光电检测技术 第二章 光电检测技术基础

第二章 光电检测技术基础 主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识（重点） 2.4 光电效应（重点） 本章的主要教学内容： 2.1 光的基本性质：回顾一下光的基本性质。 2.2 辐射与光度学量：主要介绍光电器件的相关物理量的定义。 2.3 半导体基础知识：在光电检测电路中所使用的光电器件大多都是半导体器件，故我们需要对半导体的一些基本知识加以巩固。 能带理论、载流子及其运动(重点难点) 2.4 光电效应：本章的重点之一。光电器件的基本物理效应都是实现光和电之间转换的光电效应。大家要能充分理解各种基本光电效应。

2.1 光的基本性质 牛顿——微粒说 根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振 波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波 光电检测过程中光电器件要将接受到的光信号转换成电信号，所以我们先来回顾一下光的基本性质。光的基本性质我们在光学课程中已经学习过，应该是大家比较熟悉的内容。首先，要明白光是什么。早期，主要以牛顿为代表的物理学家，认为光是一种粒子，支持微粒说。根据这种理论可以很好的介绍光为什么直线传播，为什么会反射和折射及其满足的规律。但是微粒说不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振。 到十八世纪，随着惠更斯、托马斯.杨和费涅耳等人通过实验证明了光是一种波，成功的解释了光的干涉和衍射现象，光的波动理论逐渐成熟。到十八世纪末，由麦克斯韦的电磁理论指出，光是一种电磁波。

联系光学量 和电磁学量 、 的关系式 结论：光是某一波段的电磁波

2.1 光的基本性质 光量子说 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性 在整个十九世纪，光的波动说得到了很好的发展。但是到十九世纪末二十世纪初，一些近代物理的实验又再次证明了光是一种粒子理论的正确性，那么光究竟是粒子还是波，始终是存在争论的。普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论。1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念，并指出 光子的能量与光的频率成正比，光具有波粒二象性！至此，把光的粒子性和波动性完美地统一在一起。光同时具有两种性质，但是在不同的光学现象中，可以凸显某一种性质。比方说，在反射和折射时，凸显其粒子性，在干涉和衍射中凸显其波动性。

2.1 光的基本性质 光 电 检 测 系 统 光源 传输 转运 探测 成像 显示 2019/4/12 整个光电检测系统中光源提供我们所传输的光信号。我们所熟悉的光源发光方式基本上可以分为两种：热辐射和发光辐射。 2019/4/12

2.1 光的基本性质 物理发光有两种基本形式：热辐射和发光辐射 （一）热辐射（温度辐射）源 任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。 温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。 物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射。 热辐射光谱时连续光谱。 热辐射源遵循有关黑体的定律。 应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据 例如：温度低的物体发红外辐射，500℃左右时物理的温度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的辐射波长越短；大约在1500℃时的温度辐射开始发白光。 例如：炉子上的一块铁，刚开始加热时，温度较低呈暗红色。若继续加热，随着温度的升高，铁块的颜色会由暗红色逐渐变为炽白，而且发光也更亮。

2.1 光的基本性质 常见热辐射源： 自然界一切物体都属于热辐射体 太阳 白炽灯 太阳可以看成是一个直径为1.392x109m的光球。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。在大气层外，太阳对地球的辐射照度值在不同的光谱区所占的百分比为： 紫外区（<0.38mm） 6.46% 可见区（0.38mm—0.78mm） 46.25% 红外区（>0.78mm） 47.29%

2.1 光的基本性质 黑体及黑体辐射定律 对于外来的辐射，物体有反射和吸收作用。 如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为黑体。一个开有小孔的封闭空腔可看作是黑体。 黑体辐射问题所研究的是辐射（电磁波）与周围物体处于平衡状态时能量按波长（频率）的分布。

2.1 光的基本性质 黑体及黑体辐射定律 在 频率之间的辐射能量密度 只与空腔的温度T有关，而与空腔的形状及其组成物质无关。实验曲线： 瑞利-琼斯 维恩 T=1646k 普朗克创造性地采取能量子假说成功地解释了黑体辐射的规律，并给出了黑体辐射公式，又称普朗克公式。1918年Planck获得诺贝尔物理学奖。Planck理论突破了经典物理学在微观领域的束缚，打开了认识光的粒子性的大门。 黑体辐射公式——Planck公式 1918年Planck获得诺贝尔物理学奖。

