zm2011)光电探测器的物理基础.ppt

1,第二章 光电探测器的物理基础,华中科技大学,光电探测与信号处理,2,第二章 光电探测器的物理基础,3,2.1 半导体物理基础,4,一本征半导体,我们将第IV族（最外层轨道有四个电子）的元素（Si、Ge等），以及和第IV族等价的化合物（GaAs、GaN等），且掺杂极少杂质的半导体的结晶，称之为本征半导体（intrinsic semiconductor ),5,6,7,二杂质半导体,（Extrinsic semiconductor）,8,(donor ),9,10,（acceptor）,11,12,13,能带：一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条带，称为能带 允许带：允许被电子占据的能带。允许带之间的范围是不允许电子占据的。这一范围称为禁带。 价带：价电子所占据能带。价带可能被填满，也可能不被填满。填满的能带称为满带 导带：部分被电子占据的能带。,二能带（涉及“半导体光电子学”知识）,14,本征半导体,N型半导体,P型半导体,半导体能带图,在半导体中，电子获取势能后从价带跃迁到导带，导带中出现自由电子，价带中出现自由空穴。,15,16,三PN结的形成及特性,17,（drift）,（diffusion）,18,(depletion layerpotential barrier),19,20,21,22,23,24,25,26,（Zener）,（avalanche）,27,思考题,28,答案,BDDABCABAAB,29,2. 2 光电效应和热电效应,30,光子直接与物质中的电子作用，引起电子运动状态的改变，从而使物体的电学性质改变。,一光电效应,内光电效应： 被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。 外光电效应 被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象.,31,（1）光电导效应,光电导效应可分为本征光电导效应与非本征（杂质）光电导效应两种： 本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴，从而使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。 非本征半导体中杂质能级上的束缚态电子（n型）或空穴（p型）吸收光子能量而产生光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化。这种现象称为非本征光电导效应。,光辐射载流子电导率变化,1.内光电效应,32,光电导效应,33,本征光电导的长波限（截止波长）,或,非本征光电导的长波限（截止波长）,或,Eg 为本征半导体的禁带宽度,Ei 为杂质电离能,通常，Ei Eg,34,光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。 扩散：由PN结两边多子浓度差所形成的运动。 漂移：当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如图所示的方向进行漂移，形成光生伏特电压或光生电流。,光生伏特效应,（2）光生伏特效应,35,式中， I0为PN结反向饱和电流。,ID为光生电压下PN结的正向电流。,有光照射时，若PN结电路接负载电阻RL，如图，在PN结内出现两种相反的电流： 光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下形成的光生电流Ip，它与光照有关，其方向与PN结反向饱和电流I0相同； 光生电流流过负载产生电压降，相当于在PN结施加正向偏置电压，从而产生电流ID。,流过负载的电流IL为：,36,当入射光子的频率不够高，不足以引起本征吸收或形成激子时，半导体的自由载流子可以吸收光子从低能态跃迁到较高的能态，这种跃迁与本征跃迁不同，是在同一能带内发生，这种自由载流子在同一能带内的跃迁所对应的光辐射的吸收称为自由载流子吸收。当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向(玻印廷矢量方向)做相对于晶格的运动，就好像光子牵引着自由载流子运动，从而在半导体内部将产生电场，这个现象被称为光子牵引效应。,（3) 光子牵引效应,37,在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，当半导体受光照射产生丹培效应（由于载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面之间的伏特现象）时，由于电子和空穴在磁场中的运动必然受到洛伦兹力的作用，使它们的运动轨迹发生偏转，空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方(左手法则)。,结果在垂直于光照方向与磁场方向的半导体上下表面上产生伏特电压，称为光磁电场。这种现象称为半导体的光磁电效应。,（4）光磁电效应,38,当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或称为外光电效应。,上式表明，具有能量的光子被电子吸收后，只要光子的能量大于光电发射材料的光电发射阈值Eth，则质量为m的电子的初始动能便大于0。,外光电效应中光电能量转换的基本关系为,2.外光电效应光电发射效应,39,对于金属材料，由于它的能级结构如图所示，导带与价带连在一起，因此，它的光电发射阈值Eth等于真空能级与费米能级之差,式中，一般设真空能级为参考能级为0；费米能级为低于真空能级的负值；因此光电发射阈值Eth大于0。,对于半导体，情况较为复杂，半导体分为本征半导体与杂质半导体，杂质半导体中又分为P型与N型杂质半导体，其能级结构不同，光电发射阈值的定义也不同。