光电检测技术基础

1、第第2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础2本章的主要内容本章的主要内容2.1 电磁波的性质与电磁波谱电磁波的性质与电磁波谱2.2 辐射度量与光度量基础辐射度量与光度量基础2.3 光电检测器件的特性参量光电检测器件的特性参量第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础32.1电磁波的性质与电磁波谱电磁波的性质与电磁波谱何谓电磁波：在空间传播着的交变电磁场，即电磁波（Electromagnetic wave）。真空中速度约为每秒30万公里。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线都是电磁波。差别仅在于波长。第第2 2章章 光电检测技术基

2、础光电检测技术基础42.1电磁波的性质与电磁波谱电磁波的性质与电磁波谱何谓电磁波谱：为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础问题：如何度量光的特性呢？请看演示第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础问题：如何度量光的特性呢？某液晶显示器的参数：对比度：350:1亮度：250cd/m2 ?响应时间 1ms分辨率 1024*768可视角度 -170- 17040瓦的白炽灯泡的光通量为340流明（lm） ?40瓦的日光灯的光通量为1100流明（lm） ?Lm是什么意思，白炽灯与日光灯为什么不

3、一样？第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础各种环境照度值：单位lux ? 黑夜：0.0010.02；月夜：0.020.3；阴天室内：550；阴天室外：50500；晴天室内：1001000；阅读书刊时所需的照度：5060；家用摄像机标准照度：1400。 上述参数代表什么意思？第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础辐射度量与光度量 辐射度量（辐射度量（Radiometry）：能量的分布的强弱、）：能量的分布的强弱、时间、空间等特性时间、空间等特性 光度量光度量 (Photometry) ：考虑到人眼的主观感受：考虑到人眼的主观感受第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基

4、础辐射度量（Radiometry）是用能量单位描述辐射能的客观物理量 辐射能(Q) Radiant energy,焦耳（Joule) 辐能密度 (w) Radiation density, Joule per cubic metre 辐射通量（)或称辐射功率,Radiant flux, 瓦（Watt) 辐射强度（I) Radiant intensity ,Watt per steradian 辐亮度 (L)Radiaance, Watt per steradian per square metre 辐射出射度(M) Radiant exitance, watt per square metre

5、 辐照度(E) Irradiance, watt per square metre第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础辐射度量（辐射度量（Radiometry）10辐射能辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳(J）例：地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上每分钟太阳辐射能48000J。 辐射密度辐射密度(w) ：定义为单位体积元内的辐射能，即 辐射通量辐射通量(,P):定义为以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。又称辐射功率。dQwdvdQdt 例：某He-Ne激光器的具有的辐射通量（辐射功率）为5mW。 第第2 2章章 光电

6、检测技术基础光电检测技术基础11辐射强度（辐射强度（I I）：定义为在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即 辐射强度描述了光源辐射的方向特性。dId何谓立体角？第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础立体角立体角 （steradian）定义为：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比 。 式中，为天顶角；为方位角；d d分别为其增量。立体角的单位是球面度(sr) 12222dsindddsinddSrrr 2.2 辐射度量与光度量辐射度量与光度量zxydAdSr 平面角（弧度） 立体角（球面度）第第2 2章章 光电检测技术基础光

7、电检测技术基础13辐射强度（辐射强度（I I）：定义为在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即 dId大多数光源向空间各方向的辐射强度是不均匀的。辐射强度描述了光源在空间某个方向上发射辐射通量的大小和分布。钨丝白炽灯发光强度钨丝白炽灯发光强度的空间分布的空间分布第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础14辐亮度辐亮度 (L)(L)：定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，即 辐亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作用，是光源微面元在垂直传输方向辐强度特性的描光源微面元在垂直传输方向辐强度特性的描述述 2coscosddILddAdA与与dAdA

8、法线的法线的夹角夹角辐射亮度与辐射强度有何区别？辐射亮度与辐射强度有何区别？前者描述面光源，后者描述点光源。前者描述面光源，后者描述点光源。例如对白炽灯，我们只关注作为点光例如对白炽灯，我们只关注作为点光源的辐射强度，对于天空辐射特性，源的辐射强度，对于天空辐射特性，希望知道各个部分的辐射特性，因此希望知道各个部分的辐射特性，因此用辐亮度。用辐亮度。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础15辐射出射度辐射出射度 (M)：定义为离开光源表面单位面元的辐射通量，即 面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。例如，太阳表面的辐射出射度指太阳表面单位表面积向外部空间发射的辐射通量。辐照度辐照度

9、 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即 dMdAdEdA辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础16辐照度辐照度 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即 dEdA辐照度和辐射出射度具有相同的定义方辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。射和接收辐射通量的特性。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础每周案例 这是什么？照度计测量单位面积上被照射的光通量价格:数十元-上万元第第2 2章章 光

