光电技术（PPT课件） .pdf

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1、光光 电电 技技 术术 天津大学精仪学院 王庆有 2009年2月 天津大学精仪学院 王庆有 2009年2月 第1章 光电技术基础第1章 光电技术基础 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是 以电磁波方式传播的粒子。 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是 以电磁波方式传播的粒子。 光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或 光子。光子具有动量与能量，并分别表示为 光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或 光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p与与e，式中，式中 h h为普朗克常数（为普朗克常数（6.6266.6261010-34 -34J Js s）； ）；v为光的振动频率

2、 (s 为光的振动频率 (s-1 -1)； )；c为光在真空中的传播速度（为光在真空中的传播速度（3 310108 8m ms s-1 -1）。 ）。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光 电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光 电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为 电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线 到无线电波（10 图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为 电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线 到无线电波（102 2101025

3、 25Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁 波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米， 即10 Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁 波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米， 即10-9 -910 10-3 -3m的范围。在这个范围内，只有0.380.78m的 光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。 m的范围。在这个范围内，只有0.380.78m的 光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。 红外紫外可见光 10 15 6 1821912 10101010101010 324 f/Hz 图1-1 电磁辐射光谱的分布 X射线 射线 近红外 远红外 电磁波 1.1 光

4、辐射的度量 1.1 光辐射的度量 1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数 1. 辐（射）能和光能辐（射）能和光能 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号Qe表 示，其计量单位为焦耳（ 表 示，其计量单位为焦耳（J）。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以 ）。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其计量单位 为流明秒（ 表示，其计量单位 为流明秒（lms）。）。 2.辐（射）通量和光通量辐（射）通量和光通量 辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、

5、传播或接收的功 率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能 称为辐（射）通量，以符号 辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、传播或接收的功 率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能 称为辐（射）通量，以符号e e表示， 其计量单位为瓦（W），即表示， 其计量单位为瓦（W），即 t Q d d e e t Q e e 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收 的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔d 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收 的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt t来除，其商定 义为光通量 来除，其商定 义

6、为光通量v v，即，即 （1-3） （1-3） 若在若在t t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则 式（1-3）简化为 （1-4） 时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则 式（1-3）简化为 （1-4） v的计量单位为流(明)（lm）。 显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能， 而光通量对时间的积分称为光能。 v的计量单位为流(明)（lm）。 显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能， 而光通量对时间的积分称为光能。 t Q d d v v t Q v v 3.辐(射)出(射)度和光出(射)度 对有限大小面积对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向 半球面空间内发射

7、的辐通量 的面光源，表面某点处的面元向 半球面空间内发射的辐通量de与该面元面积与该面元面积dA之 比，定义为辐 之 比，定义为辐(射射)出出(射射)度度Me，即，即 A M d d e e )( ee d A AM （1-5） Me的计量单位是瓦（特）每平方米的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2。 面光源面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为向半球面空间内发射的总辐通量为 （1-6） 对于可见光，面光源对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发 射的光通量 表面某一点处的面元向半球面空间发 射的光通量dv、与面元面积、与面元面积dA之比称为光出之比称为光出(射射)度度Mv，即，即 （

8、1-7） 其计量单位为勒 ） 其计量单位为勒(克司克司)lx或或lm/m2。 对均匀发射辐射的面光源有对均匀发射辐射的面光源有 （1-8） 由式（ 由式（1-7），面光源向半球面空间发射的总光通量为），面光源向半球面空间发射的总光通量为 （1-9） （1-9） A M v v )( vv d A AM A M d d v 4.辐(射)强度和发光强度 4.辐(射)强度和发光强度 对点光源在给定方向的立体角元d对点光源在给定方向的立体角元d内发射的辐通量d内发射的辐通量de e，与 该方向立体角元d ，与 该方向立体角元d之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度

9、 I Ie e，即 辐 ，即 辐(射射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度强度的计量单位为瓦（特）每球面度 Wsr。 点光源在有限立体角点光源在有限立体角内发射的辐通量为内发射的辐通量为 各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为 I d d e e （1-10） Id ee（1-11） 4 0 eee 4dII （1-12） 对可见光，与式（对可见光，与式（1-9）类似，定义发光强度为 对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为 ）类似，定义发光强度为 对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向 而异。

