第5章光电信息变换

第5章 复习思考题参考答案5-1 光探测器的作用和原理是什么答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。

光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。

在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。

从而在外电路形成光生电流P I 。

当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。

5-2 简述半导体的光电效应答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。

如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。

这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。

图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。

在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。

5-3 什么是雪崩增益效应答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。

这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。

新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。

APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。

图5.2.4 APD雪崩倍增原理图5-4 光接收机的作用是什么答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。

第1节光电效应第2节康普顿效应●课标要求1．知道什么是光电效应，通过实验了解光电效应现象，知道光电效应的瞬时性和极限频率的概念及其与电磁理论的矛盾．2．理解爱因斯坦的光子说及光电方程，并用来解释光电效应现象．3．了解康普顿效应的实验现象，了解光子理论对康普顿效应的解释．4．认识光的波粒二象性，了解玻恩的概率波对光的波粒二象性的解释，了解光在哪些情况下会表现出粒子性或波动性．5．了解人类探索光本质所经历的漫长而曲折的历程，认识科学的探索，是一个不断深入的、永无止境的过程．●教学地位本节教学应注意讲授和讨论相结合，宜从经典物理的局限性开始，引出普朗克量子假说，为后面学习爱因斯坦光子理论做好铺垫，使得教学有清晰的思路和逻辑脉络．做好演示实验是教好光电效应的前提，为改善实验的演示效果，也可以先使验电器带上负电，使指针张开某一角度，光照锌板后，指针张角变小．对光电效应实验结果进行理论解释是教学的难点，教学时可鼓励学生各抒己见，在争论中引出矛盾，促进学生积极思考与发现．通过对康普顿效应的解释进一步认识光的波粒二象性，进而认识光的本质，教学中可适当介绍有关人类对光本质的认识过程，使学生体会到科学探索的道路是曲折的、永无止境的，让学生了解光在什么情况下表现出什么不同的特性，可以举例子加以说明或让学生自己尝试解释一些实例，增进学生对光的波粒二象性和光是一种概率波的理解.●新课导入建议问题导入用弧光灯照射连在验电器上的锌板，验电器的金属箔会张开一个角度．你想知道上述现象的原因吗？图教5－1－1●教学流程设计课前预习安排：1.看教材2.填写【课前自主导学】同学之间可进行讨论⇒步骤1：导入新课，本节教学地位分析⇒步骤2：老师提问，检查预习效果可多提问几个学生⇒错误!⇓步骤7：完成“探究4”讲解利用数学知识处理物理问题的技巧⇒步骤6：完成“探究3”重在讲解规律方法技巧⇐步骤5：师生互动完成“探究2”方式同完成探究1相同⇐步骤4：让学生完成【迁移应用】，检查完成情况并点评⇓步骤8：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况⇒错误!课标解读重点难点1.知道什么是光电效应及其实验现象．2.理解光子说和爱因斯坦光电效应方程，能够利用它解释光电效应实验现象．3.知道什么是康普顿效应及X射线实验原理．4.理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波. 1.光电效应的基本规律、光子说的基本思想．(重点)2.光的波粒二象性及光电效应实验．(重点)3.对光电效应的理解．(难点)4.光是一种概率波的建立过程．(难点)光电效应(1)光电效应现象：在物理学中，在光的照射下电子从物体表面逸出的现象．(2)光电效应的实验规律①发生的条件：每一种金属对应一种光的最小频率，又称极限频率．只有当光的频率大于或等于这个最小频率时，才会产生光电效应．当光的频率小于这个最小频率时，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应．②与光的强度的关系：产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多．③发生光电效应所需的时间：从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在10－9_s内发生光电效应．(3)光子说：看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的光子组成的，每一个光子的能量为hν.光在发射和吸收时能量是一份一份的．(4)光电效应方程①表达式：hν＝W＋12mv2.②物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于从金属表面逸出时做功，剩下的表现为电子逸出后的最大初动能．(5)光电效应的应用①光电开关．②光电成像．③光电池．2．思考判断(1)光电效应实验中光照时间越长光电流越大．(×)(2)光电效应实验中入射光足够强就可以有光电流．(×)(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关．(√)3．探究交流你对光电效应中的“光”是怎样认识的？【提示】这里的光，可以是可见光，也可以是紫外线、X光等.康普顿效应及光的波粒二象性(1)康普顿效应X射线在石墨上散射时，发现部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．这种现象称为康普顿效应．(2)康普顿的理论当光子与电子相互作用时，既遵守能量守恒定律．又遵守动量守恒定律，在碰撞中光子将能量hν的一部分传递给了电子，光子能量减少，波长变长．(3)康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面．(4)光电效应与康普顿效应当波长较短的X射线或γ射线入射时，产生康普顿效应；当波长较长的可见光或紫外光入射时，主要产生光电效应．(5)光的波粒二象性①光的本性：光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性．②光是一种电磁波．③当光的波长较长时，光在传播过程中波动性明显；当光的波长较短时，光子与粒子相互作用时，粒子性明显．2．思考判断(1)康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量．(√)(2)康普顿效应进一步说明光具有粒子性．(√)(3)光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性．(√)3．探究交流太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中，尽管太阳光线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？【提示】地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空的真空环境下，光不再散射，只向前传播．光电效应现象及其理解1．光子和光电子是一回事吗？