10、电检测技术基础光电检测技术基础光辐射探测器放在待测平面，光照引起探测器的光电流，放大后通过仪表或数字读出。对于标定过的照度计，读出的数据代表了所测平面的照度值。照度计的基本结构是光电测量头及其示数装置。问题：漫射光器、减光器、校正滤光片各起什么作用？问题：漫射光器、减光器、校正滤光片各起什么作用？ 照度计原理照度计原理第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础问题：漫射光器、减光器、校正滤光片各起什么作用？照度计原理照度计原理减光器：防止探测器饱和减光器：防止探测器饱和, ,增大量程增大量程 。校正滤光片：校正探测器的光谱响应，与视见函数校正滤光片：校正探测器的光谱响应，与视见函数V()

11、一致。一致。漫射光器：将入射光改为漫射光，防止菲涅耳反射, 造成测量不准第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础回顾第一章 绪论1.认识光电检测系统，各领域的典型应用。2.典型光电检测系统的组成3.光电检测系统的主要应用范围第二章 光电检测技术基础1.辐射度量与光度量 辐射能、辐射通量、辐射强度、辐亮度、辐照度. 光量、光通量、发光强度、亮度、照度、视见函数第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础关于CIE“平均人眼”的具体标准的讨论 欢迎侯擎昊同学讲解自己的调研结果 问题：国际照明委员会所定义的“平均人眼”是怎么确定的？视见函数是如何获取的？ 侯擎昊、茹锋同学做过调研第第2

12、2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础22 2.2.2 光度量光度量 (Photometry)什么是光度量？Photometry is the science of the measurement of light, in terms of Photometry is the science of the measurement of light, in terms of its perceived brightness to the human eye.its perceived brightness to the human eye.光度量学是以光度量学是以人眼人眼感知的亮度来测量光的科

13、学。感知的亮度来测量光的科学。光度量与辐射度量有何区别？1. 光度量仅限于可见光，红外和紫外人眼根本看不见，无法采用光度量。辐射度量是绝对度量，度量波长的范围更广（整个电磁波谱）。2. 在可见光范围内，光度量与辐射度量以一条曲线联系起来。什么样的曲线？第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础人眼对不同波长的光的敏感程度是不一样的（即便它们的辐射（光）功率相同）http:/ 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础24 2.2.2 光度量光度量 (Photometry) 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。表2-3列出了基本光度量的名称、符号、定义方程及单位、单位符号。Lumi

14、nous energy Luminous energy Luminous fluxLuminous fluxLuminous intensityLuminous intensityLuminance Luminance Luminous emittanceLuminous emittanceIlluminance Illuminance Luminous efficacyLuminous efficacy第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础光通量V和辐射通量e可通过人眼视觉特性进行转换，即 式中，Km最大光谱光视效能，V()是平均人眼光谱光视效率(或称视见函数( luminosit

15、y function) 25( )( )( )VmeK V 下图给出人眼对应明视觉(photopic )和暗视觉(scotopic )的视见函数( luminosity function) function)。为什么不一样？明视觉，视网膜锥状细胞cone cell暗视觉，视网膜杆状细胞rod cell哪种多些？杆状细胞/AE/AEC/CC/vision_background.php/AE/AEC/CC/vision_background.php第第2 2章章 光电检测技术基础

16、光电检测技术基础图中杆状细胞和锥状细胞敏感度曲线为何有这么大差别？http:/ 683 lm/Wlm/W暗视觉：峰值出现波长为暗视觉：峰值出现波长为507nm,507nm,峰值峰值1725 1725 lm/Wlm/W结论：杆状细胞比锥状细胞更敏感结论：杆状细胞比锥状细胞更敏感问题：曲线是如何测量出来的？问题：曲线是如何测量出来的？第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础27 为了描述光源的光通量与辐射通量的关系，通常引入光视效能，其定义为目视引起刺激的光通量与光源发出的辐射通量之比，单位为lm/W。 它度量了同样的辐射功率下人眼它度量了同样的辐射功率下人眼的不同亮度感觉。的不同亮度感觉

17、。00( )( )( )meVmeeKVdKK Vd 常见光源的光视效能光源类型光视效能(lm/W)光源类型光视效能(lm/W)钨丝灯(真空)89.2日光灯2741钨丝灯(充气)9.221高压水银灯3445石英卤钨灯30超高压水银灯4047.5气体放电管1630钠光灯60第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础 1. 朗伯余弦定律（朗伯余弦定律（Lamberts cosine law） 按照朗伯辐射体亮度不随角度 变化的定义，得 即 282.2.3 朗伯辐射体（朗伯辐射体（Lambertian）及其辐射特性及其辐射特性0cosII0cosIILdAdA 对于某些自身发射辐射的辐射源，其

