第一章--光辐射与发光器件

(Photo-electronicTechniqueApplication)光电技术应用2006第一章光辐射与光源第一章光辐射与光源§1-1光谱与光子能量§1-2辐射的基本概念§1-3光源的基本特性参数和选择§1-4常用光源简介§1-1光谱与光子能量光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论；1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论；1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。麦克斯韦（1831-1879）普朗克（1858-1947）爱因斯坦（1879-1955）（一）光波的基本性质光子就是“光子”圆柱就是“圆柱”测量测量圆矩形如何理解波粒二象性？测量测量粒子性波动性我们所看到的宇宙或许就是一个简单的投影！微观粒子的行为取决于我们的观察方式！！§1-1光谱与光子能量光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振。光与物质作用时表现出粒子性，如光的反射、折射、吸收、发射、色散、散射、光电效应等。电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电技术只涉及光学谱区。在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。使用光学透镜来接收辐射或聚焦成像。电磁波谱及光谱图光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~622660橙622~597610黄597~577570绿577~492540青492~470480兰470~455460紫455~4004301414108.4~109.31414100.5~108.41414104.5~100.51414101.6~104.51414104.6~101.61414106.6~104.61414105.7~106.6可见光七彩颜色的波长和频率范围注意：光波的常用单位还有埃Å，1Å＝10-10m人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。光子能量公式：ε=hν光子动量公式：p=hν/c=h/λ（二）光子能量h=6.624×10-34焦耳·秒光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来说，从0.1ev到几个ev能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。1ev（电子伏特）=1.602×10-19焦耳§1-2辐射的基本概念光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。辐射能的强弱可由辐射度学量和光度学量来描述。1.2.1辐射度学(Radiometry)热辐射是物体以电磁波形式向外发射能量的过程，这个物体即辐射源。任何物体的温度超过绝对零度时都能产生辐射，即热辐射或温度辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能。（一）热辐射现象（二）辐射源太阳辐射波长主要为0.15-4微米，其中最大辐射波长平均为0.5微米；地面和大气辐射波长主要为3-120微米，其中最大辐射波长平均为10微米。习惯上称前者为短波辐射，后者为长波辐射。1.2.1辐射度学(Radiometry)用能量单位描述光辐射能的客观物理量；辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算。主要用于X光、紫外光、红外光以及其它非可见的电磁辐射。1.辐射能Qe：以电磁波形式发射、传播或接收的能量。单位为焦[耳](J)eedQJsdt2.辐射通量Φe（辐射功率Pe）：单位时间内发射、传播或接收的辐射能，是辐射能的时间变化率，单位为瓦[特](W)描述辐射场的物理量3.辐射强度Ie：eedId1Wsr辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量。单位为瓦每球面度()定义：2AΩ=-RRAeeI•所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角内发射的辐射通量：•各向同性点光源，在空间所有方向（）上发射的辐射通量：=44eeI注意：Ie是有方向的量。某个方向上的发光强度200(,)(,)sineeeIddId点辐射源整个空间辐射能量实际上，一般辐射源多为方向性的辐射源，其辐射強度随方向而变化，可用极坐标辐射强度表示。4.辐射照度Εe：eedEdAdA是投射辐通量dΦe的接收面面积元描述辐射接收面所接收的辐射特性2Wm单位受光面积上所接收的辐射通量，单位为瓦每平方米()5.辐射出射度Μe：eedMdS描述扩展辐射源向外发射的辐射特性，也称为发射本领或辐射通量密度。dΦe是扩展源表面dS（通常为半空间2立体角）在各方向上所发出总的辐射通量2Wm扩展辐射源单位面积所辐射的通量，单位为瓦每平方米()辐射出射度Μe与辐射照度Ee的比较面辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量。单位：瓦每球面度平方米()2coscoseeedILdSdddS12srWm6.辐射亮度Le:,注意：Le也具有方向性。辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。以上物理量均未涉及辐射的频谱分布，但辐射场实际上是有不同频谱的电磁波组成。1d2eed0辐通量的光谱分布曲线即辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。单位为瓦每微米或者瓦每纳米(或)eedd1mW1mnW给定波长λ处极小波长间隔dλ内的辐通量dΦe称为单色辐通量。——辐射量的光谱密度7.光谱辐射量:e单色辐通量的积分为全色辐通量0eed多色辐通量21eed光谱辐射出射度光谱辐射亮度辐射源的总辐射通量对其它辐射量也有类似的关系。用一般的函數表示：光谱辐照度8.