10、 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向 而异。 I d d v v （1-13） Id vv （1-14） 发光强度发光强度的单位是坎德拉的单位是坎德拉（candela），简称为坎，简称为坎cd。 1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重 新定义为： 在给定方向上能发射 年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重 新定义为： 在给定方向上能发射5401012Hz的单色辐射源，在 此方向上的辐强度为 的单色辐射源，在 此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义 为 ，其发光强度定义 为一个坎德拉一个坎德拉cd。 由式（由式（1-13），对发光强度为），对发光强度为

11、1cd的点光源，向 给定方向 的点光源，向 给定方向1球面度球面度(sr)内发射的光通量定义为内发射的光通量定义为1流明 （ 流明 （lm）。）。发光强度为发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发 出的总光通量为 的点光源在整个球空间所发 出的总光通量为=4I 12.566 lm。 5.辐(射)亮度和亮度 5.辐(射)亮度和亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上的 辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的 正投影面积，称为辐射亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上的 辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的 正投影面积，称为辐射亮度L Le e，即，即 式中，为所给方向与面元法线之间的夹角

12、。辐亮 度 式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮 度L Le e的计量单位为瓦（特）每球面度平方米W （sr 的计量单位为瓦（特）每球面度平方米W （srm m2 2 ）。 ）。 cosdd d cosd d e 2 e e A A I L（1-15） 对可见光，亮度 对可见光，亮度L Lv v定义为光源表面某一点处的 面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂 直给定方向平面上的正投影面积，即 定义为光源表面某一点处的 面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂 直给定方向平面上的正投影面积，即 L Lv v的计量单位是坎德拉每平方米cdm的计量单位是坎德拉每平方米cdm2 2。 cosd

13、d d cosd d v 2 v v A A I L （1-16） 若若L Le e ，L ，Lv v与光源发射辐射的方向无关，且由式 （1-15）、（1-16）表示，这样的光源称为余弦辐射 体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而 一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体 或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 与光源发射辐射的方向无关，且由式 （1-15）、（1-16）表示，这样的光源称为余弦辐射 体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而 一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体 或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 余弦辐射体表面某面元d 余弦辐射体表面某面

14、元dS S 处向半球面空间发射 的通量为 处向半球面空间发射 的通量为 式中， 。 式中， 。 光学系统光学系统CCD2 SLddcosd ddsind 对上式在半球面空间内积分的结果为 对上式在半球面空间内积分的结果为 由上式得到由上式得到余弦辐射体余弦辐射体的的M Me e与与L Le e、M Mv v与与L Lv v的 关系为 的 关系为 2 0 2 0 ddcossinddd ALAL e e M L v v M L （1-17） （1-18） 6.辐(射)效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量 光源所发射的总辐射通量e与外界提供给光源的功率与外界提供给光源的功率P之比 称为光源的辐

15、之比 称为光源的辐(射射)效率效率e；光源发射的总光通量；光源发射的总光通量v与提供的功 率 与提供的功 率P之比称为发光效率之比称为发光效率v。它们分别为。它们分别为 辐效率 辐效率e无量纲，发光效率无量纲，发光效率v的计量单位是流明每瓦的计量单位是流明每瓦lmW-1。 对限定在波长对限定在波长12范围内的辐效率范围内的辐效率 0 0 e e 100 P P v v （1-19） （1-20） 0 0 2 1 e e 100 d P （1-21） 1.1.2 与接收器有关的辐射度参数与光度参数 从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与接收器有关的辐射度参数 与光度参数。接收光源发射辐射的接

16、收器可以是探测器，也可以是反射辐射 的反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下 从接收器的角度讨论辐射度与光度的参数称为与接收器有关的辐射度参数 与光度参数。接收光源发射辐射的接收器可以是探测器，也可以是反射辐射 的反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度参数与光度参数有以下2种。种。 1.辐照度与照度 辐照度辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量是照射到物体表面某一点处面元的辐通量de除以该面元的面积除以该面元的面积 dA的商，即的商，即 E Ee e的计量单位是瓦（特）每平方米Wm的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2 2。 。 A E d d e e （1-22）

17、 若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式 （1-22）简化为 若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式 （1-22）简化为 注意，不要把辐照度注意，不要把辐照度Ee与辐出度与辐出度Me混淆起来。 虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是 从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐 出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。 混淆起来。 虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是 从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐 出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。 被测物被测物 光学系统光学系统2 CCD2 光学系统光学系统1 重叠部分重叠部分 A E e e (1-23) 本身不辐射的反射体接收辐射