由能级结构图可以得到： （1）导带中的电子的光电发射阈值为,即导带中的电子接收的能量大于电子亲合势为EA的光子后就可以飞出半导体表面。,（2）价带中的电子，其光电发射阈值Eth为,金属材料发射阈值,半导体材料发射阈值,40,光电发射长波限为,利用具有光电发射效应的材料也可以制成各种光电探测器件，这些器件统称为光电发射器件。,41,光电发射器件具有许多不同于内光电器件的特点： 1. 光电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，可以通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统提高光电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号，成为像增强器与变相器技术的基本元件。 2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电成像器件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导体光电图像传感器。 3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。,42,入射光与材料的晶格相互作用，晶格吸收光能而增加振动能量，引起材料的温度上升，从而使材料电学参量发生变化。,二热电效应,电阻温度效应 温差电效应 热释电效应,43,（1）电阻温度效应,原理：当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低。从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。 利用材料的电阻变化制成的热探测器就是电阻测辐射热计。材料的电阻与温度的关系可用材料的电阻温度系数T来表征。,44,实验研究发现，材料温度从T改变到了T+T，材料的阻值改变量R只与材料的阻值R及温度改变量T 成正比，即： R=TRT 当T足够小时，则有： dR = T RdT 由此得到电阻温度系数T ： 电阻温度系数T与材料的种类和温度有关，是描述测辐射热器材料的电阻值对温度变化灵敏程度的基本参数。当温度变化时，T值越大，其电阻阻值变化就越大；T值越小，其电阻阻值变化就越小。在室温下金属材料的T约为0.0033。半导体材料的T值约为-0.033；比金属材料的T值大一个数量级。,45,（2）温差电效应,第一效应：塞贝克效应（seebeck ）：当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的两个结点置于不同温度(两结点间的温差为T)时在两点之间就产生一个电动势；这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，（ 1821年，德国物理学家塞贝克 ）。 第二效应：帕尔贴效应（peltire ）：两种不同的导体构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，两个接头处分别发生了吸放热现象。帕尔帖效应可以视为塞贝克效应的反效应。 第三效应：汤姆逊效应：电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这就是汤姆逊效应。,46,“温差导致的金属磁化” ？,“磁场由电流产生”,Thomas Johann Seebeck（17801831）,塞贝克效应（seebeck ）,47,塞贝克电动势的原因：受热不均匀的两结点的接触电位差不同所致。,由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NANB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。,48,半导体电子致冷元件热电致冷器（Thermo Electric cooling，简称TEC）,TEC套件（TEC直流电源），可作为CPU和GPU的散热器,帕尔贴效应（peltire ）,49,TEC基本工作过程：当一块N型半导体和一块P型半导体结成电偶时，只要在这个电偶回路中接入一个直流电源，电偶上就会流过电流，发生能量转移，在一个接点上放热（或吸热），在另一个接点上相反地吸热（或放热）。 在TEC制冷片中，半导体通过金属导流片连接构成回路，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差。,帕尔帖效应的物理解释：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。,既可以用于致热，也可以致冷,50,电极化现象 在外加电场的情况下，电介质内部带电粒子要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图所示的电介质的上下两侧加上电场后，电介质产生极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也是一种电流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止。,（3） 热释电效应,51,对于一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒子又恢复原来状态。而有一类称作为“铁电体”的电介质在外加电场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。图所示为一般的电介质与铁电体电介质的极化曲线。一般的电介质的极化曲线通过中心，而图（b）所示的极化曲线在电场去除后仍保持一定的极化强度。,52,铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图所示，随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。