《光电传感器》课件

光电传感器应用技术

第3版第1章光电技术基础光电传感器应用技术肩负着光与电之间的能量转换与电信息转换的任务。需要掌握光与电两方面的基本理论与基本参数。本书主要探讨有关光的基本理论和基本度量参数。讨论光辐射的基本度量方法和度量单位，再讨论物体热辐射的基本定律、光与物质的作用等问题，为光电传感器应用技术的学习打下基础。光具有“波粒二象性”，以电磁波方式传播的粒子，具有动量与动能。光电传感器是建立在光的粒子性理论基础上。图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。它的范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光辐射仅是电磁波谱中的一小部分，波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，称为可见光。f图1-1电磁辐射光谱的分布/Hz红外紫外可见光103X射线Γ射线近红外远红外电磁波106109101210151018102110241.1光辐射的度量1.辐能和光能

以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳（J）。光能是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.辐通量和光通量辐通量或辐功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐能称为辐通量，以符号Φe表示，其计量单位为瓦（W），即

1.1.1与光源有关的辐度参数与光度参数对可见光，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Φv，即若在时间t内发射、传播或接收的光能不随时间而变，则式（1-3）简化为显然，辐通量对时间的积分称为辐能，而光通量对时间的积分称为光能。3.辐出度和光出度

某点处的面元向半球面空间发射的辐通量dΦe与面元面积dA之比，定义为辐出度Me，即

（1-3）（1-4）（1-5）Me的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。

面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发出的光通量dΦv、与面元面积dA之比称为光出度Mv，即

计量单位为勒(克司)[lx]或[lm/m2]。均匀发射辐射的面光源有面光源向半球面空间发射的总光通量为（1-6）（1-7）（1-8）（1-9）4.辐强度和发光强度对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐强度Ie，即

辐强度的计量单位为瓦每球面度[W／sr]。点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量为各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为

对可见光，定义发光强度IV为

（1-10）（1-11）（1-12）（1-13）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，将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射540×1012Hz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（1-13），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=4πIＶ＝12.566lm。

（1-14）5.辐亮度和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，称为辐亮度Le，即

式中，θ为给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦每球面度平方米[W／（sr·m2）]。对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处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正投影的面积，即

Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。

（1-15）（1-16）若Le，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式（1-15）、（1-16）表示，该光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。黑体理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是近似的余弦辐射体。余弦辐射体表面某面元dS处向半球面空间发射的通量为

式中，。对上式在半球面空间内积分的结果为

由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系光学系统CCD26.辐效率与发光效率光源所发射的总辐通量Φe与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐效率ηe；光源发射的总光通量Φv与提供的功率P之比称为发光效率ηv。它们分别为辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率式中,Φeλ称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。（1-19）（1-20）（1-21）1.1.2

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度与光度的参数称为与接收器有关的辐射度参数与光度参数。它可以是探测器，也可以是反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐度参数与光度参数有以下2种。

1.辐照度与照度

辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe除以该面元面积dA的商，即Ee的计量单位是瓦每平方米[W／m2]。（1-22）若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（1-22）简化为注意，不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。

本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer（λ）与辐射体接收的光谱辐照度Ee（λ）的关系为光学系统2CCD2(1-23)(1-24)式中,ρe（λ）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式（1-24）的波长积分，得到反射体的辐出度(1-25)对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即（1-26）Ev的计量单位是勒（克司）[lx]。

对接收光的反射体，同样有

（1-27）（1-28）式中，ρv（λ）为光度光谱反射比，是波长的函数。

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能量有关。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

（1-29）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（1-29）可简化为

（1-30）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（1-31）Hv的计量单位是勒（克司）秒[lx.s]。

1.1.3辐射源的光谱辐射分布

辐射源发射的辐能是按波长分布在辐射光谱范围内的。在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射的光谱密度Xe,λ，简称为光谱辐射量，即

式中，通用符号Xe,λ是波长的函数，代表所有的光谱辐射量，如光谱辐通量Φe,λ、光谱辐出度Me,λ、光谱辐强度Ie,λ、光谱辐亮度Le,λ、光谱辐照度Ee,λ等。

（1-32）符号Xv,λ为光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为光度光谱密集度，简称光谱光度量，即

（1-33）式中，Xv,λ为光谱光通量Φv,λ、光谱光出度Mv,λ、光谱光强度Iv,λ、光谱光亮度Lv,λ、光谱光照度Ev,λ。光源的辐射度参量Xe,λ随波长λ的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。

曲线任一波长λ处的Xe,λ除以峰值波长λmax处的光谱辐射量最大值Xe,λmax的商Xe,λr，称为光源的相对光谱辐射量，即（1-34）Xe,λr与波长λ的关系称为光源相对光谱辐射分布。

光源在波长λ1～λ2

范围内发射的辐射通量

光源发出的所有波长的总辐射通量

（1-35）光源发出λ1

～λ2

的辐通量ΔΦe与总辐通量Φe之比称为光源的比辐射qe，即

式中，qe没有量纲。

（1-36）1.1.4量子流速率光源的辐功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长λ处,由λ到波长范围内发射的辐通量dΦe除以该波长λ的光子能量hv，得到光源在该波长λ处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,λ，即