18、后，吸收一部 分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则 光谱辐出度 本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部 分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则 光谱辐出度M Mer er（ （）（）（r r 代表反射）与辐射体 接收的光谱辐照度 代表反射）与辐射体 接收的光谱辐照度E Ee e（）的关系为 ）的关系为 式中,式中,e e（）为辐射度光谱反射比，是波长 的函数。对式（1-24）的波长积分，得到反射 体的辐出度 （）为辐射度光谱反射比，是波长 的函数。对式（1-24）的波长积分，得到反射 体的辐出度 (1-25) )()( eeer EM(1-24) d)( eee EM 对可见光，照射到物

19、体表面某一面元的光通量d对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dv v除 以该面元面积d 除 以该面元面积dA A称为光照度称为光照度E Ev v，即，即 A E d d v v （1-26） A E v v Ev的计量单位是勒（克司）的计量单位是勒（克司）lx。 对接收光的反射体，同样有对接收光的反射体，同样有 )()()( vvv EM d)( vvv EM （1-27） （1-28） 式中，式中，v（）为光度光谱反射比，是波长的函数。）为光度光谱反射比，是波长的函数。 2.辐照量和曝光量2.辐照量和曝光量 辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量 的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所

20、接 收的入射辐射能量有关。 照射到物体表面某一面元的辐照度 辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量 的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接 收的入射辐射能量有关。 照射到物体表面某一面元的辐照度E Ee e在时间在时间t t 内的积分称为辐照量内的积分称为辐照量H He e，即 ，即 t tEH 0 ee d （1-29） 辐照量辐照量He的计量单位是焦尔每平方米的计量单位是焦尔每平方米 J/m2。 如果面元上的辐照度如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式（与时间无关，式（1-29）可简化 为 ）可简化 为 tEH ee （1-30） 与辐照量 与辐照量He对应的光度量是曝光量对应的光度量是

21、曝光量Hv，它定义 为物体表面某一面元接收的光照度 ，它定义 为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间在时间t内的积 分，即 内的积 分，即 t tEH 0 vv d （1-31） Hv的计量单位是勒（克司）秒的计量单位是勒（克司）秒lx.s。 如果面元上的光照度如果面元上的光照度Ev与时间无关，式（与时间无关，式（1-31）可 简化为 ）可 简化为 tEH vv 1.2 光谱辐射分布与量子流速率 1.2.1 光源的光谱辐射分布参量 光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布 的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量 的光谱密度Xe,，简称为光谱辐射量，即 d d e , e x X

22、式中，通用符号Xe,是波长的函数，代表所有的光谱辐 射量，如光谱辐射通量e,、光谱辐射出度Me,、光谱 辐射强度Ie,、光谱辐射亮度Le,、光谱辐照度Ee,等。 （1-32） 同样，以符号Xv,表示光源在可见光区单位波长范 围内发射的光度量称为光度量的光谱密集度，简称为光 谱光度量，即 d d v ,v X X 式中，Xv,代表光谱光通量v,、光谱光出射度Mv,、 光谱发光强度Iv,和光谱光照度Ev,等。 （1-33） 光源的辐射度参量Xe,随波长的分布曲线称为 该光源的绝对光谱辐射分布曲线。 该曲线任一波长该曲线任一波长处的处的X Xe, e,除以峰值波长 除以峰值波长max max处的光谱

23、 辐射量最大值 处的光谱 辐射量最大值X Xe, e,maxmax的商 的商X Xe, e,r r，称为光源的相对光谱辐 射量，即 ，称为光源的相对光谱辐 射量，即 max , e , e r, e X X X （1-34） 相对光谱辐射量Xe,r与波长的关系称为光源相对光 谱辐射分布。 光源在波长12 范围内发射的辐射通量 2 1 , ee d （1-35） 若积分区间从1 =0到2 ，得到光源发出的所有波 长的总辐射通量 0 r, e max , e 0 , ee dd 光源在波长1 2 之间的辐通量e与总辐 通量e之比称为该光源的比辐射qe，即 0 , e 2 1 , e e d d q