其它辐射量与光谱辐射量的对应关系:1.2.2光度学(Photometry)•以人的视觉习惯为基础建立的主观物理量；•光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量；•光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。为了区别这两种量，规定用下标e和v表示。1.光量Qv:光通量对时间的积分。流[明]秒(lm·s)光度的基本物理量2.光通量Φv:发光强度为Iv的光源，在立体角元dΩ内的辐通量，dΦv=Iv·dΩ。流[明](lm)。是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为的单色辐射在给定方向上的辐射强度时，规定为1cd。七个国际基本单位之一。1254010Hz11683eIWsr3.发光强度Iv:4.光出射度Μv:离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。流[明]每平方米(lm·m-2)5.[光]照度Εv:照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。勒[克斯](lx)6.[光]亮度Lv:表面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于给定方向平面上的正投影面积。坎[德拉]每平方米(cd·m-2)7.曝光量H:光照度对时间的积分。勒[克斯]秒(lx·s)两种度量单位的转换1.光谱光视效能K(λ)许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K(λ)来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K(λ)为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比:veK2.光谱光视效率（视见函数）V(λ)由于人眼在频率为(λm=555nm，该波长称为峰值波长)的辐射下，K(λ)最大，记以，即光功当量。定义光谱光视效率V(λ)为某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能Km之比：1254010Hz1683mKlmWV(λ)又称为视见函数。根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。mKVK•光谱光视效率V(λ)曲线光谱光视效率曲线,555,eeVV1.00.80.60.40.20380460540620700Vnm波长为555nm的光和任意波长的光产生同样亮暗感觉所需的辐射通量之比光度量与辐射量的关系780380()()vmeKVd780380()()vmeXKXVdmKVKveKeedd光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。由于人眼对不同波长的光的感光灵敏度不一样，能量相同而波长不同的光，在人眼中引起的视觉强度不相同。辐射度量和光度量对照表必须注意，不要把照度跟亮度的概念混淆起来。它们是两个完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关。亮度与照度区别几种辐射源的光亮度辐射源亮度（坎德拉/平方厘米(cd·cm-2)）太阳表面2×105碳弧灯1×10460瓦除去光泽的白炽灯9阴极射线管540瓦白炽灯0.5白色发光漆3×10-6He-Ne激光器（10mW，d=1mm）7×107两款摄影用测光表，可以测量亮度几种辐射源产生的光照度辐射源照度（流明/平方米(lm·m-2)）He-Ne激光器（10nW，d=1mm）10米外5×105太阳（处于天顶位置）1.2×105晴朗天空1×104阴天1×103全月（处于天顶位置）0.27无月的阴暗天空1×10-4距60瓦白炽灯1米处1×102常见照度计LED的光参数了解知识•热辐射的基本物理量：辐射本领吸收率发射率绝对黑体'(,)MT(,)T(,)T•热辐射的基本定律：基尔霍夫定律兰伯特定律距离平方反比定律亮度守恒定律普朗克定律维恩位移定律斯忒藩－玻耳兹曼定律♱光源分为自然光源和人工光源；♱自然光源是自然界中存在的光源，如太阳、恒星等。♱人工光源是人为将各种形式的能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能量的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。§1-3光源的基本特性参数和光源的选择1.3.1基本概念光源----自然螢火蟲陽光螢光水母光源—非自然光源—非自然斑马鱼•激光1.辐射效率21eeedPP1.3.2光源的基本特性参数在给定的λ1~λ2波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率比称为在规定光谱范围内的辐射效率。780380evvmVdPP2.发光效率1.3.2光源的基本特性参数某一光源所发射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的发光效率。mKVKveKvmeKV780380780380vvmeddKV若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。3.光谱功率分布自然光源和人造光源大都是由多单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来进行描述。决定光源颜色的客观因素就是它的光谱功率分布；典型白光LED相对光谱分布曲线峰值波长λ2－λ1：谱线带宽，即半峰值宽度。3.光谱功率分布P0(a)线状光谱P0(b)带状光谱P0(c)连续光谱P0(d)混合光谱低压汞灯激光高压汞灯高压钠灯热辐射光源钨灯日常荧光灯典型光谱功率分布曲线常见的几种光谱分布几种标准光源的光谱功率分布4.空间光强分布利用配光曲线，提高光的利用率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个径向取矢量，就得到了光源在该截面的发光强度曲线，即配光曲线。配光曲线表示一个