2.1 光的基本性质

2.1 光的基本性质 黑体模拟器 在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特征和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。 黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。 目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而实际应用的大多数是在2000K以下。

2.1 光的基本性质

2.1 光的基本性质 （二）发光辐射的产生方法 发光与热辐射的区别 激励可以使发光物质产生光，外界需要提供足够的激励能。外界提供激励能的形式可以有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发光、热发光。 发光与热辐射的区别 发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱 热辐射是热平衡状态的辐射，也称温度辐射。

2.1 光的基本性质

2.1 光的基本性质 这些光源的光谱功率分布包括线状光谱（由若干条明显分割的细线组成，如低压汞灯）、带状光谱（由分开的谱带组成，每一谱带又包含许多细谱线，如高压汞灯、钠灯）、连续光谱（所有热辐射源都是连续光谱）、混合光谱（由连续光谱与线、带谱混合组成，如荧光灯）。

2.1 光的基本性质 光电检测系统光源的选择：根据测量对象要求选择 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。 在彩色摄影系统中，为获得较好的色彩还原，应采用类似日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。 在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源。 在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。

第二章 光电检测技术基础 主要教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应 下面我们接着看第二节，辐射与光度学量。

1、辐射度单位体系：辐射度学是对光学辐射进行定量评价的一门实验科学。是通过电磁光谱来处理辐射能的测量 2.2 辐射与光度学量 评价光电探测系统的性能，与辐射量和光度量有密切关系。 一、光辐射的计量方法：对光能进行定量研究 1、辐射度单位体系：辐射度学是对光学辐射进行定量评价的一门实验科学。是通过电磁光谱来处理辐射能的测量 2、光度学单位体系：光度学是研究光度测量的科学。在光度学中根据人眼的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。适合于可见光区，包含人眼特性，参数角标为“u” 以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量及其传播过程，我们称为光辐射。对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。 对于光辐射的探测和计量方法： （1）辐射度单位体系：是通过电磁光谱来处理辐射能的测量。 在辐射度单位体系中，辐射度学适用于整个电磁波段，主要研究红外、可见、紫外部分。其参数定义角度是从物理角度（也就是客观角度）来计量的，参数符号的角标为“e”表示辐射度物理量。 （2）光度学单位。光度学只适用于可见光波段。这一体系的出发点则是从人的生理角度（或者说是主观角度）来计量，是以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量，是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，参量角标“v”表示光度物理量。 以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应的。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。

一、光辐射度的计量方法 1、辐射度学量 适合于整个电磁波辐射范围。 通过电磁光谱来处理辐射能的测量，是从物理（客观）角度来计量。 辐射度学主要研究频率为3×1011～ 3×1016Hz的光辐射，对应于0.01~1000μm微米的波长。 波段范围包括红外、可见光、紫外线 参数角标为“e”

一、光辐射度的计量方法 2、光度学 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为380～780nm纳米。 出发点是从人的生理学（主观）角度来计量，是以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来进行计量。 其参数角标为“u”

二、辐射度的基本物理量 辐射能（量）Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量。单位：焦耳[J] 六个量：辐射能、辐射通量、辐射出射度、 辐射强度、辐射亮度、辐射照度 辐射能（量）Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量。单位：焦耳[J] 辐射通量Φe：光源在单位时间内辐射的总能量称为光源的辐射通量，也记为辐射功率e，是辐射能的时间变化率。单位：瓦[W] 辐射度量共有6个物理量，基本量是辐射通量（又称为辐射功率）或者辐射能，是只与辐射客体有关的量，其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J），其他物理量都可以由基本量衍生出来。 1、辐射能：每个光子都有一定的辐射能量，其大小为Planck常数(6.62620×10-34焦耳秒)乘以光速(2.998×108米/秒)，再除以光子的波长。等价于每焦耳的光子数目为5.034×1015乘以光子的波长。例如，在波长为550nm的波段处，每焦耳的光子数目大约为2.77×109个。 2、辐射通量：通量是我们比较熟悉的概念。在电磁学中有电通量和磁通量，分别指单位时间内穿过某一截面的电场E或磁感应强度B的值，是某一矢量对面积的积分。类似，此处辐射通量指 3、辐射强度: 注意“点辐射源”.单位立体角

