光电技术_01光电技术基础

1、光光 电电 技技 术术 第第1 1章章 光电技术基础光电技术基础 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。以电磁波方式传播的粒子。 光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p p与与e e，式中，式中h h为普朗克常数（为普朗克常数（6.6266.6261010-34-34J Js s）；）；v v为光的振动频率为光的振动频率(s(s-1-1) )；c c为光在真空中的传播速度（为光在真空中的传播速度

2、（3 310108 8m ms s-1-1）。）。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 图图1-11-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为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）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（到无线电波（10102 210102525HzHz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁）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

3、几毫米，波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即即1010-9-91010-3-3m m的范围。在这个范围内，只有的范围。在这个范围内，只有0.380.380.780.78m m的的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。红外紫外可见光可见光10156182191210101010101010324f/Hz图1-1 电磁辐射光谱的分布X射线射线近红外远红外电磁波1.1 1.1 光辐射的度量光辐射的度量 1.1.1 1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数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）能和光能

4、 辐（射）能辐（射）能: :以辐射形式发射、传播或接收的能量称为，符号以辐射形式发射、传播或接收的能量称为，符号: :Qe，单位，单位: :焦耳焦耳（J）。）。 光能光能: :光通量在可见光范围内对时间的积分，符号光通量在可见光范围内对时间的积分，符号: : Qv，单位，单位: :流明秒（流明秒（lms）。）。 2.辐（射）通量和光通量辐（射）通量和光通量 辐（射）通量或辐（射）功率辐（射）通量或辐（射）功率: :以辐射形式发射、传播或接收的以辐射形式发射、传播或接收的功率功率；或者说，；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，在单位时间内，以辐射形式发射

5、、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，符号符号: :e e表示，表示， 单位单位: :瓦（瓦（W W），）， tQddeetQee 光通量光通量: :光源表面在无穷小时间段内发射、传播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或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔d dt t来除，其商定义为光通量来除，其商定义为光通量v v，即，即 （1-31-3） 若在若在t t时间内发射、传播或接收的光能不随时间时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则式（改变，则式（1-31-3）简化为）简化为 （1-41-4） 单位单位: :流流( (明明) )（lmlm）

6、。）。 tQddvvtQvv 3.辐(射)出(射)度和光出(射)度 是描述面辐射源上各面源辐射能力的物理量。是描述面辐射源上各面源辐射能力的物理量。 定义为辐通量定义为辐通量de与该面元面积与该面元面积dA之比，辐之比，辐(射射)出出(射射)度度Me，即，即 （1-5）单位单位：瓦（特）每平方米：瓦（特）每平方米Wm2。总辐通量总辐通量：面光源：面光源A A向半球面空间内发射的总辐通量为向半球面空间内发射的总辐通量为 （1-6） AMddee)(eedAAM)(eedAAM光出光出(射射)度度Mv：对于可见光，面光源对于可见光，面光源A表面某一点处的面元表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通

7、量向半球面空间发射的光通量dv、与面元面积、与面元面积dA之比称之比称为，即为，即 （1-7） 单位：勒单位：勒(克司克司)lx或或lm/m2。 对对均匀发射辐射均匀发射辐射的面光源有的面光源有 （1-8）总光通量总光通量：面光源向半球面空间发射的为：面光源向半球面空间发射的为 （1-91-9）AMvv)(vvdAAMAMddv4.4.辐辐( (射射) )强度和发光强度强度和发光强度 是描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布，对点光源在给定方向的立体角元对点光源在给定方向的立体角元d d内发射内发射的辐通量的辐通量d de e，与该方向立体角元，与该方向立体角元d d之比定义为点光源在该方向

8、的辐之比定义为点光源在该方向的辐( (射射) )强度强度I Ie e，即，即 单位单位：瓦（特）每球面度：瓦（特）每球面度 Wsr。点光源在有限立体角点光源在有限立体角内发射的辐通量为内发射的辐通量为 总辐通量总辐通量：各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为：各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为 Iddee（1-10）Idee（1-11）40eee4dII（1-12）对可见光，与式（对可见光，与式（1-9）类似，定义发光强度为）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

