第2章-光度学基础与光源

1第2章光度学基础与光源2波长：380~780nm光波（波长：10nm~1mm；频率：31011~1016Hz）一、物理光学基础光电器件敏感波长微波无线电波1.电磁波谱：3光谱---光波频段的电磁波谱紫外→可见光→红外可见光谱X射线（X光）：10~100nm4波动性粒子性---干涉、衍射、偏振---光电效应（物质相互作用）光由光子组成，每个光子能量：h---普朗克常数（＝6.62610-34J·s）;---光的振动频率（s-1）c---光速（真空中,＝3108m·s-1）；---光波波长（真空中，m）---仅与光的频率有关2.光的波粒二象性：电磁波方式传播的粒子5二、光度的基本物理量光度学量---电磁辐射能引起人眼刺激大小的度量类似于辐射度量（电磁辐射）1.光谱光视效率----人眼对光的视觉效率---可见光波段物体晶状体—镜头；视网膜—像敏面；远物体—晶状体扁平—屈光能力小—距离大（最大17mm)近物体—晶状体厚—屈光能力大—距离小（最小14mm)6视网膜----感官细胞杆状细胞---光灵敏度高，感受微弱光刺激;锥状细胞---光灵敏度低，能很好区别颜色和辨别细节视觉神经----不同波长光的感光灵敏度不一样（绿光---最灵敏；红、蓝---灵敏度最低）光谱光视效率（视见函数）---人眼对各种波长光的相对灵敏度国际照明委员会（CIE）10-3cd/m2明视觉暗视觉7明视情况:敏感波长:380~780nm峰值波长---555nm;暗视情况：敏感波长:330~730nm峰值波长---507nm;81)光量（光谱光能Qv）---光的能量（与辐射能Qe相对应）单位：流明秒（lms）---光通量对时间的积分焦耳（J）2.光度基本物理量92)光通量（v）---光功率（与辐射通量e对应）单位流明（lm）瓦（W）光通量与辐射通量之间的关系视见函数Km---光功当量（人眼在明视条件下，波长555nm时，光辐射产生的光感觉效能）=680lm/W（理论计算值）光通量与发光强度之间的关系---发光强度为Iv的光源在一定立体角内的辐射通量。所有方向上的发光强度相同时，立体角内的光通量---所有方向的光通量10---点辐射源在给定方向的单位立体角内辐射的光通量3）光强度（Iv）1坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内发出1流明的光通量。单位：坎德拉（lm·sr-1=candla=cd）----光度量中最基本的单位，国际单位制中七个基本单位之一114）光亮度（Lv）---光强度dIv与面元dS在垂直于发光强度方向平面上的投影面积之比光源上某点处的面元dS在给定方向的光强度单位：cd·m-2或者lm/sr·m212135）出射度（Mv）---单位面积光源所辐射的光通量单位：lm·m-2小结---光源向外发射光的特征参量（5个）：146）照度（Ev）---投射到单位面积上的光通量单位：勒克斯（lx=lm·m-2）---接受光的面元上单位面积被辐射的光通量7）曝光量（Hv）---照度对时间的积分---单位：lxs光度参量---与辐射波长有关0.780.38vv)dλ(ΦΦ0.780.38vv)dλ(EE白炽灯15三、光电测试系统常用光源在给定的波长范围内，某光源发出的光通量v与产生该光通量所需的功率P之比1）发光效率1、光源的基本参数21vλΦ(λ)dλΦληPP1~2为该光电测量系统的光谱范围应用：采用发光效率高的光源以节省能源162）光谱功率分布光源输出的功率与光谱（光的波长）有关典型分布线状光谱低压汞灯带状光谱高压汞灯连续光谱白炽灯、卤素灯复合光谱荧光灯17激光光谱能量分布18选择：光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致目视瞄准---绿光光源（减轻人眼的疲劳）彩色摄影---白炽灯、卤素灯、自然光紫外、红外测量---紫外灯（氙灯、紫外汞灯）、红外灯尺寸检测---单色光（红、绿、蓝）干涉测量---稳频激光光源19光源发光各向异性---发光强度在各个方向不同3）空间光强分布特性发光强度曲线（配光曲线）---在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