二、辐射度的基本物理量 辐射强度Ie：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：[W/Sr] 立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2π角度覆盖整个单位圆。在三维空间， 4π的球面度立体角覆盖整个单位球面。 从一个球面上去除1球面度立体角的圆锥

二、辐射度的基本物理量 例：一个处于均匀介质中的各向同性的点辐射源的总辐射通量为e，则各个方向的Ie为多少？ 由 得 所以

二、辐射度的基本物理量 辐射出射度Me ：辐射体在单位面积内向半球面空间所辐射的通量或功率称为辐射出射度（也称辐射本领）。用来量度物体辐射能力的物理量。单位：[W/m2] 辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：[W/m2] 辐出度：辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。Me是面元位置的函数，面辐射源上不同位置的地方可以有不同的辐射出射度，则此有限面元向外半球面空间辐射的总辐射通量为： Me越大，辐射能力越强。 辐射照度：投射在单位面积上的辐射通量。单位：[W/m2]。注意，辐射出射度与辐照度虽然均指单位面积的辐射通量，但出发点不同。辐射出射度是从辐射源的角度衡量发射电磁波本领的物理量。而辐射照度则是从接收电磁波的物体角度来衡量传播过来的电磁波能量大小。 Me与Ee区别：定义出发点不同。

二、辐射度的基本物理量 例：一个辐射强度为Ie=1W/Sr的点光源，它的总辐射通量为多少？若用一半径为R的球面将其包围，则球面上的辐射照度为多少？ 由 知 可见对于同一个光源不同的接收面，其辐射照度是不同的，而辐射出射度对同一个光源而言是不变的。 （W/m2）

二、辐射度的基本物理量 辐射亮度Le  S 定义：面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。可以表示面辐射源沿不同方向的辐射能力差异。 d dS d 辐射亮度示意图 单位：[W/m2.Sr] 辐射源表面的方向与亮度有关，当辐射强度方向dIe与面元ds的法线方向相同时，dIe最大，相应亮度最大 辐射亮度：用来度量单位面积、单位球面度的辐射能力的量，是离开辐射面源的辐射通量。

二、辐射度的基本物理量 显然：一般辐射体的辐射亮度与空间方向有关。 特殊辐射体： 辐射体的辐射强度Ie在空间上的分布满足 黑体为典型的余弦辐射体 为面源ds法线方向的辐射强度、辐射亮度

二、辐射度的基本物理量 黑体为典型的余弦辐射体，其辐射亮度与方向角（，）无关，各个方向上都是均匀的。 可以求出辐射亮度为Le0的余弦辐射体上某一面元ds向周围半空间的辐射通量为 为余弦辐射体的Me和Le之间的关系

半球面积分

二、辐射度的基本物理量 黑体为典型的余弦辐射体，其辐射亮度与方向角（，）无关，各个方向上都是均匀的。 可以求出辐射亮度为Le0的余弦辐射体上某一面元ds向周围半空间的辐射通量为 为余弦辐射体的Me和Le之间的关系

二、辐射度的基本物理量 单色辐射度量 定义：单色辐射度量是该辐射度量在波长处的单位波长间隔内的大小，是辐射度量随波长的变化率。 辐射源所辐射的能量往往由很多波长的单色辐射组成。为研究光源对各种波长的辐射贡献，特别提出单色辐射度量。 定义：单色辐射度量是该辐射度量在波长处的单位波长间隔内的大小，是辐射度量随波长的变化率。 辐射强度Ie——单色Ie(λ) 辐射亮度Le——单色Le(λ) 辐射照度Ee——单色Ee(λ) 辐射通量Φe——单色Φe(λ) 辐射出射度Me——单色Me(λ)