,53,热释电效应,某些晶体，如硫酸三甘肽(TGS)、铌酸锂(LiNbO3)、铌酸锶钡(SBN)等晶体，受光照射时温度升高，从而在晶体的特定方向上由于自发极化随温度变化而引起表面电荷的变化。这种现象称为热释电效应。 当强度调制过的光辐射投射到热释电晶体上时，引起自发电极化强度随时间的变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，由此可测定所吸收的光辐射功率。,54,温度变化时，极化强度发生变化。温度升高时，自发极化强度变小。当温度等于某一特定温度Tc时，极化晶体的极化强度为零，此时晶体发生相变，此时称Tc为居里温度。 对热释电探测器，希望Tc越高越好。,55,2.3 光辐射与度量,56,红外,紫外,可见光,10,15,6,18,21,9,12,10,10,10,10,10,10,10,3,24,f,/Hz,电磁波谱,X射线,射线,近红外,远红外,电磁波,电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（1021025Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-910-3m（ 0.0011000m ）的范围。在这个范围内，只有0.380.78m的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。,57,在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类： 一类是物理的辐射度量（0.0011000m ），是用能量单位描述光辐射能的客观物理量； 另一类是生理的光度量（0.380.78m ），是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量，为主观量； 因此，辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。只是光度量只在光谱的可见波段(380780nm)才有意义。为避免混淆，辐射度量加下标“e” （emission），光度量加下标“v”（visual）。,58,或,（1）,（2）,一、与光源有关的辐射度参数与光度参数,1辐（射）能和光能 辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳（J）。 光能：光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其计量单位为流明秒（lms）。 2辐（射）通量和光通量 辐射通量：又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率(单位时间内发射、传播或接收的辐射能),以符号e表示， 单位为瓦（W），即,59,（3）,（4）,光通量：对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量v，即 若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则上式简化为 v的计量单位为：流(明)（lm）。 显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，而光通量对时间的积分称为光能 。,60,（5）,（6）,2空间（半球空间） ：因扩展源有面积，不同于点光源， 不能向下或向内辐射。,3.辐(射)出(射)度和光出(射)度 辐(射)出(射)度：对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面空间内（2）发射的辐通量de与该面元面积dA之比，定义为辐(射)出(射)度Me，即 Me的计量单位是：瓦（特）每平方米Wm2。 面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为,61,光出(射)度：对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，即 （7） 其计量单位为：勒(克司)lx或lm/m2。 对均匀发射辐射的面光源有 （8） 由式（7），面光源向半球面空间发射的总光通量为 （9）,62,（10）,（11）,（12）,各向同性的点光源(在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源)向所有方向发射的总辐通量为,辐(射)强度:对点光源在给定方向的立体角元d内发射的辐通量de，与该方向立体角元d之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，即,辐(射)强度的计量单位为: 瓦（特）每球面度 Wsr。,点光源在有限立体角内发射的辐通量为,4.辐(射)强度和发光强度,63,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，如图所示。,点辐射源在整个空间发射的辐通量为：,64,（13）,（14）,发光强度：对可见光，与式（9）类似，定义发光强度为 对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。 发光强度的单位是:坎德拉（candela），简称为坎cd。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉定义为：在给定方向上能发射5401012Hz（波长为555nm）的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉cd。 由式（13），对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为：1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4I12.566 lm。