光度學(xué)基礎(chǔ)與光源

1、關(guān)于光度學(xué)基礎(chǔ)與光源現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁(yè)，共52頁(yè)波長(zhǎng)：380780nm光波（波長(zhǎng)：10nm1mm；頻率：310111016Hz）一、 物理光學(xué)基礎(chǔ)光電器件敏感波長(zhǎng)微波無(wú)線電波1.電磁波譜：2現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁(yè)，共52頁(yè)光譜 - 光波頻段的電磁波譜 紫外 可見(jiàn)光 紅外可見(jiàn)光譜 X射線（X光）：10100nm 3現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁(yè)，共52頁(yè)波動(dòng)性粒子性- 干涉、衍射、偏振- 光電效應(yīng)（物質(zhì)相互作用）光由光子組成，每個(gè)光子能量：h-普朗克常數(shù)（6.62610-34 Js ）; - 光的振動(dòng)頻率（s-1）c - 光速（真空中,3 108 ms-1）；- 光波波長(zhǎng)（真空中，m）- 僅與光的頻率有關(guān)2.

2、光的波粒二象性：電磁波方式傳播的粒子4現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁(yè)，共52頁(yè)二、 光度的基本物理量光度學(xué)量-電磁輻射能引起人眼刺激大小的度量 類似于輻射度量（電磁輻射） 1. 光譜光視效率 - 人眼對(duì)光的視覺(jué)效率- 可見(jiàn)光波段物體晶狀體 鏡頭；視網(wǎng)膜 像敏面；遠(yuǎn)物體 晶狀體扁平 屈光能力小 距離大（最大17mm)近物體 晶狀體厚 屈光能力大 距離小（最小14mm)5現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁(yè)，共52頁(yè)視網(wǎng)膜 - 感官細(xì)胞桿狀細(xì)胞 - 光靈敏度高，感受微弱光刺激;錐狀細(xì)胞 - 光靈敏度低，能很好區(qū)別顏色和辨別細(xì)節(jié)視覺(jué)神經(jīng) - 不同波長(zhǎng)光的感光靈敏度不一樣 （綠光 - 最靈敏； 紅、藍(lán) - 靈敏度最低）光譜光視效率

3、（視見(jiàn)函數(shù)） - 人眼對(duì)各種波長(zhǎng)光的相對(duì)靈敏度國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）10-3cd/m2明視覺(jué)暗視覺(jué)6現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁(yè)，共52頁(yè)明視情況: 敏感波長(zhǎng):380780nm 峰值波長(zhǎng)-555nm;暗視情況： 敏感波長(zhǎng):330730nm 峰值波長(zhǎng)- 507nm;7現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁(yè)，共52頁(yè)1) 光量（光譜光能Qv）- 光的能量（與輻射能Qe相對(duì)應(yīng)）單位：流明秒（lms）- 光通量對(duì)時(shí)間的積分焦耳（J）2. 光度基本物理量8現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁(yè)，共52頁(yè)2) 光通量（v）- 光功率（與輻射通量e對(duì)應(yīng)）單位流明（lm）瓦（W）光通量與輻射通量之間的關(guān)系視見(jiàn)函數(shù)Km- 光功當(dāng)量（人眼在明視條件下，波長(zhǎng)55

4、5nm時(shí)，光輻射產(chǎn)生的光感覺(jué)效能）=680lm/W（理論計(jì)算值）光通量與發(fā)光強(qiáng)度之間的關(guān)系 -發(fā)光強(qiáng)度為Iv的光源在一定立體角內(nèi)的輻射通量。所有方向上的發(fā)光強(qiáng)度相同時(shí)，立體角內(nèi)的光通量-所有方向的光通量9現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁(yè)，共52頁(yè) - 點(diǎn)輻射源在給定方向的單位立體角內(nèi)輻射的光通量3）光強(qiáng)度（Iv）1坎德拉相當(dāng)于均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出1流明的光通量。單位： 坎德拉（lmsr-1 = candla = cd） -光度量中最基本的單位，國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一10現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁(yè)，共52頁(yè)4）光亮度（Lv）- 光強(qiáng)度dIv與面元dS在垂直于發(fā)光強(qiáng)度方向平面上的投影面積之比光源上某點(diǎn)處的

