光辐射的量物体的热辐射半导体对光的吸收光电效应光电探测器的特性参量-光电检测基础知识课件.pptx
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1、 光电检测的最基本理论:光是电磁波,具有波粒二象性。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p与能量E=h h v。式中,h h为普朗克常数(6.6266.6261010-34-34J Js s);v为光的振动频率(s(s-1-1);c为光在真空中的传播速度(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电效应,而光电效应又充分证明了光的量子性。v 光辐射:第1页/共62页 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(10102 210102525HzHz)的
2、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1010-9-91010-3-3m m的范围。在这个范围内,只有0.380.380.780.78m m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 电磁辐射光谱的分布X射线射线近红外远红外电磁波第2页/共62页1.1.光辐射的度量 光辐射的度量方法有两种:一种是客观的度量方法,研究各种电磁辐射的传播和量度,称为辐射度学参量.适用于整个电磁谱区.另一种是主观的计量方法,以人眼见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法,称为光度学
3、参量.适用于可见光谱区.人眼对不同波长的辐射能有不同的灵敏度,不同波长的可见光即使辐射功率相同,引起的视觉感受强度不同.为了区分,辐射度和光度学量分别加角标”e”和“v”表示.第3页/共62页 光通量:从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度;单位时间内,人眼所感受到的光能。与辐射波长及人眼的视见函数有关。以符号v v表示,v v的计量单位为流(明)(lmlm)。(1)辐(射)通量和光通量辐(射)通量和光通量辐(射)通量:辐(射)通量:以辐射形式发射、传播或接收的功率;或以辐射形式发射、传播或接收的功率;或者说,在单位时间内,以辐射形式发射、传播或接收的辐者说,在单位时间内,以辐射形式发射、传播或
4、接收的辐(射)能。(射)能。又称辐(射)功率。又称辐(射)功率。以符号以符号e e表示,表示,其计量单位为瓦(其计量单位为瓦(W W)。)。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。第4页/共62页(2)(2)辐(射)出(射)度和光出(射)度 AMddee)(eedAAM(1)Me的计量单位是瓦(特)每平方米Wm2。面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为 (2)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de与该面元面积dA之比,定义为辐(射)出(射)度Me,即第5页/共62页 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
5、通量dv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv,即 (3)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 (4)由式(3),面光源向半球面空间发射的总光通量为 (5 5)AMvv)(vvdAAMAMddv第6页/共62页(3)(3)辐(射)强度和发光强度 对点光源在给定方向的立体角元d d内发射的辐通量d de e,与该方向立体角元d d之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度I Ie e,即 辐(射)强度的计量单位为瓦(特)每球面度 Wsr。点光源在有限立体角内发射的辐通量为 各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为 Iddee(6)Idee(7)40eee4dII(8)
6、第7页/共62页 对可见光定义发光强度为 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。Iddvv(9)Idvv(10)第8页/共62页 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(9),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=4I12.
7、566 lm。第9页/共62页(4)(4)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L Le e,即 式中,为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度L Le e的计量单位为瓦(特)每球面度平方米WW(srsrm m2 2)。cosdddcosdde2eeAAIL(11)第10页/共62页 对可见光,亮度L Lv v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 L Lv v的计量单位是坎德拉每平方米cdcdm m2 2。cosdddcosddv2vvAAIL(12)第1
8、1页/共62页(5)辐照度与照度 辐照度Ee是照射到物体(或接收器)表面某一点处面元的辐通量de除以该面元的面积dA的商,即E Ee e的计量单位是瓦(特)每平方米WWm m2 2。AEddee(13)第12页/共62页 若辐通量是均匀地照射在物体表面上,则式(1313)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AEee(14)第13页/共62页v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,
