第1章-光电技术的理论基础

2017/8/31
1.3.3 光电效应及其光电器件
1.4 光源
【任务要求】 通过学习本节知识，了解光源的定义和光源的分类，掌握LD 和LED这两种新型光源的结构、工作原理和特点。
光源，在物理学上的定义是指能发出一定波长范围的电
磁波（包括可见光与紫外线、红外线、X光线等不可见光） 的物体。或者可以说，凡物体自身能发光的都称为光源， 又称发光体，如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都 是。
• 阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200lX。
4.辐(射)强度和发光强度
• 对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe， 与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射) 强度Ie，即
dΦe Ie dΩ
• 辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度 [W／sr] • 发光强度
•
对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内 发射的光通量定义为1流明（lm）。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=4πIＶ＝12.566 lm。
5.辐(射)亮度和光亮度
• 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Le， 即
dI v d Φv Lv dA cos dΩdA cos
• Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]
2
•
若 Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，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。
自发极化强度随温度变化的极性晶体又称为热释电晶体。
当光辐射照射时，热释电晶体的温度升高，自发极化强度
降低，因而电极表面上的感应的电荷减小，这相当于“释 放”了一部分电荷，因此称它为热释电现象。
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换句话说，由于温度的变化，热释电晶体和压电陶
瓷等会出现结构上的电荷中心相对位移，使它们的 自发极化强度发生变化，从而在它们的两端产生异 号的束缚电荷，这种现象称为热释电效应。 如果按图1-16所示的电路连接负载，则在光辐射照 射时就有电流流过负载，经过放大器放大后称为输 出信号。

1.3 光电技术中的光电效应
【任务要求】 通过学习本节知识，掌握光电技术中的光电效应的 分类及其定义，掌握各个光电效应光与之对应的光 电器件。
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1.3.1 光子效应
光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直
接作用的一类物理效应。探测器吸收光子后，直接 引起原子或分子内部电子状态的改变。
• 光源可以分为自然（天然）光源和人造光源。人造光源又 可以分为物理光源和电光源。物理光源主要是从人工取火 开始，到后来的油灯、蜡烛等。而1879年爱迪生发明的白 炽灯则开启了电光源的时代。
1.4.1 光源的基本特性参数
1. 辐射效率和发光效率
λ2
ηe =
Φe
Φe (λ )dλ ∫ =
λ1
P
P
780 nm
3. 辐射热计效应 入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化 的现象称为测辐射热计效应。与光电导效应不同， 这里的电阻率的变化时由于温度变化引起的。
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4. 热释电效应
电介质在电场中会发生极化现象，即在电场作用下，电介
质中束缚着的电荷发生位移或者极性按照电场方向转动的
现象。然而有一类极性晶体，在电场除去后仍然能保持极 化状态，这就是“自发极化”。
dI e d Φe Le dA cos dΩdA cos
• 式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计 量单位为瓦（特）每球面度平方米[W／(sr· m2 )]。
2
• 对可见光，亮度Lv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
2. 黑体辐射器 黑体是指在任何条件下，对任何波长的外来辐射完全 吸收而无任何反射的物体，即吸收比为1的物体。黑体 只是一个理想的温度辐射体，但在有限的温度范围内 可以人工制造出黑体模型，称为黑体辐射器，也称为 黑体模拟器。
dQe Φe dt
Qe Φe t
• 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来除，其商定义为 光通量Φv，即
dQv Φv dt
Qv Φv t
Φv的计量单位为流(明)（lm）。
光通量是人为量。
人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了
• 余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射的通量为
dΦ L cos dAdΩ
2π π
dΩ sindd
• 对上式在半球面空间内积分的结果为
dΦ LdA 0 d 20sin cosd πLdA
Me Le π
Mv Lv π
6.视见函数 光度学中，为了表示人眼对不同波长的辐射的敏感度 差别，引入了视见函数，也称光谱光视效率。
