-【大學(xué)課件】光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)-PPT

1、第一章 光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)docin/sundae_meng本章的主要內(nèi)容2.1 檢測量的誤差及數(shù)據(jù)處理2.2 輻射度量與光度量基礎(chǔ)2.3 光電檢測器件的特性參量docin/sundae_meng2.1.1 檢測過程及誤差分類2.1.2 隨機(jī)誤差2.1.3 系統(tǒng)誤差2.1 檢測量的誤差及數(shù)據(jù)處理本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：docin/sundae_meng1、檢測過程及標(biāo)準(zhǔn) 由檢測過程可知，必須有已知量作為比較或參考的標(biāo)難，才能進(jìn)行檢測工作。比較標(biāo)準(zhǔn)通常有以下三類：（1）真值 真值是指某物理量的理論值或定義值。（2）指定值 指定值是由國家設(shè)立的各種盡可能維持不變的實(shí)物基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)原器所規(guī)定的值。（

2、3）實(shí)用值 A 采用計量標(biāo)準(zhǔn)傳遞的方法將指定值、基準(zhǔn)量逐級傳遞到各級計量站，以及具體的檢測儀器中。各級計量站或檢測儀器在進(jìn)行比較測量時，把上一級標(biāo)難器的量值當(dāng)作近似的真值，把它們都叫做實(shí)用值、參考值或傳遞值。 2.1.1 檢測過程及誤差分類docin/sundae_meng2、誤差的產(chǎn)生及分類設(shè)某被測量的真值為A0，而測得值為x，于是有式中，x 檢測的絕對誤差或誤差。（2-1）（2-2） 當(dāng)x很小時，可以A0=x。所謂很小是相對于檢測目的和允許精度范圍而言的。docin/sundae_meng檢測誤差可按不同屬性進(jìn)行分類。（1）誤差按檢測結(jié)果分類另一種叫做額定相對誤差，表達(dá)式為 式中xmax為

3、最大測量值。 可分為絕對誤差和相對誤差。絕對誤差xxA0。相對誤差通常又可用兩種表示方法。一種叫做實(shí)際相對誤差，表達(dá)式為 docin/sundae_meng（2）誤差按它們的基本特性分類 在檢測過程中產(chǎn)生恒定不變的誤差叫恒差或按一定規(guī)律變化的誤差叫變差，統(tǒng)稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因有工具誤差、裝置誤差、方法誤差、外界誤差和人身誤差等。系統(tǒng)誤差 在盡力消除并改正了一切明顯的系統(tǒng)誤差之后，對同一待測量進(jìn)行反復(fù)多次的等精度測量，每次測量的結(jié)果都不會完全相同，而呈現(xiàn)出無規(guī)則的隨機(jī)變化，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差3、置信限和置信概率 由于待測量的真值A(chǔ)0是不可知的，由式(2-2)可知，雖可測出

4、測量值x，但誤差x的具體值也不可能準(zhǔn)確得到，但是我們可以按照一些依據(jù)和手段來估計誤差x值或稱不確定度的大小。這種估計的誤差范圍或誤差限叫做置信限。 docin/sundae_meng 設(shè)在一定條件下對真值為的某量x進(jìn)行多次重復(fù)的測量，也就是進(jìn)行一列N次等精度的測量，其結(jié)果是：x1，x2，xn，xN，各測得值出現(xiàn)的概率密度分布P(x)遵守正態(tài)函數(shù)或高斯函數(shù)分布的規(guī)律：如果用每個測得值x離真值的偏差，即真誤差來表示，x，則有（2-3）（2-4）1、隨機(jī)誤差的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)偏差2.1.2 隨機(jī)誤差docin/sundae_meng 為正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，也就是各測得值x的均方差，或稱均方根差。式中符號“

5、”表示統(tǒng)計平均的意思。例如：（2-5）（2-6）即無窮多次抽樣的平均（2-7）docin/sundae_meng 只有0，函數(shù)P(x)或P()才有意義，如圖2-l所示，這就是正態(tài)分布曲線。由此可知，測得值x出現(xiàn)在區(qū)間(a,b)內(nèi)的概率，在圖中表示為該區(qū)間曲線下的面積。而用公式表為（2-8）當(dāng)區(qū)間為正負(fù)無窮大時則有：（2-9）圖 2-1 正態(tài)分布曲線docin/sundae_meng按照以上討論可知，隨機(jī)誤差的分布即正態(tài)分布有以下特點(diǎn)：絕對值相等的正誤差和負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相同。曲線的鐘形分布使絕對值小的誤差出現(xiàn)概率大，而絕對值大的誤差出現(xiàn)的概率小。絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率接近于零，也就是說誤差