9、异。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发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎，简称为坎cd。1979年第十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的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发，其发光强度定义为光强度定义为一个坎德拉一个坎德拉cd。 由式（由式（1-13），对发光强度为），对发光强度为1cd的点光源，向给定方向的点光源，向给定方向1球面度球面度(sr)内发射的光通量

10、定义为内发射的光通量定义为1流明（流明（lm）。）。发光强度为发光强度为1cd的点光源在整个球的点光源在整个球空间所发出的总光通量为空间所发出的总光通量为=4I12.566 lm。 Iddvv（1-13）Idvv（1-14）5.5.辐辐( (射射) )亮度和亮度亮度和亮度 辐射亮度辐射亮度L Le e ：垂直于辐射方向上单位面积、单位立体角发出的辐射通量，即：垂直于辐射方向上单位面积、单位立体角发出的辐射通量，即 单位单位：为瓦（特）每球面度平方米：为瓦（特）每球面度平方米WW（srsrm m2 2 ） 。 亮度亮度L Lv v：单位单位：坎德拉每平方米：坎德拉每平方米cdcdm m2 2 。

11、 余弦辐射体或朗伯辐射体余弦辐射体或朗伯辐射体：若：若L Le e ，L Lv v与光源发射辐射的方向无关与光源发射辐射的方向无关cosdddcosdde2eeAAIL（1-15）cosdddcosddv2vvAAIL（1-16）黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙黑体是一个理想的余弦辐射体，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一个近似的余弦辐射体。表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 余弦辐射体表面某面元余弦辐射体表面某面元d dS S处向半球面空间发射的通量为处向半球面空间发射的通量为 式中，式中， 。 对上式在半球

12、面空间内积分的结果为对上式在半球面空间内积分的结果为 光学系统光学系统CCD2SLddcosdddsind2020ddcossindddALALv由上式得到由上式得到余弦辐射体余弦辐射体的的M Me e与与L Le e、M Mv v与与L Lv v的关系为的关系为v eeML （1-17）vvML （1-18） 6.辐(射)效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量光源所发射的总辐射通量e与外界提供给光源的功率与外界提供给光源的功率P之比之比称为光源的辐称为光源的辐(射射)效率效率e；光源发射的总光通量；光源发射的总光通量v与提供的功与提供的功率率P之比称为发光效率之比称为发光效率v。它们分别为。

13、它们分别为 辐效率辐效率e无量纲，发光效率无量纲，发光效率v的计量单位是流明每瓦的计量单位是流明每瓦lmW-1。 对限定在波长对限定在波长12范围内的辐效率范围内的辐效率 式中式中,e称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。 00ee100PPvv（1-19）（1-20）0021ee100dP（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射度与光度的参数称为与接收器有关的辐射度参数从接收器的角度讨论辐射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。接收光源发射辐射的接收器可以是探测器，也可以是

14、反射辐射与光度参数。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。种。 1.辐照度与照度 辐照度辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量是照射到物体表面某一点处面元的辐通量de除以该面元的面积除以该面元的面积dA的商，即的商，即E Ee e的计量单位是瓦（特）每平方米的计量单位是瓦（特）每平方米WWm m2 2 。 AEddee（1-22） 若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（1-221-22）简化为）简化为

15、注意，不要把辐照度注意，不要把辐照度Ee与辐出度与辐出度Me混淆起来。混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是虽然两者单位相同，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。出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。 被测物被测物光学系统光学系统2CCD2光学系统光学系统1重叠部分重叠部分AEee(1-23)v本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，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，则光谱反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度辐出度M

16、Merer（）（）（r r 代表反射）与辐射体接代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度收的光谱辐照度E Ee e（）的关系为）的关系为 v式中式中, ,e e（）为辐射度光谱反射比，是波长）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式（的函数。对式（1-241-24）的波长积分，得到反射）的波长积分，得到反射体的辐出度体的辐出度 v (1-25) )()(eeerEM(1-24)d)(eeeEM 对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量d dv v除除以该面元面积以该面元面积d dA A称为光照度称为光照度E Ev v，即，即AEddvv（1-26）AEvvEv的