,65,（15）,W/(srm2),在方向看到的源面积是A的投影面积： AAcos,5.辐(射)亮度和亮度 辐射亮度：光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即 式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。,66,（16）,常用：熙提(sb)lm/(cm2.sr),常见光源亮度 晴天 ：10000 cd/m2 晴天日落后 ：1 cd/m2 蜡烛火焰：约0.5sb 钨丝灯泡：约500sb,亮度：对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即 Lv的计量单位是：坎德拉每平方米cd/m2或 lm/(m2.sr),67,三个发射量的区别和关系,68,（17）,二、与接收器有关的辐射度参数与光度参数,从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数。接收光源发射辐射的接收器可以是探测器，也可以是反射辐射的反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下2种。 1.辐照度与光照度 辐照度Ee：是照射到物体表面某一点处面元的辐通量de除以该面元的面积dA的商，即 Ee的计量单位是：瓦（特）每平方米Wm2。,69,(18),光照度：对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即,（20）,Ev的计量单位是：勒（克司）lx。,或,（19）,典型照度： 办公室工作： 20100 lx 满月的地面： 0.2 lx 晴朗夏日采光良好的室内： 100500 lx,若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（17）简化为,70,（21）,辐照量He的计量单位是:焦尔每平方米 J/m2。,如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式（21）可简化为,（22）,2.辐照量和曝光量,辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。 辐照量:照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积分称为辐照量He，即,71,Hv的计量单位是:勒（克司）秒lx.s。,如果面元上的光照度Ev与时间无关，式（23）可简化为,（23）,曝光量:与辐照量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即,72,辐射度量和光度量的对照表,73,四个单位的图示:,74,1. 注意不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。 E和M的单位相同，区别： 辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，描述辐射接收面（探测器）所接收的辐射特性； 辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的，描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。,对同一个光源来说，光源离光照面越远，光照面上的照度越小；光源离光照面越近，光照面上的照度越大。 光源与光照面距离一定的条件下，垂直照射与斜射比较，垂直照射的照度大；光线越倾斜，照度越小。（在通量不变的情况下，被照面积越大照度越小。） 点辐射源： （相对概念）辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）。 辐射强度是描述点源特性的辐射量。 同灯同距照在白纸和黑纸上，照度相同，亮度不同。,几点注意,75,1. 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。 （ 2Rc/l0 1:15）,思考题,76,77,在O点处，有一点光源，发光强度为1cd， 求：空间任意一点P的光照度EV=?,思考题,78,解2:,思考：若光源为1W的灯泡，结论如何？,解1：OP=x，P点所在球面的面积为：s=4x2 通过s的光通量： =I= 4 (lm) 因为是点光源，均匀辐射，则P点的光照度： EV= /s= 4 / 4x2=1/x2 当x=1m， EV=1 （lx) 当x=2m， EV=0.25 （lx),79,三、辐射度参数与光度参数的关系,辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内（可见光谱区）经常相互使用，它们之间存在着一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。掌握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。,80,1光谱光视效率 人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。由于受视觉生理和心理作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。 国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数。,81,明视觉光谱光视效率：亮度大于3cd/m2时，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起。