6、值有一定的極限。由于曲線左右對稱的分布，所以在一列等精度的測量中，其誤差的代數(shù)和有趨于零的趨勢。圖2-2 不同標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)分布曲線docin/sundae_meng2、算術(shù)平均值及其標(biāo)準(zhǔn)誤差 真值的最佳估計就是N次檢測結(jié)果x1，x2，xn，xN的算術(shù)平均值。可用下式表示（2-15） 式中符號“( )”是指有限次抽樣的平均值 ，即上述統(tǒng)計平均值 ，叫做數(shù)學(xué)期望，其值等于真值。實(shí)際檢測中，不可能對檢測量進(jìn)行無窮多次測量，因此也無法得到真值。docin/sundae_meng 有限N次抽樣的算術(shù)平均值不等于真值，即 。因而在等精度條件下，每進(jìn)行N次抽樣所得到的算術(shù)平均值之間也都略有不同，它的分布也應(yīng)

7、是正態(tài)分布。可以用正態(tài)分布的有關(guān)性質(zhì)來討論算術(shù)平均值的分布。用 表示 的標(biāo)準(zhǔn)偏差，或叫標(biāo)準(zhǔn)誤差,從而說明 的誤差分布。利用方差運(yùn)算法則有：（2-16）docin/sundae_meng所以有：（2-17） 由上式可知，當(dāng)檢測次數(shù)N增大時，s就相應(yīng)減少，也就是說 的標(biāo)準(zhǔn)偏差小，這時把算術(shù)平均值 作為真值的估計值的誤差也就減少。但是，這一關(guān)系是非線性的，即 。N從1開始增加時，s下降較快；隨著N的進(jìn)一步增加s下降變得緩慢。而檢測次數(shù)N的增加給測量工作帶來很多困難。所以綜合了需要和可能在實(shí)際檢測中常取N50，一般取420次即可。docin/sundae_meng3、標(biāo)準(zhǔn)差的估計和它的均方差 在一列有

8、限N次等精度測量中，求得真值的估計值 ，而每次測量中所得的xn值與 值間的剩余誤差或殘差vn的值為 ，那么N不論為何值，vn的總和為（2-18）可見，殘差的總和為零。這說明不能用殘差的總和估計誤差。docin/sundae_meng 可用殘差的平方 代替真誤差的平方2來進(jìn)行估計誤差或標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計，同時由殘差總和為零的關(guān)系可知，在己知N-1個殘差時，第N個殘差就能求得，因此存在著一個約束條件，即它們約自由度是N-1，而不是N。用vn來估計的方法如下，從求其方差開始，引入式(2-17)有（2-19）通過換項(xiàng)則有docin/sundae_meng按殘差的統(tǒng)計平均值應(yīng)等于零，即=0，則（2-20）上

9、式叫做貝塞爾公式。由式中可見當(dāng)（2-21）與式(2-7)相同。上述公式是有限次抽樣的結(jié)果，為與式(2-6)中有所區(qū)別，貝塞爾公式的偏差估計值有時用 表示。docin/sundae_meng 同樣由于式(2-20)是有限N次抽樣的結(jié)果，其本身也是一個隨機(jī)變量，因而也存在著偏差，可用來表征用 代替 的標(biāo)準(zhǔn)誤差，其值可按下式估計（2-22） 按照正態(tài)分布的理論，通過概率分布密度函數(shù)的積分，可以獲得以標(biāo)準(zhǔn)偏差為倍數(shù)誤差區(qū)間中的概率值。docin/sundae_meng 下面通過一個實(shí)例說明數(shù)據(jù)處理的方法和結(jié)果。光纖面板積分漫射光透射比的7次檢測結(jié)果為：0.842、0.845、0.841、0.838、0

