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1、光电检测技术第二章第1页，本讲稿共78页光学变换电路处理光电变换第2页，本讲稿共78页第二章 光电检测用光源n掌握内容n发光二极管和激光光源的产生机理及基本特性，为正确使用打下一定基础。n理解内容n光产生的基本原理及方法n了解内容n气体光源和部分固体光源的机理和基本特性。第3页，本讲稿共78页第二章 光电检测用光源n2.1 光的产生与光源分类n2.2 光源的基本特性参数n2.3 光电检测常用光源第4页，本讲稿共78页2.1.1 光的本质及产生n牛顿微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振n波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯
2、韦电磁理论：光是一种电磁波第5页，本讲稿共78页2.1.1 光的本质及产生n光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性第6页，本讲稿共78页2.1.1 光的本质及产生n广义上光辐射光以电磁波或粒子（光子）形式传播能量，光能量的传播过程称为光辐射。X射线、紫外辐射、可见光、红外辐射。n狭义上可见光对人眼能产生目视刺激而形成“光亮”感的电磁辐射。380780nm。第7页，本讲稿共78页2.1.1 光的本质及产生n光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质n粒子在不断地运动：原子内有若
3、干电子围绕原子核不断运动n运动有多种可能状态n不同运动状态的电子具有不同能量n当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。第8页，本讲稿共78页2.1.1 光的本质及产生n物体发光有两种基本形式：热辐射凡高于绝对零度的物体都具有发出辐射的能力。连续光谱，温度的函数，平衡辐射。“发光”辐射线光谱或带光谱，非温度函数，非平衡辐射。电致发光、光致发光、化学发光、热发光。第9页，本讲稿共78页2.1.1 光的本质及产生n电致发光物体中的原子或离子在电场加速的电子作用下，被激发到激发状态，当它返回到正常状态时将产生辐射。例如：发光二极管所产生的光就是电致发光。气体放电产生的辉光。第10页，本讲稿共78页2
4、.1.1 光的本质及产生n光致发光 物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。例如：荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉。第11页，本讲稿共78页2.1.1 光的本质及产生n化学发光由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。n热发光 物体被加热到一定温度而发光，称热发光。例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。第12页，本讲稿共78页2.1.1 光的本质及产生n实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同属几种受激过程。n平衡和非平衡辐射：热辐射是一种能达到平衡状态的辐射，也称温度辐射，是热平衡状态的辐射。激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外
5、加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱。第13页，本讲稿共78页2.1.2 光源分类n定义：一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。天然光源：是自然界中存在的：如太阳、恒星等。人造光源：人为将各种形式的能量(热能、电能、化学能)转化成光辐射能的器件。电光源是最常见的光源。返回第14页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n在光电检测中，光是信息的载体。n光源的质量在光电测量中往往起着关键的作用。第15页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n辐射能和光能n辐射通量和光通量n辐射出射度和光出度n辐射强度和发光强度n辐射亮度和光亮度n辐射效率和发光效率第1
6、6页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n辐射能Qe：以辐射形式发射、传播或接收的能量。焦耳：Jn光能Qv：光通量在可见光范围内对时间的积分。流明秒：lm.s第17页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n辐射通量e：在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐射能。瓦：Wn光通量v：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，其光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量。流明：lm第18页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n辐射出射度Me：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。瓦每平方米：W/m2n光出度Mv：对可见光，扩展辐射源单位面积
7、所辐射的通量。勒克斯或流明每平方米：lx或lm/m2第19页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n辐射强度Ie：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。瓦每球面度：W/srn发光强度Iv：对可见光，点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。坎德拉：cd第20页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n辐射亮度Le：辐射表面定向发射的辐射强度。瓦每球面度平方米：W/（sr.m2）n光亮度Lv：对可见光，辐射表面定向发射的辐射强度。坎德拉每平方米：cd/m2第21页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n辐射效率e：在给定12波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐
8、射通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率。无量纲n发光效率v：在给定12波长范围内，某一光源发出的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的发光效率。流明每瓦：lm/Wn应用时若光电测量系统光谱范围为1 2，应尽可能选用较高的光源。第22页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n光谱功率分布：光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长有关，称为光谱的功率分布。常见四种典型的分布。第23页，本讲稿共78页(a)(b)(c)(d)第24页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n在选择光源时，光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。n在目视光学系统中，