18、辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯辐射体朗伯辐射体。即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立定方向单位立 体角内发射体角内发射( (或反射或反射) )的辐射通量的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角和该方向与表面法线方向的夹角 的余弦成正的余弦成正比比朗伯余弦定律。朗伯余弦定律。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础2. 朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系 极坐标对应球面上微面元dA的立体角为： 设朗伯微面元ds亮度为L，则辐射到dA上的辐射通量为 在半球内发射的总通量P为 按

19、照出射度的定义得292sindAdd dr zxydAdSr朗伯体辐射空间坐标2cossind PLdsd d 2/200cossinPLdsddLds PMLds第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础30EL 对于处在辐射场中反射率为 的朗伯漫反射体( =1为理想漫反射体)，不论辐射从何方向入射，它除吸收(1- )的入射辐射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。因此，反射表面单位面积发射的辐射通量等于入射到表面单位面积上辐射通量(辐照度E)的倍。即M=E，故第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础问题 前面我们介绍了光源的度量，探测器的性能又是如何度量的呢？第第2 2章章

20、 光电检测技术基础光电检测技术基础2.3 光电检测器件的特性参量光电检测器件的特性参量 32第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础33(1) 外光电效应外光电效应(external photoelectric effect)external photoelectric effect)：当光子入射到探测器阴极表面(一般是金属或金属氧化物)时，探测器把吸收的入射光子能量(h=hc/)转换成自由电子的动能，当电子动能大于电子从材料表面逸出所需的能量时，自由电子逸出探测器表面自由电子逸出探测器表面，在外电场的作用下，形成了流向阳极的电子流，在外电路产生光电流。http:/www.yteach

21、.co.uk/page.php/resources/view_all?id=p5_emission_electron_photoelectric_effect_wavelength_http:/www.yteach.co.uk/page.php/resources/view_all?id=p5_emission_electron_photoelectric_effect_wavelength_kinetic_energy_Einstein_Planck_t&from=searchkinetic_energy_Einstein_Planck_t&from=search光电管第第2

22、 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础34(1) 外光电效应外光电效应(external photoelectric effect)external photoelectric effect)：当光子入射到探测器阴极表面(一般是金属或金属氧化物)时，探测器把吸收的入射光子能量(h=hc/)转换成自由电子的动能，当电子动能大于电子从材料表面逸出所需的能量时，自由电子逸出探测器表面，并在外电场的作用下，形成了流向阳极的电子流，从而在外电路产生光电流。http:/ 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础35(1) 外光电效应外光电效应(external photoelectric effect

23、)external photoelectric effect)：当光子入射到探测器阴极表面(一般是金属或金属氧化物)时，探测器把吸收的入射光子能量(h=hc/)转换成自由电子的动能，当电子动能大于电子从材料表面逸出所需的能量时，自由电子逸出探测器表面，并在外电场的作用下，形成了流向阳极的电子流，从而在外电路产生光电流。夜间可以看到几十米到几公里夜间可以看到几十米到几公里微光夜视仪像增强器第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础36(2) 光伏效应光伏效应（photovoltaic effectphotovoltaic effect）：半导体P-N结在吸收具有足够能量的入射光子后，产生电

24、子-空穴对，在P-N结电场作用下，两者以相反的方向流过结区，光电池光电二极管http:/china.rs- 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础37(3) 光电导效应（光电导效应（photoconductive effect photoconductive effect ）:半导体材料在没有光照下，具有一定的电阻，在接收入射光辐射能时，半导体释放出更多的载流子，表现为电导率增加(电阻值下降)。http:/www.fpga- 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础热探测器 热电效应（pyroelectric effect）：探测器接收光辐射，引起温度升高，从而使探测器电阻或电容发生变化、或

25、者表面电荷发生变化，或产生电动势 。热释电探测器热电偶（热电偶（thermocouplethermocouple） 第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础39问题：如何选择探测器？下面探测器的参数代表啥意思？第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础40问题：如何选择探测器？下面的曲线又代表啥意思？第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础41对于光辐射探测器的应用，人们较关注的性能是：探测器的输出信号值定量地表示多大的光辐射度量，即探测探测器的输出信号值定量地表示多大的光辐射度量，即探测器的响应度（器的响应度（ResponsivityResponsivity）大小。）大

26、小。对某种探测器，需要多大的辐射度量才能使探测器产生可区对某种探测器，需要多大的辐射度量才能使探测器产生可区别于噪声的信号量，即与噪声相当的辐射功率大小。别于噪声的信号量，即与噪声相当的辐射功率大小。 探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围等。与光探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围等。与光辐射测量有关的还有表面响应度的均匀性、视场角响应特性、辐射测量有关的还有表面响应度的均匀性、视场角响应特性、偏振响应特性等。偏振响应特性等。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础2.3.1 响应度响应度 （ Responsivity ）42 响应度定义为单位辐射度量产生的电信号量，记