10、.844、0.842和0.839，處理以上數(shù)據(jù)。算術(shù)平均值 ：均方差或標(biāo)準(zhǔn)誤差 : 算術(shù)平均制的標(biāo)準(zhǔn)偏差 :均方差的標(biāo)準(zhǔn)誤差：docin/sundae_meng通過以上的計算，按照概率統(tǒng)計的術(shù)語可以說明測量的結(jié)果。 (1) 待測面板的透射比為84.16%，這是對真值的估計，但不是真值。多組檢測的結(jié)果形成平均值的正態(tài)分布，該分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.00095。 (2) 如果以算術(shù)平均值84.16作為面板透射比 置信限 測值及偏差值 置信概率 84.1570.25 68.2%2 84.1570.50 95.4%3 84.1570.75 99.7% (3) 對標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計，多組檢測的結(jié)果也形成正態(tài)分布

11、，該分布的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.067%。docin/sundae_meng 有時對檢測結(jié)果還要進(jìn)行最大誤差 和測量精度JD的計算。最大誤差表征用平均值 代替真值所帶來誤差的一種估計，可用下式定義（2-23）式中，k為置信系數(shù)。按測量要求一般取值為23。測量精度一般采用相對偏移量來定義，即（2-24）docin/sundae_meng（2-25） 設(shè)某間接測量的量y與各直接測量的量x1、x2，xn ，之間的關(guān)系為yf(x1、x2，xn)，各量的誤差分別是x1、x2，xn ，間接測量量的誤差計算可按下式進(jìn)行：（2-26）4、間接測量的誤差傳遞docin/sundae_meng幾種簡單函數(shù)關(guān)系的誤差傳遞計

12、算法如下。(1) ykx 時，其中k為常數(shù)，有 (2) 時，（2-27）（2-28）（2-29）（2-30）docin/sundae_meng(3) 時，有 (4) 時，（2-31）（2-32）（2-33）（2-34）docin/sundae_meng5、檢測靈敏閾對標(biāo)準(zhǔn)偏差估值的影響 在前述標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計中，實(shí)際上都認(rèn)定檢測儀器的分辨力是無限的，或者說檢測靈敏閾趨于零。實(shí)際檢測儀器的靈敏度都受到一定的限制，用來表示它們的靈敏閡。當(dāng) 或 時，x的各檢測值沒有差異，都指示為xn或n。因此用貝塞爾公式所計算的 值并不是 的真正最佳估值，可用謝潑德修正式來進(jìn)行修正：（2-35） 在實(shí)際測量中，如果

13、或 時，而取值又不超過兩位，則可不進(jìn)行這一修正計算。docin/sundae_meng6、大誤差測值出現(xiàn)的處理 主要方法是： (1) 認(rèn)真檢查有無瞬時系統(tǒng)誤差產(chǎn)生，及時發(fā)現(xiàn)并處理。 (2) 增加檢測的次數(shù)，以減小大誤差測值對檢測結(jié)果的影響。 (3) 利用令人信服的判據(jù)，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行判定后，將不合理數(shù)據(jù)給予剔除。 docin/sundae_meng下面重點(diǎn)介紹兩種處理數(shù)據(jù)的判據(jù)。(1) 3的萊特準(zhǔn)則 該準(zhǔn)則是按檢測的全部數(shù)據(jù)計算其標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計值，判據(jù)規(guī)定，當(dāng)發(fā)現(xiàn)個別數(shù)據(jù)的殘差以 時，將該數(shù)據(jù)剔除。在這一方法中， 通常是在檢測次數(shù)N很大的前提下取得的，所以在取N較小時這一判據(jù)并不一定可靠。(2

14、) 肖維涅判據(jù) 在一列N次等精度的檢測中，如不出現(xiàn) 的誤差，那就是說在該條件下測值出現(xiàn)的概率很小， 很小。當(dāng)檢測次數(shù)N足夠大時，概率P與頻率 很接近或認(rèn)為近似相等，式中M是在N次檢測中誤差絕對值大于a的次數(shù)，于是概率很小的意思就是：或（2-36）（2-37）docin/sundae_meng 因?yàn)闄z測過程必須按整數(shù)次進(jìn)行，所以M的出現(xiàn)必然是整數(shù)。為使 的值在湊整后，M值實(shí)際上仍視為零的條件是或 上式表示是以a為界在外區(qū)間中的總概率。而以a為界內(nèi)區(qū)間的總概率可用下式表示（2-38）（2-39）（2-40）式中，有a=k關(guān)系。 所謂肖維涅判據(jù)是：在一列N次等精度測量中，某個檢測值xn的殘差的絕對值

