《光电传感器应用技术》配套教学课件

光电传感器应用技术

第1章光电技术基础

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，又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p与e，式中h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光的振动频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度（3×108m·s-1）。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。

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）。电磁波谱的频率范围很宽，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10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的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10156182191210101010101010324f/Hz图1-1电磁辐射光谱的分布X射线Γ射线近红外远红外电磁波1.1光辐射的度量

1.1.1与光源有关的辐射度参数与光度参数

1.辐（射）能和光能

以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）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（lm·s）。

2.辐（射）通量和光通量辐（射）通量或辐（射）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（射）能称为辐（射）通量，以符号Φe表示，其计量单位为瓦（W），即

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

（1-3）若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则式（1-3）简化为

（1-4）

Φv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。3.辐(射)出(射)度和光出(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发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐(射)出(射)度Me，即

（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

（1-6）

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dΦv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，即

（1-7）

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

（1-8）由式（1-7），面光源向半球面空间发射的总光通量为（1-9）4.辐(射)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(射)强度Ie，即

辐(射)强度的计量单位为瓦（特）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

（1-10）（1-11）（1-12）对可见光，与式（1-9）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。

（1-13）（1-14）5.辐(射)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，称为辐射亮度Le，即

式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦（特）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]。

（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，这样的光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。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。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

光学系统CCD2由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为

（1-17）（1-18）6.辐(射)效率与发光效率

光源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐(射)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除以该面元的面积dA的商，即Ee的计量单位是瓦（特）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。

被测物光学系统2CCD2光学系统1重叠部分(1-23)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）（r

代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度Ee（λ）的关系为式中,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)

(1-24)

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射能量有关。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（1-31）可简化为

（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

光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度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，如光谱辐射通量Φe,λ、光谱辐射出度Me,λ、光谱辐射强度Ie,λ、光谱辐射亮度Le,λ、光谱辐照度Ee,λ等。

（1-32）

同样，以符号Xv,λ表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为光度量的光谱密集度，简称为光谱光度量，即

式中，Xv,λ代表光谱光通量Φv,λ、光谱光出射度Mv,λ、光谱发光强度Iv,λ和光谱光照度Ev,λ等。

（1-33）

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。

该曲线任一波长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）相对光谱辐射量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

（1-35）若积分区间从λ1=0到λ2→∞

，得到光源发出的所有波长的总辐射通量

光源在波长λ1

～λ2

之间的辐通量ΔΦe与总辐通量Φe之比称为该光源的比辐射qe，即

式中，qe没有量纲。

（1-36）（1-37）1.2.2量子流速率

光源发射的辐射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射通量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

光源在波长λ为0→∞范围内发射的总量子流速率

（1-38）（1-39）对可见光区域，光源每秒发射的总光子数

量子流速率Ne或Nv的计量单位为辐射元的光子数每秒[1/s]。

（1-40）1.3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。1.3.1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。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

式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为绝对温度；c为真空中的光速。

（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1-2绘出了黑体辐射的相对光谱辐亮度Le,s,λr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。

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.维恩位移定律将普朗克公式（1-40）对波长λ求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长λm与绝对温度T的关系为

(μm)（1-43）

可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。

将式（1-43）代入式（1-40），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）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1.4.1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

（1-54）

如图1-5所示为人眼的明视觉光谱光视效率V（λ），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Le，507nm小于其他波长λ的光谱辐射亮度

Le,λ。把

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，即

V`(λ）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。(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λ的光谱辐射亮度

Le,λ。把

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，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,λ成正比。

对于明视觉，刺激程度平衡的条件为

（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

式中，K'm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（λ），并令

（1-58）（1-57）（1-59）

式中，K（λ），K`（λ）分别称为人眼的明视觉和暗视觉光谱光视效能。由式（1-58）、（1-59），在人眼最敏感的波长λ=0.555μm，λ=0.507μm处，分别有V（λm）=1，V`（λm）=1，这时K（λm）=Km，K`（λm

）=Km`。因此，Km，Km`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。根据式（1-58）和（1-59），可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。CCD2重叠部分例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（1-56）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

一个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Φv为

(1-60)(1-61)将式（1-35）、（1-61）代入式（1-60），得到（1-62）式中,V是辐射体的光视效率。

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（λ）和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积，积分

为曲线所围的面积Al，而积分

面积A2。因此，由(1-62)可得标准钨丝灯的光视效能Kw为lm/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。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。1.5半导体对光的吸收

1.5.1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dΦ与入射的光通量Φ和路程dx的乘积成正比，即