用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长0.555m处的光谱辐射亮度Le,m大于其它波长的光谱辐亮度Le,。把波长=0.555m的光谱辐射亮度Le,m作为基准，其它波长的光谱辐亮度Le,与之相比，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率V（），即,82,暗视觉光谱光视效率：亮度小于0.001cd/时，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的圆柱细胞刺激所引起。用微弱的各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的圆柱细胞，当刺激程度相同时，发现波长0.507m处的光谱辐射亮度Le,m大于其它波长的光谱辐亮度Le,。把波长=0.507m的光谱辐射亮度Le,m作为基准，其它波长的光谱辐亮度Le,与之相比，定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率V（），即,83,实线是明视觉光谱光视效率，用V()表示，虚线是暗视觉光谱光视效率，用V()表示,84,人眼的光谱光视效率的数值,85,式中Km683 lm/W （国际实用温标IPTS68的理论计算值)，为明视觉的最大光谱光视效能，亦称光功当量，它表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效率最大处(V=1) ，1W的辐射通量对应相当的光通量为683 lm； 换句活说，此时1lm相当于1683W。,2.光谱光视效能,明视觉的最大光谱光视效能：由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，因而按人眼的视觉特性V()来评价的辐射通量即为光通量V，这两者的关系为：,86,暗视觉的最大光谱光视效能：对于暗视觉，为,式中Km1725 lm/W 为暗视觉的最大光谱光视效能，它表示在波长为507nm处，即人眼暗视觉光谱光视效率最大处(V=1) ，1W的辐射通量对应相当的光通量为1725 lm。,87,Km、 Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算，由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。 同理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度量与辐射量之间的关系 ：,88,光通量： 对于明视觉： 对于暗视觉：,89,思 考 题,例 已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？,90,解 He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，计算出它发出的光通量为 v,=K,ee,=KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm),91,对于相同的辐射能量，光视效率不同。 “光视效率的最大值在=555nm处”是实验证明。 绝大部分人眼符合此规律，略有小差异（尤其在可见光波段两端）。 通过这个结论，可知辐射量与光度量的换算关系 X光度量；Xe辐射量；Km是常数；V()查表。 明视觉和暗视觉：人眼在环境亮度不同时对颜色的视觉效率不同。 明视觉：光亮度大于几个cd/m2； 暗视觉：光亮度小于0.001cd/m2。,几点说明：,92,例：单色辐射通量：辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。其关系式为 单位：Wm(瓦/微米) 或 Wnm(瓦/纳米),四. 光谱辐射量,也称之为辐射量的光谱密度，也称单色辐射量。辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。,93,单色辐射通量： 单色辐射照度： 单色辐射出射度： 单色辐射强度： 单色辐射亮度： 辐射源的总辐射通量：,前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：,94,辐射度量和光谱辐射量的对照表,95,五. 辐射度与光度中的基本定律,1. 朗伯特余弦定律（Lamberts cosine law）,朗伯辐射表面在某方向上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角的余弦而变化。 符合发光强度余弦定律的发光体称为“余弦辐射体”或“郎伯辐射体”。 辐射亮度L与观察角无关的辐射源称为“朗伯源”。 太阳、荧光屏、毛玻璃灯罩等漫反射体为朗伯源,96,2. 距离平方反比定律,点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比,97,在O点处，有一点光源，发光强度为1cd， 求：空间任意一点P的光照度EV=?,思考题,98,解2:,99,3. 亮度守恒定律,光辐射能在传输介质中没有损失时（能量守恒），表面2的辐亮度和表面1的辐亮度是相等的，即亮度守恒。,100,亮度守恒定律推导过程,101,亮度守恒定律推导过程,102,103,照明设计软件DIALux,104,2.4 常用光源,105,一.光电仪器中的常用光源,光源,热辐射光源,气体放电光源,固体发光光源,激光器,太阳,白炽灯、卤钨灯,黑体辐射器,汞灯,荧光灯,钠灯,氙灯,金属卤化物灯,空心阴极灯,场致发光灯,发光二极管,气体激光器,固体激光器,染料激光器,半导体激光器,温度辐射,发光,光致发光 阴极射线发光 放射线发光 电致发光 注入式电发光,106,1. 