（1-37）对可见光区域，光源每秒发射的总光子数

光源在波长λ为0→∞范围内发射的总量子流速率

（1-38）（1-39）注意，尽管光子流速率NV应用了脚标v，但，从（1-39）可见，它是物理的计量单位，只是积分区间（0.38~0.78μm）属于人眼可见波长范围，式中物理量均为辐度参数，因此是物理的计量单位。它反映了光源单位时间发出可见光波段的量子数。1.2物体热辐射物体通常以两种不同形式发射辐射能量。第一种称为热辐射。第二种称为发光。1.2.1黑体辐射定律1.黑体能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为1，发射系数也为1。黑体只是个理想的温度辐射体，常被用于作为辐射计量的基准。在有限的温度范围内可以制造出各种黑体模型。图1-2

黑体模型

图1-2所示的模型中，入射辐射是经过多次反射后才发射出恒温槽的。2.普朗克辐射定律

黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示为

（1-40）黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为（1-41）图1-3为黑体的相对光谱辐亮度Le,s,λr与波长的等温曲线。图1-3

将式（1-40）对波长λ求积分，得到黑体发射的总辐射出射度

（1-42）式中，σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定

由式（1-42），Me,s与T的四次方成正比

3.斯忒藩-波尔兹曼定律4.维恩位移定律将式（1-40）对λ求微分后令其等于0，找到峰值光谱辐射出射度对应的波长λm与绝对温度T的关系为

(μm)（1-43）

λm与温度（T）的乘积是常数。这是维恩位移定律。

将式（1.2-3）代入式（1.2-1），得到黑体的峰值光谱辐出度W·cm-2·μm-1·K-5

以上三个定律统称为黑体辐射定律。

例1-1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μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm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Me,s,λm又为多少？解

（1）人体正常体的绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为

（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为

(μm)=9.36μm

峰值光谱辐射出射度为

Wcm-2μm-1

=3.72Wcm-2μm-1

（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

=3.81Wcm-2μm-1

例1-2将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解标准钨丝灯的温度为TW=2856K，因此它的峰值辐射波长为(μm)峰值光谱辐射出射度为

=1.309×28565×10-15

=248.7Wcm-2μm-1

总辐射出射度为

光学系统CCD2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）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。本节将重点讨论它们的转换关系，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。1.3辐射度参数与光度参数的关系1.3.1人眼的视觉灵敏度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=0.555μm处的光谱辐射亮度Le,λm小于其它波长的光谱辐亮度Le,λ。把波长=0.555μm的光谱辐射亮度Le,λm被其它波长的光谱辐亮度Le,λ除得的商，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率V（λ），即（1-45）

如图1-5所示为人眼的明视觉光谱光视效率V（λ）。图1-5若有微弱单色辐射刺激人眼，则在相同刺激程度下，波长为507nm处的光谱辐亮度小于其他波长的光谱辐亮度。为此，将Le，507nm与Le,λ的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率。定义为

V′(λ）为无量纲的相对值，如图1-46虚线所示。(1-46)1.3.2人眼的光谱光视效能

无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其刺激的程度与Le,λ成正比。

对于明视觉，刺激程度平衡条件为

（1-47）式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为683lm/W。

对于暗视觉，为

（1-48）式中，K‘m为人眼的暗视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数，其值为1725lm/W。

引进，K（λ），并令

（1-49）同样，对于暗视觉有（1-50）式中，K（λ），K`（λ）分别称为人眼明视觉和暗视觉的光谱光视效能。根据式（1-49）和（1-50），可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。例1-3

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？解He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（1-49）可以计算出它发出的光通量为Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)1.4.3辐射体光视效能

热辐射体发射的总光通量Φv与总辐射通量Φe之比，称为该辐射体的光视效能K，即

对于热辐射体，由上式及式（1-49）可得总光通量Φv为

(1-51)(1-52)将式（1-35）和（1-52）代入式（1-51）得到(1-53)式中，V是辐射体的光视效率。

下面计算两种常用热辐射体的光视效能。1.纯铂凝固点温度的黑体照明委员会曾规定：标准大气压力环境下纯铂凝固点的温度为T＝2045K，将其视为黑体，其表面法线方向每平方厘米面积的辐强度为31.55W/sr时它的发光强度应为60cd。由（1-51）推导出该黑体的光视效能为lm/W可见，纯铂在凝固点温度下的黑体，若发射1W辐通量，其发出的光通量便为1.9lm。2.2856K标准钨丝灯它的光视效能可按式（1-51）和图1-7所示的曲线围成的面积Al和A2的比值进行计算，即图1-7例如，对于色温为2856K的标准钨丝灯其光视效能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为Φe＝100W时，其光通量为Φv=1710lm。可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。lm/W1.4半导体对光的吸收

1.4.1物质对光吸收的一般规律

如图1-8所示，光入射到物质表面，光通量将发生衰减，减量dΦ与路程dx及光通量Φ有关，即

（1-54）式中，α称为吸收系数。

利用初始条件x=0

，φ=φ0解微分方程，找到通过x路程与光通量的关系为图1-8物质对光的吸收（1-55）α为光衰减到e-1时所透过路程的倒数，称为该物质的吸收系数。根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律

exp(-ωμxc-1)衰减。

（1-56）乘积的其实数部分是辐通量随传播路径x的变化。即

（1-57）式中，μ称为消光系数。

由此得到

（1-58）半导体的消光系数μ与入射光的波长无关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。（1-59）普通玻璃的消光系数μ也与波长λ无关，因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为

1.4.2半导体对光的吸收1.本征吸收光入射到半导体表面，原子外层价电子吸收光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。如图1-9所示，半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称为本征吸收。

图1-9本征吸收本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg。即（1-60）可以得到发生本征吸收的光波长波限

