shù)十元-上萬元每周案例這是什么？照度計光輻射探測器放在待測平面，光照引起探測器的光電流，放大后通過儀表或數(shù)字讀出。對于標定過的照度計，讀出的數(shù)據(jù)代表了所測平面的照度值。照度計的基本結(jié)構(gòu)是光電測量頭及其示數(shù)裝置。問題：漫射光器、減光器、校正濾光片各起什么作用？照度計原理光輻射探測器放在待測平面，光照引起探測器的光電流，放大后通過問題：漫射光器、減光器、校正濾光片各起什么作用？照度計原理減光器：防止探測器飽和,增大量程。校正濾光片：校正探測器的光譜響應(yīng)，與視見函數(shù)V(

)一致。漫射光器：將入射光改為漫射光，防止菲涅耳反射,

造成測量不準問題：漫射光器、減光器、校正濾光片各起什么作用？照度計原理減回顧第一章緒論1.認識光電檢測系統(tǒng)，各領(lǐng)域的典型應(yīng)用。2.典型光電檢測系統(tǒng)的組成3.光電檢測系統(tǒng)的主要應(yīng)用范圍第二章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)1.輻射度量與光度量輻射能、輻射通量、輻射強度、輻亮度、輻照度….光量、光通量、發(fā)光強度、亮度、照度、視見函數(shù)回顧第一章緒論關(guān)于CIE“平均人眼”的具體標準的討論歡迎侯擎昊同學(xué)講解自己的調(diào)研結(jié)果問題：國際照明委員會所定義的“平均人眼”是怎么確定的？視見函數(shù)是如何獲取的？侯擎昊、茹鋒同學(xué)做過調(diào)研關(guān)于CIE“平均人眼”的具體標準的討論歡迎侯擎昊同學(xué)講解自己22

2.2.2光度量(Photometry)什么是光度量？Photometryisthescienceofthemeasurementoflight,intermsofitsperceivedbrightnesstothehumaneye.光度量學(xué)是以人眼感知的亮度來測量光的科學(xué)。光度量與輻射度量有何區(qū)別？1.光度量僅限于可見光，紅外和紫外人眼根本看不見，無法采用光度量。輻射度量是絕對度量，度量波長的范圍更廣（整個電磁波譜）。2.在可見光范圍內(nèi)，光度量與輻射度量以一條曲線聯(lián)系起來。什么樣的曲線？222.2.2光度量(Photometry)什么是人眼對不同波長的光的敏感程度是不一樣的（即便它們的輻射（光）功率相同）/k/light-and-vision#人眼對不同波長的光的敏感程度是不一樣的（即便它們的輻射（光）24

2.2.2光度量(Photometry)

光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的。表2-3列出了基本光度量的名稱、符號、定義方程及單位、單位符號。LuminousenergyLuminousfluxLuminousintensityLuminanceLuminousemittanceIlluminanceLuminousefficacy242.2.2光度量(Photometry)光通量

V和輻射通量

e可通過人眼視覺特性進行轉(zhuǎn)換，即式中，Km最大光譜光視效能，V(

)是平均人眼光譜光視效率(或稱視見函數(shù)(luminosityfunction))25

下圖給出人眼對應(yīng)明視覺(photopic

)和暗視覺(scotopic

)的視見函數(shù)(luminosityfunction)。為什么不一樣？明視覺，視網(wǎng)膜錐狀細胞conecell暗視覺，視網(wǎng)膜桿狀細胞rodcell哪種多些？桿狀細胞/AE/AEC/CC/vision_background.php光通量V和輻射通量e可通過人眼視覺特性進行轉(zhuǎn)換，即25圖中桿狀細胞和錐狀細胞敏感度曲線為何有這么大差別？/k/light-and-vision#明視覺：峰值出現(xiàn)波長為555nm,峰值683lm/W暗視覺：峰值出現(xiàn)波長為507nm,峰值1725lm/W結(jié)論：桿狀細胞比錐狀細胞更敏感問題：曲線是如何測量出來的？圖中桿狀細胞和錐狀細胞敏感度曲線為何有這么大差別？http:27