24、 式中，qe没有量纲。 （1-36） （1-37） 1.2.2 量子流速率 1.2.2 量子流速率 光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总 和。光源在给定波长处, 由到波长范围内发射的辐 射通量de除以该波长的光子能量hv，得到光源在该 波长处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率 dNe,，即 hv hv N dd d , e e , e 光源在波长为0范围内发射的总量子流速率 0 , e max , e 0 , e e d d r hc hv N （1-38） （1-39） 对可见光区域，光源每秒发射的总光子数 d 78. 0 38. 0 , e v hc N 量子流速率Ne或Nv的计

25、量单位为辐射元的光子数每秒 1/s。 （1-40） 1.3 物体热辐射1.3 物体热辐射 物体通常以两种不同形式发射辐射能量。 第一种称为热辐射。第二种称为发光。 物体通常以两种不同形式发射辐射能量。 第一种称为热辐射。第二种称为发光。 1.3.1 黑体辐射定律1.3.1 黑体辐射定律 1.黑体1.黑体 能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐 射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波 长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数 为1，发射系数也为1。 能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐 射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波 长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数 为

26、1，发射系数也为1。 2.普朗克辐射定律2.普朗克辐射定律 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射 度 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射 度Me,s, （角标 （角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示 为 表示黑体）由普朗克公式表示 为 式中，式中，k为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；为普朗克常数；T为 绝对温度； 为 绝对温度；c为真空中的光速。为真空中的光速。 ) 1e ( 2 5 2 , s , e kT hc hc M （1-40） 黑体光谱辐亮度Le,s,和光谱辐强度Ie,s,分别为 ) 1e ( 2 5 2 s,e, kT hc hc L （1-41） ) 1e

27、( cos2 5 2 s,e, kT hc hAc I 图图1-2 绘出了黑体辐 射的相对光谱辐亮度 绘出了黑体辐 射的相对光谱辐亮度 Le,s, r与波长的等温 关系曲线。图中每一 条曲线都有一个最大 值，最大值的位置随 温度升高向短波方向 移动。 与波长的等温 关系曲线。图中每一 条曲线都有一个最大 值，最大值的位置随 温度升高向短波方向 移动。 将式（1-40）对波长求积分，得到黑体发射的 总辐射出射度 s , e M 0 4 , s , es , e dTMM （1-42） 式中，是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决 定 428 23 45 KWm1067 . 5 15 2 ch k 由

28、式（1-42），Me,s与T的四次方成正比 3.3.斯忒藩-波尔兹曼定律 将普朗克公式（1-40）对波长求微分后令其 等于0，则可以得到峰值光谱辐射出射度所对 应的波长m与绝对温度T的关系为 T m 2898 (m) （1-43） 可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度 的乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射 出射度对应的波长向短波方向位移，这就是维 恩位移定律。 4. 维恩位移定律 将式（1-43）代入式（1-40），得到黑体的峰值光 谱辐出度 将式（1-43）代入式（1-40），得到黑体的峰值光 谱辐出度 155 se 103091 T.M m , Wcm-2m-1K-5 以上三个定律

29、统称为黑体辐射定律。 例例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为若可以将人体作为黑体，正常人体温的为 36.5，（，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射 度为多少 ）试计算正常人体所发出的辐射出射 度为多少W/m2？（？（2）正常人体的峰值辐射波长 为多少 ）正常人体的峰值辐射波长 为多少m？峰值光谱辐射出射度？峰值光谱辐射出射度Me,s, m为多 少？（ 为多 少？（3）人体发烧到）人体发烧到38时峰值辐射波长为多 少？发烧时的峰值光谱辐射出射度 时峰值辐射波长为多 少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s, m又为多 少？ 解 （1）人体正常体的绝对温度为 又为多 少？ 解 （1）人体

30、正常体的绝对温度为 T T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定 律，正常人体所发出的辐射出射度为 =36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定 律，正常人体所发出的辐射出射度为 24 , s , e m/W3 .5205 .309M （2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为 T m 2898 (m)=9.36m 峰值光谱辐射出射度为 155 se 103091 T.M m , Wcm-2m-1 =3.72 Wcm-2m-1 （3）人体发烧到38时峰值辐射波长为 m32. 9 38273 2898 m 发烧时