（1-61）只有波长短于的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。

2.杂质吸收N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能ΔED，杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。P型半导体中，价带上的电子吸收了能量hv大于ΔEA（受主电离能）的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能量跃入价带。

这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生电离的过程称为杂质吸收。显然，杂质吸收的长波限

由于Eg>ΔED或Eg>ΔEA，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。

（1-62）（1-63）3.激子吸收

当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg，或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电离能（ΔED或ΔEA）时，电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束而处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为激子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收。激子吸收不会改变半导体的导电特性。4.自由载流子吸收当入射光子不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而增强。由自由载流子在同一能带内的能级间的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。

5.晶格吸收

晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器件温度升高，使载流子运动的速度加快，而不直接改变半导体的导电特性。

1.5

光电效应

光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。内光电效应是被光激发所产生的载流子仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。而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称为外光电效应。1.5.1内光电效应

1.光电导效应

光电导效应分为本征与杂质两种光电导效应。在本征或杂质半导体内的价带中电子吸收光子能量跃入导带，则产生本征吸收。特点是导带产生光生自由电子，价带产生光生自由空穴。使半导体的电导率发生变化的现象称为本征光电导效应。通量为Φe,λ的单色辐射入射到如图1-10所示的半导体上，波长λ的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间所吸收的量子数密度Ne,λ应为

(1-64)图1-10

光电导体光敏层每秒产生的电子数密度Ge为

(1-65)在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复合率rt相平衡。电子总产生率应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和

(1-66)导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为

(1-67)

热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度pi的乘积成正比。即

(1-68)在热平衡状态载流子的产生率应与符合率相等。即

(1-69)在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差。即

(1-70)下面分为两种情况讨论：（1）微弱辐射作用下，光生载流子浓度Δn远小于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δp远小于热激发空穴的浓度pi，并考虑到本征吸收的特点，Δn=Δp，式（1-70）可简化为

利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得

式中，τ=1/Kf(ni+pi)称为载流子的平均寿命。

(1-71)(1-72)由式（1-71），光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当t>>τ时，载流子浓度Δn达到稳态值Δn0，即动态平衡状态

(1-72)光激发载流子引起半导体电导率的变化Δσ为

(1-73)式中，μ为电子迁移率μn与空穴迁移率μp之和。

半导体材料的光电导g为

(1-74)弱辐射作用下光电导不但与光敏材料的长度l的平方成反比而且与入射辐射通量Φe,λ成线性关系。求导可得

由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度Sg

弱辐射作用下光电导灵敏度为与材料性质有关的常数。

（2）在强辐射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi（1-70）式可以简化为

即(1-75)利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得

式中，为强辐射作用下载流子的平均寿命。

强辐射情况下，半导体的光电导与入射辐射通量间的关系为

进行微分得

(1-76)在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是非线性的。

(1-77)2.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。如图1-11所示，半导体PN结的内建电场将光生电子与空穴分开，并分别在内建电场作用下运动，形成光生伏特电压或光生电流的现象。

图1-11半导体PN结示意图PN结能带结构如图1-12所示，P区和N区的多数载流子要进行相对的扩散运动，以便平衡费米能级差，扩散运动平衡时，如图所示，在结区形成由正负离子组成的空间电荷区或耗尽区。图1-12PN结能带结构设定内建电场的方向为电压与电流的正方向，将PN结两端接入适当的负载电阻RL，在辐通量Φe,λ作用于PN，则有I流过负载电阻，并在RL两端产生压降U，电流I应为

（1-78）

式中，IΦ为光生电流，ID为暗电流。输出的短路电流ISC为（1-79）

PN结的开路电压UOC为

（1-80）

PN结在反向偏置的情况下，输出的电流为

I=IΦ+ID

（1-81）

PN节的暗电流ID一般要远远小于光电流IΦ，可忽略。PN节的电流与入射辐射成线性关系（1-82）

3.丹培（Dember）效应

如图1-13所示，当材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射时，曝光区产生本征吸收，产生高密度的电子与空穴，而遮蔽区载流子的浓度很低，形成浓度差。

图1-13光生载流子扩散运动由载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面间的伏特现象称为丹培效应。

光生电压由式（1-83）计算

（1-83）

4.光磁电效应

在半导体上外加与光照方向垂直磁场，构成如图1-14所示的结构。当半导体受光照射产生丹培效应时，电子和空穴在磁场中受到洛伦兹力的作用，使运动轨迹发生偏转，电子与空穴按图示方向偏转。。

结果产生伏特电压，称为光磁电场。该现象称为半导体的光磁电效应。

图1-14光磁电效应光磁电场为

（1-84）

D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等于

其中，Dn与Dp分别为电子与空穴的扩散系数。

（1-85）

5.光子牵引效应

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做相对于晶格的运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻止载流子的运动。这个现象被称为光子牵引效应。在室温下，P型锗光子牵引探测器的光电灵敏度为

（1-87）

1.5.2光电发射效应

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。外光电效应中光电能量转换的基本关系为

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的电子初始动能便大于0。（1-88）

图1-15金属能级结构光电发射阈值Eth是建立在材料能带结构基础之上，对于金属，如图1-15所示的能级结构，光电发射阈值Eth等于真空能级与费米能级之差

式中，EVAC为真空能级，一般设为为0；Ef为低于真空能级的负值；因此光电发射阈值Eth大于0。

（1-89）

对于半导体，情况较为复杂，分为本征半导体与杂质半导体，杂质半导体又有P型与N型，能级结构不同，光电发射阈值的定义也不同。图1-16所示为三种半导体的能级结构图，由能级图可以得到处于导带中的电子的光电发射阈值为

