2光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

1、第第2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容2.1 電磁波的性質(zhì)與電磁波譜電磁波的性質(zhì)與電磁波譜2.2 輻射度量與光度量基礎(chǔ)輻射度量與光度量基礎(chǔ)2.3 光電檢測(cè)器件的特性參量光電檢測(cè)器件的特性參量第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)32.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜電磁波的性質(zhì)與電磁波譜何謂電磁波：在空間傳播著的交變電磁場(chǎng)，即電磁波（Electromagnetic wave）。真空中速度約為每秒30萬(wàn)公里。無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、射線都是電磁波。差別僅在于波長(zhǎng)。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基

2、礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)42.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜電磁波的性質(zhì)與電磁波譜何謂電磁波譜：為了對(duì)各種電磁波有個(gè)全面的了解，人們按照波長(zhǎng)或頻率的順序把這些電磁波排列起來(lái)，這就是電磁波譜。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題：如何度量光的特性呢？請(qǐng)看演示第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題：如何度量光的特性呢？某液晶顯示器的參數(shù)：對(duì)比度：350:1亮度：250cd/m2 ?響應(yīng)時(shí)間 1ms分辨率 1024*768可視角度 -170- 17040瓦的白熾燈泡的光通量為340流明（lm） ?40瓦的日光燈的光通量為1100流明（lm） ?Lm是什么意思，白熾燈與日光燈為什么不

3、一樣？第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)各種環(huán)境照度值：?jiǎn)挝籰ux ? 黑夜：0.0010.02；月夜：0.020.3；陰天室內(nèi)：550；陰天室外：50500；晴天室內(nèi)：1001000；閱讀書刊時(shí)所需的照度：5060；家用攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)照度：1400。 上述參數(shù)代表什么意思？第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)輻射度量與光度量 輻射度量（輻射度量（Radiometry）：能量的分布的強(qiáng)弱、）：能量的分布的強(qiáng)弱、時(shí)間、空間等特性時(shí)間、空間等特性 光度量光度量 (Photometry) ：考慮到人眼的主觀感受：考慮到人眼的主觀感受第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基

4、礎(chǔ)輻射度量（Radiometry）是用能量單位描述輻射能的客觀物理量 輻射能(Q) Radiant energy,焦耳（Joule) 輻能密度 (w) Radiation density, Joule per cubic metre 輻射通量（)或稱輻射功率,Radiant flux, 瓦（Watt) 輻射強(qiáng)度（I) Radiant intensity ,Watt per steradian 輻亮度 (L)Radiaance, Watt per steradian per square metre 輻射出射度(M) Radiant exitance, watt per square metre

5、 輻照度(E) Irradiance, watt per square metre第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)輻射度量（輻射度量（Radiometry）10輻射能輻射能(Q)：簡(jiǎn)稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，單位焦耳(J）例：地球表面垂直陽(yáng)光方向上，每平方米面積上每分鐘太陽(yáng)輻射能48000J。 輻射密度輻射密度(w) ：定義為單位體積元內(nèi)的輻射能，即 輻射通量輻射通量(,P):定義為以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時(shí)間特性。又稱輻射功率。dQwdvdQdt 例：某He-Ne激光器的具有的輻射通量（輻射功率）為5mW。 第第2 2章章 光電

6、檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)11輻射強(qiáng)度（輻射強(qiáng)度（I I）：定義為在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量，即 輻射強(qiáng)度描述了光源輻射的方向特性。dId何謂立體角？第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)立體角立體角 （steradian）定義為：以錐體的基點(diǎn)為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比 。 式中，為天頂角；為方位角；d d分別為其增量。立體角的單位是球面度(sr) 12222dsindddsinddSrrr 2.2 輻射度量與光度量輻射度量與光度量zxydAdSr 平面角（弧度） 立體角（球面度）第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光