31、的峰值光谱辐射出射度为 155 , s , e 10309. 1 TM m =3.81Wcm-2m-1 例1-2 将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波 长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。 解 标准钨丝灯的温度为 例1-2 将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波 长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。 解 标准钨丝灯的温度为T TW W=2856K，因此它的峰值辐射 波长为 =2856K，因此它的峰值辐射 波长为 015. 1 2856 28962898 T m (m) 峰值光谱辐射出射度为 155 , s , e 10309. 1 TM m =1.3092856510-1

32、5 =248.7Wcm-2m-1 总辐射出射度为 24484 , s , e m/W1077. 328561067. 52856 M 光学系统光学系统CCD2 辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射 进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内 （可见光谱区）经常相互使用，它们之间存在着 一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参 数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参 数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是 很重要的。本节将重点讨论它们的转换关系，掌 握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标 定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。 1.4 辐射度参数与光度参数的关系辐射度参数与光度参

33、数的关系 用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的 锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555m 处的光谱辐射亮度 用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的 锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555m 处的光谱辐射亮度L Le,m e,m小于其它波长的光谱辐亮度 小于其它波长的光谱辐亮度L Le, e, 。把波长=0.555m的光谱辐射亮度 。把波长=0.555m的光谱辐射亮度L Le,m e,m被其它波 长的光谱辐亮度 被其它波 长的光谱辐亮度L Le, e,除得的商，定义为正常人眼的明 视觉光谱光视效率 除得的商，定义为正常人眼的明 视觉光谱光视效率V V（），即

34、（），即 e, m e, )( L L V （1-54） 1.4.1 人眼的视觉灵敏度1.4.1 人眼的视觉灵敏度 如图1-5所示为人眼的明 视觉光谱光视效率V（） ，它为与波长有关的相对值。 对正常人眼的圆柱细胞， 以微弱的各种单色辐射刺 激时，发现在相同刺激程 度下，波长为处的光谱辐 射亮度Le，507nm小于其他波 长的光谱辐射亮度 Le,。 把 Le，507nm 与Le,的比值 定义为正常人眼的暗视觉 光谱光视效率，即 V(）也是一个无量纲的相对值，它与波长的 关系如图1-5中的虚线所示。 e, nm507, e )( L L V (1-55) 对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单

35、色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为 处的光谱辐射亮度Le，507nm小于其他波长的光 谱辐射亮度 Le,。把 Le，507nm 与Le,的比值定义 为正常人眼的暗视觉光谱光视效率，即 1.4.2 人眼的光谱光视效能 无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其 刺激的程度与Le,成正比。 对于明视觉，刺激程度平衡的条件为 )( , em,v VXKX （1-56） 式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的 光度参量对辐射度参量的转换常数，其 值为683lm/W。 对于暗视觉，为 )( , VXKX emv 式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参 量对辐射度参量的转换常数，其值为1725lm

36、/W。 引进，K（），并令 )()( m , e ,v VK X X K （1-58） （1-57） )()( m , e ,v VK X X K （1-59） 式中， 式中，K K（），（），KK（）分别称为人眼的明视觉 和暗视觉光谱光视效能。 由式（1-58）、（1-59），在人眼最敏感的波长 =0.555m，=0.507m处，分别有V（ （）分别称为人眼的明视觉 和暗视觉光谱光视效能。 由式（1-58）、（1-59），在人眼最敏感的波长 =0.555m，=0.507m处，分别有V（m m）=1， V （ ）=1， V （m m）=1 ，这时）=1 ，这时K K（m m）= ）= K Km

37、 m，KK（m m ）= ）= K Km m 。 因此 。 因此，K，Km m，K Km m 分别称为正常人眼的明视觉最大光谱 光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。 根据式（1-58）和（1-59），可以将任何光谱辐射量转 换成光谱光度量。 分别称为正常人眼的明视觉最大光谱 光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。 根据式（1-58）和（1-59），可以将任何光谱辐射量转 换成光谱光度量。 CCD2 重叠部分重叠部分 例1-3 已知某He-Ne激光器的输出功率为 3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？ 例1-3 已知某He-Ne激光器的输出功率为 3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？ 解 He-