5、面元dS在給定方向的光強(qiáng)度單位：cdm-2 或者 lm/srm2 11現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁(yè)，共52頁(yè)12現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁(yè)，共52頁(yè)5）出射度（Mv）- 單位面積光源所輻射的光通量單位：lmm-2小結(jié) - 光源向外發(fā)射光的特征參量（5個(gè)）：13現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁(yè)，共52頁(yè)6）照度（Ev）- 投射到單位面積上的光通量單位：勒克斯（lx=lmm-2）- 接受光的面元上單位面積被輻射的光通量7）曝光量（Hv）- 照度對(duì)時(shí)間的積分- 單位：lxs光度參量 - 與輻射波長(zhǎng)有關(guān)0.780.38vv)d(0.780.38vv)d(EE白熾燈14現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁(yè)，共52頁(yè)三、光電測(cè)試系統(tǒng)常用光源三、光

6、電測(cè)試系統(tǒng)常用光源在給定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某光源發(fā)出的光通量v與產(chǎn)生該光通量所需的功率P之比1）發(fā)光效率1、光源的基本參數(shù)21v()dPP12為該光電測(cè)量系統(tǒng)的光譜范圍應(yīng)用：采用發(fā)光效率高的光源以節(jié)省能源15現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁(yè)，共52頁(yè)2）光譜功率分布光源輸出的功率與光譜（光的波長(zhǎng)）有關(guān)典型分布線狀光譜低壓汞燈帶狀光譜高壓汞燈連續(xù)光譜白熾燈、鹵素?zé)魪?fù)合光譜熒光燈16現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁(yè)，共52頁(yè)激光光譜能量分布17現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁(yè)，共52頁(yè)選擇：光譜功率分布的峰值波長(zhǎng)與光電器件的靈敏波長(zhǎng)相一致目視瞄準(zhǔn) - 綠光光源（減輕人眼的疲勞）彩色攝影 - 白熾燈、鹵素?zé)簟⒆匀还庾贤?、紅外測(cè)量 - 紫外

7、燈（氙燈、紫外汞燈）、紅外燈尺寸檢測(cè) - 單色光（紅、綠、藍(lán)）干涉測(cè)量 - 穩(wěn)頻激光光源18現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁(yè)，共52頁(yè)光源發(fā)光各向異性 - 發(fā)光強(qiáng)度在各個(gè)方向不同3） 空間光強(qiáng)分布特性發(fā)光強(qiáng)度曲線（配光曲線）- 在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強(qiáng)度相同的點(diǎn)連線選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向 - 提高光的利用率利用反光罩（焦點(diǎn)位于光源的發(fā)光中心） - 充分利用其他方向的光19現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁(yè)，共52頁(yè)1） 熱輻射光源物體溫度大于絕對(duì)零度 - 向外輻射能量 - 光子 - 光（1）太陽(yáng)光陽(yáng)光 - 太陽(yáng)向地球輻射熱（復(fù)色光） -很好的平行光源照度值在不同光譜區(qū)所占的百分比：紫外光 - 6

8、.46%;可見(jiàn)光 - 46.25%紅外光 - 47.29%2、光電測(cè)量中常用光源20現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁(yè)，共52頁(yè) - 燈泡中的鎢絲被加熱而發(fā)光 - 連續(xù)光譜（2）白熾燈充氣燈泡 - 燈泡內(nèi)充氬、氮等惰性氣體 工作溫度提高到27003000K，發(fā)光效率17lm/W真空鎢絲燈 - 玻璃燈泡抽成真空，鎢絲加熱到23002800K - 復(fù)色光（發(fā)光效率10lm/W）鹵素?zé)?- 燈泡內(nèi)充有鹵族元素 工作溫度達(dá)30003200K，發(fā)光效率30lm/W 電壓 - 燈絲長(zhǎng)度；電流 - 燈絲直徑 100W鎢燈 - 光通量大約200lm燈絲形狀 - 發(fā)光強(qiáng)度的方向性21現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁(yè)，共52頁(yè)2） 氣體