（1-63）式中，α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）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α，即

（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(-ωμxc-1)衰减。

（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

式中，μ称为消光系数。

由此可以得出

（1-67）

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。（1-68）

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

1.5.2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1-9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。

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）（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.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。

同样，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

（1-71）（1-72）由于Eg>ΔED或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。

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。显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。

4.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.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（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。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。本节主要讨论内光电效应与外光电效应的基本原理。

1.6.1内光电效应

1.光电导效应

光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种，本征半导体或杂质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。光生电子与空穴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。

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

(1-73)

光敏层每秒产生的电子数密度Ge为

（1-74）

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。光敏层内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

（1-75）

导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为

（1-76）

式中，Kf为载流子的复合几率，Δn为导带中的光生电子浓度，Δp为导带中的光生空穴浓度，ni与pi分别为热激发电子与空穴的浓度。

同样，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

（1-77）

在热平衡状态载流子的产生率应与符合率相等。即

（1-78）

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

（1-79）

下面分为两种情况讨论：（1）在微弱辐射作用下，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（1-79）可简化为

利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得

（1-80）

式中τ=1/Kf(ni+pi)称为载流子的平均寿命。

由式（1-80）可见，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，即达到动态平衡状态

（1-81）

光激发载流子引起半导体电导率的变化Δσ为

（1-82）

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

（1-83）

可以看出，在弱辐射作用下的半导体材料的电导与入射辐射通量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

（1-85）

可见，在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比。

（2）在强辐射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi（1-79）式可以简化为

利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得

（1-86）

式中，为强辐射作用下载流子的平均寿命。

强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为

（1-87）

抛物线关系。

进行微分得

（1-88）

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。

2.光生伏特效应

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。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。

半导体PN结的能带结构如图1-12所示，当P型与N型半导体形成PN结时，P区和N区的多数载流子要进行相对的扩散运动，以便平衡它们的费米能级差，扩散运动平衡时，它们具有如图所示的同一费米能级EF，并在结区形成由正负离子组成的空间电荷区或耗尽区。当设定内建电场的方向为电压与电流的正方向时，将PN结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为Φe,λ的辐射作用于PN结上，则有电流I流过负载电阻，并在负载电阻RL的两端产生压降U，流过负载电阻的电流应为

（1-89）

式中，IΦ为光生电流，ID为暗电流。当然，从（1-89）式也可以获得IΦ的另一种定义，当U=0（PN结被短路）时的输出电流ISC即短路电流，并有

（1-90）

同样，当I=0时（PN结开路），PN结两端的开路电压UOC为

（1-91）

光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为

I=IΦ+ID

（1-92）

光电二极管的暗电流ID一般要远远小于光电流IΦ，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

（1-93）3.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

式中，n0与p0为热平衡载流子的浓度；Δn0为半导体表面处的光生载流子浓度；μn与μp分别为电子与空穴的迁移率。μn=1400cm2/(V·s)，而μp=500cm2/(V·s)，显然，μn>>μp。

半导体的迎光面带正电，背光面带负电，产生光生伏特电压。称这种由于双极性载流子扩散运动速率不同而产生的光生伏特现象为丹培效应。

4.光磁电效应

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。

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。

光磁电场为

（1-95）

式中，Δp0，Δpd分别为x=0，x=d处n型半导体在光辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度；D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等于

（1-96）

其中，Dn与Dp分别为电子与空穴的扩散系数。

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

1.6.2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

（1-99）

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。

光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15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

（1-100）式中，为真空能级，一般设为参考能级为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。图1-16所示为三种半导体的综合能级结构图，由能级结构图可以得到处于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。

而对于价带中的电子，其光电发射阈值Eth为

（1-102）

光电发射长波限为

（1-103）

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。

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。

习题11、12、13、15第2章光源

通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为热辐射，后者称为激发辐射，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。总结光电传感器应用技术领域中所用的光源特征将其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的。我们是在地球上研究和利用太阳的辐射，必然受到地球公转与自转的影响引起所接收太阳光的时相变化。地球大气的状态变化以及观察者地理位置、纬度与海拔的不同，都将引起所接收太阳辐射量的差异。

图2-1表示了太阳在大气层外和在海平面的光谱辐出度（照度）与波长的关系曲线。由图可以看出，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。大气中的H2O、CO2和O3形成许多吸收峰，使得海平面上的辐照度大为降低。可以看出，大气在可见光谱范围内为一透明度较高的窗口。