基本辐射度量的名称、符号和定义方程 名称 符号 定义方程 单位 辐射能 Qe 焦耳 J 辐射能密度 焦耳／立方米 Jm-3 辐射通量 （辐射功率） 瓦特 W 辐射强度 Ie 瓦特／球面度 Wsr-1 辐射亮度 Le 瓦特／球面度平方米 Wm-2 sr-1 辐射出射度 Me 瓦特／平方米 Wm-2 辐射照度 Ee 2 根据以上各物理量的定义方式，我们可以给出他们之间的相互关系，如图。辐射通量是基本物理量。

三、光度学基本物理量 辐射量对人眼视觉的刺激值，是主观的，不管辐射量大小，以看到为准。 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，Φe，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。 光度量只在可见光区（380~780nm)才有意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。 基本物理量：发光强度I

三、光度学基本物理量 光能Qv：按人眼的感觉强度进行度量的辐射能的大小。单位流明·秒 [lm ·s] 发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。 光能不仅与光源的辐射能有关，还与人眼的视觉灵敏度有关，光能不是基本物理量。 光度量的最基本物理量为发光强度，其单位为坎德拉，是国际单位制中七个基本单位之一。发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。

三、光度学基本物理量 发光强度Iv 它可用点光源在单位立体角中发出的光通量来量度。 发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量。 它可用点光源在单位立体角中发出的光通量来量度。 d是点光源在某一方向d立体角内的光通量。 在国际单位制中，发光强度的单位为坎德拉（Candela），符号：cd。 发光强度的单位是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位均为导出单位。 36

三、光度学基本物理量 一般情况下，发光强度因方向而异，对于各向同性的点光源，设它在空间各方向发出的总光通量为，则其发光强度为： 对于给定的发光体，光具组不能增加总的光通量，光具组的作用是把光通量重新分布。 例如，使它比较集中在某些选定的方向上，而相应地减小其它方向的发光强度。 注意：仅当光源的限度相对观察距离可以忽略时，才能作为点光源，才能用发光强度来描述它的发光特性。 37

三、光度学基本物理量 光出射度:扩展源单位面积向2π空间发出的全部光通量。 单位：Lm/m2 (流明/平方米) A为扩展源面积 光照度Ev：被照表面的单位面积所接收的入射光的量 ，单位：勒克斯［lx］，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。 2π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。 A为被照面积 照度是表征受照射面被照明程度的物理量。

三、光度学基本物理量 对点光源来说， 照度为： 上式称为点光源的照度定律。 当垂直照射时，＝0，照度最大； 它表示点光源产生的照度与点光源的发光强度及照射角的余弦成正比，与照射距离的平方成反比。 当垂直照射时，＝0，照度最大； 掠射时，＝90，照度最小，其值为零。

晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为20lx 阴天室外50—500lx 阴天室内5—50lx 月光（满月）2500lx 日光灯5000lx 电视机荧光屏100lx 阅读书刊时所需的照度50~60lx 在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜0.001lx

三、光度学基本物理量 光亮度：是用来表示面光源上某面元沿某方向的发光强度。 设发光面上的面元ds发出的光，包围在一个立体角d内，这光束的轴线与ds的法线成一个角度，在光束轴线方向上的ds的投影面积为dscos。从立体角d中发出的光通量为d，则光源的亮度定义为： 可见，光亮度等于单位投影面积上沿单位立体角内发出的光通量。

三、光度学基本物理量 单位：坎德拉/米2， （cd/m2) 德国数学家、天文学家朗伯（J. Lambert ，1728－1777）最早通过实验发现，许多发光体的亮度不随方向 而变化。这相当于 即发光体的发光强度随方向作余弦变化，这样的发光体称为余弦发光体或朗伯光源。

三、光度学基本物理量 描述辐射场的基本物理量小节： 辐射量 光谱辐射量 光度量 通量 强度 亮度 出射度 照度

三、光度学基本物理量 注意: 1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，“辐射”——“光”。 2. 从表达式可直接说出定义及物理意义 1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，“辐射”——“光”。 2. 从表达式可直接说出定义及物理意义 3. 从表达式可直接说出单位 4. 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注意一个是发射，一个是接收。 5. 发光强度和亮度的概念不仅适用于自身发光的物体，还可以推广到反射体.