17、计量单位是勒（克司）的计量单位是勒（克司）lx。 对接收光的反射体，同样有对接收光的反射体，同样有 )()()(vvvEMd)(vvvEM（1-27）（1-28）式中，式中，v（）为光度光谱反射比，是波长的函数。）为光度光谱反射比，是波长的函数。 2.2.辐照量和曝光量辐照量和曝光量 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。入射辐射能量有关。 照射到物体表面某一面元的辐照度照射到物体表面某一面元的辐照度E Ee e在时间在时间t t内内的积分称为辐照

18、量的积分称为辐照量H He e，即，即 ttEH0eed（1-29）辐照量辐照量He的计量单位是焦尔每平方米的计量单位是焦尔每平方米 J/m2。 如果面元上的辐照度如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式（与时间无关，式（1-29）可简化为可简化为 tEHee（1-30） 与辐照量与辐照量He对应的光度量是曝光量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它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间在时间t内的积分，即内的积分，即ttEH0vvdHv的计量单位是勒（克司）秒的计量单位是勒（克司）秒lx.s。 如果面元上的光照度如果面元上的光照度Ev与时间无关，与时间无关，式（式

19、（1-31）可简化为）可简化为 tEHvv（1-31）1.2 光谱辐射分布与量子流速率 1.2.1 光源的光谱辐射分布参量 光谱密度Xe,:光源在单位波长范围内发射的辐射量，简称为光谱辐射量，即 dde, exX（1-32）光谱密集度Xv,:表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量，简称为光谱光度量，即 ddv,vXX（1-33）绝对光谱辐射分布曲线:光源的辐射度参量Xe,随波长的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。 相对光谱辐射量相对光谱辐射量: :max, e, er, eXXX相对光谱辐射分布曲线相对光谱辐射分布曲线:相对光谱辐射量Xe,r与波长的关系。 光源在波长12 范围内

20、发射的辐射通量 21, eed（1-35）若1 =0,2 ，得光源发出的所有波长的总辐射通量 0r, emax, e0, eedd 光源的比辐射光源的比辐射qe:0, e21, eeddq1.2.2 1.2.2 量子流速率量子流速率 定义：光源在给定波长处, 每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,，即 dhvhvNddd, ee, e 光源在波长为0范围内发射的总量子流速率 0, emax, e0, eeddrhchvN（1-38）（1-39）可见光区域，光源每秒发射的总光子数 d78. 038. 0, evhcN（1-40）1.3 1.3 物体热辐射物体热辐射物体通常以两种不同形式发

21、射辐射能量。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。第一种称为热辐射。第二种称为发光。 1.3.1 1.3.1 黑体辐射定律黑体辐射定律1.1.黑体黑体 能够在任何温度下完全吸收从任何角度入射能够在任何温度下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，黑体的吸收系数为然，黑体的吸收系数为1 1，发射系数也为，发射系数也为1 1。 2.2.普朗克辐射定律（普朗克辐射定律（根据量子假说根据量子假说） 黑体为理想的余弦辐

22、射体，其光谱辐射出射黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度度Me,s,（角标（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示表示黑体）由普朗克公式表示为为 式中，式中，k为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；为普朗克常数；T为为绝对温度；绝对温度；c为真空中的光速。为真空中的光速。 ) 1e (252, s , ekThchcM（1-40） 黑体光谱辐亮度Le,s,和光谱辐强度Ie,s,分别为) 1e (252s,e,kThchcL（1-41）) 1e (cos252s,e,kThchAcI图中每一条曲线都有一个最大值，最大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。

23、值的位置随温度升高向短波方向移动。 随着温度升高，黑体的总辐亮度迅速增加随着温度升高，黑体的总辐亮度迅速增加) 1e (252s,e,kThchcL黑体发射的总辐射出射度 ：s , eM04, s , es , edTMM（1-42）：斯特藩-波尔兹曼常数，且4282345KWm1067. 5152chkMe,sT的四次方成正比 3.3.斯忒藩-波尔兹曼定律（红外隐身技术）) 1e (252, s , ekThchcM红外隐身技术4. 维恩位移定律 2898()mmT （1-43） 常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波) 1e (252, s , ekThchcM 对黑体辐出度微分，