图1-16半导体光电发射阈值（1-90）

电子接收大于EA的光子后就可以飞出半导体表面。

而对于价带中的电子，其光电发射阈值Eth为

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。（1-91）

（1-92）

光电发射器件具有许多不同于内光电器件的特点：1.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。

第2章光源物体向外发射出可见光的现象称为发光。在光电技术领域，光辐射还包括红外、紫外等波段的辐射。发光常分为热辐射和激发辐射，激发辐射的光源常被称为冷光源。

从应用的角度简单地介绍各类光源的特性、发光光谱，并重点介绍各种电光源的发光机理和供电电路是本章的宗旨。2.1光源的分类

光源的种类很多，分类方式各异。总结光电工程中所用光源的特征，分为自然光源与电光源两大类。

2.1.1自然光源1.太阳太阳光是最典型和能量最强的自然光源，人类的视觉观察活动几乎主要是在太阳的照明下进行。图2-1为太阳在大气层外和在海平面的光谱辐出度与波长的关系曲线。可见，在大气层外的光谱辐照度曲线很接近5900K黑体的光谱辐出度曲线。图2-1

H2O、CO2

和O3有许多吸收峰，使海平面的辐照度降低。大气在可见光谱内为透明度较高的窗口。直接或间接利用太阳作光源时，应考虑到天气变化对测量结果的影响。2.月亮、星光与天空月亮、星光与天空也是一个重要的自然光源。

图2-2所示为月亮、行星的光谱辐射与波长分布。天空也是不可忽略的光源，黄道光约占15％、银河光约占5％、夜空光约占40％、上述各光源的散射光约占10％、直射和散射的星光约占30％而银河系以外辐射约占1％。图2-2表2-1白天和夜间各种条件下自然光源在地面上形成的照度自然条件照度值（Lx）自然条件照度值（Lx）直射日光深黄昏1完全白天光

满月10-1白天（阴）103弦月10-2很暗的白天102星光10-3黄昏（黎明）10星光（阴天）10-4自然条件光亮度值（cd/m2）自然条件光亮度值（cd/m2）晴朗的白日104日落后1/2小时10-1白天（阴）103相当明亮的月光10-2白天（阴得很重）102无月（晴朗夜空）10-3日落时（阴天）10无月（阴天夜空）10-4日落后1/4小时（晴天）1表2-2各种条件下接近地平线天空的光亮度值

2.2钨丝灯为给图像传感器创造良好、稳定的成像和测量条件，制造许多种人工光源，辅助自然光源的各种不足，钨丝灯光源最古老、最普遍。本节主要介绍钨丝灯的发光特性及工作特性。钨丝灯种类很多，将其归纳为两类—钨丝白炽灯与卤钨灯。2.2.1钨丝白炽灯1.普通钨丝白炽灯的结构图2-3

典型仪器用的钨丝白炽灯结构图如图2-3所示为仪器仪表中几种常见的钨丝白炽灯的结构图。2.钨丝白炽灯的特性①发光光谱钨丝白炽灯属于热辐射体，可以近似为黑体。其光谱分布与工作温度有关，温度升高，光谱发射系数随波长的变化减少，最后在温度很高时趋向于1，服从黑体辐射定律。

（2-1）

如图2-4为标准钨丝灯的相对光谱辐射功率随波长的分布特性曲线。可见，在1.0μm处标准钨丝灯的光谱辐出度值最高，即标准钨丝灯光谱辐出度的波长为1.0μm。②钨丝白炽灯的功率、光通量和发光效率图2-5为钨丝白炽灯的功函数与温度的关系曲线。钨丝灯的供电电压变化时，对电流、光通量、灯的功率损耗、灯的寿命等都有很大影响。如果电压增加，则灯丝温度上升，光通量增加，发光效率提高。灯丝温度太高，钨的蒸发加快、加剧，使灯丝的某些局部迅速变细，电阻值增大，局部功耗加大，并很快被烧断。

图2-5白炽灯功函数与温度的关系表2-3不同温度下钨丝在真空中的蒸发率和寿命的关系

温度T（K）蒸发率rm(g/(cm2•s)直径为0.1mm钨丝的寿命τ（h）rm·τ20002200240026002800300015.522.413.841.78.3310.51.04×1077.20×1041.11×1033.86×101.90.1516.1×10-816.1×10-816.1×10-816.1×10-815.8×10-815.7×10-8

通过实验得到，灯的电压变化使灯的电流I、发光效率ηv、光通量φv、寿命τ均发生变化。它们之间的关系为(2-2)对于真空白炽灯泡，发光效率ηv=0.0769，对于充气灯泡，发光效率ηv＝0.0714。

④白炽灯的色彩与调光特性普通白炽灯可以无限制的调整发出光的亮度。调光使灯丝温度降低，从而使灯的色温降低，光效降低，但寿命延长。长寿命是以牺牲光效率为代价的。当要求连续调整白炽灯的光照情况下，一般采用功率较低的白炽灯为好。炽灯工作在标称电压的50%以下时，灯几乎不发可见光。然而，此时的能量损耗依然不小。因此，当调光到这种程度时应该将其熄灭。

