光电探测器的物理基础课件

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1、第一章光电探测器,1.1 光电探测器的物理基础 1.2 光电子发射探测器 1.3 光电导探测器 1.4 光伏探测器 1.5 热电探测器 1.6 光电成像器件 1.7 各类光电探测器的性能及应用比较,1.1 光电探测器的物理基础,1.1.1 光辐射与度量 1.1.2 光电探测器概述 1.1.3 光电探测器的性能参数 1.1.4 光电探测器的噪声,1.1.1 光辐射与度量,光的基本性质回顾 1.光是一种电磁波物质 2.电磁波谱（22个量级 ） 3.光学波段 4.光的波粒二象性,1.1.1 光辐射与度量,光学中定量地描述辐射能强度的量有两类： 1.一类是物理的辐射度学量，是用能量单位描述光辐射能的客

2、观物理量； 2.另一类是生理的光度学量，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度。即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量。 3.辐射度量和光度量两者在研究方法和概念上非常类似，它们的基本物理量也是一一对应的。 4.在衡量光电探测器的性能时，或者是评价光电测量系统的指标时，辐射度量和光度量是紧密相关的。,一、辐射度的基本物理量,1辐射能Q 辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为J(焦耳)。 当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热能、电能等。 2辐射通量 辐射通量又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率。单位为W(瓦)，是单位时间内发射、

3、传播或接收的辐射能。 =dQ/dt (Js，焦耳每秒),3辐射强度I 点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射通量，单位为Wsr(瓦每球面度)。 I =,在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角内发射的辐射通量为 = I 在空间所有方向( 4 )上发射的辐射通量为=4I 实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源，其辐射强度随方向而变化，如图所示。,4辐射照度E 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，dA是投射辐射通量d的面积元，单位为Wm2(瓦每平方米)。 EddA 5辐射出射度M 辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，d是扩展源表面dS在半球空间（2立体角)所发出的总的辐射通量，单

4、位为W(瓦每平方米)。 M=ddS E和M的单位相同，区别：前者是描述辐射接收面（探测器）所接收的辐射特性。后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。,6辐射率 L,辐射率定义为辐射强度与辐射表面在垂直于该方向平面上的投影面积的比值。又称辐射亮度。,二光谱辐射量,1.光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。 2.光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。,光谱辐射通量（）： 辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。其关系式为 单位为Wm(瓦每微米)，或Wnm(瓦每纳米)。,多色辐通量，全色辐通量,前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：,光谱辐照度： 光谱

5、辐射出射度： 光谱辐射亮度： 辐射源的总辐射通量是：,三、光度学的基本物理量,1光谱光视效能 人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度存在差异。不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。 对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力。光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即 K()=v/e,2.光谱光视效率,由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数V()。 不同光亮度条件下，人眼对波长的光谱

6、光视效率不同，分为明视觉光谱光视效率和暗视觉光谱光视效率。,暗视觉光谱光视效率 虚线是亮度小于0.001cd/时的暗视觉光谱光视效率，用V()表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的；V()的最大值在507nm处。,V(),V(),明视觉光谱光视效率 实线是亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V()表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的V()的最大值在555nm处。,按人眼的视觉特性V()来评价的辐射通量即为光通量V，这两者的关系为：,3.光通量,等号的左边是光通量，其单位是流明(lm)； 等号的右边的()d是辐射通量，单位是瓦(wnm），

7、V()是光视效率，单位是1/nm。所以等号右边引进一个系数Km，从而使两边的单位一致。 Km的单位为流明瓦(lm/W) Km表示人眼对波长为555nmV(555)=1光辐射产生光感觉的效能。称为最大光谱光视效能。亦称为光功当量。,按国际实用温标IPTS68的理论计算值为 Km683 ( lm/W ) Km683lmW。它表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效率最大(V=1)处，1W的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句话说，此时1lm相当于1683W。 4.光度量和辐射度量之间的换算 Km确定之后，即可对光度量和辐射度量之间进行准确的换算。 由此可进一步探讨辐射度和光度基准的统一。 同

8、理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度量与辐射量之间的关系 ：,人眼的光谱光视效率的数值,5光度学的基本物理量,在辐射度量学中介绍的各个基本量、M、I、L和E对整个电磁波谱都适用； 在光度学中光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波段(380780nm)才有意义。为避免混淆，在光度量符号上加下标“v”。 光度学中相应量V、MV、IV、LV和EV与辐射度量、 M、 I、 L和E之间的对应关系由表给出。,辐射度量和光度量的对照表,6.光度量中的单位,1）最基本的单位是发光强度单位坎德拉(cd) 是国际单位制中七个基本单位之一。 定义是频率为5401012

9、Hz(对应在空气中555nm波长)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为 1/683(W/sr)时，在该方向上的发光强度为1cd。 2）光通量的单位是流明(lm) 1lm它是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角(1sr)内发出的光通量。 3）光照度的单位是勒克斯(lx) 1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1面积上所产生的光照度。,解： OP=x，P点所在球面的面积为：s=4x2 通过s的光通量： =I= 4 (lm) 因为是点光源，均匀辐射，则P点的光照度： EV= /s= 4 / 4x2=1/x2 当x=1m， EV=1 （lx) 当x=2m， EV=0.25 （lx),思考题：在O点