线选择发光强度高的方向作为照明方向---提高光的利用率利用反光罩（焦点位于光源的发光中心）---充分利用其他方向的光201）热辐射光源物体温度大于绝对零度---向外辐射能量---光子---光（1）太阳光阳光---太阳向地球辐射热（复色光）---很好的平行光源照度值在不同光谱区所占的百分比：紫外光---6.46%;可见光---46.25%红外光---47.29%2、光电测量中常用光源21---灯泡中的钨丝被加热而发光---连续光谱（2）白炽灯充气灯泡---灯泡内充氩、氮等惰性气体工作温度提高到2700~3000K，发光效率17lm/W真空钨丝灯---玻璃灯泡抽成真空，钨丝加热到2300~2800K---复色光（发光效率10lm/W）卤素灯---灯泡内充有卤族元素工作温度达3000~3200K，发光效率30lm/W电压---灯丝长度；电流---灯丝直径100W钨灯---光通量大约200lm灯丝形状---发光强度的方向性222）气体放电光源---利用气体放电原理来发光的光源如：将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸汽（汞、钠、硫等）充入灯中运动：电子阳极，离子阴极原子跃迁高能级低能级（发光）气体放电电源的特点：①发光效率高，比白炽灯高2~10倍，可节省能源；②结构紧凑，耐震、耐冲击；③寿命长，大约是白炽灯的2~10倍；④光色范围大，如普通高压汞灯发光波长大约为400~500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色（589nm），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。---常用于工程照明和光电测量之中。233）半导体发光器件在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件---注入式场致发光光源（LED---Light-EmittingDiode）冷光源发展：20世纪60年代末特点：低电压(1-2V)、低能耗(小电流10mA)、高亮度(3000cd/m2)、小尺寸、寿命长(105h)、响应快(10-7~10-9s)、单色性好(半宽几十nm)、成本低发光器件：发光强度、方向性显示器件：点亮24面光源---专用线光源点光源25（1）LED工作原理二极管（半导体材料）P区空穴与N区电子不能自然复合（受半导体P-N结阻挡层的限制）N区电子越过P-N结进入P区，与P区空穴相复合高能电子与空穴复合---释放能量场致激发使载流子由低能级跃迁到高能级高能级电子（不稳定）低能级（稳定）---半导体发光放出光子26原理图外观图符号27颜色---辐射光波长---半导体材料的禁带宽度Eg3486.62610310J1.24eVmmEgEgEghc---材料（搀杂）不同材料发光二极管性能其中：1ev=1.610-19J28（2）LED驱动电路工作过程中电流不能超过极限值限流电阻：---产品参数表中查到电源电压亮度电流（GaAs-20mA;GaP-10mA）UF---管子正向电压;IF---管子正向电流;29（3）LED主要参数半导体发光二极管---半导体器件、发光器件工作参数---电学参数、光学参数电学参数---工作电流、正向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等---光电器件手册中查到光学参数---辐射波长、光谱特性、发光亮度、光强分布等30①伏安特性正向电压较小不发光---正向死区---与普通半导体二极管相同开启电压：GaAs---1VGaAsP---1.5VGaP（红）---1.8VGaP（绿）---2V大量发光区电压：1.5~3V加反向电压时不发光---反向饱和电流反向击穿电压：5~20V左右---工作电压31②光谱特性---不是纯单色光（谱线比激光宽、比复色光源窄）峰值波长700nm左右，半宽度约100nm；GaAs---谱线宽度25nm（单色光）P-N结温度上升---峰值波长向长波方向漂移（正温度系数）32③发光亮度特性---正比于电流密度电流密度增加---发光亮度趋于饱和脉冲驱动方式---更高的亮度（平均电流与直流相等）33④温度特性---对P-N结复合电流有影响P-N结温度升高到一定程度---电流变小---发光亮度减弱34⑤配光曲线---光强分布曲线与LED的结构、封装方式以及发光二极管前端装的透镜有关很强的指向性发光角---80之间35电学参数---保证LED正常发光和提高寿命及正确使用功耗：PF=UFIF开启电压和工作电压---伏安特性PFM---最大功耗其中UF是工作电压，而IF是工作电流。