白炽灯的灯丝温度常在2800K，远比太阳表层的温度6000K低得多，因此，它的色温偏低，颜色偏红。

2.2.2卤钨灯卤钨灯是一种改进的钨丝白炽灯。在灯泡中充入6价元素，如氟、氯、溴或碘等，使它们与蒸发在玻璃壳上的钨形成卤化物。当这些卤化物回到灯丝附近时，遇到高温便会分解，钨又回到钨丝上。故，灯丝的温度可以大大提高，玻璃壳也不发黑。因此，灯丝发光亮度高、效率高，使卤钨灯具有形体小，成本低的特点。常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。在光电传感器技术中应用最多的卤钨灯为溴钨灯。图2-6为仪器用部分国产卤钨灯的外形与结构。

图2-6仪器用部分国产卤钨灯的外形结构图表2-3仪器用国产卤钨灯型号规格光通量(Lm)平均寿命(h)主要尺寸图号(V)(W)最大直径D全长L光中心高H灯丝尺寸d·l或A·B开档d`LYQ5-40540800～10005010.54220+11×35cLYQ6-156152702008.54214～151.1×1.24aLYQ6-20620360～4002008.54211～120.8×2.34aLYQ6-25625500～6005010.545301×34.5cLYQ6-30630510～57010010.542251×36.5aLYQ12-50125012600～14005011.552361.5×1.66.5dLYQ12-7512752025～22505011.552362×36.5dLYQ12-100121002700～30005011.552361.9×3.76.5dLYQ24-150241504050～450005012.554372.3×3.56.5dLYQ24-250242506750～7500501457382.5×5.56.5dLYQ55-5005550013500～15000501557455×86.5b2.3气体放电灯含汞灯、钠灯、氙灯和铟灯等。通过高压使气体电离放电产生光辐射，因而也称其为冷光源。共同特点是发光光谱为线或带状光谱，发光机理为等离子体发光。2.3.1气体放电一些元素在紫外线或宇宙射线下，会有少量气体被电离成正、负离子和自由电子，电压增高后将出现如图2-7所示的激发光现象。图2-7气体放电原理电路及特性图2-8

辉光放电的明暗区域及电场电势分布在如图2-8所示辉光放电时，将产生明暗相间的区域，各区域的电势和光强分布如图2-8b所示。弧光放电发出的光辉极其明亮，可用在电影放映和公共场所照明。无论辉光放电或弧光放电，都是气体的场致发光现象。气体放电过程，电场使带电粒子动能增加到足以电离其他气体分子，气体分子吸收带电粒子的能量，使其电子处于激发状态。激发态一般在10-8s以内。从激发态回到低能态或基态，便以发光的形式放出能量。如钠蒸汽原子辐射出589.0nm、589.6nm的双黄光。2.3.2氙灯氙灯分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯。下面以脉冲氙灯为例介绍氙灯的工作。脉冲氙灯分为单次闪光和重复闪光两种，脉冲氙灯的驱动电路如图2-9所示。图2-9脉冲氙灯的单次闪光电路长弧氙灯电极间距较长，在150mm以上，其弧光也较长，适合于较大面积照明的情况。短弧灯的电极间距一般很短，在几个毫米范围内，发光也比较集中。表2-4几种国产氙灯的特性参数类型型

号功耗（W）电源电压（V）工作电压（V）工作电流（A）极间距（mm）泡壳外径（mm）冷却方式长

弧SZ1500SZ1500FSZ3000150015003000220～200～220～6090220201714150190620321512自然风

冷自然冷

短

弧SQ75SQ150SQ300SQ300ASQ500SQ1000751503003005001000≧50≧50≧50～220≧50≧6516182018202258151825501.02.03.02.03.44.0131825253040自然冷自然冷自然冷自然冷自然冷自然冷2.4金属蒸气灯2.4.1水银蒸气灯（汞灯）图2-13高压汞灯的结构与发光光谱在石英玻璃管内充入汞，瞬时高压激发使灯中汞被蒸发，并被点燃而产生辉光放电。汞灯可连续发光。高压汞灯发出的光谱如图2-13所示，稳定而丰富，常用作光谱仪的校准光源。汞特征光谱为404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm、等。2.5LED光源LED已经成为21世纪科技发展的一大亮点应该是不争的事实了。因为LED具有诸多优点：（1）电光转换效率高（高于90%）、响应速度快（可达到GHz）；（2）体积小（单珠尺寸已经小于1mm），重量轻，便于集成；（3）工作电压低，耗电少，驱动简便，容易通过软、硬件实现计算机数字控制；（4）既能制成单色性好的各种单色LED，又能制成发各种色品的白光LED；（5）发光亮度高，功率控制简单，便于组合，构成适合于各种场合的照明灯具；（6）色泽鲜艳易于数字调整与控制，易于组合成为各种规模的图像显示部件，用于室内、外的大屏幕显示；（7）易于与各种光学元件组合构成各种特殊光形的光源（线、面光源）用于特殊应用的光电检测系统。2.5.1LED的发光机理1.PN结注入发光PN结注入发光原理如图2-15所示。图2-15注入发光能带图正向偏置的情况下扩散运动使载流子在P区从导带跌落到价带，以发光的方式释放出能量。2.异质结注入发光为提高载流子注入效率，常采用异质结PN结结构。图2-16a所示为理想的异质结的能带图。图2-16