7、電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)13輻射強(qiáng)度（輻射強(qiáng)度（I I）：定義為在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量，即 dId大多數(shù)光源向空間各方向的輻射強(qiáng)度是不均勻的。輻射強(qiáng)度描述了光源在空間某個(gè)方向上發(fā)射輻射通量的大小和分布。鎢絲白熾燈發(fā)光強(qiáng)度鎢絲白熾燈發(fā)光強(qiáng)度的空間分布的空間分布第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)14輻亮度輻亮度 (L)(L)：定義為光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量，即 輻亮度在光輻射的傳輸和測(cè)量中具有重要的作用，是光源微面元在垂直傳輸方向輻強(qiáng)度特性的描光源微面元在垂直傳輸方向輻強(qiáng)度特性的描述述 2coscosddILddAdA與與dAdA

8、法線的法線的夾角夾角輻射亮度與輻射強(qiáng)度有何區(qū)別？輻射亮度與輻射強(qiáng)度有何區(qū)別？前者描述面光源，后者描述點(diǎn)光源。前者描述面光源，后者描述點(diǎn)光源。例如對(duì)白熾燈，我們只關(guān)注作為點(diǎn)光例如對(duì)白熾燈，我們只關(guān)注作為點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度，對(duì)于天空輻射特性，源的輻射強(qiáng)度，對(duì)于天空輻射特性，希望知道各個(gè)部分的輻射特性，因此希望知道各個(gè)部分的輻射特性，因此用輻亮度。用輻亮度。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)15輻射出射度輻射出射度 (M)：定義為離開(kāi)光源表面單位面元的輻射通量，即 面元所對(duì)應(yīng)的立體角是輻射的整個(gè)半球空間。例如，太陽(yáng)表面的輻射出射度指太陽(yáng)表面單位表面積向外部空間發(fā)射的輻射通量。輻照度輻照度

9、 (E ）：定義為單位面元被照射的輻射通量，即 dMdAdEdA輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來(lái)描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)16輻照度輻照度 (E ）：定義為單位面元被照射的輻射通量，即 dEdA輻照度和輻射出射度具有相同的定義方輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來(lái)描述微面元發(fā)程和單位，但卻分別用來(lái)描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。射和接收輻射通量的特性。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)每周案例 這是什么？照度計(jì)測(cè)量單位面積上被照射的光通量?jī)r(jià)格:數(shù)十元-上萬(wàn)元第第2 2章章 光

10、電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光輻射探測(cè)器放在待測(cè)平面，光照引起探測(cè)器的光電流，放大后通過(guò)儀表或數(shù)字讀出。對(duì)于標(biāo)定過(guò)的照度計(jì)，讀出的數(shù)據(jù)代表了所測(cè)平面的照度值。照度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是光電測(cè)量頭及其示數(shù)裝置。問(wèn)題：漫射光器、減光器、校正濾光片各起什么作用？問(wèn)題：漫射光器、減光器、校正濾光片各起什么作用？ 照度計(jì)原理照度計(jì)原理第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題：漫射光器、減光器、校正濾光片各起什么作用？照度計(jì)原理照度計(jì)原理減光器：防止探測(cè)器飽和減光器：防止探測(cè)器飽和, ,增大量程增大量程 。校正濾光片：校正探測(cè)器的光譜響應(yīng)，與視見(jiàn)函數(shù)校正濾光片：校正探測(cè)器的光譜響應(yīng)，與視見(jiàn)函數(shù)V()

11、一致。一致。漫射光器：將入射光改為漫射光，防止菲涅耳反射, 造成測(cè)量不準(zhǔn)第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)回顧第一章 緒論1.認(rèn)識(shí)光電檢測(cè)系統(tǒng)，各領(lǐng)域的典型應(yīng)用。2.典型光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成3.光電檢測(cè)系統(tǒng)的主要應(yīng)用范圍第二章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1.輻射度量與光度量 輻射能、輻射通量、輻射強(qiáng)度、輻亮度、輻照度. 光量、光通量、發(fā)光強(qiáng)度、亮度、照度、視見(jiàn)函數(shù)第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)關(guān)于CIE“平均人眼”的具體標(biāo)準(zhǔn)的討論 歡迎侯擎昊同學(xué)講解自己的調(diào)研結(jié)果 問(wèn)題：國(guó)際照明委員會(huì)所定義的“平均人眼”是怎么確定的？視見(jiàn)函數(shù)是如何獲取的？ 侯擎昊、茹鋒同學(xué)做過(guò)調(diào)研第第2