27、作R，电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以是电压，称为电压响应度。对应不同辐射度量的响应度用下标来表示 。 探测器的响应度描述光信号转换成电信号大小的能力。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础2.3.1 响应度响应度 （ Responsivity ）43辐射度量测量中，测不同的辐射度量，应当用不同的响应度。 对辐射通量的电流响应度(AW-1) /IR对辐照度的电流响应度(AW-1m2) EIRE/对辐亮度的电流响应度(AW-1m2Sr) LIRL/第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础2.3.1 响应度响应度 （ Responsivity ）44探测器的响应度一般是波

28、长的函数。与上面定义的积分响应度对应的光谱响应度为 积分响应度和光谱响应度的关系为 可以看到：积分响应度不仅与探测器的光谱响应度有关，也与入射辐射的光谱特性有关，因而，说明积分响应度时通常要求指出测量所用的光源特性。 ( )( )( )( ) , ( ) , ( )( )( )( )ELIIIRRREL( ) ( )( ) ( )( ) ( ) , , ( )( )( )ELELRdREdRLdIRRRdEdLd第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础45利用公式推导可知，探测器的辐射通量光谱电流响应度为: 量子效率:输出信号电子数与接收到的光子数之比。理想情况下，一个入射光子激发一个

29、电子-空穴对，因此量子效率应为常数，则此时探测器光频响应为与波长成正比，为一条直线。( )( )( )( )( )1239.8IqRhc 量子效率普朗克常数电子电荷但是但是. . 实际上实际上单位时间单位时间的电荷的电荷单位时间单位时间的光能的光能第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础46截止截止截止截止理论响应理论响应实际响应实际响应原因是什么？原因是什么？第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础47对于光电探测器，由于受到材料能带之间的间隙禁带宽度Eg的限制，响应波长具有长波限，最大响应波长为式中，EA是光电子逸出探测器表面所需的表面势垒。上述原因造成了长波长截止。max

30、1.24/ 1.24/()ggAEEE内光电效应外光电效应其它影响因素：探测器表面的镜面发射损失、探测器表面的电子陷阱，探测器材料的吸收，电子在扩散中与空穴复合。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础48表2-5 常见半导体及掺杂半导体的能隙Eg及最大响应波长max材料Eg (eV)max (m)材料Eg (eV)max (m)InSb0.225.5GeHg0.0913.8PbS0.423.0GeCu0.04130.2Ge0.671.9GeCd0.0620.7Si1/121.1SiAs0.053723.1CdSe1.80.69SiBi0.070616.3CdS2.40.52SiP0.

31、04527.6PbSe0.235.4SiIn0.1657.5SiMg0.08714.3第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础491/(2)cfRC为何有截止频率？为何有截止频率？探测器本身是阻抗元件，有电阻和电容探测器本身是阻抗元件，有电阻和电容第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础2.3.2 噪声及其评价参数噪声及其评价参数50为什么要研究噪声？ 任何虚假的和不需要的信号称为噪声。 噪声总是伴随着测量信号存在 测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的过程。第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础6.1.1 噪声的分类及性质噪声的分类及性质外部干扰噪声外部干扰噪声:人

32、为干扰噪声的和自然干扰噪声。 人为干扰：电子设备的干扰噪声。如焦距测量仪在日光灯下，人的走动对干涉仪的光程影响。 自然干扰：雷电、太阳等。如光电导盲器在太阳下内部噪声内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。 人为噪声：如工频交流电（50Hz)、测试仪器的散热风扇引起的光路变化。 固有噪声：散粒噪声、热噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、 温度噪声第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础2.3.2 噪声及其评价参数噪声及其评价参数22npIqIf52（1 1）散粒噪声（）散粒噪声（ Shot noiseShot noise ） 由于光子流以间断入射的形式投射到探测器表面，以及探测器内部光子转换成

33、电子动能而产生的电子流具有统计涨落的特性，形成散粒噪声，属于白噪声。 式中， 为散粒噪声电流均方值(A)；q为电子电量(C)； 为平均电流(A), 为测量系统的噪声等效带宽(1/s)。2nIpIf1. 噪声（噪声（noise）第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础53（2）产生）产生-复合复合(G-R)噪声（噪声（Generation-Recombination noise Generation-Recombination noise ） 光导型探测器的G-R噪声是由于半导体内的载流子在产生和复合过程中，自由电子和空穴数随机起伏所形成，也属于白噪声。22244G RpipdIqIfq GE Af 第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础54（3） 热噪声（热噪声（ Thermal noiseTh