光电检测原理整理版

※考点1：(理解)：由辐射通量和辐射强度之间的关系式(1.2-4)可知，一个辐射强度为 1

W ?sr -1的点光源，总辐射通量等于π4W 。现在假设有一个以这个点光源为球心、半径为1m

的球面包围这个点光源，则该球面上的辐射照度为E e =I e /R 2。这一结果表明，一个均匀点光

源在空间一点的辐射照度与该光源辐射强度成正比，与距离的平方成反比。（P4）

考点2：坎德拉定义：一个光源发出频率为540*1012Hz 的单色辐射，若在一给定方向上的辐

射强度为(1/683)W/sr 时, 则该光源在该方向上的发光强度就是1cd.

附加公式：)()/(683)(,,W W lm V lm e λλλνΦ??=Φ

※考点3：色温:为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度这个量，单位为K 。色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。色温度并非热辐射光源本身的温度。由于色温度是按规定的两波长处的辐射比率来比较的，所以色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的波长不同，色温度往往也不相同。至于非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。

※2.1 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。

对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。衰减的原因是大气分子的少量吸收和散射占主导地位的损耗，大气溶胶的吸收和散射。

※2.5何为电光晶体的半波电压？答：电光晶体加入外电场后，当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长（相应的相位差为π）时所需要加的电压，称为半波电压。

※2.10 一束线偏振光经过长L=25cm ，直径D=1cm 的实心玻璃，玻璃外绕N=250砸导线，通有电流I=5A 。取韦德常数为5

0.2510(')/()V cm T -=??，试计算光的旋转角θ。 解：Hdl NI =?，2NI H R

π=

，代入 L θ=?，VH ?=， 得： 2.4882NI NI V L V R D θππ=== ※2.15 光波水下传输有那些特殊问题？答：主要是设法克服这种后向散射的影响。措施如下：1、适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射。2、尽可能的分开发射光源和接收器。

3、采用如图2-28所示的距离选通技术。当光源发射的光脉冲朝向目标传播时，接收器的快门关闭，这时朝向接收器的连续后向散射光便无法进入接收器。当水下目标反射的光脉冲信号返回到接收器时，接收器的快门突然打开并记录接收到的目标信息。这样就能有效的克服水下后向散射的影响。

※直接调制(内调制)主要是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD 或半导体发光二极管LED ），从而获得调制光信号。是目前光纤通信系统普遍采用的实用化调制方法。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种，前者是有连续的模拟信号（如电视、语音等信号）直接接对光源进行光强度调制，后者是用脉冲编码调制数字信号对光源进行强度调制，下面介绍这两种调制方法。

⑵声光扫描器的主要性能参量有三个:可分辨点数，它决定描器的容量。偏转时间τ，其倒数决定扫描器的速度。衍射效率ηs ，它决定偏转器的效率。

※3.7 用PbMoO 4晶体做成一个声光扫描器，取n =2.48，M 2=37.75?10-15s 3

/kg ，换能器宽度

H =0.5mm 。声波沿光轴方向传播，声频f s =150MHz ，声速v s =3.99?105cm/s ，光束宽度d =0.85cm ，光波长λ=0.5μm 。⑵ 为获得100%的衍射效率，声功P s 率应为多大？

解：⑵ 22222cos L M I B s θλ=，??

? ??==L H M HLI P B s s 2222cos θλ 答案：0.195W ※光子效应和光热效应（考点一）

1. 光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。

2. 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。

※1、截止波长指的是,单模光纤通常存在某一波长,当所传输的光波长超过该波长时,光纤只能传播一种模式(基模)的光,而在该波长之下,光纤可传播多种模式(包含高阶模)的光。2、当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。

※推导)154(-）对本征半导体，设每秒钟激发载流子对的数目为N ，则

Al

N p Al N n p n ττ=?=?,，,p n ep en μμσ+= 光电导：)124()()(2-+=?+?=?=?p p n n p n l eN l A p n e l A G τμτμμμσ

?G 与每秒钟所激发的载流子对数N 成正比, 即与光功率成正比。光电导效应就是光照下探测器的电导率增大的效应，光照越强，光电导越大。 光电流:

)134()(2-+=?=?p p n n l eNu G u i τμτμ，

电流增量并不等于每秒钟光激发的电量 eN, 定义光电导效应的电流增益:)144()(2-+=?=p p n n l u eN i M τμτμ

对N 型半导体，光照时电子浓度增加量?n 是主要的，有：

)154(2-=n n l u M τμ )64(,-==l u v E v n n n μ )164(-==n n n n t l v M ττ

※光电探测器的性能参数：积分灵敏度R 、光谱灵敏度R λ、频率灵敏度Rf （响应频率fc 和响应时间τ）、量子效率η、通量阈Pth 和噪声等效功率NEP 、归一化探测度D*(读作D 星)、噪声