12、2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)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.光度量學(xué)是以光度量學(xué)是以人眼人眼感知的亮度來(lái)測(cè)量光的科

13、學(xué)。感知的亮度來(lái)測(cè)量光的科學(xué)。光度量與輻射度量有何區(qū)別？1. 光度量?jī)H限于可見(jiàn)光，紅外和紫外人眼根本看不見(jiàn)，無(wú)法采用光度量。輻射度量是絕對(duì)度量，度量波長(zhǎng)的范圍更廣（整個(gè)電磁波譜）。2. 在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，光度量與輻射度量以一條曲線聯(lián)系起來(lái)。什么樣的曲線？第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光的敏感程度是不一樣的（即便它們的輻射（光）功率相同）http:/ 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)24 2.2.2 光度量光度量 (Photometry) 光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對(duì)應(yīng)的。表2-3列出了基本光度量的名稱、符號(hào)、定義方程及單位、單位符號(hào)。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 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光通量V和輻射通量e可通過(guò)人眼視覺(jué)特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即 式中，Km最大光譜光視效能，V()是平均人眼光譜光視效率(或稱視見(jiàn)函數(shù)( luminosit

15、y function) 25( )( )( )VmeK V 下圖給出人眼對(duì)應(yīng)明視覺(jué)(photopic )和暗視覺(jué)(scotopic )的視見(jiàn)函數(shù)( luminosity function) function)。為什么不一樣？明視覺(jué)，視網(wǎng)膜錐狀細(xì)胞cone cell暗視覺(jué)，視網(wǎng)膜桿狀細(xì)胞rod cell哪種多些？桿狀細(xì)胞/AE/AEC/CC/vision_background.php/AE/AEC/CC/vision_background.php第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

16、光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)圖中桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞敏感度曲線為何有這么大差別？http:/ 683 lm/Wlm/W暗視覺(jué)：峰值出現(xiàn)波長(zhǎng)為暗視覺(jué)：峰值出現(xiàn)波長(zhǎng)為507nm,507nm,峰值峰值1725 1725 lm/Wlm/W結(jié)論：桿狀細(xì)胞比錐狀細(xì)胞更敏感結(jié)論：桿狀細(xì)胞比錐狀細(xì)胞更敏感問(wèn)題：曲線是如何測(cè)量出來(lái)的？問(wèn)題：曲線是如何測(cè)量出來(lái)的？第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)27 為了描述光源的光通量與輻射通量的關(guān)系，通常引入光視效能，其定義為目視引起刺激的光通量與光源發(fā)出的輻射通量之比，單位為lm/W。 它度量了同樣的輻射功率下人眼它度量了同樣的輻射功率下人眼的不同亮度感覺(jué)。的不同亮度感覺(jué)

17、。00( )( )( )meVmeeKVdKK Vd 常見(jiàn)光源的光視效能光源類型光視效能(lm/W)光源類型光視效能(lm/W)鎢絲燈(真空)89.2日光燈2741鎢絲燈(充氣)9.221高壓水銀燈3445石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈4047.5氣體放電管1630鈉光燈60第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ) 1. 朗伯余弦定律（朗伯余弦定律（Lamberts cosine law） 按照朗伯輻射體亮度不隨角度 變化的定義，得 即 282.2.3 朗伯輻射體（朗伯輻射體（Lambertian）及其輻射特性及其輻射特性0cosII0cosIILdAdA 對(duì)于某些自身發(fā)射輻射的輻射源，其

18、輻亮度與方向無(wú)關(guān)，即輻射源各方向的輻亮度不變，這類輻射源稱為朗伯輻射體朗伯輻射體。即在理想情況下，朗伯體單位表面積向空間規(guī)即在理想情況下，朗伯體單位表面積向空間規(guī)定方向單位立定方向單位立 體角內(nèi)發(fā)射體角內(nèi)發(fā)射( (或反射或反射) )的輻射通量的輻射通量和該方向與表面法線方向的夾角和該方向與表面法線方向的夾角 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 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2. 朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系 極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)球面上微面元dA的立體角為： 設(shè)朗伯微面元ds亮度為L(zhǎng)，則輻射到dA上的輻射通量為 在半球內(nèi)發(fā)射的總通量P為 按

