光电探测器物理基础

第三章光电探测器
3.1 光电探测器的物理基础 3.2 光电子发射探测器 3.3 光电导探测器 3.4 光伏探测器 3.5 热电探测器 3.6 光电成值器件 3.7 各类光电探测器的性能 及应用比较
光电探测器物理基础
第三章光电探测器
3.1 光电探测器的物理基础 3.2 光电子发射探测器 3.3 光电导探测器 3.4 光伏探测器 3.5 热电探测器 3.6 光电成值器件 3.7 各类光电探测器的性能 及应用比较
Φ=dQ/dt
(J／s，焦耳每秒)
光电探测器物理基础
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W／sr(瓦每球面度)。
I
=
d d
Φ ω
在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角ω内发射的
辐射通量为
Φ= I ω
π
在空间所有方向( ω＝4 )上发射的辐射通量为Φ=4πI
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。
光电探测器物理基础
3.光通量
按人眼的视觉特性V(λ)来评价的辐射通量Φ即 为光通量ΦV，这两者的关系为：
VKm3788 00()V()d
•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(w·nm）， 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555nm[V(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。
光电探测器物理基础
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Φ 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、传播或接收的辐射能。
光电探测器物理基础
3.1.1 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。
M=dΦ／dS 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。
光电探测器物理基础
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。
光电探测器物理基础
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(λ)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(λ)的最大值在555nm处。
暗视觉光谱光视效率
Vˊ(λ)
V(λ)
虚线是亮度小于0.001cd/㎡时 的暗视觉光谱光视效率，用 Vˊ(λ) 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； Vˊ(λ)的最 大值在507nm处。
光电探测器物理基础
按国际实用温标IPTS—68的理论计算值为 Km＝683 ( lm/W )
Km＝683lm／W。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1／683W。
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 ：
•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：
光谱辐射出射度：光谱辐射亮度： Nhomakorabea辐射源的总辐射通量是：
光电探测器物理基础
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(λ)来表征不同 波长辐射下的响应能力。光谱光视效能K(λ)为同 一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即
光电探测器物理基础
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dΦ的面积元，单位为W／m2(瓦每平方米)。
E＝dΦ／dA 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，dΦ 是扩展源表面dS在半球空间（2π立体角)所发出的总 的辐射通量，单位为W／㎡(瓦每平方米)。
K(λ)=Φvλ/Φeλ
光电探测器物理基础
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(λ)。
不同光亮度条件下，人眼对波长的光谱光视效率不 同，分为明视觉光谱光视效率和暗视觉光谱光视效 率。
光电探测器物理基础
3.1 光电探测器的物理基础
§3.1.1 光辐射与度量 §3.1.2 光电探测器概述 §3.1.3 光电探测器的性能参数 §3.1.4 光电探测器的噪声
光电探测器物理基础
3.1.1 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
光电探测器物理基础
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Ф（λ）： 辐射源发出的光在波长λ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W／μm(瓦每微米)， 或W／nm(瓦每纳米)。
多色辐通量，全色辐通量光电探测器物理基础