9、放電光源- 利用氣體放電原理來(lái)發(fā)光的光源如：將氫、氦、氘、氙、氪或者金屬蒸汽（汞、鈉、硫等） 充入燈中運(yùn)動(dòng)：電子 陽(yáng)極，離子 陰極 原子躍遷 高能級(jí) 低能級(jí)（發(fā)光）氣體放電電源的特點(diǎn)： 發(fā)光效率高，比白熾燈高210倍，可節(jié)省能源；結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊；壽命長(zhǎng)，大約是白熾燈的210倍；光色范圍大，如普通高壓汞燈發(fā)光波長(zhǎng)大約為 400500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色 （589nm），氙燈近日色，而水銀熒光燈為復(fù)色。- 常用于工程照明和光電測(cè)量之中。 22現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁(yè)，共52頁(yè)3）半導(dǎo)體發(fā)光器件在電場(chǎng)的作用下使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件 - 注入式場(chǎng)致發(fā)光光源（LED

10、- Light-Emitting Diode ）冷光源發(fā)展：20世紀(jì)60年代末特點(diǎn)： 低電壓(1-2V)、 低能耗 (小電流10mA)、 高亮度(3000cd/m2)、小尺寸、 壽命長(zhǎng)(105h)、響應(yīng)快(10-710-9s)、 單色性好(半寬幾十nm)、成本低發(fā)光器件：發(fā)光強(qiáng)度、方向性顯示器件：點(diǎn)亮23現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁(yè)，共52頁(yè)面光源 - 專用線光源點(diǎn)光源24現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁(yè)，共52頁(yè)（1）LED工作原理二極管（半導(dǎo)體材料）未加電壓P區(qū)空穴與N區(qū)電子不能自然復(fù)合（受半導(dǎo)體P-N結(jié)阻擋層的限制）施加正向電壓N區(qū)電子越過(guò)P-N結(jié)進(jìn)入P區(qū)，與P區(qū)空穴相復(fù)合高能電子與空穴復(fù)合 - 釋放能

11、量場(chǎng)致激發(fā)使載流子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí) 高能級(jí)電子（不穩(wěn)定）低能級(jí)（穩(wěn)定） - 半導(dǎo)體發(fā)光 放出光子25現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁(yè)，共52頁(yè)原理圖外觀圖符號(hào)26現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁(yè)，共52頁(yè)顏色-輻射光波長(zhǎng) - 半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg 3486.626 103 10 J1.24eV mmEgEgEg hc - 材料（攙雜）不同材料發(fā)光二極管性能其中：1ev = 1.610-19J 27現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁(yè)，共52頁(yè)（2）LED驅(qū)動(dòng)電路工作過(guò)程中電流不能超過(guò)極限值 限流電阻：- 產(chǎn)品參數(shù)表中查到 電源電壓亮度電流（GaAs-20mA; GaP-10mA） UF -管子正向電壓; IF -管子正

12、向電流;28現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁(yè)，共52頁(yè)（3）LED主要參數(shù)半導(dǎo)體發(fā)光二極管 - 半導(dǎo)體器件、發(fā)光器件工作參數(shù) - 電學(xué)參數(shù)、光學(xué)參數(shù) 電學(xué)參數(shù) - 工作電流、正向電壓、功耗、響應(yīng)時(shí)間、 反向電壓、反向電流等- 光電器件手冊(cè)中查到 光學(xué)參數(shù) - 輻射波長(zhǎng)、光譜特性、發(fā)光亮度、 光強(qiáng)分布等29現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁(yè)，共52頁(yè) 伏安特性正向電壓較小不發(fā)光- 正向死區(qū)- 與普通半導(dǎo)體二極管相同開(kāi)啟電壓： GaAs - 1V GaAsP - 1.5V GaP（紅） - 1.8V GaP（綠） - 2V 大量發(fā)光區(qū)電壓：1.53V加反向電壓時(shí)不發(fā)光- 反向飽和電流反向擊穿電壓：520V左右-工作電壓