為了描述光源的光通量與輻射通量的關(guān)系，通常引入光視效能Ｋ，其定義為目視引起刺激的光通量與光源發(fā)出的輻射通量之比，單位為lm/W。它度量了同樣的輻射功率下人眼的不同亮度感覺。

常見光源的光視效能光源類型光視效能(lm/W)光源類型光視效能(lm/W)鎢絲燈(真空)8~9.2日光燈27~41鎢絲燈(充氣)9.2~21高壓水銀燈34~45石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈40~47.5氣體放電管16~30鈉光燈6027為了描述光源的光通量與輻射通量的關(guān)系，通常引入光視

1.朗伯余弦定律（Lambert'scosinelaw）按照朗伯輻射體亮度不隨角度

變化的定義，得即

282.2.3朗伯輻射體（Lambertian）及其輻射特性

對于某些自身發(fā)射輻射的輻射源，其輻亮度與方向無關(guān)，即輻射源各方向的輻亮度不變，這類輻射源稱為朗伯輻射體。即在理想情況下，朗伯體單位表面積向空間規(guī)定方向單位立體角內(nèi)發(fā)射(或反射)的輻射通量和該方向與表面法線方向的夾角α的余弦成正比——朗伯余弦定律。1.朗伯余弦定律（Lambert'scosine2.

朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系極坐標對應(yīng)球面上微面元dA的立體角為：設(shè)朗伯微面元ds亮度為L，則輻射到dA上的輻射通量為在半球內(nèi)發(fā)射的總通量P為按照出射度的定義得

29zxydAdS

r朗伯體輻射空間坐標2.朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系29zxydAdSr30

對于處在輻射場中反射率為

的朗伯漫反射體(

=1為理想漫反射體)，不論輻射從何方向入射，它除吸收(1-

)的入射輻射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。因此，反射表面單位面積發(fā)射的輻射通量等于入射到表面單位面積上輻射通量(輻照度E)的

倍。即M=

E，故30對于處在輻射場中反射率為的朗伯漫反射體(問題前面我們介紹了光源的度量，探測器的性能又是如何度量的呢？問題前面我們介紹了光源的度量，探測器的性能又是如何度量的呢？2.3光電檢測器件的特性參量

322.3光電檢測器件的特性參量3233(1)外光電效應(yīng)(externalphotoelectriceffect)：當光子入射到探測器陰極表面(一般是金屬或金屬氧化物)時，探測器把吸收的入射光子能量(h

=hc/

)轉(zhuǎn)換成自由電子的動能，當電子動能大于電子從材料表面逸出所需的能量時，自由電子逸出探測器表面，在外電場的作用下，形成了流向陽極的電子流，在外電路產(chǎn)生光電流。http://www.yteach.co.uk/page.php/resources/view_all?id=p5_emission_electron_photoelectric_effect_wavelength_kinetic_energy_Einstein_Planck_t&from=search光電管33(1)外光電效應(yīng)(externalphotoelec34(1)外光電效應(yīng)(externalphotoelectriceffect)：當光子入射到探測器陰極表面(一般是金屬或金屬氧化物)時，探測器把吸收的入射光子能量(h

=hc/

)轉(zhuǎn)換成自由電子的動能，當電子動能大于電子從材料表面逸出所需的能量時，自由電子逸出探測器表面，并在外電場的作用下，形成了流向陽極的電子流，從而在外電路產(chǎn)生光電流。/article/88/171/2008/2008092212875.html光電倍增管34(1)外光電效應(yīng)(externalphotoelec35(1)外光電效應(yīng)(externalphotoelectriceffect)：當光子入射到探測器陰極表面(一般是金屬或金屬氧化物)時，探測器把吸收的入射光子能量(h