异质结注入发光P区和N区的禁带宽度相差较大，加上正向电压时结区势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就会不断向N区扩散，使其与电子复合几率提高而提高发光效率。如图2-16b所示在N区电子由导带跌入道价带因释放能量而发光。例如，禁带宽EG2=1.32eV的P-GaAs与禁带宽EG1＝O.7eV的N-GaSb组成异质结后，N-GaAs的空穴注入N-GaAs区复合发光。2.5.2LED的基本特性参数1.电流与发光强度特性在正向电压作用下流过LED的正向电流If使其发光，发光强度Iv与电流Ifn成正比，其中n＞1。即Iv=ηvIfn。式中ηv为LED的发光效率。图2-17所示为GaP（红色）LED发光强度（每秒发射出的光子数）与电流密度If的关系曲线。由于LED的正向伏安特性曲线在发光区呈现为指数形式，发光强度Iv与正向电压也是指数形式，故不采用调整正向电压的方式调整发光强度。图2-17LED发光强度与电流密度的关系曲线2.发光光谱与发光效率由LED发光机理可知发射光谱的峰值波长由材料的禁带宽度决定。例如GaAs红外LED的禁带宽度在室温下为1.4eV，峰值波在0.86～0.9μm范围内。发绿光的GaP禁带宽度为2.26eV，峰值波长为0.55μm。对异质结LED，禁带宽度由元素的组分量决定，如GaAs1-xPx，最佳组分x＝0.4，峰值波长为0.65～0.66μm。改变组分量x可以改变发光峰值波长。LED发出的光通量与输入电功率之比称为发光效率，单位lm/W；也把光强度与注入电流之比（cd/A）称为发光效率。GaAs红外LED的发光效率定义为输出辐射功率与输入电功率的百分比。发光效率由内部量子效率与外部量子效率两个参数决定。内部量子效率为（2-5）在平衡时，电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（含辐射与无辐射复合），而复合率又分别取决于载流子的寿命τr和τn，其中复合率为1/τr，无辐射复合率为1/τn。内部量子效率又为（2-6）由式（2-6）可见，只有τn＞＞τr，才能获得较高内部量子效率的光子发射。单位时间发射到外部的光子数nex与注入的内部量子数nin之比定义为器件的外部量子效率ηex，即（2-7）表2-7几种典型LED的发光效率与发光波长名称峰值波长/μm外部量子效率%可见光发光效率/lm/W禁带宽度Eg/eV数变值平均值GaAs0.6P0.4

红光Ga0.65Al0.35As红光GaP:EnO红光GaP:N绿光GaP:NN黄光GaP纯绿光GaAs0.35P0.65:N红光GaAs0.15P0.85:N黄光GaAs红外In0.32Ga0.68P[Te,Zn]0.650.660.790.5680.590.5550.6380.5890.9

0.50.5120.70.10.660.50.2

0.20.20.212.30.05～0.15_0.020.20.05

0.10.380.272.44.20.450.40.950.90

1.91.91.772.192.12.051.962.11.35

3.温度特性通常LED的外部发光效率均随温度上升而下降。图2-18所示GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种LED的相对发光强度与温度的关系曲线。图2-183种LED的相对发光强度与温度的关系可见，随着温度的升高相对发光强度显著下降，冷却LED，会使相对发光强度增大。这是为什么在光电检测系统中作为光源应用的LED常常工作在脉冲状态下而不工作在直流状态的原因。4.最大工作电流如图2-19为典型发红光的GaP内部量子效率ηin的相对值与电流密度J和温度的关系曲线。LED的最大工作电流密度应低于最大发射效率处的电流密度值。若LED的最大容许功耗为Pmax，最大工作电流为图2-19式中，rd是LED的动态内阻；If、Uf为LED在较小工作电流时的电流和正向压降。5.伏安特性LED的伏安特性如图2-20所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。图2-20正向电流随正向电压的增大而快速增长，遵守式（2-9）关系（2-9）在反向电压作用下表现如图2-20左侧所示特性，当反向电压大于击穿电压后，反向电流将快速增长，表现出“击穿”特性。6.寿命亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间称为LED的寿命。LED的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可大于等于109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。7.响应时间是对输入电信号变化响应程度的物理量，LED响应时间是指输入信号电流加载到器件上，其发光（点亮）响应时间与关掉电流发光关闭的延迟时间。LED发光时间随电流的增加而近似呈指数减小，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。在脉冲电流驱动时，间隔和占空比必须在响应时间允许的范围内，否则LED发出的光脉冲与输入脉冲的差异将很大。8.光强分布不同的LED发出的光在空间范围内具有不同的光强分布。通常用如图2-21所示的光强分布曲线描述。图2-21图2-21a为LED外形图，在xyz直角坐标系中，z为LED的机械轴方向。发出光的主方向可能不与机械轴重合，设发光主方向与z轴间的夹角为θ，主光线发光强度Iv则是角度变量θ的函数，有Iv=f（θ）

（2-10）θ称为LED的“机械角”。或偏向角。另一个参数是半发光强度角，用θ1/2表示。如图2-21b所示△θ称为偏差角2.5.3LED的驱动电路LED驱动电路可以分为直流、脉冲与交流驱动三种方式。如图2-22所示为典型的直流驱动电路。流过LED的电流IL为图2-22（2.5-8）如图2-23所示为能够发出缓变交流光的LED交流驱动电路。该电路常用于光通信中作为辐射信息光源。当然Ui也可以是脉冲信号。图2-23LED三极管驱动电路如图2-24所示为一款集成低侧功率MOSFET集成LED驱动电路—SGM3732器件。图2-24SGM3732外形图它可输出高达38V的电压，提供高达260mA的电流。可驱动10只串联的蓝色LED（正向电压为3.7V）。SGM3732温度范围为-40℃~+85℃。SGM3732器件内置数字脉冲PWM调光接口（SW端口），可通过CTRL实现LED电流的调节，其频率范围为2kHz~60kHz。被广泛地应用于LED背光、手机、手持电子设备、数码相框和汽车导航等设备上。2.5.4LED的应用1.绿色节能照明光源1）LED球形灯泡图2-25a为典型的透明式的LED球形灯泡，可以直接看到LED发光体。图2-25b为乳白色LED球形灯泡。2）LED吸顶灯图2-26a为矩形LED吸顶灯，图2-26b为圆形装饰LED吸顶灯，图2-26c为带护圈且花式修饰的圆形吸顶灯。图2-25球形LED灯泡图2-26LED吸顶灯3）LED筒灯如图2-27所示是几款用于室内及展厨用的LED筒灯。4）LED壁灯、庭院与草坪灯如图2-28所示，家庭装饰用的壁灯也被LED灯取代。图2-27LED筒灯图2-28典型LED壁灯