2．只要光照足够强就能有光电子逸出吗？3．光电效应现象中能量守恒吗？1．光电效应中的三组概念的对比2.对光电效应方程hν＝W ＋2mv 2的理解 (1)公式中的12mv 2是光电子的最大初动能，对某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～12mv 2范围内的任何数值． (2)光电效应方程实质上是能量守恒方程．能量为E ＝hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W ，则电子离开金属表面时动能最大为12mv 2，根据能量守恒定律可知： hν＝W ＋12mv 2. (3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件．若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即E k＝hν－W ＞0，亦即hν＞W ，ν＞W h ＝νc ，而νc ＝W h恰好是金属的极限频率．(4)E km －v 曲线．如图5－1－1所示是光电子最大初动能E km 随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量．图5－1－1(2013·福州一中检测)入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么( )A ．从光照射金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B ．逸出的光电子的最大初动能将减小C ．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D ．有可能不发生光电效应【解析】 根据光电效应的实验规律知，从光照射金属表面到光电子发射的时间间隔极短，这与光的强度无关，故A 错误；实验规律还指出，逸出光电子的最大初动能与入射光频率有关，光电流与入射光强度成正比，由此可知，B 、D 错误，C 正确．【答案】 C1．极限频率为ν0的光射照金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W ＝hν0.2．逸出功的大小由金属本身决定，与其他因素无关．3．光电效应的实质是光现象转化为电现象．1．用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能E k 随入射频率ν变化的E k —ν图象，已知钨的逸出功是3.28 eV ，锌的逸出功是3.34 eV ，若将二者的图线画在同一个E k －ν坐标系中，如图所示中用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的是( )【解析】 依据光电效应方程E k ＝hν－W 可知，E k －ν图线的斜率代表普朗克常量h ，因此钨和锌的E k －ν图线应该平行．图线的横截距代表极限频率ν0，而ν0＝W h，因此钨的ν0小些．综上所述，A 图正确．【答案】 A 对康普顿效应的理解1．X 射线照在石墨上会有什么现象？2．光子和电子碰撞后，波长会改变吗？3．经典理论能解释康普顿现象吗？1．实验现象X射线管发出波长为λ0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上．X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．2．康普顿效应与经典物理理论的矛盾按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光．散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)．因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光．另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系．3．光子说对康普顿效应的解释假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．(1)光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．(2)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长改变与散射角有关．康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．光电效应应用于电子吸收光子的问题，而康普顿效应讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量．入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞，则当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，如图5－1－2给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰撞过程中动量________(选填“守恒”或“不守恒”)，能量________(选填“守恒”或“不守恒”)，碰后光子可能沿________(选填“1”、“2”或“3”)方向运动，并且波长________(选填“不变”、“变小”或“变长”)．碰前碰后图5－1－2【审题指导】(1)看成弹性碰撞把握动量、能量守恒．(2)利用光的频率与波长的关系ν＝c/λ计算．【解析】光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致，由矢量合成知识可知碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由E＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．【答案】守恒守恒 1 变长2．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子．假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中( )A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′C．能量守恒，动量守恒，且λ＜λ′D．能量守恒，动量守恒，且λ＞λ′【解析】能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界．光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律．光子与电子碰撞前光子的能量E＝hν＝h cλ，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量E′＝hν′＝h cλ′，由E＞E′，可知λ＜λ′，选项C正确．【答案】C对光的波粒二象性的理解1．爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“粒子”一样吗？2．哪些实验能说明光具有波动性？3．哪些实验能证明光具有粒子性？1．光的粒子性的含义粒子的含义是“不连续”、“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量．(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性．(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著．2．光的波动性的含义光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性(概率)大小可用波动规律描述．(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著．3．光的波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为．