24、使之为“0”，可得峰值光谱辐出度对应的m与温度T之间的关系为：峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。利用维恩位移定律，可以方便的得地估算出在给定温度下黑体或近似黑体的物体在什么波段范围内辐射出射度最多。如：太阳表面的温度约为5900K，相应的max=0.49m，这就意味着可见光波段0.49m附近太阳辐射的能量最多，这与人眼光谱光视效率最大值所对应的波长0.55m很近。在光电探测系统中，利用维恩位移定律计算出辐射源（目标）某一温度下的峰值波长，一确定红外探测器工作的峰值波长，实现“光谱匹配”。例例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为若可以将人体作

25、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）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少度为多少W/m2？（？（2）正常人体的峰值辐射波长）正常人体的峰值辐射波长为多少为多少m？峰值光谱辐射出射度？峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？为多少？（3）人体发烧到）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,m又为多少？又为多少？解解 （1 1）人体正常体的绝对温度为）人体正常体的绝对温度为T T=36.5+273=309.5K=36.5+273=309.5K，根据斯特藩，根据斯特藩- -波尔兹曼辐

26、射波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为定律，正常人体所发出的辐射出射度为 24, s , em/W3 .5205 .309M （2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为 Tm2898(m)=9.36m 峰值光谱辐射出射度为 155se103091T.Mm,Wcm-2m-1 =3.72 Wcm-2m-1 （3）人体发烧到38时峰值辐射波长为 m32. 9382732898m发烧时的峰值光谱辐射出射度为 155, s , e10309. 1TMm=3.81Wcm-2m-1 例例1-2 1-2 将将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射标准钨丝

27、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。波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解解 标准钨丝灯的温度为标准钨丝灯的温度为T TW W=2856K=2856K，因此它的峰值辐射，因此它的峰值辐射波长为波长为 015. 1285628962898Tm(m) 峰值光谱辐射出射度为 155, s , e10309. 1TMm=1.3092856510-15 =248.7Wcm-2m-1 总辐射出射度为 24484, s , em/W1077. 328561067. 52856M光学系统光学系统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

28、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。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。1.4 辐射度参数与光度参数的关系辐射度参数与光度参数的关系v用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼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，发现波长的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555m=0.555m处的光谱辐射亮度处的光谱辐射亮度L

29、Le,me,m小于其它波长的光小于其它波长的光谱辐亮度谱辐亮度L Le,e,。把波长。把波长=0.555m=0.555m的光谱辐射亮度的光谱辐射亮度L Le,me,m被其它波长的光谱辐亮度被其它波长的光谱辐亮度L Le,e,除得的商，定义为除得的商，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率正常人眼的明视觉光谱光视效率V V（），即），即 v e,me,)(LLV（1-54） 1.4.1 1.4.1 人眼的视觉灵敏度人眼的视觉灵敏度 如图1-5所示为人眼的明 视觉光谱光视效率V（） ，它为与波长有关的相对值。对正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为处的光谱辐射亮度

30、Le，507nm小于其他波长的光谱辐射亮度 Le,。把 Le，507nm 与Le,的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率，即 V(）也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如图1-5中的虚线所示。 e,nm507, e)(LLV(1-55) 对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为处的光谱辐射亮度Le，507nm小于其他波长的光谱辐射亮度 Le,。把 Le，507nm 与Le,的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率，即1.4.2 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,成正比。 对于明视觉，刺激程度平衡的条件为 )

31、(, em,vVXKX（1-56）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 )(,VXKXemv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1725lm/W。 引进，K（），并令 )()(m, e,vVKXXK（1-58）（1-57）)()(m, e,vVKXXK（1-59） 式中，式中，K K（），），KK（）分别称为人眼的明视觉）分别称为人眼的明视觉和暗视觉光谱光视效能。和暗视觉光谱光视效能。 由式（由式（1-581-58）、（）、（1-591-59），在人眼最敏感的波长），在人眼最敏感的波长=