15、 ，超過由式(2-39)和式(2-40)所決定的界限值a時，就可認(rèn)為vn是異常的誤差值，對應(yīng)測值xn應(yīng)給予剔除。docin/sundae_meng表2-1 肖維涅判據(jù)docin/sundae_meng為正確使用肖維涅判據(jù)，還應(yīng)注意以下事項(xiàng)： (1) 肖維涅判據(jù)是在頻率接近概率的條件下獲得的，所以在N10時，使用該判據(jù)比較勉強(qiáng)。 (2) 當(dāng)N185時，肖維涅判據(jù)與3萊特判據(jù)相當(dāng)。當(dāng)N185時，該判據(jù)比3判據(jù)窄。而當(dāng)N185時，該判據(jù)比3判據(jù)寬。 (3) 在判別過程中，如果剔除數(shù)太多時，則應(yīng)懷疑誤差是否按正態(tài)分布，或考查是否存在其它問題。docin/sundae_meng1、系統(tǒng)誤差及一般處理原則

16、 一般處理原則： (1) 在進(jìn)行某項(xiàng)參量的檢測之前，應(yīng)盡可能地預(yù)見到一切有可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源，并針對這些不同來源，設(shè)法消除或減弱系統(tǒng)誤差，使之達(dá)到可以接受的程度。 (2) 采用一些有效的檢測原理和檢測方法，來消除或盡力減弱系統(tǒng)誤差對檢測結(jié)果的影響。 (3) 在對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，設(shè)法檢查是否有未被注意到的變值系統(tǒng)誤差。如周期性的、漸增性的或漸減性的系統(tǒng)誤差等。 (4) 在精心采用檢測設(shè)備和精心進(jìn)行檢測之后，應(yīng)設(shè)法估計出未能消除而殘留下系統(tǒng)誤差的大小，以及它們最終對檢測結(jié)果的影響。也就是說估計出殘余系統(tǒng)誤差的數(shù)值范圍以便進(jìn)行必要的修正。2.1.3 系統(tǒng)誤差docin/sundae_meng

17、2、消除或減弱系統(tǒng)誤差的典型檢測技術(shù) (1) 示零法 示零法的原理是將被檢測量的作用和已知量的作用相互抵消，使它們的總效應(yīng)為零。這時被測量等于己知量。 圖 2-3 示零法測電壓原理docin/sundae_meng圖2-4 示零法測電阻原理docin/sundae_meng(2) 微差法 微差法檢測的原理：檢測待測量x與一個數(shù)值相近的已知量N之間的差值(Nx)，這時待測量xN (Nx)。這種方法不是徹底的示零法，常叫做虛零法，在電橋中則稱失衡電橋法。圖2-5 微差法測電壓原理U0=UUxdocin/sundae_meng（2-46）(3)代替法 代替法的工作原理：采用可以調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)器，在檢測回

18、路中代替被檢測量，并且不引起測量儀器示值得改變。這時可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)器的量值等于待測量的大小，以達(dá)到減少系統(tǒng)誤差的目docin/sundae_meng (4) 補(bǔ)償法 補(bǔ)償法的工作原理：進(jìn)行兩次測量。第一次測量平衡時的關(guān)系為RN+ RxR1R3R2；第二次測量去掉Rx，調(diào)整RN至RN，測量平衡時的關(guān)系為RN R1R3R2，待測量RxRNRN。 引入誤差，兩次測量電橋平衡時的關(guān)系為（2-52）（2-54）docin/sundae_meng (5) 對照法 對照法檢測的工作原理：在同一檢測系統(tǒng)中，通過改變測量的不同安排，測量出兩個結(jié)果。把它們相互對照，從中檢測出系統(tǒng)誤差。有時也可求出系統(tǒng)誤差的大小。 例如

19、某比較電橋R1R21和一個可變標(biāo)準(zhǔn)電阻RN，用來檢測未知標(biāo)準(zhǔn)電阻Rx。第一次檢測時把RN放在四臂電橋的R3處，則有（2-55）第二次檢測將RN和Rx對換，設(shè)將RN調(diào)至RN時，電橋平衡，則有（2-56）docin/sundae_meng若RNRN，那么有R1R2R2R11，說明兩比較臂無系統(tǒng)誤差，于是RxRNRN。若RNRN，則有R1R21+1，這時可將兩次檢測結(jié)果相對照，即把式(2-55)和式(2-56)等號兩邊各自相乘：上式中不出現(xiàn)R1和R2，也就是說對照法消除了這兩個電阻帶來的誤差。（2-57）docin/sundae_meng所以有如果把兩次檢測結(jié)果聯(lián)系起來則有（2-58）通過以上的推導(dǎo)