光源的基本特性参数,（1）辐射效率和发光效率,辐射效率：在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比,发光效率：某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比,单位：lm/W,107,2008年：100 lm/W 2010年：140170 lm/W 2011年：150200 lm/W LED的发光效率的上限：250lm/W左右,LED发光效率：,常用光源的发光效率,108,（2）光谱功率分布,1）线光谱源：其光谱在紫外到红外有一些分立的窄带，如低压汞灯、气体放电灯和磷光灯。 2）带状光谱：如高压汞灯、高压钠灯 3）连续光谱源：通常是热激发源，覆盖从紫外到红外范围的发射波长，如白炽灯。 4）混合光谱：如荧光灯,109,在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要求来决定： 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。 对于彩色摄像用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。 在紫外分光光度计中，通常采用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源。,110,（3）空间光强分布,对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。配光曲线其实就是表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的光强分布情况。,111,00,1800,900,2700,配光曲线的分类： 配光曲线按照其对称性质通常可分为如下三类： 轴向对称：又称为旋转对称，指各个方向上的配光曲线都是基本对称的，一般的筒灯、工矿灯都是这样的配光。 对 称：当灯具C0和C180剖面配光对称，同时C90和C270剖面配光对称时，这样的配光曲线称为对称配光 非对称：就是指C0- 180和C90- 270任意一个剖面配光不对称的情况。 配光曲线按照其光束角度通常可分为： 窄配光 （ 40） 宽配光 （ 40） 实际应用中，各个厂家的对宽、中、窄的定义也略有不同。,112,工作原理： GO1900L测量是通过转动灯具并且保持探测器不动来实现的。因为灯具转轴通过灯具的光学中心，这就相当于探测器绕着灯具在离灯具一定距离的球面上作圆周运动。照度值E由仪器测出，光源到探头的距离由用户实际测出，根据光学计算公式就可以得到光强值I。 技术特性： 1.灯具可绕水平轴（C轴）转动，转动范围：0360； 2.灯具可绕垂直轴（轴）转动：90+90； 3.扫描间隔：0.1、0.2、0.5、1、2、5； 4.转角精度：0.05； 5.照度测量精度：一级或标准级； 6.探测器V（）修正水平高，达到国家标准级CLASS A 要求（国内唯一，国际先进）； 7.转轴最大承载：10kg； 8.灯具最大口面直径：130mm。,/product_view.asp?id=927&sstyle=yuangong171&bdclkid=OQL_J2s2toTvyWCdY6csSGtT8u4K0gscMogsMeL7ILTP,杭州远方GO1900L 灯具配光曲线测试系统,113,（4）光源的色温,1）分布色温（温度） 辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为辐射源的分布色温。,2）辐射源的色温 辐射源发射光的颜色与黑体在某温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为辐射源的色温。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。,114,（5）光源的颜色,色表：用眼睛直接观察光源时看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。 显色性：当光源照射物体时，物体呈现的色表颜色（也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在标准光源照射下所呈现的颜色的一致性程度称为光源的显色性。用显色指数CRI（Color Rendering Index ）表征。通常光源显色指数为80或以上就可认为该光源显色性好。 光源的颜色从根本上是由其光谱能量分布所决定的。,115,图中x红原色的比例，y绿原色的比例，z蓝原色（由xyz1推出）。图中弧线上的各点代表纯光谱色，此弧线称为光谱轨迹。中心点C代表白色，相当于中午太阳光的颜色，其色品坐标为 x0.3101，y0.3162。 例：色品图上任给一点S，可立刻得到S点所代表的颜色的色调和饱和度。 作图法：连结CS，其延长线交光谱轨迹于O点， O点处的波长即颜色S的主波长，决定了颜色S的色调。从C到S点和O点的距离之比CSCO为该颜色的饱和度。从光谱轨迹上任一点通过C点引一直线到达对侧光谱轨迹上的另一点，则该直线两端的颜色互为补色。,色品：颜色品质的综合指标。 色品图：以不同位置的点表示各种色品的平面图。 1931年由国际照明委员会(CIE)制定，故称CIE色品图。,chromaticity diagram,色品用如下3个属性来描述：色调。色光中占优势的光的波长称主波长，由主波长的光决定的主观色觉称色调。亮度。由色光的能量所决定的主观明亮程度。饱和度。描述某颜色的组分中纯光谱色所占的比例，即颜色的纯度。,116,杭州远方：/,尚泽光电：/,117,2. 光源选择的基本要求,（1）对光源发光光谱特性的要求： 匹配系数（光源与探测器配合工作时产生的光电信号与光源总通量的比值）尽可能大； （2）对光源发光强度的要求： 过低会造成信号弱；过强会导致系统的非线性或损坏探测器。必须正确估计探测器的最小、最大光通量。 （3）对光源稳定性要求： 依据不同的检测量和精度要求来确定。 （4）其它 如结构要求、光源的空间分布等。,118,1. 