=hc/

)轉(zhuǎn)換成自由電子的動能，當電子動能大于電子從材料表面逸出所需的能量時，自由電子逸出探測器表面，并在外電場的作用下，形成了流向陽極的電子流，從而在外電路產(chǎn)生光電流。夜間可以看到幾十米到幾公里微光夜視儀像增強器35夜間可以看到幾十米到幾公里微光夜視儀像增強器36(2)光伏效應(yīng)（photovoltaiceffect）：半導(dǎo)體P-N結(jié)在吸收具有足夠能量的入射光子后，產(chǎn)生電子-空穴對，在P-N結(jié)電場作用下，兩者以相反的方向流過結(jié)區(qū)，光電池光電二極管/web/search/searchBrowseAction.html?method=getProduct&R=0303719#header光電三極管36(2)光伏效應(yīng)（photovoltaiceffect37(3)光電導(dǎo)效應(yīng)（photoconductiveeffect）:半導(dǎo)體材料在沒有光照下，具有一定的電阻，在接收入射光輻射能時，半導(dǎo)體釋放出更多的載流子，表現(xiàn)為電導(dǎo)率增加(電阻值下降)。/technic_article/2010/0109/7019.html光敏電阻37(3)光電導(dǎo)效應(yīng)（photoconductiveef熱探測器熱電效應(yīng)（pyroelectriceffect）：探測器接收光輻射，引起溫度升高，從而使探測器電阻或電容發(fā)生變化、或者表面電荷發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動勢。熱釋電探測器熱電偶（thermocouple）熱探測器熱電效應(yīng)（pyroelectriceffect）：39問題：如何選擇探測器？下面探測器的參數(shù)代表啥意思？39問題：如何選擇探測器？40問題：如何選擇探測器？下面的曲線又代表啥意思？40問題：如何選擇探測器？41對于光輻射探測器的應(yīng)用，人們較關(guān)注的性能是：探測器的輸出信號值定量地表示多大的光輻射度量，即探測器的響應(yīng)度（Responsivity）大小。對某種探測器，需要多大的輻射度量才能使探測器產(chǎn)生可區(qū)別于噪聲的信號量，即與噪聲相當?shù)妮椛涔β蚀笮　＂厶綔y器的光譜響應(yīng)范圍，響應(yīng)速度，線性動態(tài)范圍等。與光輻射測量有關(guān)的還有表面響應(yīng)度的均勻性、視場角響應(yīng)特性、偏振響應(yīng)特性等。41對于光輻射探測器的應(yīng)用，人們較關(guān)注的性能是：2.3.1響應(yīng)度

（Responsivity）42

響應(yīng)度定義為單位輻射度量產(chǎn)生的電信號量，記作R，電信號可以是電流，稱為電流響應(yīng)度；也可以是電壓，稱為電壓響應(yīng)度。對應(yīng)不同輻射度量的響應(yīng)度用下標來表示。探測器的響應(yīng)度描述光信號轉(zhuǎn)換成電信號大小的能力。2.3.1響應(yīng)度（Responsivity）422.3.1響應(yīng)度

（Responsivity）43輻射度量測量中，測不同的輻射度量，應(yīng)當用不同的響應(yīng)度。

對輻射通量的電流響應(yīng)度(AW-1)

對輻照度的電流響應(yīng)度(AW-1m2)

對輻亮度的電流響應(yīng)度(AW-1m2Sr)

2.3.1響應(yīng)度（Responsivity）43輻射2.3.1響應(yīng)度

（Responsivity）44探測器的響應(yīng)度一般是波長的函數(shù)。與上面定義的積分響應(yīng)度對應(yīng)的光譜響應(yīng)度為

積分響應(yīng)度和光譜響應(yīng)度的關(guān)系為

可以看到：積分響應(yīng)度不僅與探測器的光譜響應(yīng)度有關(guān)，也與入射輻射的光譜特性有關(guān)，因而，說明積分響應(yīng)度時通常要求指出測量所用的光源特性。

2.3.1響應(yīng)度（Responsivity）44探測45利用公式推導(dǎo)可知，探測器的輻射通量光譜電流響應(yīng)度為:

量子效率:輸出信號電子數(shù)與接收到的光子數(shù)之比。理想情況下，一個入射光子激發(fā)一個電子-空穴對，因此量子效率應(yīng)為常數(shù)，則此時探測器光頻響應(yīng)為與波長成正比，為一條直線。量子效率普朗克常數(shù)電子電荷但是….實際上單位時間的電荷單位時間的光能45利用公式推導(dǎo)可知，探測器的輻射通量光譜電流響應(yīng)度為:量46截止截止理論響應(yīng)實際響應(yīng)原因是什么？46截止截止理論響應(yīng)實際響應(yīng)原因是什么？47對于光電探測器，由于受到材料能帶之間的間隙——禁帶寬度Eg的限制，響應(yīng)波長具有長波限，最大響應(yīng)波長為式中，EA是光電子逸出探測器表面所需的表面勢壘。上述原因造成了長波長截止。其它影響因素：探測器表面的鏡面發(fā)射損失、探測器表面的電子陷阱，探測器材料的吸收，電子在擴散中與空穴復(fù)合。47對于光電探測器，由于受到材料能帶之間的間隙——禁帶寬度E48表2-5常見半導(dǎo)體及摻雜半導(dǎo)體的能隙Eg及最大響應(yīng)波長

max材料Eg(eV)

max(m)材料Eg(eV)

max(m)InSb0.225.5Ge

Hg0.0913.8PbS0.423.0Ge

Cu0.04130.2Ge0.671.9Ge

Cd0.0620.7Si1/121.1Si

As0.053723.1CdSe1.80.69Si

Bi0.070616.3CdS2.40.52Si

P0.04527.6PbSe0.235.4Si

In0.1657.5Si

Mg0.08714.348表2-5常見半導(dǎo)體及摻雜半導(dǎo)體的能隙Eg及最大響應(yīng)波49為何有截止頻率？探測器本身是阻抗元件，有電阻和電容49為何有截止頻率？探測器本身是阻抗元件，有電阻和電容2.3.2噪聲及其評價參數(shù)

50為什么要研究噪聲？任何虛假的和不需要的信號稱為噪聲。噪聲總是伴隨著測量信號存在測量過程是一個去除噪聲、復(fù)原真實信號的過程。2.3.2噪聲及其評價參數(shù)

50為什么要研究噪聲？任何虛假6.1.1噪聲的分類及性質(zhì)外部干擾噪聲:人為干擾噪聲的和自然干擾噪聲。

人為干擾：電子設(shè)備的干擾噪聲。如焦距測量儀在日光燈下，人的走動對干涉儀的光程影響。

自然干擾：雷電、太陽等。如光電導(dǎo)盲器在太陽下內(nèi)部噪聲:人為噪聲和固有噪聲兩類。

人為噪聲：如工頻交流電（50Hz)、測試儀器的散熱風(fēng)扇引起的光路變化。

固有噪聲：散粒噪聲、熱噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1/f噪聲、溫度噪聲6.1.1噪聲的分類及性質(zhì)外部干擾噪聲:人為干擾噪聲的和自2.3.2噪聲及其評價參數(shù)

52（1）散粒噪聲（Shotnoise）由于光子流以間斷入射的形式投射到探測器表面，以及探測器內(nèi)部光子轉(zhuǎn)換成電子動能而產(chǎn)生的電子流具有統(tǒng)計漲落的特性，形成散粒噪聲，屬于白噪聲。式中，為散粒噪聲電流均方值(A)；q為電子電量(C)；為平均電流(A),為測量系統(tǒng)的噪聲等效帶寬(1/s)。1.噪聲（noise）2.3.2噪聲及其評價參數(shù)

52（1）散粒噪聲（Shot53（2）產(chǎn)生-復(fù)合(G-R)噪聲（Generation-Recombinationnoise）光導(dǎo)型探測器的G-R噪聲是由于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子在產(chǎn)生和復(fù)合過程中，自由電子和空穴數(shù)隨機起伏所形成，也屬于白噪聲。53（2）產(chǎn)生-復(fù)合(G-R)噪聲（Generation-R54（3）熱噪聲（Thermalnoise

）熱噪聲由電阻材料中離散的載流子(主要是電子)的熱運動造成。只要電阻材料的溫度大于絕對零度，則不管材料中有無電流通過，都存在著熱噪聲。熱噪聲電流的均