19、照出射度的定義得292sindAdd dr zxydAdSr朗伯體輻射空間坐標(biāo)2cossind PLdsd d 2/200cossinPLdsddLds PMLds第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)30EL 對(duì)于處在輻射場(chǎng)中反射率為 的朗伯漫反射體( =1為理想漫反射體)，不論輻射從何方向入射，它除吸收(1- )的入射輻射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。因此，反射表面單位面積發(fā)射的輻射通量等于入射到表面單位面積上輻射通量(輻照度E)的倍。即M=E，故第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題 前面我們介紹了光源的度量，探測(cè)器的性能又是如何度量的呢？第第2 2章章

20、 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.3 光電檢測(cè)器件的特性參量光電檢測(cè)器件的特性參量 32第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)33(1) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)(external photoelectric effect)external photoelectric effect)：當(dāng)光子入射到探測(cè)器陰極表面(一般是金屬或金屬氧化物)時(shí)，探測(cè)器把吸收的入射光子能量(h=hc/)轉(zhuǎn)換成自由電子的動(dòng)能，當(dāng)電子動(dòng)能大于電子從材料表面逸出所需的能量時(shí)，自由電子逸出探測(cè)器表面自由電子逸出探測(cè)器表面，在外電場(chǎng)的作用下，形成了流向陽(yáng)極的電子流，在外電路產(chǎn)生光電流。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光電管第第2 2章章 光電檢

22、測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)34(1) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)(external photoelectric effect)external photoelectric effect)：當(dāng)光子入射到探測(cè)器陰極表面(一般是金屬或金屬氧化物)時(shí)，探測(cè)器把吸收的入射光子能量(h=hc/)轉(zhuǎn)換成自由電子的動(dòng)能，當(dāng)電子動(dòng)能大于電子從材料表面逸出所需的能量時(shí)，自由電子逸出探測(cè)器表面，并在外電場(chǎng)的作用下，形成了流向陽(yáng)極的電子流，從而在外電路產(chǎn)生光電流。http:/ 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)35(1) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)(external photoelectric effect)externa

23、l photoelectric effect)：當(dāng)光子入射到探測(cè)器陰極表面(一般是金屬或金屬氧化物)時(shí)，探測(cè)器把吸收的入射光子能量(h=hc/)轉(zhuǎn)換成自由電子的動(dòng)能，當(dāng)電子動(dòng)能大于電子從材料表面逸出所需的能量時(shí)，自由電子逸出探測(cè)器表面，并在外電場(chǎng)的作用下，形成了流向陽(yáng)極的電子流，從而在外電路產(chǎn)生光電流。夜間可以看到幾十米到幾公里夜間可以看到幾十米到幾公里微光夜視儀像增強(qiáng)器第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)36(2) 光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)（photovoltaic effectphotovoltaic effect）：半導(dǎo)體P-N結(jié)在吸收具有足夠能量的入射光子后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在P

24、-N結(jié)電場(chǎng)作用下，兩者以相反的方向流過(guò)結(jié)區(qū)，光電池光電二極管http:/china.rs- 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)37(3) 光電導(dǎo)效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)（photoconductive effect photoconductive effect ）:半導(dǎo)體材料在沒(méi)有光照下，具有一定的電阻，在接收入射光輻射能時(shí)，半導(dǎo)體釋放出更多的載流子，表現(xiàn)為電導(dǎo)率增加(電阻值下降)。http:/www.fpga- 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)熱探測(cè)器 熱電效應(yīng)（pyroelectric effect）：探測(cè)器接收光輻射，引起溫度升高，從而使探測(cè)器電阻或電容發(fā)生變化、或者表面電荷發(fā)生變

