光電技術(shù)第1章第2節(jié)課件

光學(xué)系統(tǒng)CCD2

輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對(duì)光輻射進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見(jiàn)光譜區(qū)）經(jīng)常相互使用，它們之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；本節(jié)將重點(diǎn)討論輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，掌握了這些轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對(duì)用不同度量參數(shù)標(biāo)定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。1.4輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系1.4.1人眼的視覺(jué)靈敏度(光譜光視效率)1.4.1人眼的視覺(jué)靈敏度(光譜光視效率)視網(wǎng)膜：人眼感知圖像信號(hào)的窗口。視網(wǎng)膜上分布著無(wú)數(shù)的光接收細(xì)胞。錐狀細(xì)胞：約6000000～7000000個(gè)；對(duì)顏色很敏感，適應(yīng)于強(qiáng)照度；人類利用它分辨物體細(xì)節(jié)；

錐狀細(xì)胞視覺(jué)稱為適亮視覺(jué)。柱狀細(xì)胞：約75000000～150000000個(gè)；對(duì)顏色不敏感，適應(yīng)于低照度；

柱狀細(xì)胞主要提供視野的整體視像；柱狀細(xì)胞視覺(jué)稱為適暗視覺(jué)。

V’(λ）也是一個(gè)無(wú)量綱的相對(duì)值，它與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖1-5中的虛線所示。(1-55)對(duì)于正常人眼的柱狀細(xì)胞，以微弱的各種單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長(zhǎng)=0.507μm處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長(zhǎng)λ的光譜輻射亮度

Le,λ。把Le，507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺(jué)光譜光視效率，即1.4.2人眼的光譜光視效能

無(wú)論是錐狀細(xì)胞還是柱狀細(xì)胞，單色輻射對(duì)其刺激的程度與V(λ)Le,λ成正比。對(duì)于明視覺(jué)，刺激程度平衡的條件為

（1-56）式中，Km為人眼的明視覺(jué)最靈敏波長(zhǎng)的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。對(duì)于暗視覺(jué)，為式中，K‘m為人眼的暗視覺(jué)最靈敏波長(zhǎng)的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。

（1-58）（1-57）（1-59）令K（λ），K`（λ）分別為人眼的明視覺(jué)及暗視覺(jué)光譜光視效能。例1-3已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？解He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據(jù)式（1-56）可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=KmV(λ)Φe,λ

=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)（1-62）式中,V是輻射體的光視效率。標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖1-7所示例如，對(duì)于色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效能為17.1lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe＝100W時(shí)，其光通量為Φv=1710lm。色溫越高的輻射體，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢絲燈的供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見(jiàn)光部分的光譜減弱，光視效能降低。1.3物體熱輻射物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。第一種稱為熱輻射或溫度輻射（平衡）。第二種稱為發(fā)光（非平衡）。1.3.1黑體輻射（標(biāo)準(zhǔn)輻射源）定律1.黑體能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長(zhǎng)的輻射，并且在每一個(gè)方向都能最大可能地發(fā)射任意波長(zhǎng)輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。2.普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻出度Me,s,λ（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示為

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；c為真空中的光速。

（1-40）

黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,λ分別為（1-41）圖1-2繪出了黑體輻射的相對(duì)光譜輻亮度Le,s,λr與波長(zhǎng)的等溫關(guān)系曲線。4.維恩位移定律將普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)取偏導(dǎo)數(shù)令其等于0，則可以得到峰值光譜輻出度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm與絕對(duì)溫度T的關(guān)系

(μm)（1-43）

可見(jiàn)，峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻出度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

將式（1-43）代入式（1-40），得到黑體的峰值光譜輻出度

W·cm-2·μm-1·K-5

以上三個(gè)定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。

（2）由維恩位移定律，正常人體的峰值輻射波長(zhǎng)為

(μm)=9.36μm

峰值光譜輻射出射度為

Wcm-2μm-1

=3.72Wcm-2μm-1

（3）人體發(fā)燒到38℃時(shí)峰值輻射波長(zhǎng)為

發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻射出射度為

=3.81Wcm-2μm-1

例1-2將標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈作為黑體時(shí)，試計(jì)算它的峰值輻射波長(zhǎng)，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。解標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的溫度為TW=2856K，因此它的峰值輻射波長(zhǎng)為

(μm)峰值光譜輻射出射度為=1.309×28565×10-15

=248.7Wcm-2μm-1

總輻射出射度為1.3.2輻射體的分類及溫度表示2.熱輻射體的溫度表示對(duì)具有一定亮度和顏色的熱輻射體，根據(jù)黑體輻射定律，可用三種溫度進(jìn)行標(biāo)測(cè)。輻射溫度Te，當(dāng)熱輻射體發(fā)射的總輻射通量與黑體發(fā)射的總輻射通量相等時(shí)，以黑體的溫度標(biāo)度該熱輻射體的溫度，這種溫度稱為輻射溫度Te。(2)色溫Tf，當(dāng)熱輻射體在可見(jiàn)光區(qū)域發(fā)射的光譜輻射分布與某黑體的可見(jiàn)光譜輻射分布相同時(shí)，以黑體的溫度來(lái)標(biāo)度該熱輻射體的溫度，稱為熱輻射體的色溫Tf。(3）亮溫度Tv當(dāng)熱輻射體在可見(jiàn)光區(qū)某一波長(zhǎng)λ0的輻射亮度Le,λ0，等于黑體在同一波長(zhǎng)λ0的輻射亮度Le,s,λ0時(shí)，以黑體溫度來(lái)標(biāo)度該熱輻射體的溫度，稱為亮溫度Tv。

1.5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

1.5.1物質(zhì)對(duì)光吸收的一般規(guī)律

（1-63）式中，α稱為吸收系數(shù)。通過(guò)x路程的光通量為：（1-64）可見(jiàn)，當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時(shí)，透過(guò)的能量衰減到原來(lái)能量的e-1時(shí)所透過(guò)的路程的倒數(shù)等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)α，即（1-65）根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時(shí)，其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律exp(-ωμxc-1)衰減。（1-68）

普通玻璃的消光系數(shù)μ也與波長(zhǎng)λ無(wú)關(guān)，因此，它們對(duì)短波長(zhǎng)輻射的吸收比長(zhǎng)波長(zhǎng)強(qiáng)。當(dāng)不考慮反射損失時(shí)，吸收的光通量應(yīng)為

1.5.2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征吸收。1.本征吸收

本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格吸收顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，才能使價(jià)帶EV上的電子吸收足夠的能量躍入到導(dǎo)帶底能級(jí)EC之上，即由此，可以得到發(fā)生本征吸收的光波長(zhǎng)波限（1-69）（1-70）只有波長(zhǎng)短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。(μm)2.雜質(zhì)吸收：引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能

N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級(jí)（施主能級(jí)）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。同樣，P型半導(dǎo)體中，價(jià)帶上的電子吸收了能量hv大于ΔEA（受主電離能）的光子后，價(jià)電子躍入受主能級(jí)，價(jià)帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級(jí)上的空穴吸收光子能量躍入價(jià)帶。

這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過(guò)程稱為雜質(zhì)吸收。顯然，雜質(zhì)吸收的長(zhǎng)波限（1-71）（1-72）由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，雜質(zhì)吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)總要長(zhǎng)于本征吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)。雜質(zhì)吸收會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會(huì)引起光電效應(yīng)。(μm)(μm)3.激子吸收

當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來(lái)束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

4.自由載流子吸收

對(duì)于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高時(shí)，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時(shí)，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而增強(qiáng)。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的不同能級(jí)間的躍遷所引起的，稱為自由