光電信號檢測光輻射基礎(chǔ)和光源

0.001

1

200

300380760nm1μm7μm1mm1cm1m1km可見光近紅外中紅外（毫米波）遠(yuǎn)紅外微波近紫外遠(yuǎn)紫外真空紫外γ射線射線X無線電波長波序言光輻射狹義：可見光廣義：可見光、紅外輻射、

X射線、紫外輻射……3/5/20231當(dāng)前1頁，總共97頁。光源——發(fā)出光輻射的物體

自然光源——被動光電探測系統(tǒng)人造光源——主動光電探測系統(tǒng)3/5/20232當(dāng)前2頁，總共97頁。光的基本性質(zhì)光具有波粒二象性波動性：解釋干涉、衍射、偏振等——物理光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)粒子性：解釋光電效應(yīng)、光與介質(zhì)的相互作用、吸收、散射等——本課的基礎(chǔ)3/5/20233當(dāng)前3頁，總共97頁。兩種定量描述方式輻射度學(xué)量：用能量單位描述光輻射能的客觀物理量

（物理的），用下腳標(biāo)“e”表示。光度學(xué)量：描述光輻射能被平均人眼接受后所引起的視覺刺激的強度，（生理的），用下腳標(biāo)“v”表示。光度學(xué)量是以人眼對光輻射刺激所產(chǎn)生的視覺為基礎(chǔ)，受到了主觀視覺的限制，不是客觀的物理學(xué)描述方法。輻射度學(xué)量和光度學(xué)量是一一對應(yīng)的，它們之間有著一定的關(guān)系?！?-1輻射的基本概念3/5/20234當(dāng)前4頁，總共97頁。一、輻射度學(xué)的基本物理量1．輻射能Qe:輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J(焦耳)。當(dāng)輻射能被物質(zhì)吸收時，可以轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，如熱能、電能等。2．輻射通量Φe:又稱輻射功率，是輻射能的時間變化率，是單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能，Φe

＝dQe／dt，單位為W(瓦)。3/5/20235當(dāng)前5頁，總共97頁。

3．輻射強度Ie

：點輻射源在給定方向單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位為W/sr（瓦每球面度），

Ie＝dΦe／dΩ。

4．輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量，即Ee＝dΦe／dA，單位為W／m2(瓦每平方米)。dA是投射輻射通量dΦe的面積元。3/5/20236當(dāng)前6頁，總共97頁。5．輻射出射度Me：擴展輻射源單位面積所輻射的通量，即dΦe／dS，dΦe由是擴展源表面dS在各方向上所發(fā)出的輻射通量，單位為W／m2(瓦每平方米)。

Ee和Me的單位相同，其區(qū)別在于：Ee是描述輻射接收面所接收的輻射特性，而Me則為描述擴展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。3/5/20237當(dāng)前7頁，總共97頁。6．輻射亮度Le：擴展源表面一點處的面元在給定方向上單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量。單位為W／sr·m2（瓦每球面度平方米）Le：隨方向變化而變化3/5/20238當(dāng)前8頁，總共97頁。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長的單色輻射所組成。為了研究各種波長的輻射通量，需要對某一波長的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。

7．光譜輻射通量Φe（λ）：輻射源發(fā)出的光在波長λ處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。也叫輻射通量的光譜密度。即光譜輻射通量是輻射通量隨波長的變化率。

單位為W／μm(瓦每微米)，或W／nm(瓦每納米)。3/5/20239當(dāng)前9頁，總共97頁。二、光度的基本物理量

1．光譜光視效率：人的視神經(jīng)對各種不同波長光的感光靈敏度是不一樣的；對綠光最靈敏，對紅、藍光靈敏度較低；另外，受視覺生理和心理影響，不同的人對各種波長光的感光靈敏度也有差異。視見函數(shù)（“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”光譜光視效率）：國際照明委員會（CIE）根據(jù)對許多人的大量觀察結(jié)果，確定了人眼對各種波長光的平均相對靈敏度。3/5/202310當(dāng)前10頁，總共97頁。明視覺光譜光視效率：亮度>3cd/m2，V(λ)，峰值在555nm，錐體細(xì)胞暗視覺光譜光視效率：亮度<0.001cd/m2，V′(λ)，峰值在507nm，桿狀細(xì)胞0507555700620380V(λ)V'(λ)波長（nm）光譜光視效率0.20.40.60.81.03/5/202311當(dāng)前11頁，總共97頁。2、光度的基本物理量光度學(xué)量是以人眼對光輻射刺激所產(chǎn)生的視覺為基礎(chǔ)，受到了主觀視覺的限制，不是客觀的物理學(xué)描述方法；只在可見光波段有意義；用下腳標(biāo)“v”表示，輻射度學(xué)量和光度學(xué)量是一一對應(yīng)的。3/5/202312當(dāng)前12頁，總共97頁。輻射度量和光度量的對照表輻射度量符號單位光度量符號單位輻射能Qe