25、化，或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 。熱釋電探測(cè)器熱電偶（熱電偶（thermocouplethermocouple） 第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)39問(wèn)題：如何選擇探測(cè)器？下面探測(cè)器的參數(shù)代表啥意思？第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)40問(wèn)題：如何選擇探測(cè)器？下面的曲線又代表啥意思？第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)41對(duì)于光輻射探測(cè)器的應(yīng)用，人們較關(guān)注的性能是：探測(cè)器的輸出信號(hào)值定量地表示多大的光輻射度量，即探測(cè)探測(cè)器的輸出信號(hào)值定量地表示多大的光輻射度量，即探測(cè)器的響應(yīng)度（器的響應(yīng)度（ResponsivityResponsivity）大小。）大小。對(duì)某種探測(cè)器

26、，需要多大的輻射度量才能使探測(cè)器產(chǎn)生可區(qū)對(duì)某種探測(cè)器，需要多大的輻射度量才能使探測(cè)器產(chǎn)生可區(qū)別于噪聲的信號(hào)量，即與噪聲相當(dāng)?shù)妮椛涔β蚀笮?。別于噪聲的信號(hào)量，即與噪聲相當(dāng)?shù)妮椛涔β蚀笮　?探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍，響應(yīng)速度，線性動(dòng)態(tài)范圍等。與光探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍，響應(yīng)速度，線性動(dòng)態(tài)范圍等。與光輻射測(cè)量有關(guān)的還有表面響應(yīng)度的均勻性、視場(chǎng)角響應(yīng)特性、輻射測(cè)量有關(guān)的還有表面響應(yīng)度的均勻性、視場(chǎng)角響應(yīng)特性、偏振響應(yīng)特性等。偏振響應(yīng)特性等。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.3.1 響應(yīng)度響應(yīng)度 （ Responsivity ）42 響應(yīng)度定義為單位輻射度量產(chǎn)生的電信號(hào)量，記作R，電信號(hào)可以

27、是電流，稱為電流響應(yīng)度；也可以是電壓，稱為電壓響應(yīng)度。對(duì)應(yīng)不同輻射度量的響應(yīng)度用下標(biāo)來(lái)表示 。 探測(cè)器的響應(yīng)度描述光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)大小的能力。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.3.1 響應(yīng)度響應(yīng)度 （ Responsivity ）43輻射度量測(cè)量中，測(cè)不同的輻射度量，應(yīng)當(dāng)用不同的響應(yīng)度。 對(duì)輻射通量的電流響應(yīng)度(AW-1) /IR對(duì)輻照度的電流響應(yīng)度(AW-1m2) EIRE/對(duì)輻亮度的電流響應(yīng)度(AW-1m2Sr) LIRL/第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.3.1 響應(yīng)度響應(yīng)度 （ Responsivity ）44探測(cè)器的響應(yīng)度一般是波長(zhǎng)的函數(shù)。與上面

28、定義的積分響應(yīng)度對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度為 積分響應(yīng)度和光譜響應(yīng)度的關(guān)系為 可以看到：積分響應(yīng)度不僅與探測(cè)器的光譜響應(yīng)度有關(guān)，也與入射輻射的光譜特性有關(guān)，因而，說(shuō)明積分響應(yīng)度時(shí)通常要求指出測(cè)量所用的光源特性。 ( )( )( )( ) , ( ) , ( )( )( )( )ELIIIRRREL( ) ( )( ) ( )( ) ( ) , , ( )( )( )ELELRdREdRLdIRRRdEdLd第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)45利用公式推導(dǎo)可知，探測(cè)器的輻射通量光譜電流響應(yīng)度為: 量子效率:輸出信號(hào)電子數(shù)與接收到的光子數(shù)之比。理想情況下，一個(gè)入射光子激發(fā)一個(gè)電子-空穴對(duì)，因

29、此量子效率應(yīng)為常數(shù)，則此時(shí)探測(cè)器光頻響應(yīng)為與波長(zhǎng)成正比，為一條直線。( )( )( )( )( )1239.8IqRhc 量子效率普朗克常數(shù)電子電荷但是但是. . 實(shí)際上實(shí)際上單位時(shí)間單位時(shí)間的電荷的電荷單位時(shí)間單位時(shí)間的光能的光能第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)46截止截止截止截止理論響應(yīng)理論響應(yīng)實(shí)際響應(yīng)實(shí)際響應(yīng)原因是什么？原因是什么？第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)47對(duì)于光電探測(cè)器，由于受到材料能帶之間的間隙禁帶寬度Eg的限制，響應(yīng)波長(zhǎng)具有長(zhǎng)波限，最大響應(yīng)波長(zhǎng)為式中，EA是光電子逸出探測(cè)器表面所需的表面勢(shì)壘。上述原因造成了長(zhǎng)波長(zhǎng)截止。max1.24/ 1.