光辐射：光源发射光波的过程称为光辐射 （1） 跃迁辐射与受激辐射 （2） 湮灭辐射 （4） 场致发光 （5） 同步辐射,二. 黑体辐射,物体通常以两种不同形式发射辐射能量。第一种称为发光（光辐射），第二种称为热辐射,119,2. 热辐射,任何温度在绝对温度以上的物体都存在热辐射； 热辐射的光谱是连续光谱； 热辐射的光谱分布取决于发射体的温度和性质.,120,3. 发射本领与吸收本领,发射本领：即物体的发射率,指实际物体的辐射能力M(T)与同温度下黑体辐射能力Mb(T)的比值：,不仅依赖于波长和温度，也依赖发射角度。 但大多数常见物体的与发射角度的依赖关系基本上可忽略，与波长和温度的依赖关系也很微弱。为实用方便，常把作为常数。,吸收本领：即物体的吸收比，也与波长和温度有关，故写成T 。被物体吸收的辐射通量占射到物体上的辐射通量的百分比。,121,常见物体发射率,122,黑体：能够完全吸收从任何角度入射的任意波长的辐射，并且在每一个方向上都能最大限度地发射任意波长辐射能的物体，称为黑体。黑体的吸收率为1，发射率也为1。,黑体的应用价值（实用意义）： 1.标定各类辐射探测器的响应度； 2.标定其他辐射源的辐射强度； 3.测定红外光学系统的透射比； 4.研究各种物质表面的热辐射特性； 5.研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射特性。主要做光源（辐射源）,123,人造黑体辐射源（黑体模拟器）：内芯是热传导优良材料（如黄铜），空腔可以是锥状、圆柱状或圆柱锥状。外面绕电热丝，筒外覆石棉或硅酸盐水泥等绝热层。用温度计可测得温度信号，再用自动控温仪控温。由光阑小孔射出的即为黑体辐射。,124,4. 黑体辐射定律,（1）普朗克定律：黑体光谱辐射出射度Meb（，T ）是黑体温度T和波长的函数,Meb(,T),125,（2）维恩（Wien）位移定律： 任何温度下黑体的发射本领都有一最大值，它对应的波长和绝对温度成反比，即 (m ) 它表明：随温度的提高，辐射本领的最大值向短波方向移动。根据它可判断热辐射颜色与温度的关系. （3）斯忒藩波尔兹曼（StefamBoltzman）定律 波长从0的黑体总辐射出射度（普朗克公式积分）和绝对温度的四次方成正比（全辐射出射度M是曲线下面积）,126,图示绘出了黑体辐射的辐射出射度与波长的等温关系曲线。图中每一条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。,127,Wcm-2.m-1,上式是维恩位移定律的另一种形式。 它表明：黑体的峰值光谱辐出度与绝对温度的5次方成正比。,将维恩公式代入普朗克公式，得到黑体的峰值光谱辐出度,128,5. 黑体辐射计算,（1）f(T)表 称为相对光谱辐射出射度函数表，是某温度下、某波长上的辐射出射度M和该温度下峰值波长处的辐射出射度Mm之比。 即,（2）F(T)表 称为相对辐射出射度函数表（无“光谱”），是某温度下、某波段的辐射出射度M0和该温度下全辐射出射度M0之比。,129,130,解：,黑体分数,例 ： 斯忒藩波尔兹曼定律（M=T4）给出了波长从0的黑体总辐射出射度，但在实际工程问题中，经常要遇到的问题是计算某一波段1 2范围内的辐出度M1 2,131,思考题,例：已知黑体温度 T = 1000K，求：其峰值波长、光谱辐射度峰值、在=4m处的光谱辐射出射度、 =35m波段的辐射出射度。,132,3.在=4m处的光谱辐射出射度,4.在=35m波段内的辐射出射度,解：,c,c,1.峰值波长 根据维恩位移定律 2.光谱辐射度峰值 根据维恩最大发射本领定律,133,思考题,例 ： 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5， （1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2 （2）正常人体的峰值辐射波长为多少m？峰值光谱辐射出射度Meb,m为多少？ （3）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Meb,m又为多少？,134,（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为,发烧时的峰值光谱辐射出射度为,峰值光谱辐射出射度为,解：（1）人体正常体温的绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根 据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体的辐射出射度为,（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为,135,试由普朗克热辐射公式导出维恩公式,在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头，已知探头的光敏面积为0.5 cm2，若照度计测得的最大照度为100(lx)，试求： （1）标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少？ （2）所发出的全空间光通量为多少？,某输出功率为6mW的氦氖激光器，发出波长为0.6328m的光束，均匀地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射率为0.96，设光速C= 3108m/s，普朗克常数 h = 6.62610-34js ，氦氖激光的视见函数V(6328) = 0.268，试求：（1）幕的光照度为多少lx？ （2）幕的反射出射度为多少lx？ （3）幕每秒钟接收多少个光子？,习 题,设：点辐射源的辐射强度为I；源到被照表面P点的距离为d （P点为小面元dA）；小面元dA的法线与到辐射源之间的夹角为， 求：点辐射源在P点产生的照度,136,2.5 光电探测器的性能参数,137,光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，所以在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。