图2-29a为几款LED草坪灯。

图2-29b为一种太阳能LED庭院灯。

图2-30为几款典型的LED路灯。图2-29LED草坪灯与太阳能庭院灯图2-30几款LED路灯6）其他LED照明灯2.LED在显示方面的应用①数码显示器图2-32所示的形状，便能够显示0~9数字的七段数码管。图2-31其他应用的LED照明灯图2-32七段LED数码管②文字字符显示器图2-33是16笔划的字码管，它不但可以显示10个数字和26个字母，还可以显示加、减、乘、除等运算符号。图2-34所示为LED阵列显示器，把LED排列成矩阵方式可以构成各种不同规模的显示器件。它除能完成显示数码数字与符号外，还能显示简单的文字和其他符号。如图2-35所示的电路，分别由“行开关”与“列开关”控制，每行LED的阳极接于行地址，而阴极接在列地址上，行地址通过开关接到正电源上，列地址分别通过开关和限流电阻接到电源的负端。图2-3316段数码管图2-35阵列显示器原理图2-34LED灯泡图2-34LED阵列显示器③图像显示模组如图2-36为显示单元板，又称其为“LED显示模组”。④

指示与装饰用LED采用单个LED作为仪器开关指示灯、示波器标尺照明、道路交通指挥显示灯、仪器仪表盘照明灯、文字与图片背光照明灯等的应用随处可见。图2-36LED显示模组外形图3.LED在信息通讯系统的应用用LED能够发出高频调制光的特点，在光电信息的传输，数字通讯（如LiFi）、信号与图像等信息通信等方面显示出巨大的优势。随着大规模集成电路的发展与超小型LED芯的制作工艺的提高，LED在通信系统中的应用将有很大的发展。为满足通信技术的发展，LED的频率响应与发光光谱等技术指标在不断提高，因此我们必须密切关注LED性能的提高，经常上网搜索LED，会使我们获得它的最新发展，对开发设计LED应用产品非常有利。2.6激光光源1.氦氖激光器的结构2.6.1氦氖激光器图2-37He-Ne激光器的三种结构图2-37所示为三种结构的氦氖激光器结构示意图，由放电管、光学共振腔与激光电源等三部分组成。放电管包括放电毛细管、贮气管和电极三部分。共振腔分为半内腔式、内腔式和外腔式三种结构。内腔式结构虽然制造困难些，但不需要调整，反射镜也不易弄脏。另外还有一种半外腔式结构，兼有制造简单、调整较易的优点。2.氦氖激光器的特点氦氖激光器具有连续输出激光的能力。输出激光功率不高，只有几毫瓦。激光波长λ为0.6328μm，波长的稳定性度高达10-10量级。氦氖激光器输出光束的相干性及方向性均很强，居各类激光器的首位。光束的发散角为1×10-3rad。氦氖激光器输出功率随时间的波动量常常较大，且变化方式各不相同，有缓慢变化的，也有周期性迅速变化的。输出功率的波动频率低于1Hz的称为漂移，高于1Hz的称为噪声。表2-8几种国产氦氖激光器的特性参数结构类型型

号输出功率/mw模式谐振腔长/mm发散角/mrad光束直径/mm外形尺寸/mm

全外腔QJH-T1800

QJH-T1000QJH-T800QJH-T500QJH-T250D-A>50

>25>18>7≧1TEM00

TEM00TEM00TEM00TEM001880

1100800500250<0.7

<1<1<1<1.52

0.90.80.8

2100×410×2001400×200×240

665×150×120

全内腔H101DH103CH104BH102BH102CH105BH107BH108B≧11.5～2≧24～5≧5≧5≧78TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00190250300350350400600600

φ32φ42φ42φ43φ43φ43φ43φ452.6.2半导体激光器半导体激光器（LD）是体积最小的激光器件。具有效率高，工作电压低，功率损耗小，驱动与调整都很方便等特点。适于野外短距离的激光通信，激光测距，激光遥控、遥测、引爆等。1.砷化镓半导体激光器的结构与工作原理由激发装置（泵源）、工作物质和谐振腔等3部分组成。如图2-38所示为PN结型GaAs半导体激光器的结构原理图。由p-GaAs、n-GaAs和散热片等部分组成，典型尺寸为100μm×300μm。图2-38GaAs激光器的结构图2.异质结PN结半导体激光器如图2-39a所示，构成单异质PN结型的半导体激光器。单异质结的发光阈值比较低，辐射波长较长。如图2-39b所示结构为砷化镓双异质结型半导体激光器。图2-39