(2013·西安一中检测)关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是( )A．光的频率越高，衍射现象越容易看到B．光的频率越高，粒子性越显著C．大量光子产生的效果往往显示波动性D．光的波粒二象性否定了光的电磁说【审题指导】(1)波粒二象性是对光本质的描述．(2)频率高低影响光的粒子性和波动性的表现．(3)大量光子波动性显著，少量光子粒子性显著．【解析】光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D 错误．光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故B对、A错误．大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C对．【答案】BC1．光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证．2．波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著．3．对光的认识，下列说法正确的是( )A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了D．光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下，光的粒子性表现明显【解析】本题考查光的波粒二象性．光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C 选项错误，D选项正确．【答案】ABD综合解题方略——光电效应规律的应用(2011·福建高考)爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖，某种金属逸出光电子的最大初动能E km与入射光频率ν的关系如图5－1－3所示，其中ν0为极限频率．从图中可以确定的是________．(填选项前的字母)A．逸出功与ν有关B．E km与入射光强度成正比C．当ν<ν0时，会逸出光电子D．图中直线的斜率与普朗克常量有关【规范解答】每种金属的逸出功是由自身因素决定，A错误；由光电效应方程知E km＝hν－W0，E km与ν有关，而与光强无关；当ν<ν0时金属不可能发生光电效应；图中直线与h有关，由此知B、C错误，D正确．【答案】D在理解光电效应方程的基础上，把其数学关系式与数学函数图像结合起来，经分析、推导得出图像的斜率及在图像横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的能力.【备课资源】(教师用书独具)X射线的发现1895年11月8日晚，伦琴陷入了深深的沉思．他以前做过一次放电实验，为了确保实验的精确性，他事先用锡纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实，并且用一个没有安装铝窗的阴极管让阴极射线透出．可是现在，他却惊奇地发现，对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡的屏幕(这个屏幕用于另外一个实验)发出了光．而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片，现在也变成了灰黑色——这说明它们已经曝光了！这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了伦琴的注意，使他产生了浓厚的兴趣．他想：底片的变化，恰恰说明放电管放出了一种穿透力极强的新射线，它甚至能够穿透装底片的袋子．不过目前还不知道它是什么射线，于是取名“X射线”．于是，伦琴开始了对这种神秘的X射线的研究．他先把一个涂有磷光物质的屏幕放在放电管附近，结果发现屏幕马上发出了亮光．接着，他尝试着拿一些平时不透光的较轻物质——比如书本、橡皮板和木板——放到放电管和屏幕之间去挡那束看不见的神秘射线，可是谁也不能把它挡住，在屏幕上几乎看不到任何阴影，它甚至能够轻而易举地穿透15毫米厚的铝板！直到他把一块厚厚的金属板放在放电管与屏幕之间，屏幕上才出现了金属板的阴影——看来这种射线还是没有能力穿透太厚的物质．实验还发现，只有铅板和铂板才能使屏不发光，当阴极管被接通时，放在旁边的照相底片也将被感光，即使用厚厚的黑纸将底片包起来也无济于事．接下来更为神奇的现象发生了，一天晚上，伦琴很晚也没回家，他的妻子来实验室看他，于是他的妻子便成了在那不明辐射作用下在照相底片上留下痕迹的第一人．当时伦琴要求他的妻子用手捂住照相底片．当显影后，夫妻俩在底片上看见了手指骨头和结婚戒指的影象.1896年1月5日，在柏林物理学会会议上展出了很多X射线的照片，同一天，维也纳《新闻报》也报道了发现X射线的消息．这一伟大的发现立即引起人们的极大关注，并很快传遍全世界．在几个月的时间里，数百名科学家为此进行调查研究，一年之中就有上千篇关于X射线的论文问世．伦琴虽然发现了X射线，但当时的人们——包括他本人在内，都不知道这种射线究竟是什么东西．直到20世纪初，人们才知道X射线实质上是一种比光波波长更短的电磁波，它不仅在医学中用途广泛，成为人类战胜许多疾病的有力武器，而且还为今后物理学的重大变革提供了重要的证据．正因为这些原因，在1901年诺贝尔奖的颁奖仪式上，伦琴成为世界上第一个荣获诺贝尔物理学奖的人，人们为了纪念伦琴，将X(未知数)射线命名为伦琴射线.1．(2013·海口检测)在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图5－1－4所示，这时( )图5－1－4A．锌板带正电，指针带负电B．锌板带正电，指针带正电C 锌板带负电，指针带正电D．锌板带负电，指针带负电【解析】弧光灯发出的紫外线照射锌板，发生光电效应，有电子从锌板飞出，锌板由于失去电子而带正电；验电器与锌板相连接，指针带正电．故B项正确．【答案】B2．关于光的本性，下列说法中正确的是( )A．光子说并没有否定光的电磁说B．光电效应现象反映了光的粒子性C．光的波粒二象性是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说得出来的D．大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性【解析】光既有粒子性，又有波动性，但这两种特性并不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说，它体现出的规律不再是宏观粒子和机械波所表现出的规律，而是自身体现的一种微观世界特有的规律．光子说和电磁说各自能解释光特有的现象，两者构成一个统一的整体，而微粒说和波动说是相互对立的．【答案】AB3．频率为ν的光子，具有的能量为hν，动量为hν/c，将这个光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原来的运动方向，这种现象称为光的散射．散射后的光子( )A．改变原来的运动方向，但频率保持不变B．光子将从电子处获得能量，因而频率将增大C．散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条直线上，但方向相反D．由于电子受到碰撞时会吸收光子的一部分能量，散射后的光子频率低于入射光的频率【解析】电子能量增加，光子能量减少，而光速不变，由E ＝hν知，光子频率减小，A、B均错误，D正确．光子散射后运动方向不一定与电子运动方向共线，C错误．【答案】D4．(2012·海南高考)产生光电效应时，关于逸出光电子的最大初动能E k，下列说法正确的是________．A．对于同种金属，E k与照射光的强度无关B．对于同种金属，E k与照射光的波长成反比C．对于同种金属，E k与照射光的时间成正比D．对于同种金属，E k与照射光的频率成线性关系E．对于不同种金属，若照射光频率不变，E k与金属的逸出功成线性关系【解析】E k＝hν－W＝h cλ－W，同种金属最大初动能逸出功相同，最大初动能与照射光强度无关，与照射光的波长有关但不是反比例函数关系，最大初动能与入射光的频率成线性关系，不同种金属，保持入射光频率不变，最大初动能E k与逸出功成线性关系．【答案】ADE。