9、则光谱辐出度M Merer()(r r 代表反射)与辐射体接收的光谱辐照度E Ee e()的关系为 v式中,e e()为辐射度光谱反射比,是波长的函数。对式(1515)的波长积分,得到反射体的辐出度 v (16)()(eeerEM(15)d)(eeeEM第14页/共62页 对可见光,照射到物体表面某一面元的光通量d dv v除以该面元面积d dA A称为光照度E Ev v,即AEddvv(17)AEvvEv的计量单位是勒(克司)lx。对接收光的反射体,同样有)()()(vvvEMd)(vvvEM(18)(19)式中,v()为光度光谱反射比,是波长的函数。第15页/共62页eQJVQslmeWV
10、lmeE2/mWVE2mlmlxeM2/mWVM2mlmeIsrW/VI1srlmcdeL)/(2srmWVL)(V2mcd辐射度量和光度量的对照表辐射度量符号单位光度量符号单位辐射能光能辐射通量或辐射功率光通量辐射照度光照度辐射出度光出射度辐射强度发光强度辐射亮度光亮度光谱光视效率第16页/共62页光学系统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,掌握了它们之间的转换关系,就可以对用不同度量参数标
11、定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。v辐射度参数与光度参数的关系第17页/共62页v 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0.555m0.555m处的光谱辐射亮度L Le,me,m小于其它波长的光谱辐亮度L Le,e,。把波长=0.555m=0.555m的光谱辐射亮度L Le,me,m被其它波长的光谱辐亮度L Le,e,除得的商,定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率V V(),即 e,me,)(LLV(20)人眼的视觉灵敏度第18页/共62页 如图所示为人眼的光谱光视效率V()。它为与波长有关的相对值。第19页/共62页 辐射度参数与光度参数的关系
12、:)(,em,vVXKX(21)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。V()为人眼的光谱光视效率。第20页/共62页例例:已知某He-NeHe-Ne激光器的输出功率为3mW3mW,试计算其发出的光通量为多少lmlm?解解 He-NeHe-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量,根据式(2121)可以计算出它发出的光通量为v,v,=K K,e ee e,=K=Km mV()V()e e,=6836830.240.243 31010-3-3 =0.492(lm)=0.492(lm)第21页/共62页2.2.物体热辐射 物体通常以两种不同形式发射辐射能量
13、。热辐射:辐射是温度的函数,发射连续光谱。如,太阳,钨丝白炽灯等,为热辐射体。发光:靠外部能量激发的辐射,主要为线光谱或带光谱。如,电致发光,光致发光,化学发光等。(1)(1)黑体 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 1,发射系数也为1 1。第22页/共62页(2)(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,(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。)1e(252,s,ekThchcM(22)
14、第23页/共62页 黑体光谱辐亮度L Le,s,e,s,和光谱辐强度I Ie,s,e,s,分别为)1e(252s,e,kThchcL(23))1e(cos252s,e,kThchAcI第24页/共62页 图1-2 绘出了不同温度下,黑体辐射的相对光谱辐亮度Le,s,r与波长的关系曲线。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。第25页/共62页 将式(22)对波长求积分,得到黑体发射的总辐射出射度 04,s,es,edTMM(24)式中,是斯特藩-波尔兹曼常数,它由下式决定 4282345KWm1067.5152chkv 黑体发射的总辐射出射度 Me,s与T的四次方成
15、正比。(3)(3)斯忒藩斯忒藩-波尔兹曼定律波尔兹曼定律第26页/共62页 将普朗克公式(22)对波长求微分后令其等于0,则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长m与绝对温度T的关系为 Tm2898(m)(25)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。(4)维恩位移定律第27页/共62页(5)辐射体的温度表示 绝大多数辐射体是非黑体:灰体(发射率小于1 1)和选择性辐射体(光谱发射率是波长的函数)。热辐射体可用三种温度来标测:辐射温度,色温和亮温度。辐射温度Te:当热辐射体的总辐射通量与黑体的总辐射通量
16、相等时,以黑体的温度标度热辐射体的温度,即为辐射温度。色温Tf:当热辐射体在可见区发射的光谱辐射分布与黑体的相同时,以黑体的温度标度热辐射体的温度,称为热辐射体的色温。亮温度Tv:当热辐射体在可见区某一波长的辐亮度与黑体的相等时,以黑体的温度标度热辐射体的温度,称为亮温度。三种温度标测中,色温与实际温度的偏差最小,亮温度次之,辐射温度偏差最大。因此,通常测量色温来代表炽热物体的温度。第28页/共62页3.3.半导体对光的吸收 本征吸收: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
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