光通量与光功率的换算关系。
对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683 lm，也
就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为 683 流明。这个是最大的光转换效率，也是定标值。
3.辐(射)出(射)度和光出(射)度
• 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 间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐(射) 出(射)度Me，即
dΦv Iv dΩ
• 一个锥体的顶端在球心，底在球面上，底面积等于球半径 的平方．这锥体所包的立体角ndela），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540×1012Hz的单色辐射源，在 此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一 个坎德拉[cd]。
1. 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Qe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 Qv表示，其计量单位为流明•秒（lm· s）
2.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、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Φe表示， 其计量单位为 瓦(W)，即
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1.3.2 光热效应
光热效应指材料受光照射后，光子能量与晶格相互
作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造 成物质的电学特性变化。在光谱中，红外线的热效 应最大，因为红外线正好是常见分子的谐振谱线， 最容易被吸收。 利用光热效应的探测器：热敏电阻、热电偶、热电 堆和热释电探测器等。
1. 外光电效应 在光的作用下，金属或半导体材料中的电子吸收足 够高的光子能量，逸出物体表面向外发射的现象叫 做外光电效应，也叫光电发射效应。它是真空光电 器件光电阴极工作的物理基础。
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2. 内光电效应 内光电效应是指光入射到物体表面，影响物体内部 电子状态的改变，但并没有光电子向外飞逸出来。 它主要包括光电导效应和光生伏特效应。 光电导效应，又称为光敏效应，是光照变化引起半 导体材料电导变化的现象。 由于光照，在半导体结的不同部位之间产生电压的 现象就是光生伏特效应，简称光伏效应。光伏效应 是光伏器件的工作基础。
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1. 红外辐射的发现 1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳为了研究光和热 的关系，把温度计置于太阳光谱的 不同颜色区域， 观察到在光谱的红端以外温度计的读数比在可见光 谱区域高得多，从而发现了红外辐射的存在及其热 效应。 原子和分子的振动或分子的旋转运动的特征频率分 布在宽广的红外光谱区，因此，热物体（温度高于 绝对零度的任何物体）不断地发出红外辐射，红外 辐射使物体变热的效应也特别显著。
dΦe Me dA
Me的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2] 面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为
Φe ( A) M e dA
• 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dΦv、与面元面积dA之比称为光出(射) 度Mv，即
dΦν Mv dA
其计量单位为勒(克司)[lx]或[lm/m2] • 桌面、工作面的照度不应少于150lX。 • 起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想， 其平均照度应达到l00lX左右。
第1章 光电技术的理论基础
辐射度学与光度学的基础知识
光电技术中的光电效应 光源
1.1 辐射度学与光度学的基础知识
【任务要求】 通过学习本节知识，了解辐射度学和光度学的概念， 掌握光度学中的几个光学物理量的定义。
光学辐射是指波长为 1nm 到 1mm 范围的电磁辐射，
它包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外 辐射等部分。 对电磁辐射能量进行客观计量的学科称辐射度学； 考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度 学。
国际照明委员会（CIE）把太阳的显色指数定为100，因此，得出其
他各类光源的显色指数，如：白色荧光灯为80~94；暖白色荧光灯 为80~90；卤钨灯为95~99；高压汞灯为22~50；高压钠灯为20~30； LED灯75~90。
1.4.2 热辐射光源
热辐射是自然界中最普遍存在的现象，一切炽热的光
除人眼而外，其他的光检测器，如光电池、光电倍增管、 磁头、感光乳胶等也只能感受一定范围的波长，并且对每 种波长的响应程度（反应的灵敏度）也不同。它们对不同 波长的这种选择特性可用与视见函数曲线类似的光谱响应 曲线来表征。 1是锑铯光电管，不能感受0.6um以上的红光；2是人眼；3 是硅光电池；4是热敏元件，对所有波段无选择地接收，灵 敏度相等.