在许多情况下，直接或间接利用太阳作光源时（例如地形、地貌勘测分析，空气质量监测等），都必须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。

如图2-2所示，月亮、行星的最佳光谱辐射与波长的分布。除此之外，天空也是不可忽略的光源，它由黄道光（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％）、直射和散射星光（约占30％）、以及银河系以外辐射（约占1％）构成。

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

为了给图像传感器创造良好、稳定的成像和测量条件，制造了许多种人工光源，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2.钨丝白炽灯的特性①发光光谱

钨丝白炽灯在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射体。在低温时，热辐射体的发射系数较小，且随波长的增长而减少。当温度升高时，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所示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。从图中可以看出，波长在1.0μm处标准钨丝灯的光谱辐射出射度值最高，即标准钨丝灯光谱辐射出射度的波长为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。

当钨丝白炽灯的供电电压变化时，对白炽灯的电流、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。但是，灯丝温度太高时，则钨丝的蒸发加快、加剧，使灯丝的某些局部迅速变细，从而电阻值增大，局部功耗加大，并很快被烧断。

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

普通白炽灯可以调光，没有限制。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。因此，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。当白炽灯工作在标称电压的50%以下时，灯几乎不发光。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它熄灭。

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。钨丝在高温下蒸发使灯泡变黑，如果降低白炽灯的灯丝温度，则发光效率降低。在灯泡中充入6价元素氟、氯、溴或碘等卤族元素，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。这样，灯丝的温度可以大大提高，而玻璃壳也不会发黑。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2-7所示为4种溴钨灯的外形尺寸图。

其中（a）与（c）型为低功率的溴钨仪器灯，（a）型灯为具有矩形灯丝的面光源灯，它基本能满足测量仪器对光源均匀性的要求。而（c）灯的灯丝很小，近似为“点”光源，用于要求光源发光面尽量小的测量仪器中。表2-5仪器用国产卤钨灯H=37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

气体放电灯包含汞灯、钠灯、氙灯和铟灯等。它们是通过高压使气体电离放电产生很强的光辐射，而不象钨丝灯那样是通过加热灯丝使其发光，因而也称气体放电灯，它为冷光源。气体放电灯的共同特点是发出的光谱为线光谱或带状光谱，因为它们的发光机理属于等离子体发光。

2.3.1气体放电

在紫外线或在宇宙射线作用下，会有少量气体分子被电离成正、负离子和自由电子，电压增高后将出现如图2-8所示的激发光现象。

在辉光放电时，将产生明暗相间的区域，各区域的电势和光强分布如图2-9所示，弧光放电发出的光极其明亮，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。在气体放电过程中，由于电场的作用使带电粒子动能增加到足以能电离其他气体分子时，气体分子吸收带电粒子的能量，使其电子处于激发状态。这种激发态是不稳定的，一般在10-8s以内。从激发态回到低能态或基态，以发光的形式放出能量。如钠蒸汽原子辐射出5890×10-10m、5896×10-10m的双黄光。

2.4金属蒸气灯2.4.1水银蒸气灯（汞灯）

汞灯是在石英玻璃管内充入汞，当灯点燃时，灯中汞被蒸发，汞蒸气压强增至几个大气压，从而产生辉光放电。

如图2-13（a）所示为高压汞灯的基本结构图，它由灯座灯内支持架与内部发光室（那里汞蒸气被两电极间的电场所激发），由于汞灯是金属汞蒸气在高压下被激发产生汞光谱的多条特征谱线。这些谱线的强弱与光谱分布均与汞元素有关，常将其用作标定光谱仪器的已知光谱光源。2.4.2钠灯

在钠-钙玻璃内充入钠蒸汽，当钨丝点燃后，只发射589.0nm、589.6nm的双黄光，为此可用来校正光谱仪器或作其他用途。此外，还有氢灯、氘灯等光谱定标用灯。这里不再讨论，需要这方面内容时可查找“光学技术手册”。

2.5半导体发光二极管光源

1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。

2.5.1发光二极管的发光机理

发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和

N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。

1.PN结注入发光

PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图2-15所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。2.异质结注入发光

为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-16a表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。

对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-16b）。例如，禁带宽EG2=1.32eV的p-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eVp-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eV的n-GaSb组成异质结后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。

由于n区所发射的光子能量hv比EG2

小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。2.5.2发光强度—电流特性在正向配置电压的作用下流过发光二极管PN节的正向电流If使注入到PN结内的载流子在P区复合而发光，其发光强度IV为式中ηv为发光二极管的发光效率。