32、0.555m=0.555m，=0.507m=0.507m处，分别有处，分别有V V（m m）=1=1， VV（m m）=1 =1 ，这时，这时K K（m m）= = K Km m，KK（m m ）= = K Km m 。 因此因此，K Km m，K Km m 分别称为正常人眼的明视觉最大光谱分别称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。 根据式根据式（1-581-58）和（）和（1-591-59），可以将任何光谱辐射量转），可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。换成光谱光度量。 CCD2重叠部分重叠部分v例例1-31-3 已知某已知某He-

33、NeHe-Ne激光器的输出功率为激光器的输出功率为3mW3mW，试计算其发出的光通量为多少试计算其发出的光通量为多少lmlm？v解解 He-NeHe-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（根据式（1-561-56）可以计算出它发出的光通量为）可以计算出它发出的光通量为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 辐射体光视效能辐射体光视效能 一个热辐射体发射的总光通量v与总辐射通量e之比，称为该辐射

34、体的光视效能K，即 evevK 对发射连续光谱辐射的热辐射体，由上式及式（1-58）可得总光通量v为 d )(nm780nm380e,mvVK(1-60)(1-61) 将式（将式（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是辐射体的光视效率。是辐射体的光视效率。 VKVKKm0, enm780nm380, emdd )( 标准钨丝灯发光光谱的分布如图1-7所示，图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射分 、光谱光视效率V（）和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积 ，积分 r, eXrVe,)X(reX,)d(780n

35、mnm380e,VXrrVe,)X(为曲线所围的面积Al，而积分 d0e,rX面积A2。因此，由(1-62)可得标准钨丝灯的光视效能Kw为1 .1721mWAAKKlm/W 由式（1-60），已知某种辐射体的光视效能K和辐射量Xe，就能够计算出该辐射体的光度量Xv，该式是辐射体的辐射量和光度量的转换关系式。 例如，对于色温为例如，对于色温为 2 856 K2 856 K的标准钨丝灯其光视的标准钨丝灯其光视效能为效能为17lm/W17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为，当标准钨丝灯发出的辐射通量为e e100W100W时，其光通量为时，其光通量为 v v = 1710lm = 1710lm。

36、 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光由此可见，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，照度将显著下降度计检测光照度时，照度将显著下降。 tEHvv1.5 半导体对光的吸收 1.5.1 物质对光吸收的一般规律物质对光吸收的一般规律 光波入射到物质表面上，用透射法测定光通量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化d与入射的光通量和路程dx的乘

37、积成正比，即 （1-63）xdd式中，称为吸收系数。 如图1-8所示，利用初始条件x=0时 ，解这个微分方程，可以找到通过x路程的光通量为 （1-64）xe0可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质的吸收系数，即 x1（1-65）另外，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(-xc-1)衰减。 )(jeecnxtcx0YEE)(j0eecnxtcxZHH（1-66）乘积的其实数部分应是辐射通量随传播路径x的变化关系。即 cx20e式中，称为消光系数。 由此可以得出 42c（1-67） 半导体的消光系数与入

38、射光的波长无关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。（1-68） 普通玻璃的消光系数普通玻璃的消光系数也与波长也与波长无关，无关，因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。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，吸收的光通量应为当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为 )e1 (00 x1.5.2 1.5.2 半导体对光的吸收半导体对光的吸收 在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。如图1-

39、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。 d 显然，发生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，才能使价带EV上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即 由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限 （1-69）gEhv ggL24. 1EEhc（1-70）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。 2.2.杂质吸收杂质吸收 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ED，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。 同样，P型半导体中，价带上的电

40、子吸收了能量hv大于EA（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 DL24. 1EAL24. 1E（1-71）（1-72）由于EgED或EA ，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。 3. 激子吸收激子吸收 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（ED或EA）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

41、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。显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。 4. 4. 自由载流子吸收自由载流子吸收 对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高时，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。这是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. 5. 晶格吸收晶格吸收 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

42、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，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。 1.6 光电效应 光电效应：分为内光电效应内光电效应与外光电效应外光电效应两类。内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。光电效应包括光电导效应、光生伏特效应、丹培效应、光磁效应、光子牵引效应、光电发射效应 等。常用：光电导效应、光生伏特效应和光电发射效应 1.6.1 1.6.1 内光电效应内