13、30現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁(yè)，共52頁(yè) 光譜特性- 不是純單色光（譜線比激光寬、比復(fù)色光源窄）峰值波長(zhǎng)700nm左右，半寬度約100nm；GaAs - 譜線寬度25nm （單色光）P-N結(jié)溫度上升 -峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移（正溫度系數(shù)）31現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁(yè)，共52頁(yè) 發(fā)光亮度特性- 正比于電流密度 電流密度增加 - 發(fā)光亮度趨于飽和 脈沖驅(qū)動(dòng)方式 - 更高的亮度（平均電流與直流相等）32現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁(yè)，共52頁(yè) 溫度特性- 對(duì)P-N結(jié)復(fù)合電流有影響P-N結(jié)溫度升高到一定程度- 電流變小 - 發(fā)光亮度減弱 33現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁(yè)，共52頁(yè) 配光曲線- 光強(qiáng)分布曲線與LED的結(jié)構(gòu)、封

14、裝方式以及發(fā)光二極管前端裝的透鏡有關(guān) 很強(qiáng)的指向性 發(fā)光角 - 80之間34現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁(yè)，共52頁(yè)電學(xué)參數(shù) - 保證LED正常發(fā)光和提高壽命及正確使用功耗：PF =UF IF開(kāi)啟電壓和工作電壓 - 伏安特性PFM - 最大功耗其中UF是工作電壓，而IF是工作電流。20 時(shí)的PFM - 額定功耗工作電流 - 根據(jù)PFM確定通常IF=0.6IFM35現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁(yè)，共52頁(yè)動(dòng)態(tài)參數(shù)：響應(yīng)時(shí)間（開(kāi)啟與熄滅的時(shí)間延遲）下降時(shí)間（tF）開(kāi)啟時(shí)間（tr）響應(yīng)時(shí)間很短 - 動(dòng)態(tài)場(chǎng)合（10100MHz）壽命長(zhǎng) - 105h以上（電流密度1A/cm2）電流密度大 - 發(fā)光亮度高 - 壽命很快縮

15、短正常使用 - 白熾燈泡的30倍；間歇使用 - 30年 用途：指示燈、電平指示、安全閃光、交替閃光、電源極性 指示、數(shù)碼顯示等高亮度LED - 汽車儀表顯示燈、汽車尾燈、交通信號(hào)燈等 （節(jié)約能源）（410ns） （4幾十ns） 36現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁(yè)，共52頁(yè)4）激光光源- 受激發(fā)射光單色性好、相干能力強(qiáng) - 相干光源激光 是原子（分子）系統(tǒng)在受激輻射放大過(guò)程中，產(chǎn)生的一種具有高亮度、高方向性、高強(qiáng)度、好的單色性（相干性）的光。 “激光”-“LASER”(Light Amplification by Stimulatad Emission of Radiation)-“受激發(fā)射的輻射光放大

16、”。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。 激光，是一種嶄新的光源，是由激光器產(chǎn)生的一種光。激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。能激發(fā)出激光并能實(shí)現(xiàn)激光的持續(xù)發(fā)射的器件 - 激光器（1）激光器的組成： 三大要素- 激光工作物質(zhì)、激勵(lì)能源、光學(xué)諧振腔37現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁(yè)，共52頁(yè)固體激光器 輻射能量大（比氣體激光器高出三個(gè)數(shù)量級(jí)） 輸出波長(zhǎng)范圍寬 - 紫外到紅外 可以輸出脈沖光、重復(fù)脈沖光和連續(xù)光 常用于打孔、焊接、測(cè)距、雷達(dá)等- 光泵激勵(lì)形成受激輻射工作物質(zhì)為固體，如紅寶石、釹釔鋁石榴石、鈦寶石等 紅寶石激光器-發(fā)現(xiàn)最早、用