三、光度学基本物理量 三个发射量的区别和关系 辐射强度I 辐射出射度 M 辐射亮度L 源特点 点源 面源 辐射特点 立体角内 2π空间

四、光度量与辐射度量之间的关系 光谱光视效能是评定辐射量对人眼视觉刺激值的参数。 辐射通量代表的是光源面积元ds在单位时间内辐射的总能量的多少，而我们感兴趣的只是能够引起人眼视觉的那一部分。 光视效能：是描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少响应的单色光通量的关系式，即光视效能K()定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值，即 光度量是辐射量对人眼视觉的刺激值，是主观的，不管辐射量大小，以看到为准。 Φνλ——在波长λ处的光通量 Φeλ ——在波长λ处的辐射通量

四、光度量与辐射度量之间的关系 光谱光视效能K()实际上是波长为的光辐射的功光当量。 换言之，波长为的1W的辐射通量相当于K()的光通量。 最大光谱光视效能Km是指波长为555nm辐射的功光当量。即Km为最大功光当量，在国际单位制中， 即使辐射通量Φe不变，光通量Φv也随着波长不同而变化，K是个比例,但不是常数，是随波长变化的。

四、光度量与辐射度量之间的关系 由前面可以看到，光通量与辐射通量具有相同的量纲，对555nm波长的光，1W的辐射通量相当于683lm的光通量，则我们可以写作： 1瓦特＝683流明 注意：流明与瓦特之间的换算关系随波长不同而异，对波长为的单色光，有 1瓦特＝683V()流明 V()为视见函数

四、光度量与辐射度量之间的关系 视见函数（单色光视效率） V() ：是光视效能的归一化结果。 K——波长的光视效能 Km——555nm波长光的光视效能 实验表明：在较明亮的环境下（如白天），人眼对0＝555nm的黄绿光最敏感，其Km 最大。可以用视见函数V()来表示人眼的相对光谱相应特性。并规定波长0＝555nm的光的视见函数值为1。 当＝555nm时，有V(555)＝1为最大； 为其它值时，则V()<1。

四、光度量与辐射度量之间的关系 设波长为的光和波长为555nm的光产生相同视觉强度时所需要的辐射通量分别为Φe 和Φe555，则其视见函数为：

四、光度量与辐射度量之间的关系 例：实验结果，1.6mW，600nm的红光才能引起与1mW的555nm的黄绿光相同的明暗感觉，则对于波长为600nm的光的视见函数值为： 也就是说，人的视觉对600nm的红光的敏感程度只有555nm黄绿光的0.63。 红外光和紫外光无论具有多大的辐射通量都不能引起人眼的视觉反应，其视见函数值为零，所以称为不可见光。

四、光度量与辐射度量之间的关系 对大量正常眼的测量值统计平均后得到视见函数曲线如图。 实线为白天光照下的曲线，称为明视见函数； 虚线为夜间光照下的曲线，称为暗视见函数。 由图可见，暗视见函数曲线的峰值向短波方向移动了约50nm。

例 题 圆盘的辐射强度和辐射功率 设圆盘的辐射亮度为L，面积为A，如图所示。圆盘在与其法线成θ角的方向上的辐射强度为 例 题 圆盘的辐射强度和辐射功率 设圆盘的辐射亮度为L，面积为A，如图所示。圆盘在与其法线成θ角的方向上的辐射强度为 式中I0=LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度。 圆盘辐射照度 圆盘向半球空间发射的辐射功率为Ф，按辐射亮度的定义有

因为球坐标的dΩ=sinθdθdφ，按辐射强度的定义，求得 或按朗伯源的辐射规律M =πL，同样可得

小 结 1、 光电检测系统中常见辐射型光源和发光光源。 2、光辐射的两种计量方法。 3、辐射度学基本物理量。 4、光度学基本物理量。 小 结 1、 光电检测系统中常见辐射型光源和发光光源。 2、光辐射的两种计量方法。 3、辐射度学基本物理量。 4、光度学基本物理量。 5、辐射度学量和光度学量之间的关系

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