光电转换过程
一、光的吸收
光电转换过程的起始步骤是光的吸收。

当光照射在光敏元件上时，光子能量被吸收，导致电子从束缚态跃迁至自由态。

这个过程主要取决于光的波长和光敏材料的能带结构。

二、电子-空穴对的形成
光的吸收导致光敏材料中的电子从价带跃迁至导带，从而在价带中留下空穴。

这个过程形成了所谓的“电子-空穴对”。

三、电场的作用
在某些情况下，光敏元件内部存在电场。

这个电场会对电子和空穴施加作用力，驱使它们向相反的方向移动。

在光照下，电子和空穴分别向负极和正极移动，形成光电流。

四、产生电流
电子和空穴在电场的作用下分离并移动，从而在光敏元件的两端产生电压差。

这个电压差驱动电流的形成。

电流的大小取决于光照强度、光的波长以及光敏材料的性能。

五、信号处理
产生的电流可以被进一步处理，以提取有用的信息。

例如，通过测量电流的大小，可以推断出光照的强度或光的波长。

此外，通过将电流转换为电压或数字信号，可以进行更复杂的信号处理和分析。

总结：光电转换过程涉及光的吸收、电子-空穴对的形成、电场的作用、产生电流以及信号处理等步骤。

这个过程是许多光电器件（如太
阳能电池、光电传感器等）的基础工作原理。

深入理解光电转换过程有助于更好地设计和优化这些器件的性能。

第五章 光学系统的质量指标如何评价光学系统的光信息传递质量，即对非成像光学系统的光束传输质量怎样？成像光学系统的成像质量如何？一直是光学工作者极为重视且不断探讨的问题。