20℃时的PFM---额定功耗工作电流---根据PFM确定通常IF=0.6IFM36动态参数：响应时间（开启与熄灭的时间延迟）下降时间（tF）开启时间（tr）响应时间很短---动态场合（10~100MHz）寿命长---105h以上（电流密度1A/cm2）电流密度大---发光亮度高---寿命很快缩短正常使用---白炽灯泡的30倍；间歇使用---30年用途：指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性指示、数码显示等高亮度LED---汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等（节约能源）（4~10ns）（4~几十ns）374）激光光源---受激发射光单色性好、相干能力强---相干光源激光——是原子（分子）系统在受激辐射放大过程中，产生的一种具有高亮度、高方向性、高强度、好的单色性（相干性）的光。“激光”---“LASER”(LightAmplificationbyStimulatadEmissionofRadiation)---“受激发射的辐射光放大”。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光，是一种崭新的光源，是由激光器产生的一种光。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。能激发出激光并能实现激光的持续发射的器件---激光器（1）激光器的组成：三大要素---激光工作物质、激励能源、光学谐振腔38固体激光器①辐射能量大（比气体激光器高出三个数量级）②输出波长范围宽---紫外到红外③可以输出脉冲光、重复脉冲光和连续光④常用于打孔、焊接、测距、雷达等---光泵激励形成受激辐射工作物质为固体，如红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等红宝石激光器----发现最早、用途最广的固体激光器粉红色的红宝石是掺有0.05％铬离子(Cr3+)的氧化铝(Al2O3)单晶体。39两个端面：研磨后再抛光，使两个端面相互平行，并垂直于棒的轴线，再镀以多层介质膜，构成两面反射镜。圆柱形外表面：粗磨（可吸收激励光）脉冲氙灯的瞬时强烈闪光，借助于聚光镜腔体会聚到红宝石棒上，这样红宝石激光器就输出波长为694.3nm的脉冲红光输出窗口：部分反射镜(反射比约0.9)高反射比镜面激励源（与红宝石棒平行）----分别位于内表镀铝的椭圆柱体谐振腔的两个焦点上40气体激光器半导体激光器②He-Ne激光器---光电测量中应用最多(单色性和方向性好)①CO2激光器---输出功率大、能量转换效率高、输出波长为10.6m的红外光，用于激光加工、医疗、大气通信和军事①体积小、效率高、寿命长、携带与使用方便②可以直接进行电流调制而获得高内调制输出③用于光电测量、激光打印、光存储、光通信、光雷达等---工作物质为He-Ne、CO2、Ar+等---工作物质为GaAs、GaSe、CaS、PbS等41①He-Ne气体激光器单色性好，方向性好，输出功率、频率稳定---应用最广泛放电管（玻璃或金属外壳）激励能源：千伏高压谐振腔氦、氖气体阴极反射镜反射镜%100%98布儒斯特窗阳极（钨棒或钼筒）毛细管（放电主要区域）（金属圆筒）谐振腔偏振态42作用：*产生与维持光的振荡，使光得到加强。*使激光有极好的方向性。*使激光单色性好。总之，具有对光放大实行选择、控制、增强的作用。谐振腔43广泛应用于测量、对准、通讯、全息及医学等多个领域。工作方式：连续激励输出波长：632.8nm、1.5μm、3.39μmNe原子---产生激光谱线；He原子---共振转移能量，对激光器