异质结GaAs能级图电子向右扩散到P_P+结区时，受到P+区高电子势垒的阻挡，不能再往右扩散；而空穴往左扩散到P区时受到高空穴势垒的阻挡也不再往左扩散。电子、空穴在很窄的P区集中、发出激光也比较集中。2.7光电传感器应用系统中光源与照度的匹配图像传感器的应用系统大致可分为图像传感、图像分析和图像检测三种类型。不同的应用类型对照明光源的要求也不相同，应该根据具体的需要选用不同的照明光源。1）摄像（图像传感）摄像是为了真实地记录景物的结构、状态和颜色。要根据色度学的基本常识，景物的颜色选择照明光源的光谱与功率分布。还有根据特殊摄影的要求采用特殊的光源，例如高速摄像需要有高速脉冲光源的配合。通常摄像系统常采用与日光光谱接近的白光光源，如氙灯、白光LED灯等。2.7.1光源的选择2）图像分析图像分析需要考虑分析的内容，属于光谱分析还是影像分析，光谱分析中所考虑的问题是配合光源必须掌握其光谱分布规律。影像分析的光源应该与图像摄影相同。3）图像检测图像检测可分为两种情况考虑：①通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数。例如医用内窥镜的光源要根据所摄图像的特征判断病情，则需要从颜色、尺寸等信息时要求配合光源尽量不失真地反应被摄物图像的光谱信息。氙灯和白色LED光源称为首选。②通过测量被检物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。这种情况下需要配合光源能够将物体的特征突出出来，例如测量齿轮的参数，则需要用远心照明光源将齿轮的各种图像参数不失真地突显出来。又如物体位置测量，行为尺寸测量等对光源的光谱要求可以降低，有时采用单色光可能获得更好的效果，需要综合考虑光电器件的光谱响应物体。在需要通过干涉、衍射手段提取图像信息时，可以考虑采用激光光源，但是，一定要注意它的功率和衍射干扰问题。2.7.2照度匹配半导体集成图像传感器大部分为光积分型的器件（如CCD器件），它的输出电流不但与光敏面上的照度有关，也和两次取样的间隔时间，即积分时间有关。若以Io代表它的输出电流信号，Ev代表光敏面上的照度，t代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有（2-12）式中，k为比例常数；Qv=Evt，称为曝光量，单位为lx·s。选定光电器件后，应限定曝光量在一定的范围之内，其上限为Qsat，像面上任何像元的曝光量Qv均应低于Qsat，否则将产生画面亮度失真，或产生较大的测量误差。因Qv＝Evt，可适当选择CCD像面上照度Ev和两次采样间隔时间t来达到Qv＜Qsat。

t由驱动器的转移脉冲周期TSH确定，当采用石英晶体振荡器为主时钟设计驱动器时，TSH可认为是常数。调节曝光量通常是通过调节CCD像面照度来实现，要求像面上任何点的照度应满足(2-13)最好是把光敏面上的最大照度Emax调节为略低于Qsat/t，以便充分利用器件的动态范围。对于CCD应用系统，CCD像面的照度是经光学系统成像的或是经光学系统进行傅里叶变换后的谱面照度。发光特性接近于余弦辐射体的物体经光学系统成像，其轴上像点的照度E′e

和轴外像点照度E′可分别用下列两式表示（2-14）（2-15）式中，n'和n分别为像方和物方介质的折射率；k为透过率；L为物体的亮度；U'为像方孔径角；ω为视场角。在使用望远镜时，

，轴上像点的照度为（2-16）这种情况下像面照度与相对孔径D/f′的平方成正比，主要靠选择望远镜的相对孔径来达到像面照度与CCD相匹配。对于观测人工照明目标，则可用合理选择照明光源的功率及照明系统的参数来调节被观测对像的亮度值L，并配以合适的观测光学系统来保持所需的像面照度。测量系统像面或谱面照度分布不均匀，最大和最小照度之差远超过CCD器件的响应范围，单靠调节照明和光学系统的参数不能达到目的。滤光补偿法就是在CCD前放置一块透过率按一定规律分布的滤光镜，使高照度区的照度降下来，低照度区不受其影响或少受其影响。使整个像面或谱面测量值均在可测范围之内。而各点的实际照度E（x，y）可由实测照度E（x，y）和滤光镜相应点的透过率τ（x，y）求得(2-17)滤光镜的透过率不要求制作得很准确，准确值可在系统组装后通过实验标定。第3章光电导器件

某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。光电导器件广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。3.1光敏电阻的原理与结构

3.1.1光敏电阻的基本原理

图3-1所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号，在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb后，便有电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。改变照射到光敏电阻上的光度量，发现电流Ip也变化，说明光敏电阻的阻值随照度变化。

图3-1光敏电阻原理与符号3.1.2

光敏电阻的基本结构

根据光敏电阻在微弱辐射作用下光电导灵敏度Sg与电极间距离l的平方成反比，在强辐射作用的情况下Sg与电极间距离l2/3成反比，均与电极间距离l有关。

光敏电阻的外形设计成如图3-2所示的3种基本结构，图3-2a所示为梳形的结构,图3-2b为蛇形，图3-2c刻线结构。图3-2光敏电阻结构示意图3.1.3典型光敏电阻1、CdS光敏电阻

CdS光敏电阻是常见的光敏电阻，光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，在可见光波段范围内的灵敏度最高，常被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光与控制等。

峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。它的光敏面常为如图3-2b所示的蛇形光敏面结构。2、PbS光敏电阻PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。PbS光敏电阻在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。

PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长