43、光电效应 1. 光电导效应光电导效应 光电导效应可分为本征光电导本征光电导效应与杂质光杂质光电导电导效应两种，本征半导体或杂质半导体价带中的价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带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中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。 光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变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。化现象称为本征光电导效应。 通量为e,的单色辐射入射到如图1-10所示的半导体上，波长的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间所吸收

44、的量子数密度Ne,应为 bdlhNe,e,光敏层每秒产生的电子数密度Ge为 e,eNG etGG光敏层内电子总产生率应e,tNr在热平衡状态热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复合率rt相平衡。导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R： )(iifppnnKRKf-载流子的复合几率，n-导带中的光生电子浓度，p-导带中的光生空穴浓度，ni，pi-热激发电子与空穴的浓度。 热电子复合率: iiftpnKr 热平衡状态热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。()()fiiKn np p 非平衡状态非平衡状态下，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 )(dd, eiif

45、iifppnnKpnKNtn)(, eiifnppnpnKNee,ttGGNre,fiiNK n p两种情况：（1）微弱辐射微弱辐射作用 nni，p时，载流子浓度时，载流子浓度n达到稳态值达到稳态值n0，即达到动，即达到动态平衡状态态平衡状态 , e0Nn 光激发载流子引起半导体电导率的变化为 , eNqnq=电子迁移率n+空穴迁移率p 欧姆定律的微分形式：EJnqvEJEvE按定义：另外：nq,2ddelhqg由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度Sg 2,d dhclqgSegl的平方成反比。 半导体材料的光电导g为 , eNlbdqlbdg在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度

46、为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度（2）在强辐射的作用下，nni，ppi2, eddnKNtnf利用初始条件t = 0时，n = 0，解微分方程得 tKNnftanh21e, 为强辐射作用下载流子的平均寿命。 e,1fK Ne,d()dfiinNKn ppnnpt 强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为 21,213eflKhbdqg进行微分得 ,21,213d21deeflKhbdqg 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，是非线性非线性的。 , eNlbdqlbdg1()fiiknp平均寿命是个非常重要的参量

47、，它表征复合的下使用。强弱， 小表示复合快，大表示复合慢。要制成光电导高的器件，应该使ni和pi有较小的值。因此光电导器件一般是由高阻材料制成或者在低温2. 光生伏特效应 (1)PN结的形成 P型半导体的多子是空穴， N型半导体的多子是电子。P型、N型半导体结合在一起时，载流子的浓度差引起扩散运动。P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的受主离子；N区耳朵多子电子向P区扩散，剩下带正电的施主离子。从而在靠近PN结界面的区域形成一个空间电荷区。其电场的方向由N区指向P区，该电场称为内建电场。内建电场的作用下，载流子产生漂移运动，其方向与扩散运动的方向相反。当漂移运动与扩散运动达到平衡时，结区内建立起了

48、相对稳定的内建电场。2. 光生伏特效应 (2)PN结的能带结构 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 EcEvEcEvEFpEFn2. 光生伏特效应 (3)光生伏特效应 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1-11所示的方向运动，形成光生伏特电压或光生电流的现象。 扩散运动扩散运动： 形成内建电场光生电流I=ISC2. 光生伏特效应 (4)PN结电流方程 正向偏压正向偏压+-正向电流反向偏压反向偏压-+反向电流(1)qUKTDIIe电流大小：) 1(KTqUDeIII正向偏压：正向偏压：(1)qUKTDII

49、Ie反向偏压：反向偏压：, e)1 (ehqIIdsc) 1ln(OCDIIqKTU开路电压：开路电压：光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为 I=I+ID 光电二极管的暗电流ID一般要远远小于光电流I，因此，常将其忽略。光电二极管的电流与入射辐射成线性关系 ,)1 (edehqI3. 丹培（Dember）效应 如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成浓度差。 这种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称为丹培效应。 丹培效应产生的光生电压可由下式计算 pnpnpnpnDpnnqKTU0001ln 式中，n0与p0为热平衡载流子的浓度；n0为半导体表面处的光生载流子浓度；n与p分别为电子与空穴的迁移率。n=1400cm2/(Vs)，而p=