20、，找到了計算該電橋誤差的方法。對非比較電橋來說，以下兩式依然成立：（2-59）（2-60）docin/sundae_meng3、系統(tǒng)處理中的幾個問題（1）系統(tǒng)誤差消除的準(zhǔn)則 這一準(zhǔn)則主要是討論系統(tǒng)誤差減弱到什么程度時就可以忽略不計。 如果某一項(xiàng)殘余系統(tǒng)誤差或幾項(xiàng)殘余系統(tǒng)誤差的代數(shù)相的絕對值為 ，而當(dāng)測量總誤差的絕對值為 ，那么當(dāng) 是兩位有效數(shù)字時， 滿足下式要求，則可舍去。 （2-61）當(dāng) 是一位有效數(shù)字時， 滿足下式要求，則可舍去。（2-62）docin/sundae_meng（2）系統(tǒng)誤差的改正 設(shè)無系統(tǒng)誤差而有隨機(jī)誤差時的N次測量結(jié)果為：x1，x2，xn，xN 當(dāng)有系統(tǒng)誤差n時，該誤差可

21、以分為系統(tǒng)恒差0和系統(tǒng)對應(yīng)N次測試的變差1，2，n，N。這時對應(yīng)N次測量結(jié)果為x1，x2，xn，xN其中（2-63）（2-64）N次檢測的平均值可按下式求出docin/sundae_meng（3）系統(tǒng)誤某存在與否的檢驗(yàn)I1差 當(dāng)檢測系統(tǒng)存在系統(tǒng)恒差0時，實(shí)際測量的結(jié)果為式中 待測量的真值； n 隨機(jī)誤差量。 （2-65）上式也可以寫為這時xn仍是正態(tài)分布。有可能把認(rèn)為是真值，n 為隨機(jī)誤差值，這樣并不能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)恒差的嚴(yán)重性。因此通常判斷有無系統(tǒng)恒差是采用與標(biāo)準(zhǔn)值比較的方法或用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比對來確定。（2-66）docin/sundae_meng2.2 輻射度量與光度量基礎(chǔ)2.2.1 輻射度量2

22、.2.2 光度量2.2.3 朗伯輻射體及輻射特性本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：docin/sundae_meng立體角 立體角是描述輻射能向空間發(fā)射、傳輸或被某一表面接收時的發(fā)散或會聚的角度，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) dsrdddo2.2.1 輻射度量docin/sundae_meng輻射度量輻射能(Q)：簡稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，單位焦耳(J）輻射密度(w) ：定義為單位體積元內(nèi)的輻射能，即 輻射通量(,P):定義為以輻射的

23、形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時間特性。docin/sundae_meng輻射強(qiáng)度（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，且對點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度描述具有更重要的意義。輻亮度 (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)度特性的描述 docin/sundae_meng輻射出射度 (M)：定義為離開光源表面單位面元的輻射通量，即 面元所對應(yīng)的立體角是輻射的整個半球空間。例如，太陽表面的輻射出射度指太陽表面單位表面積向

24、外部空間發(fā)射的輻射通量。輻照度 (E ）：定義為單位面元被照射的輻射通量，即 輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。 docin/sundae_meng 2.2.2 光度量 光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的。表2-3列出了基本光度量的名稱、符號、定義方程及單位、單位符號。docin/sundae_meng光通量V和輻射通量e可通過人眼視覺特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即 式中，V()是CIE推薦的平均人眼光譜光視效率(或稱視見函數(shù)) 圖2-8給出人眼對應(yīng)明視覺和暗視覺的視見函數(shù)。docin/sundae_meng 為了描述光源的光度與輻射度的關(guān)

25、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。 常見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60docin/sundae_meng 1. 朗伯余弦定律 朗伯體反射或發(fā)射輻射的空間分布可表為 按照朗伯輻射體亮度不隨角度 變化的定義，得 即 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 體角內(nèi)發(fā)射(或反射)的輻射通量和該方向與表面法線方向的夾角的余弦成正比朗伯余弦定律。2.2.

