第1章光电检测应用的基础知识.ppt

光电检测技术主讲：吴禄慎 课程性质、目的和任务 课程性质： 光电检测技术是研究光信号探测并转换成电信号检测与处理的课程； 课程目的和任务：是使学生掌握光电检测的基本原理、光电信号变换及处理的技术，了解光电检测技术在各个领域中的应用及发展方向。 第1章 光电检测应用的基础知识 1.辐射度学和光度学的基础知识 2.半导体基础知识 3.基本定律 4.光电探测器的噪声和特性参数 1．1辐射度学和光度学基本概念 辐射度学：研究各种电磁辐射的传播和量度，包括可见光区域。 单位：纯粹物理量的单位，如，焦耳(J)和瓦特(w)就是辐射能和辐射功率的单位。 光度学：研究可见光波的传播和量度，单位必须考虑人眼的响应，包含生理因素。 如，光功率的单位不用瓦特(w)而用流明(lm)。 虽然光度学采用另一套单位制，但各物理量的 定义及其物理意义和辐射度学是一致的。 为了区分，辐射度学和光度学各物理量分别加脚标“e”和“V”表示。 3．辐[射]亮度(或称辐射度)Le 对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置在不同方向上的辐射特性。 如图1?2所示，一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向上有一面元dA。若dA所对应的立体角内的辐通量为 ，则面源在此方向上的辐亮度为 (1?3) 式中，dScos是面辐射源正对dA的有效面积。 辐亮度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐通量。 单位为W／(sr·m2)(瓦每球面度平方米)。 辐强度与光谱辐强度的关系为 (1 ? 6) 1．2半导体基础知识 1．2．1固体的能带结构 固体中由于原子数量巨大且紧密排列，形成所谓“能带”。为了弄清能带的形成原因，先要了解什么是电子的共有化。 ⒈电子的共有化的运动。 固体中电子的运动状态与孤立原子中的电子状态有所不同。在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个电子具有确定的分立能量值,也就是电子按能级分布。 固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距很小，以致使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠较少。 例如电子可以从某个原子的2p壳层转移到相邻原子的2p壳层，也可能转移到相邻原子的邻原子运动到更远的原子的相近壳层上去。这样电子有可能在整个晶体中运动。 晶体中电子十分显著。电子的共有化运动只能在原子中相似的壳层间进行，如3s壳层上的电子只能在所有原子的3s壳层上做共有化运动。 1．4．3光电探测器的合理选择 在设计光电检测系统时，首先根据测量要求反复比较各种探测器的主要特性参数，然后选定最佳的器件。最关心的问题有以下5个方面。 ①根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的动态范围。 ②探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布一致，即探测器和光源的光谱匹配。 ③对某种探测器，它能探测的极限功率或最小分辨率是多少—— 需要知道探测器的等效噪声功率，需要知道所产生电信号的信噪比。 ④当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率 响应范围。 ⑤当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信号的线性程度。 除了上述几个问题外，还要考虑探测器的稳定性、测量精 度、测量方式等因素。 * * *