※光电转换定律

光辐射量转换为光电流量的过程——光电转换。

()dt dn hv dt dE t P 光==，()dt

dn e dt dQ t i 电==，D ——探测器的光电转换因子，()()t DP t i = ηhv e D =，式中：dt dn dt dn 光电

=η——探测器的量子效率，)()(t P hv

e t i η= 基本的光电转换定律：(1)光电探测器对入射功率有响应,响应量是光电流。因此,一个光子探测器可视为一个电流源。

(2)因为光功率P 正比于光电场的平方,故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说,光电探测器本质上一个非线性器件。

※（1）CdS 和CdSe ：低造价、可见光辐射探测器、光电导增益比较高(103～104)、响应时间比较长(大约50ms)

（2）PbS ：近红外辐射探测器、波长响应范围在1～3.4μm ，峰值响应波长为2μm 、内阻（暗阻）大约为1M Ω、响应时间约200μs

（3）InSb ：在77k 下,噪声性能大大改善、峰值响应波长为5μm 、响应时间短（大约50×10-9s ）

（4）HgxCd1-xTe 探测器：化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe 和GdTe 两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x 呈线性变化。

当x=0.2时响应波长为8～14μm,工作温度77k ，用液氮致冷。

※直接光电探测器的平方律特性表现在哪两个方面?直接探测器的平方律特性表现在:一是光电流正比于光电场振幅的平方，二是电输出功率正比于入射光功率的平方。

※附加题：用2CU 光点二极管探测激光输出的调制信号)(sin 520W t e μ

ωφλ

+=的辐射通量，若已知电源电压为15V ，2CU 的光电灵敏度为S i =0.5μA/μW，结电容为C J =3pF,引线分布电容C i =7pF ，试求负载电阻R L =2M Ω时该电路的偏置电阻R B ，并计算输出信号电压最大值情况下的最高截至频率。解答：首先求出入射辐射通量的峰值：Φm =20+5=25μW

再求出2CU 的最大输出光电流：I M =S I Φm =12.5μA

设输出信号电压最大时的偏置电阻为R B ,则与负载电阻并联后的等效电阻为Ω==M I U R R m L B 2.1//，

进而可得出R B =3M Ω，则输出电压最大值时的最高截至频率为： ()z i

j B L B L B KH C C R R R R f 831≈++==τ ※电荷耦合摄像器件的特性参数：转移效率、不均匀度、暗电流、灵敏度（响应度）、光谱响应 、 噪声、分辨率、动态范围与线性度。

※5.6 红外成像系统A 的NETD A 小于红外成像系统B 的NETD B ，能否认为红外成像系统A 对各种景物的温度分辨能力高于红外成像系统B ，试简述理由。答：不能。NETD 反映的是系统对低频景物的温度分辨率，不能表征系统用于观测较高空间频率景物时的温度分辨性能。 ※当两种不同的配偶材料两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。

※5.3 用凝视型红外成像系统观察30公里远，10米×10米的目标，若红外焦平面器件的像元大小是50μm ×50μm ，假设目标像占4个像元，则红外光学系统的焦距应为多少？若红外焦平面器件是128×128元，则该红外成像系统的视场角是多大？

答： /3321050103010f

??=?-，mm f 300/=， 水平及垂直视场角：05319.13600

11023001281050≈?????- ※瑞利琼斯公式由来：证明: 当波长很长时,

概念题： ※晶体分类：晶体按其结构粒子和作用力的分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。 ※光束束腰半径：束腰，是指高斯光绝对平行传输的地方。半径，是指在高斯光的横截面考察，以最大振幅处为原点，振幅下降到原点处的0.36788倍，也就是1/e 倍的地方，由于高斯光关于原点对称，所以1/e 的地方形成一个圆，该圆的半径，就是光斑在此横截面的半径；如果取束腰处的横截面来考察，此时的半径，即是束腰半径。

※肖特基势垒：指具有整流特性的金属-半导体接触，就如同二极管具有整流特性。是金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域。

※温差电效应：由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。光照射结点产生温差变化也能造成温差电效应。

※菲涅耳透镜：菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR （被动红外线探测器）上产生变化热释红外信号。

※俄歇复合：电子和空穴复合时将多余的能量传给另一导带中的电子或空穴（实际上是传给加带中的另一电子），这种形式并不伴随发射光子，成为俄歇复合。获得能量的另一载流子再将能量以声子的形式释放出去，回到原来的能量水平。

※光伏探测器的伏安特性四个图像表示什么：第三象限曲线：反偏压状态，工作在光电导模式的光伏探测器的伏安特性。第四象限曲线：外偏压为0，工作在光伏模式的光伏探测器的伏安特性。

※基尔霍夫定律: 在相同温度下,各种不同物体对相同的波长的单色辐出度和单色吸收系数的比值都相等,等于同温度下绝对黑体的单色辐出度. kT hc <<λλνννλkT hc kT h kT h e e kT h kT hc =≈-??? ??++=-=-1111 ()kT c kT hc hc T e 4520212,--==λ

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