38、Ne激光器输出的光为光谱辐射通量， 根据式（1-56）可以计算出它发出的光通量为 解 He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量， 根据式（1-56）可以计算出它发出的光通量为 v,v,= =K K,e ee e, ,=K=Km mV()V()e e, , = =6830.243106830.24310-3 -3 =0.492(lm) =0.492(lm) 1.4.3 辐射体光视效能1.4.3 辐射体光视效能 一个热辐射体发射的总光通量v与总辐射通量 e之比，称为该辐射体的光视效能K，即 e v e v K 对发射连续光谱辐射的热辐射体，由上式 及式（1-58）可得总光通量v为 d )( nm78

39、0 nm380 e,mv VK (1-60) (1-61) 将式（1-35）、（1-61）代入式（1-60），得到 将式（1-35）、（1-61）代入式（1-60），得到 （1-62） 式中式中,V是辐射体的光视效率。是辐射体的光视效率。 VK VK K m 0 , e nm780 nm380 , em d d )( 标准钨丝灯发光光谱的分布如图1-7所示， 图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射 分 、光谱光视效率V（）和光谱光视效 率与相对光谱辐射分布之积 ，积分 r , e X r V e, )X( r e X , )d( 780nm nm380 e, VX rr V e, )X( 为

40、曲线所围的面积Al，而积分 d 0 e, r X面积A2。因此，由(1-62)可得标准钨丝 灯的光视效能Kw为 1 .17 2 1 mW A A KKlm/W 由式（1-60），已知某 种辐射体的光视效能K 和辐射量Xe，就能够计 算出该辐射体的光度量 Xv，该式是辐射体的辐 射量和光度量的转换关 系式。 例如，对于色温为 2 856 K的标准钨丝灯其光视 效能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为 例如，对于色温为 2 856 K的标准钨丝灯其光视 效能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为 e e100W时，其光通量为 100W时，其光通量为 v v = 1710lm。 = 1

41、710lm。 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光 的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白 炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯 的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照 度计检测光照度时，照度将显著下降。 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光 的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白 炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯 的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照 度计检测光照度时，照度将显著下降。 1.5 半导体对光的吸收 1.5.1 物质对光吸收的一般规律物质对光吸收的一般规律 光波入射到物质表面上，用透射法测定光通 量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化d 与

42、入射的光通量和路程dx的乘积成正比，即 （1-63）xdd 式中，称为吸收系数。 如图1-8所示，利用初始条件 x=0时 ，解这个微分方程， 可以找到通过x路程的光通 量为 （1-64） x e 0 可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到 原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质 的吸收系数，即 x 1 （1-65） 另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播 时，其电矢量和磁矢量都按指数规律 exp(-xc-1)衰减。 )(j ee c nx t c x 0Y EE )(j 0 ee c nx t c x Z HH （1-66） 乘积的其实数部分应是辐射通量随传播路径x的 变化

43、关系。即 c x 2 0e 式中，称为消光系数。 由此可以得出 42 c （1-67） 半导体的消光系数与入射光的波长无 关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。 （1-68） 普通玻璃的消光系数普通玻璃的消光系数也与波长也与波长无关， 因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。 无关， 因此，它们对短波长辐射的吸收比长波长强。 当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为 )e1 ( 00 x 1.5.2 半导体对光的吸收 1.5.2 半导体对光的吸收 在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电 子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到 半导体表面时，原子外层价电

44、子吸收足够的光子能量， 越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。 同时，在价带中留下一个 自由空穴，产生电子-空穴 对。如图1-9所示，半导体 价带电子吸收光子能量跃 迁入导带，产生电子空穴 对的现象称为本征吸收。 d 显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大 于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子 吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即 由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限 （1-69） g Ehv gg L 24. 1 EE hc （1-70） 只有波长短于的入射辐射才能使器件产生本征 吸收，改变本征半导体的导电特性。 2.杂质吸收2.杂质吸收 N型半导体中未电离的杂

45、质原子（施主原子） 吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能ED， 杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃 入导带，成为自由电子。 同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量 hv大于EA（受主电离能）的光子后，价电子跃入 受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的 空穴吸收光子能量跃入价带。 这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生 电离的过程称为杂质吸收。 显然，杂质吸收的长波限 D L 24. 1 E A L 24. 1 E （1-71） （1-72） 由于EgED或EA ，因此，杂质吸收的长波 长总要长于本征吸收的长波长。杂质吸收会 改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。 3. 激子吸收激子吸收 当入射到本征半导体上的光子能量hv小于 Eg，或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂 质电离能（ED或EA）时，电子不产生能带间 的跃迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的