26、3 朗伯輻射體及其輻射特性 對于某些自身發(fā)射輻射的輻射源，其輻亮度與方向無關(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。docin/sundae_meng2. 朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系 如圖2-9，極坐標(biāo)對應(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，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 按照出射度的定義得zxydAdSr圖2-9 朗伯體輻射空間坐標(biāo)docin/sundae_meng 對于處在輻射場中反射率為 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

27、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的倍。即M=E，故docin/sundae_meng2.3 光電檢測器件的特性參量 docin/sundae_meng 光電探測器利用光電效應(yīng)，把入射到物體表面的輻射能變換成可測量的電量：(1) 外光電效應(yīng)：當(dāng)光子入射到探測器陰極表面(一般是金屬或金屬氧化物)時，探測器把吸收的入射光子能量(h=hc/)轉(zhuǎn)換成自由電子的動能，當(dāng)電子動能大于電子從材料表面逸出所需的能量時，自由電子逸出探測器表面，并在外電場的作用下，形成了流向陽極的電子流，從而在外電路產(chǎn)生光電流。(2) 光伏效應(yīng)：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

28、對，在P-N結(jié)電場作用下，兩者以相反的方向流過結(jié)區(qū)，從而在外電路產(chǎn)生光電流。(3) 光電導(dǎo)效應(yīng):半導(dǎo)體材料在沒有光照下，具有一定的電阻，在接收入射光輻射能時，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)。docin/sundae_meng對于光輻射探測器的應(yīng)用，人們較關(guān)注的性能是： 探測器的輸出信號值定量地表示多大的光輻射度量，即探測器的響應(yīng)度大小。 對某種探測器，需要多大的輻射度量才能使探測器產(chǎn)生可區(qū)別于噪聲的信號量，即與噪聲相當(dāng)?shù)妮椛涔β蚀笮　?探測器的光譜響應(yīng)范圍，響應(yīng)速度，線性動態(tài)范圍等。與光輻射測量有關(guān)的還有表面響應(yīng)度的均勻性、視場角響應(yīng)特性、偏振響應(yīng)特性等。docin/

29、sundae_meng2.3.1 響應(yīng)度 響應(yīng)度定義為單位輻射度量產(chǎn)生的電信號量，記作R，電信號可以是電流，稱為電流響應(yīng)度；也可以是電壓，稱為電壓響應(yīng)度。對應(yīng)不同輻射度量的響應(yīng)度用下標(biāo)來表示 。 探測器的響應(yīng)度描述光信號轉(zhuǎn)換成電信號大小的能力。輻射度量測量中，測不同的輻射度量，應(yīng)當(dāng)用不同的響應(yīng)度。 探測器的響應(yīng)度一般是波長的函數(shù)。與上面定義的積分響應(yīng)度對應(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，說明積分響應(yīng)度時通常要求指出測量所用的光源特性。 docin/sundae_meng利用公式推導(dǎo)可知，探測器的

30、輻射通量光譜電流響應(yīng)度為: 對于光電探測器，由于受到材料能帶之間的間隙禁帶寬度Eg的限制，響應(yīng)波長具有長波限，最大響應(yīng)波長為式中，EA是光電子逸出探測器表面所需的表面勢壘。docin/sundae_meng表2-5 常見半導(dǎo)體及摻雜半導(dǎo)體的能隙Eg及最大響應(yīng)波長max材料Eg (eV)max (m)材料Eg (eV)max (m)InSb0.225.5GeHg0.0913.8PbS0.423.0GeCu0.04130.2Ge0.671.9GeCd0.0620.7Si1/121.1SiAs0.053723.1CdSe1.80.69SiBi0.070616.3CdS2.40.52SiP0.04527.6PbSe0.235.4SiIn0.1657.5SiMg0.08714.3docin/sundae_mengdocin/sundae_meng2.3.2 噪聲及其評價參數(shù) 在系統(tǒng)中任何虛假的或不需要的信號統(tǒng)稱為噪聲。系統(tǒng)的噪聲可分為來自外部的干擾噪聲和內(nèi)部噪聲。來自外部的干擾噪聲又可分為人為干擾噪聲和自然干擾噪聲；系統(tǒng)內(nèi)部噪聲也可分為人為噪聲和固有噪聲。（1）散粒噪聲 由于光子流以間斷入射的形式投射到探測器表面，以及探測器內(nèi)部光子轉(zhuǎn)換成電子動能而產(chǎn)生的電子流具有統(tǒng)計漲落的特性，形成散粒噪聲。 假設(shè)入射光子服從泊松(Poisson)概率密