9、一般采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。n彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。第25页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源。n在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。n为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。第26页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n空间光强分布：对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光
10、强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。第27页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n光源的色温：黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。第28页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n分布温度：定义：辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。n色温：定义：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于一
11、种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。第29页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n相关色温 对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。定义：在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。第30页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参数n光源的颜色：光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色。荧光灯的色表呈白色。第31页，本讲稿共78页2.2 光源的基本特性参
12、数当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色(也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉)与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。白炽灯、卤钨灯、镝灯等几种光源的显色性较好，适用于彩色摄影等辨色要求较高的场合。高压汞灯、高压钠灯等光源显色性差，适用于道路、隧道、码头等辨色要求低的场合。返回第32页，本讲稿共78页2.3 光电检测常用光源n任何一种光电检测系统的使用和评价都离不开特定的光辐射源和光辐射探测器。n热辐射n发光辐射气体放电光源固体发光光源激光光源第33页，本讲稿共78页2.3.1 热辐射光源n任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，辐射以光子形式进行，
13、这时就会看到发光的光源。其辐射特性与温度有关。n物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。第34页，本讲稿共78页2.3.1 热辐射光源n太阳太阳向地球辐射热我们称之为阳光。复色光。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。紫外区(0.78um)47.29%第35页，本讲稿共78页2.3.1 热辐射光源n黑体模拟器在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。第36页，本讲稿共78页2.3.1 热辐射光源n白炽灯定义：白炽灯发射的是可见光连续光谱，它是在电源供电下，依靠电能加热金属丝使
14、它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光的器件，因此称为白炽灯。熔点高、蒸发率小、对可见光辐射效率高、加工性能要求等。第37页，本讲稿共78页2.3.1 热辐射光源n白炽灯分类真空白炽灯真空，23002800K，10 lm/W充气白炽灯充氩、氮等惰性气体，26003000 K，17 lm/W卤钨白炽灯充卤钨循环剂，30003200K，30lm/W第38页，本讲稿共78页图图24 卤钨循环工作原理图卤钨循环工作原理图第39页，本讲稿共78页2.3.1 热辐射光源n卤钨灯特点：优点：体积小，光通量稳定，紫外线丰富，发光效率高，寿命长。缺点：价格高，管壁温度高。第40页，本讲稿共78页图图2-3 电压
15、与灯参数的变化曲线电压与灯参数的变化曲线 白炽灯性能与电压关系第41页，本讲稿共78页2.3.2 气体放电光源n定义气体放电电流通过气体媒质时的放电现象称气体放电。气体放电光源利用气体放电原理制成的光源称气体放电光源。气体放电灯利用气体放电而发光的原理制成的灯，称为气体放电灯。第42页，本讲稿共78页2.3.2 气体放电光源n原理：激励运动碰撞激励跃迁回复发光n分类：气体放电类型放电时灯内气体压强放电发光物质种类灯的电极形式第43页，本讲稿共78页2.3.2 气体放电光源n特点：发光效率高热量小电压稳定性要求低结构紧凑寿命长光色适应性强第44页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源n场致发光
16、是固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象，也称为电致发光。n粉末、薄膜和结型n族和V族化合物半导体第45页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源n1、粉末电致发光光源荧光（或发光）材料在足够强的电场或电流作用下被激发而发光，构成电致发光光源。交流和直流两种第46页，本讲稿共78页1）交流粉末场致发光光源1玻璃基板 2透明导电膜（SnO2）3发光材料 4TiO2反射层 5背电极（金属）6防潮树脂7防潮盖板 图26 交流粉末场致发光光源 第47页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源场致发光光源的亮度L与所加的交流电压幅度V和频率f有关。老化，寿命场致发光的颜色与基质和激活剂类型、外