30、24/()ggAEEE內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)其它影響因素：探測(cè)器表面的鏡面發(fā)射損失、探測(cè)器表面的電子陷阱，探測(cè)器材料的吸收，電子在擴(kuò)散中與空穴復(fù)合。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)48表2-5 常見(jiàn)半導(dǎo)體及摻雜半導(dǎo)體的能隙Eg及最大響應(yīng)波長(zhǎng)max材料Eg (eV)max (m)材料Eg (eV)max (m)InSb0.225.5GeHg0.0913.8PbS0.423.0GeCu0.04130.2Ge0.671.9GeCd0.0620.7Si1/121.1SiAs0.053723.1CdSe1.80.69SiBi0.070616.3CdS2.40.52SiP0.04527.6P

31、bSe0.235.4SiIn0.1657.5SiMg0.08714.3第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)491/(2)cfRC為何有截止頻率？為何有截止頻率？探測(cè)器本身是阻抗元件，有電阻和電容探測(cè)器本身是阻抗元件，有電阻和電容第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.3.2 噪聲及其評(píng)價(jià)參數(shù)噪聲及其評(píng)價(jià)參數(shù)50為什么要研究噪聲？ 任何虛假的和不需要的信號(hào)稱為噪聲。 噪聲總是伴隨著測(cè)量信號(hào)存在 測(cè)量過(guò)程是一個(gè)去除噪聲、復(fù)原真實(shí)信號(hào)的過(guò)程。第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)6.1.1 噪聲的分類及性質(zhì)噪聲的分類及性質(zhì)外部干擾噪聲外部干擾噪聲:人為干擾噪聲的和自

32、然干擾噪聲。 人為干擾：電子設(shè)備的干擾噪聲。如焦距測(cè)量?jī)x在日光燈下，人的走動(dòng)對(duì)干涉儀的光程影響。 自然干擾：雷電、太陽(yáng)等。如光電導(dǎo)盲器在太陽(yáng)下內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲:人為噪聲和固有噪聲兩類。 人為噪聲：如工頻交流電（50Hz)、測(cè)試儀器的散熱風(fēng)扇引起的光路變化。 固有噪聲：散粒噪聲、熱噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1/f噪聲、 溫度噪聲第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.3.2 噪聲及其評(píng)價(jià)參數(shù)噪聲及其評(píng)價(jià)參數(shù)22npIqIf52（1 1）散粒噪聲（）散粒噪聲（ Shot noiseShot noise ） 由于光子流以間斷入射的形式投射到探測(cè)器表面，以及探測(cè)器內(nèi)部光子轉(zhuǎn)換成電子動(dòng)能而產(chǎn)生的

33、電子流具有統(tǒng)計(jì)漲落的特性，形成散粒噪聲，屬于白噪聲。 式中， 為散粒噪聲電流均方值(A)；q為電子電量(C)； 為平均電流(A), 為測(cè)量系統(tǒng)的噪聲等效帶寬(1/s)。2nIpIf1. 噪聲（噪聲（noise）第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)53（2）產(chǎn)生）產(chǎn)生-復(fù)合復(fù)合(G-R)噪聲（噪聲（Generation-Recombination noise Generation-Recombination noise ） 光導(dǎo)型探測(cè)器的G-R噪聲是由于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子在產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程中，自由電子和空穴數(shù)隨機(jī)起伏所形成，也屬于白噪聲。22244G RpipdIqIfq GE Af 第第2 2章章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)54（3） 熱噪聲（熱噪聲（ Thermal noiseThe