第一章光电检测应用中的基础知识

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1、Henan Normal University1第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1.1 1.1 辐射度学和光度学基本概念辐射度学和光度学基本概念1.2 1.2 半导体基础知识半导体基础知识1.3 1.3 基本定律基本定律1.4 1.4 光电探测器的噪声和特性参数光电探测器的噪声和特性参数 2 2第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识 1.11.1、辐射度学和光度学基本概念、辐射度学和光度学基本概念 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的度量计算，常需要对光辐射给出相应

2、的计量参数和量纲。光辐射的度量方法有两种：a）物理（或客观）的计量方法物理（或客观）的计量方法，称为辐射度学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量。b）生理（或主观）的计量方法生理（或主观）的计量方法，以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法，称为光度参数。只适用于可见光谱区域，是对光强度的主观评价。3 3第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识 1.1.11.1.1、辐射度学基本物理量、辐射度学基本物理量 1. 辐射能：把以电磁波形式传播的能量称为辐射能，用表示，单位为焦耳（J）。eQhveQeQ辐射能既可以表示辐射源发出

3、的电磁波的能量，也可以表示被辐射表面接收到的电磁波的能量。普朗克常数光频辐射功率辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量，属于基本物理量，它们的量值都可以用专门的红外辐射计在离开辐射源一定的距离上进行测量。所以其他辐射量都是由辐射功率（或称辐射通量）定义的。4 4第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识2. 辐射功率（辐射通量）辐射功率（辐射通量）e e ：单位时间内从面元ds辐射出来的各种波长（从0）的光能量，称为面积元ds的辐射通量。用e表示，单位瓦特（W）或焦耳秒-1（J s -1 ）dtdQee辐射通量辐射通量e又称为又称为辐射辐射功率功率P，表征发光表

4、面辐，表征发光表面辐射能量射能量 的大小。的大小。5 5第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识3. 辐射强度辐射强度Ie ：点辐射源在不同方向上的辐射特性，点辐射源在不同方向上的辐射特性，在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）ddIee立体角：一个任意形状椎面所包含的空间， 符号： 单位：Sr2RA点辐射源：辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）6 6第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识 单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角

5、截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面度。 对于一个给定顶点O 和一个随意方向的微小面积dS ，它们对应的立体角为 其中为dS 与投影面积 dA的夹角，R为O 到dS中心的距离。2cosRdSd7 7第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识球面所对应的立体角：根据定义全球所对应的立体角(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4空间.)同理，半球所对应的立体角为2空间。2RS4422RR8 8第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识4. 辐射亮度辐射亮度Le ：辐射表面辐射表面在指定方向的辐射强度除以该表面

6、在垂直给定方向平面上的正投影面积，单位：w/(m2sr)dSedIcosdScoseedILdS由辐射表面定向发射的辐射强度。扩展源扩展源9 9第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识5. 辐出度辐出度Me ：面辐射源的单位面积上辐射的辐通量w/m2dLdSdMeee扩展源总的辐射通量，等于辐射出射度对辐射表面积的积分： A为扩展源面积dAMA1010第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识6. 辐照度辐照度Ee ：单位面积内所接受到的辐射通量。eddAeedEdA单位：瓦米-2（W m-2）上述单位下标e表示辐射度学物理量，在实际计算或者测量过

7、程中，往往要考虑方向和波长，所以在实际使用时，需要加下标 或者 来加以区分。1111第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1.1.2. 1.1.2. 光度学基本物理量光度学基本物理量 视见函数的曲线如下图所示，图中虚线是暗视觉视见函数，实线是明视觉视见函数。人眼对于波长为555nm的绿色光最敏感，取其视见函数值为1。其它的波长小于1，而在可见光谱以外的波段等于0。 光谱视觉敏感度光谱视觉敏感度 人眼在可见光谱范围的视觉人眼在可见光谱范围的视觉敏感度随波长而变化，峰值为敏感度随波长而变化，峰值为555 555 nmnm（绿色）光通量就是以人眼视（绿色）光通量就是以人眼视

8、觉曲线为标准的能量。觉曲线为标准的能量。1212第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1. 光通量光通量v表示人眼对光辐射通量所引起的视觉强度值，单位：流明(lm)780,380( )vmeKVd 正比于辐射通正比于辐射通量和视觉函数量和视觉函数mK 辐射度量与光度量之间的比例系数；683 lm/W, e 辐射通量，单位：W。( )V 人眼光谱光视效率，对不可见光。 ( )0V当波长 时， 555nm( )1VveCV 1313第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识常见某些光源常见某些光源的光通量的光通量1w（=555nm）=683 lm1w

9、 （=490nm ）=0.2*683=137 lm辐射功率比重对比光谱视觉敏感度800Na波长波长 (nm) 400500600700555 nm490 nm589 nm相对视觉灵敏度相对视觉灵敏度 00,20,40,60,81,01、自行车头灯3W，30 lm2、白炽灯75W，900 lm3、荧光灯 58W ， 5200 lm发光效率不同1414第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识2. 发光强度发光强度Iv点光源在单位立体角中发出的光通量。 在一半径为r 的球心 O 处放一光源，它向球表面 ABCD 所包围面积 S 上发出 v 的光通量。面积 S 在球心形成的立体

10、角为：2sr 则这一方向的发光强度为：vI 发光强度的单位：坎德拉（Candela），符号cd。立体角的单位：球面度，符号sr。国际单位制之一111lmcdsrddIvv1515第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识3. 亮度亮度Lv发光表面在指定方向的发光强度除以该表面在垂直给定方向平面上的正投影面积。从平面反射到眼球中的光量来度量的发光强度。单位：cd/m2 一般白纸大约吸收入射光量的一般白纸大约吸收入射光量的20%，反射光量为，反射光量为80%；黑纸只反；黑纸只反射入射光量的射入射光量的3%。所以，白纸和黑纸在亮度上差异很大。所以，白纸和黑纸在亮度上差异很大。不

11、同物体对光有不同的反射系数或吸收系数。 cosdILdAdSedIcosdS1616第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识4. 光出射度光出射度Mv也称为面发光度。其定义为面光源从单位面积上辐射的光通量 单位为 lmm2 (流明每平方米)。1717第第1 1章章 光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识4. 光照度光照度Ev被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称为该点的照度2111mlmlx 单位：勒克斯（lx）dEdAddA夏天中午阳光下 109 lx阅读书刊所需照度 50-60 lx家用摄像机 1400 lx晴天室内 1001000 lx月夜 0.02