17、加电压频率f有关。上升时间，衰减时间第48页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源优点：固体化、平板化，可靠、安全、易安装；面积、形状几乎不受限制，可制成任意图形；无红外辐射的冷光源，隐蔽性好；视角大，光线柔和，易于观察；寿命长。可连续使用几千小时；功耗低，约几毫瓦厘米2；发光易于电控。缺点：亮度低，驱动电压高，老化快等。第49页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源应用：特殊照明数字、符号显示模拟显示矩阵显示显像器件第50页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源2）直流粉末电致发光电源发光材料涂层导电发光体与电极良好接触，并有电流通过亮度高，成本低，驱动方便效率低，寿命短数码、字符和矩
18、阵寻址显示第51页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源n2、薄膜电致发光光源将固体发光材料制成薄膜的形式，在电场作用下出现的发光现象，称为薄膜场致发光。交流或直流两种第52页，本讲稿共78页薄膜电致发光屏薄膜电致发光屏1防潮层 2第二电极 3硫化锌薄膜 4透明导电层 5玻璃基板图28 薄膜电致发光屏结构原理示意图第53页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源直流：橙黄和绿色，1030V，1000h交流：橙色和绿色，100300V，5000h优点：分辨率高，成像质量高显示对比度好驱动电压低固体平板化、视角大、制备简单、便宜等隐蔽照明、固体雷达屏幕显示、数码显示第54页，本讲稿共78页2.3
19、.3 固体发光光源n3、发光二极管固态P-N结器件，属冷光源发光机理是电致发光当PN结上有正向电流时即可发光点光源第55页，本讲稿共78页1）LED发光机理发光机理图29 发光二极管原理结构第56页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源2）LED性能参数伏安特性发光亮度响应时间寿命光谱特性第57页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源伏安特性：正向：正向死区、开启电压反向：反向死区、反向击穿发光亮度：基本正比于电流密度受环境温度影响注入电流影响第58页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源响应时间：指LED开启与熄灭的时间延迟。开启时间tr：410ns下降时间tF：4几十ns寿命：电流密
20、度小于1Acm2的情况下，寿命可达106小时。老化第59页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源光谱特性一个峰值峰值波长由禁带宽度决定峰值波长半强度宽度图2-13 发光二极管的光谱能量分布第60页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源3）驱动电路发光二极管的驱动电路与一般二极管的驱动电路相同。发光二极管可工作在直流状态、交流状态和脉冲状态。交变频率可达1MHz。LED的供电电路中一般要加限流电阻以限定其最大工作电流。第61页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光源4）特点：优点：工作电压低、耗电少响应速度快高亮度易集成、驱动简单性能稳定、寿命长第62页，本讲稿共78页2.3.3 固体发光光
21、源缺点：功率小发光效率低光色有限应用：光源指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性显示、数码显示等。汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等。第63页，本讲稿共78页2.3.4 激光器n激光器：能激发出激光并能实现激光的持续发射的器件。n激光的形成：粒子数反转光学谐振腔的共振作用满足阈值条件第64页，本讲稿共78页2.3.4 激光器n1、激光器的工作原理图2-14 激光器工作原理图第65页，本讲稿共78页2.3.4 激光器n2、分类：气体激光器工作物质为He-Ne、CO2、Ar+等。光电测量；激光加工、医疗、大气通信和军事。固体激光器工作物质为固体，如红宝石、钛宝石等。打孔、焊接、测距、雷
22、达半导体激光器工作物质为GaAs、GaSe、CaS等。光电测量、激光打印、光存储、光通信、光雷达第66页，本讲稿共78页2.3.4 激光器n3、激光特点：光束特性单色性方向性亮度相干性第67页，本讲稿共78页2.3.4 激光器n4、氦氖激光器He-Ne激光器单色性好、方向性好，尤其是其输出功率和频率能控制得很稳定。精密测量中应用最广泛。放电管、共振腔、激光电源第68页，本讲稿共78页2.3.4 激光器图215 氦氖激光器的结构示意图第69页，本讲稿共78页2.3.4 激光器特点：氦氖激光器是最早研制成的一种气体激光器。可输出0.6328um、1.15um、3.39um等可见光和红外波长。单色性
23、好能量集中可连续输出输出功率能控制得很稳定第70页，本讲稿共78页2.3.4 激光器应用干涉测长精密定位多普勒测速激光瞄准其它精密测试和计量第71页，本讲稿共78页2.3.4 激光器n5、半导体激光器以半导体材料为工作物质的激光器面结型二极管外界激发源的激发方式有：PN结正向注入，电子束激发，光激发及粒子碰撞电离激发等第72页，本讲稿共78页2.3.4 激光器图218 GaAs半导体激光器 第73页，本讲稿共78页2.3.4 激光器特点：体积小能量转换效率高工作可靠性高不是高斯光束发散角较大单色性稍差第74页，本讲稿共78页2.3.4 激光器n6、光源选择的基本要求：对光源发光光谱特性的要求
24、光源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。第75页，本讲稿共78页2.3.4 激光器对光源发光强度的要求为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。光源强度过低，系统获得信号过小，以致无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时还可能损坏系统、待测物或光电探测器，同时还会导致不必要的能源消耗而造成浪费。因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进行正确估计，并按估计来选择光源。第76页，本讲稿共78页2.3.4 激光器对光源稳定性的要求不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求。通常依不同的测试量来确定。稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。第77页，本讲稿共78页2.3.4 激光器对光源其他方面的要求光电测试中光源除以上几条基本要求外；还有一些具体的要求。如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足。第78页，本讲稿共78页