17、途最廣的固體激光器粉紅色的紅寶石是摻有0.05鉻離子(Cr3+)的氧化鋁(Al2O3)單晶體。38現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁(yè)，共52頁(yè)兩個(gè)端面：研磨后再拋光，使兩個(gè)端面相互平行，并垂直于棒的軸線，再鍍以多層介質(zhì)膜，構(gòu)成兩面反射鏡。圓柱形外表面：粗磨（可吸收激勵(lì)光）脈沖氙燈的瞬時(shí)強(qiáng)烈閃光，借助于聚光鏡腔體會(huì)聚到紅寶石棒上，這樣紅寶石激光器就輸出波長(zhǎng)為694.3nm的脈沖紅光輸出窗口：部分反射鏡(反射比約0.9)高反射比鏡面激勵(lì)源（與紅寶石棒平行）- 分別位于內(nèi)表鍍鋁的橢圓柱體諧振腔的兩個(gè)焦點(diǎn)上39現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁(yè)，共52頁(yè)氣體激光器半導(dǎo)體激光器 He-Ne激光器 - 光電測(cè)量中應(yīng)用最多(單色性

18、和方向性好) CO2激光器 - 輸出功率大、能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出波長(zhǎng)為 10.6m的紅外光，用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信和軍事 體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、攜帶與使用方便 可以直接進(jìn)行電流調(diào)制而獲得高內(nèi)調(diào)制輸出 用于光電測(cè)量、激光打印、光存儲(chǔ)、光通信、光雷達(dá)等- 工作物質(zhì)為He-Ne、CO2、Ar+等 - 工作物質(zhì)為GaAs、GaSe、CaS、PbS等 40現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁(yè)，共52頁(yè) He-Ne氣體激光器單色性好，方向性好，輸出功率、頻率穩(wěn)定 - 應(yīng)用最廣泛放電管（玻璃或金屬外殼）激勵(lì)能源：千伏高壓諧振腔氦、氖氣體陰極反射鏡反射鏡%100%98布儒斯特窗陽(yáng)極（鎢棒或鉬筒）毛細(xì)管（放電主要區(qū)域）

19、（金屬圓筒）諧振腔偏振態(tài)41現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁(yè)，共52頁(yè)作用：*產(chǎn)生與維持光的振蕩，使光得到加強(qiáng)。 *使激光有極好的方向性。 *使激光單色性好?？傊?，具有對(duì)光放大實(shí)行 選擇、控制、增強(qiáng) 的作用。諧振腔42現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁(yè)，共52頁(yè) 廣泛應(yīng)用于測(cè)量、對(duì)準(zhǔn)、通訊、全息及醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。工作方式：連續(xù)激勵(lì)輸出波長(zhǎng)：632.8nm、1.5m、3.39mNe原子 -產(chǎn)生激光譜線；He原子 - 共振轉(zhuǎn)移能量，對(duì)激光器的輸出功率影響很大 43現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁(yè)，共52頁(yè) 半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體材料（ZnS、GaAs、PbS、GaSe等）制成的面結(jié)型二極管激活物質(zhì) - 半導(dǎo)體材料（LD）諧振腔 - 在半導(dǎo)體的二個(gè)端面精細(xì)加工磨成解理面構(gòu)成激勵(lì)源 - 給半導(dǎo)體施以正向外加電場(chǎng)，產(chǎn)生電激勵(lì) 外部電場(chǎng)作用下- 半導(dǎo)體的P-N結(jié)中n區(qū)多數(shù)載流子（電子）向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，而p區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）向n區(qū)運(yùn)動(dòng)高能電子與空穴相遇產(chǎn)生復(fù)合，同時(shí)可將多余的能量以光的形式放出來(lái)解理面諧振腔的共振放大作用實(shí)現(xiàn)受激反饋，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射輸出激光 工作原理：44現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁(yè)，共52頁(yè)輸出功率 - 幾mW到數(shù)百mW（脈沖輸出可達(dá)數(shù)W）輸出的波長(zhǎng) - 紫外到紅外均可發(fā)光（