10、处，有一点光源，发光强度为1cd， 求：空间任意一点P的光照度EV=?,思考：若光源为1W的灯泡，结论如何？,四、辐射度与光度中的基本定律,1.余弦定律,s,S,0,S和S对O点所张的立体角是相同的，对于两个面来讲其辐射通量是相同的，两个面的辐照度分别为,由于,所以,任一表面上的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间夹角的余弦而变化。,2.距离平方反比定律,在不考虑辐射传输损失时， 点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。,3.亮度守恒定律,一个封闭光束在无损失的同种介质传输时，不仅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封闭光束的各个截面的亮度也处处相等。,光源发射光波的过程

11、或光波自身称为光辐射 1）跃迁辐射与受激辐射 2）热辐射：有一定温度的物体引起的辐射 3）湮灭辐射 4）场致发光 5）同步辐射,1.光辐射,五、黑体辐射,2.热辐射,任何温度在绝对温度以上的物体都存在热辐射； 热辐射的光谱是连续光谱； 热辐射的光谱分布取决于发射体的温度和性质。 发射本领与吸收本领 发射本领：单位频率间隔内单位面积物体所发射的辐射通量称为发射本领，它是温度和频率的函数。 吸收本领：被物体吸收的辐射通量占射到物体上的辐射通量的百分比,也是温度和频率的函数。,3.黑体辐射定律,基尔霍夫定律：任何物体的发射本领和吸收本领在同一温度下成正比，其比值是与物质性质无关、仅随频率和温度而改变

12、的普适函数。 吸收本领等于1的黑体，其发射本领即为普适函数。 普朗克公式,4.维恩维移定律：任何温度下黑体的发射本领都有一最大值，它对应的波长和绝对温度成反比，即 mT = b ( b=2898 m.K ) 它表明，随着温度的提高，辐射本领的最大值向短波方向移动。根据它可判断热辐射颜色与温度的关系，并确定探测器的选择。 5.斯忒藩波尔兹曼定律： 测温中的应用 黑体总辐射通量和绝对温度的四次方成正比 ： =T 4,6.比辐射率(辐射率),在自然界中黑体的发射能力最强，它实际上是一种理想情况，实际物体的发射能力都小于黑体。 为了描述实际物体的热辐射情况，在普朗克公式中应乘以一个小于1的系数。这个系

13、数称为物体的比辐射率(发射率)，也称为热辐射效率。,的值不仅依赖于波长和温度，也依赖发射的角度。 大多数常见物体的与发射角度的依赖关系基本上可忽略，与波长和温度的依赖关系也很微弱。在常用的波长范围内，为实用方便，常把作为常数。,定义：实际物体的辐射能力M(T)与同温度下黑体辐射能力Mb(T)的比值：,常见物质的辐射率,沥青：0.90-0.98 混凝土：0.94 水泥：0.96 土： 0.92-0.96 水：0.92-0.96 人的皮肤：0.98 塑料：0.85,六、光电仪器中的常用光源,发光二极管LED,一、发光二极管的工作原理 二、发光二极管的基本结构 三、发光二极管的工作特性,发光二极管的

14、工作原理,LED发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。LED分为正面发光型和侧面发光型，侧面发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比正面发光型LED高。,发光二极管的基本结构,球透镜,环氧树脂,P层,有源层,N层,发光区,(a)正面发光型,微透镜,P型限制层,有源层,波导层,N型限制层,(b)侧面发光型,发光二极管的工作特性,光谱特性 输出光功率特性,LED的光谱特性,发光二极管发射的是自发辐射光，没有光学谐振腔对波长的选择，谱线宽，短波长LED谱线宽度为3050nm

15、。长波长LED的谱线宽度为6120nm。,1300 波长/nm,LED的输出光功率特性,正面发光,侧面发光,电流I/mA,发射光功率,P/mw,0 100 200 300 400 500,LED的一般外量子效率小于10%，驱动电流较小时，P-I特性呈线性，I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I特性曲线斜率减小。通常LED的工作电流为50100mA，输出光功率为几mW ，由于发光光束辐射角大，入纤光功率只有几百W。,1.光源的基本特性参数,（1）辐射效率和发光效率,辐射效率是在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比,发光效率是指某一光源所发射的光通量与产

16、生这些光通量所需的电功率之比,常用光源的发光效率,2.光谱功率分布,1）连续光谱源 它通常是热激发源，由从紫外到红外范围的发射波长，如白炽灯。 2）线光谱源 它的光谱在紫外到红外有一些分立的窄带。气体放电灯和磷光灯。 3）带状光谱 如高压钠灯。 4）混合光谱 如荧光灯。,3.光源的色温,1）分布色温 辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为辐射源的分布色温。,2）辐射源的色温 辐射源发射光的颜色与黑体在某温度下辐射光的颜色相同，则黑体这一温度称为辐射源的色温。,1.1.2 光电探测器概述,光电探测器：光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。 光电探测器的分类 光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按探测机理的物理效应可分为两大类： 一类是利用各种光子效应的光子探测器， 另一类