图2-17所示为GaP（红色）发光二极管发光强度与电流密度If的关系曲线

可以看出，发光二极管发光强度基本与流过的电流If成正比。说明可以通过控制电流If对LED发出的光强IV进行控制。由于发光二极管的正向伏安特性曲线在发光区呈现为I=I0exp（qU/nkT）指数形式，并且1＜n＜2较小，通常可以略，求出发光强度Iv与发光二极管两端电压U的关系为：(2-4)

2.5.3发光光谱和发光效率

由上面讨论可知，LED发射光谱的峰值波长由材料的禁带宽度决定。例如GaAs红外发光二极管的禁带宽度在室温下为1.4eV，发光峰值波长为0.86～0.9μm。发绿光的发光二极管GaP的禁带宽度为2.26eV，发光峰值波长为0.55μm。对异质结发光二极管，禁带宽度由元素的组分量决定，如GaAs1-xPx，最佳组分x＝0.4，发光峰值波长为0.65～0.66μm。改变组分量x可以改变发光峰值波长。

(1)光谱(2)发光效率

发光二极管发射的光通量与输人电功率之比表示发光效率，单位lm/W；也有人把光强度与注入电流之比（cd/A）称为发光效率。

发光效率由内部量子效率与外部量子效率两个参数决定。内部量子效率可表示为（2-5）

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。

（2-6）

式中，τr为辐射复合的载流子平均寿命；τn为无辐射复合的载流子平均寿命。只有τn＞＞τr，才能获得较高内部量子效率的光子发射。

以间接复合为主的半导体材料，一般既存在发光中心，又存在其他复合中心。通过发光中心产生辐射复合，通过其他复合中心的复合不产生辐射。因此，要使辐射复合占压倒优势，必须使发光中心的浓度远远高于杂质的浓度。

光子通过半导体，一部分被吸收，一部分在到达界面后因遇到高折射率材料而产生全反射，再被晶体吸收，造成发射效率降低。将单位时间发射到外部的光子数nex与注入到器件的电子-空穴对数nin之比定义为器件的外部量子效率ηex，即(2-7)

对于GaAs这类直接带隙的半导体，其内部量子效率ηin可接近100％。

提高外部量子效率的措施有三条：①用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2=1.55）涂敷在发光二极管上；②把晶体表面加工成半球形；③用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。

表2-7几种典型发光二极管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]0.650.660.790.5680.590.5550.6380.5890.90.50.5120.70.10.660.50.20.20.20.212.30.05～0.15_0.020.20.050.10.380.272.44.20.450.40.950.901.91.91.772.192.12.051.962.11.35（3）时间响应与温度特性

发光二极管的时间响应较快，短于1μs，比人眼的时间响应要快得多，但是，用作光信号传递时，响应时间又显得太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。

发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。图2-18表示GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种发光二极管的相对光强度与温度的关系曲线。（4）最大工作电流

如图2-19所示为典型发红光的GaP发光二极管内部量子效率ηin的相对值与电流密度J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。LED的最大容许功耗为Pmax，则最大容许的工作电流为（2-8）

式中，rd是发光二极管的动态内阻；If、Uf为发光二极管在较小工作电流时的电流和正向压降。

2.6激光光源

激光是一种新型的光源，与钨丝灯、氙灯等其他光源相比，具有方向性强、单色性好、相干性好和光亮度高等独特的优点，因而在国防、科研、工农业生产和医疗仪器等方面得到广泛的应用。

2.6.1激光的产生机理

光的吸收与发射和原子、分子等粒子的能量状态改变相关连，当粒子从高能级跃迁到低能级时发出辐射光子。

激光的产生机理一般涉及到受激辐射，粒子数反转与谐振三个关键问题。

在常温下大部分电子处于基态。当原子在E1与E2两个能级之间产生跃迁时将产生自发辐射、受激辐射和受激吸收的三个基本过程。1.自发辐射与受激辐射如图2-20所示的系统中设E1为基态能级，E2为激发态能级。

要产生激光，必须使总发射大于总吸收。因此，产生激光的必要条件之一是受激辐射占主导地位。

2.粒子数反转（分布反转）

从外部给工作物质提供能量使载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数的反转或称粒子分布的反转状态。粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件。3.谐振腔

在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜形成光的“共振”现象，通常将能使光产生“共振”的装置称为“共振腔”或“谐振腔”。

获得激光输出的3个必要条件为：①必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵浦源；②要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；③有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。2.6.3半导体激光器（LD）