如对成像光学系统，传统的评价方法是星点法和分辨率法。

星点检验是观察点光源通过光学系统所得到的像斑形状。

光学系统没有几何像差时，像斑为标准的艾里圆，有几何像差或离焦时，光强分散。

光学系统有中心误差，装配应力或玻璃折射率不均匀等，均会使星点形状不对称或不规则。

但这种方法属主观检验，不同的观察者看法存在差别，是定性和半定量的，它的规定也只能是比较抽象和笼统的。

分辨率法比较简单、方便、意义明确，能够用数量表示。

但它只能表述细节能不能分辨的界限，对于较粗线条的成像质量，不能作出定量的评价，就是说，有两个物镜分辨率一样，但粗线条的明晰度可能不一样。

实际上是一个物镜质量好，一个较差，但分辨率法反映不出来。

此外，尚会出现为分辨情况，测出的分辨率可能比理论分辨率还高。

1900～1904年德国光学工作者哈德曼（Hartman ）基于几何像差的概念，用米字形光阑模拟光线，测量除畸变、倍率色差外的其它五种几何像差。

其优点是§测量结果可直接与光线追踪结果相比较。

但它没考虑衍射，且测量工作量大。

此外还有阴影法、干涉法，它们比较适用于非成像光学系统，对于成像光学系统主要用于测量轴上点成象质量，测量范围受限制。

电视出现以后，同样涉及到像质评价问题。

从事电学行业的人和光学行业的人思维模式不同，他们将时域的问题扩展为空域，引入了空间频率的概念。

发现菲涅耳—基尔霍夫衍射积分公式如将积分域拓宽到无穷大恰为傅里叶变换式，从而出现了傅里叶光学，推动了现代光学的发展，这恰恰证明了交叉学科的碰撞出现了科学进步的火花。

对于像质评价则产生了光学传递函数法。

从而使像质评价更为客观、合理。

§ 5.1分辨率如前所述分辨率是以光学系统所能分辨开两垂轴靠近像点的能力为准。

光电检测技术第一章：信息技术主要包括：1.电子信息技术、2.光学信息技术、3.光电信息技术。

图1-2光电系统框图图1-2中，光源产生的光是信息传递的媒介。

某光源与照明用光学系统一起获得测量所需的光载波，如点照明、平行光照明等。

某光学变换：光载波与被测对象相互作用而将被测量载荷到光载波上。

某光学变换是用各种调制方法来实现的。

某光信息：光学变换后的光载波上载荷的各种被测信息。

某光电转换：光信息经光电器件实现由光向电的信息转换。

某电信息处理：解调、滤波、整形、判向、细分，或计算机处理等。

光学变换与光电转换是光电测量的核心部分。

某光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，如平面镜、光狭缝、光楔、透镜、角锥棱镜、偏振器、波片、码盘、光栅、调制器、光成像系统、光干涉系统等，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。

某光电转换是用各种光电变换器件来完成的，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。

第二章：2.人眼对光的视觉效能也称为视见函数。

人眼的视网膜上布满了大量的感官细胞：杆状细胞和锥状细胞。

某杆状细胞灵敏度高，能感受微弱光刺激。

某锥状细胞感光灵敏度低，但能很好地区别颜色和辨别被视物的细节。

3.光度学中，为了表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数V(λ)，称为“视见函数”（“光谱光视效能”）。

在明视情况，即光亮度大于3cd/m2时，人眼的敏感波长λ＝555nm 的视见函数（光谱光视效率）规定为1，即V(555)＝1。

4..照度(EV)：照度是投射到单位面积上的光通量，或者说接受光的面元上单位面积被辐射的光通量。

若辐射光通量为dΦV，接收面元的面积是dA，那么照度EV=dΦV/dA，单位为勒克斯l某=lm·m-2。

5.光通量Φv：光通量又称为光功率，单位：流明［lm］。

光通量是按人眼视觉强度来度量的辐射量。

与电磁辐射的辐射通量Φe相对应。

光通量与辐射通量之间的关系可以用下式表示：0.78VKme()V()dV(λ)是视见函数；0.38Km是光功当量，它表示人眼在明视条件下，在波长为555nm时，光辐射所产生的光感觉效能，按照国际温标IPTS-68理论计算值Km=680(lm/W)。