这一点很重要，因为只有这样，光电探测器才能互换使用。,一. 光电探测器的工作条件,主要工作条件有： 辐射源的光谱分布 电路的通频带和带宽 工作温度 光敏面尺寸 偏置情况,138,1辐射源的光谱分布,很多光电探测器，特别是光子探测器，其光谱响应信号是辐射波长的函数仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 这种依赖于辐射波长的关系决定了探测器探测特定目标的有效程度。所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。 辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长; 辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度; 当辐射经过调制时，则要说明调制频率。,139,在信号传输系统中,系统输出信号从最大值衰减3dB的信号频率为截止频率,上下截止频率之间的频带称为通频带,用BW表示。,2. 电路的通频带（带宽）,在交流辐射源调制情况下，因噪声限制了探测器的极限性能(后面将详细讨论)，噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声还是频率的函数。所以在描述探测器的性能时，必须明确通频带或带宽。,140,3. 工作温度,许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信号还是噪声，都和工作温度有密切关系。所以必须明确工作温度。 最通用的工作温度是： 室温(295K) 干冰温度(195K) 液氮温度(77K) 液氢温度(20.4K) 液氦温度(4.2K),141,液氮冷却HgCdTe红外探测器,TEC制冷红外探测器,室温工作探测器,142,4. 光敏面尺寸,探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探测器的信噪比与光敏面积的平方根成比例。 参考面积一般为1cm2。,143,5. 偏置情况,大多数探测器需要某种形式的偏置。 例如：光电导探测器和电阻测辐射热计需要直流偏置电源，光电磁探测器的偏置是磁场。 信号和噪声往往与偏置情况有关，因此要说明偏置的情况。,144,此外，对于受背景光子噪声限制的探测器，应注明光学视场和背景温度。对于非密封型的薄膜探测器，要标明湿度。,145,二. 有关响应方面的性能参数,1响应率 单色响应率 积分响应率 频率响应率 2响应时间,146,光电探测器的响应度又称为灵敏度或响应度 测量响应率的辐射源一般是500K的黑体。,电压响应率,电流响应率,用大写的“S”或 表示,(VW) 或（Vlm）,(A / W)或（Alm）,1响应率,响应率是描述探测器光电转换特性的度量。它表征探测器输出信号与输入辐射之间关系的参数。 定义：光电探测器的输出均方根电压Vs或电流Is与入射 到光电探测器上的平均光功率之比，即,147,(VW) 或（Vlm）,(A / W)或（Alm）,（1）单色响应率,如果使用波长为的单色辐射源，则称为单色响应率（响应度、灵敏度），又叫光谱响应率（响应度、灵敏度）。 定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上单色辐射通量(光通量)之比。,148,式中，0、1分别为探测器的长波限和短波限。,对包含有各种波长的辐射光源，总辐射通量为：,由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流为：,可得积分响应率为：,（2）积分响应率,定义：探测器输出的电流或电压与入射总辐射通量之比。 表示探测器对连续辐射通量的反应程度。,149,为时间常数(RC),为频率在f 时的响应率,为频率是零时的响应率,（3）频率响应率,由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。在入射辐射波长不变时，光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应率。利用时间常数可得到光电探测器响应率与入射辐射调制频率的关系，其表达式为：,150,同理：,探测器的上限截止响应频率,对于光子探测器，频率响应特性相当于低通滤波器,151,2. 响应时间,描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。响应时间反映了光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟。 上升时间（rise time）：从10上升到90峰值处所需的时间； 下降时间（fall time）：从90下降到10处所需的时间 不过有时根据具体器件的要求而异，如光电导器件定义为63为上升时间，下降到37为下降时间 。 响应时间与带宽的关系：带宽越大，响应时间越小。,152,1信噪比（SN） 2等效噪声输入(ENI) 3. 噪声等效功率(NEP) 4. 探测率D与比探测率D* 5 暗电流Id,三.有关噪声方面的参数,153,从响应率的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。 但事实并非如此。当入射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测器不好引起的，而是它所固有的“噪声”引起的。 如果对这些随时间而起伏的噪声电压(流)按时间取平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。,154,即噪声电压有效