半导体激光器是体积最小的激光器件。它具有效率高，工作电压低，功率损耗小，驱动与调整都很方便等特点，非常适合于野外短距离的激光通信，激光测距，激光遥控、遥测、引爆等等。

半导体激光器有电子束激励的和注入式的两种。后者应用最为普遍，因此，着重介绍注入式的半导体激光器。

1.砷化镓半导体激光器的结构与工作原理

如图2-23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。2.异质结pn结半导体激光器如图2-24（a）所示，构成单异质pn结型的半导体激光器。

如图2-24（b）所示结构为砷化镓双异质结型半导体激光器。2.7光电传感器应用系统中光源与照度的匹配

2.7.1光源的选择

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）应用系统

摄像是为了真实地记录景物的结构、状态和颜色。根据色度学的基本常识，景物的颜色与照明光源的光谱功率分布有关。

直接选用太阳光照明或选用接近太阳光谱的闪灯为照明光源。（3）图像检测系统

图像检测系统一般有两种：一种是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；另一种是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。

前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了；后者，应选用激光照明，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等特点。

（2）图像分析系统

图像分析系统所用光源必须根据提取图像信息的有利因数采取必要的照明方式，问题的难度和复杂度都很高，其基本思路是从颜色、照明角度、照明方式上想办法突出被检测图像的信息。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（如电荷耦合摄像器件），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（2-11）

式中，k为比例常数；Qv=Evt，称为曝光量，单位为lx·s。

因为Qv＝Evt，所以可通过适当选择CCD器件光敏面上照度Ev和两次采样间隔时间t来达到Qv＜Qsat。但是，

t一般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光敏面上的光照度来实现的。要求光敏面上任何点的照度应满足

(2-12)

光敏面的照度也不能太低。如果某些点的照度低于CCD器件的灵敏阈，这些较暗部便无法测出，从而降低画面亮度的层次或产生测量误差。最好是把光敏面上的最大照度Emax调节为略低于，以充分利用器件的动态范围。

发光特性接近于余弦辐射体的物体经光学系统成像，其轴上像点的照度和轴外像点照度可分别用下列两式表示（2-13）

（2-14）

式中，n'和n分别为光学系统的像方和物方介质的折射率；k为光学系统的透过率；L为物体的亮度；U'为像方孔径角；ω为所考虑点对应的视场角。

对于观察或测量自然景物，由于景物的亮度不易改变，一般选取U'角取得合适的像面照度。对于观察无限远景物，应使用望远镜，这时，轴上像点的照度为（2-15）

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光敏特性相匹配。用人工照明的观测目标，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，进行匹配以便合适的观测光学系统对像面照度的要求。

有些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，这时，单靠调节照明和光学系统的参数不能达到目的。例如。调节光源或光学系统孔径角使像面照度最大值，则暗区照度过低无法检测，如调节使暗区照度达可测值，则。

滤光补偿法也是常用的一种获得高清晰信息的方法，在CCD器件光敏面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，达到，而低照度区的照度不受影响或少受影响。(2-16)

为使整个像面或谱面测量值均在可测范围之内，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

实际上，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。

思考题与习题21、试计算白天自然光源在地球表面形成的光照度的最大变化量。2、试描述夜间有哪些自然光源对地球表面的照度做出贡献，影响程度如何？3、降压使用钨丝灯时，它的使用寿命将如何变化？它发出的峰值光谱波长如何变化？发光效率又如何变化？4、试设计发光电流If=20mA的稳定发光电路（设发光二极管的发光电压Uf为1.5V，电源电压为5V），若要求LED发光二极管发出的光稳定，应采取怎样的措施？5、LED光源与LD光源的本质区别是什么？哪个光源相干性好？LED发光二极管的发光光谱与半导体禁带宽度有什么关系？为什么发蓝光的LED正向电压要大于发红光的LED正向电压？6、已知某线阵CCD的饱和曝光量为0.06lx.s，线阵CCD的积分时间为0.01s，试计算线阵CCD光敏面上的最高允许照度为多少？7、为什么用LED光源为线阵CCD图像传感器测量电路的照明光源时要采用频率为线阵CCD行频成整数倍的脉冲驱动？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。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（如图3-1所示的电路）后，便有电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。

3.1.2

光敏电阻的基本结构

在第1章1.5.1节讨论光电导效应时我们发现，光敏电阻在微弱辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比，参见（1-85）式；在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的二分之三次方成反比，参见（1-88）式；都与两电极间距离l有关。