J光能QV

lm·s輻射通量ΦeW光通量ΦVlm

輻射照度EeW·m-2

光照度EVlx=lm·m-2

輻射出度MeW·m-2

光出射度MVlx輻射強度IeW·sr-1

發(fā)光強度IV

cd=lm·sr-1

輻射亮度Le

W·m-2sr-1光亮度LVcd·m-23/5/202313當(dāng)前13頁，總共97頁?？驳吕╟andela，cd）：發(fā)光強度（IV）的單位，國際單位制中七個基本單位之一。定義是發(fā)出頻率為540×1012Hz(對應(yīng)在空氣中555nm)的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1/683Wsr-1時，在該方向上的發(fā)光強度為1cd。流明（lm）：光通量（ΦV）的單位，定義是發(fā)光強度為1cd的均勻點光源在單位立體角（1sr）內(nèi)發(fā)出的光通量。勒克斯（lx）：光照度（EV）的單位，它相當(dāng)于1lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。光度量的主要單位3/5/202314當(dāng)前14頁，總共97頁。

Φe與Φv的函數(shù)關(guān)系：Km：光功當(dāng)量，明視覺的最大光譜光視效率系數(shù)，它表示人眼對波長為555nm光輻射產(chǎn)生光感覺的效能。Km＝680lm/W光度量與輻射量之間的統(tǒng)一函數(shù)關(guān)系ò=780

380

d)()(lllVXKXemV輻射度學(xué)量光度學(xué)量ò=780

380

d)()(lllVΦKΦemV3/5/202315當(dāng)前15頁，總共97頁。適用于紅外波段任何物體只要它的溫度高于熱力學(xué)溫度（0K或攝氏-273℃），它就一定不斷地發(fā)射電磁輻射（熱輻射）。只要外界傳遞熱量給物體以維持物體的溫度不變，物體就能不改變內(nèi)能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)射電磁波。三、熱輻射的基本物理量3/5/202316當(dāng)前16頁，總共97頁。熱輻射：熱輻射源的特性：熱平衡輻射：由于外界熱量傳遞給物體而發(fā)生的輻射稱為熱輻射。是它的輻射能量直接與它的溫度有關(guān)。如果物體從周圍物體吸收幅射能所得到的熱量恰好等于自身輻射而減少的能量，則輻射過程達到平衡狀態(tài)，這稱為熱平衡輻射。在研究熱平衡輻射所遵從的規(guī)律時，我們假定物體發(fā)射能量和吸收能量的過程中，除了物體的熱狀態(tài)有所改變外，它的成分不發(fā)生變化。熱輻射的輻射光譜是連續(xù)的。熱輻射不僅與物體溫度有關(guān)，而且與物體表面特征有關(guān)。3/5/202317當(dāng)前17頁，總共97頁。物體溫度變化時，顏色會發(fā)生變化3/5/202318當(dāng)前18頁，總共97頁。3/5/202319當(dāng)前19頁，總共97頁。1.輻射本領(lǐng)：是輻射體表面在單位波長間隔、單位面積內(nèi)所輻射的通量。2.

吸收率：在單位波長間隔內(nèi)，被物體吸收的通量與入射通量之比（與溫度T和波長l有關(guān)）3/5/202320當(dāng)前20頁，總共97頁。溫度輻射：任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出輻射，這稱為溫度輻射。3.

絕對黑體：黑體是一種完全的溫度輻射體，定義為吸收率α(l,T)

=1的物體為絕對黑體，其輻射本領(lǐng)為一般物體α(l,T)﹤1，在所有物體中，在同一溫度T下，對任何波長，絕對黑體的吸收率最大，它的輻射本領(lǐng)也最大?？陀^世界中，真正的絕對黑體是不存在的。但是，人工黑體（表面涂黑的球形或柱形空腔）可以制作得非常接近于絕對黑體。同一溫度下，某物體的輻出度同一物體的吸收率3/5/202321當(dāng)前21頁，總共97頁。任何實際物體的輻射本領(lǐng)與相同溫度下的絕對黑體的輻射本領(lǐng)有如下關(guān)系：不同的實際物體輻射特性由吸收率的不同來體現(xiàn)；描述了實際物體的輻射特性與黑體輻射特性的差別。因此，從輻射問題研究意義上講，引入一個物體的發(fā)射率與吸收率相呼應(yīng)更合乎邏輯。3/5/202322當(dāng)前22頁，總共97頁。4.

物體的發(fā)射率ε(l,T)：物體的輻射本領(lǐng)M'λ(l,T)與絕對黑體輻射本領(lǐng)M'lb(l,T)之比與上面的公式對比，可得出處于熱平衡狀態(tài)的物體，其發(fā)射率一定等于其吸收率。任何吸收輻射能力強的物體，其輻射發(fā)射本領(lǐng)必定強。3/5/202323當(dāng)前23頁，總共97頁。沙特：沙漠地區(qū)，夏季氣溫50度以上，為什么穿黑色衣服？3/5/202324當(dāng)前24頁，總共97頁。λMλ(λ,T)§1-2熱輻射的基本定律熱輻射的分類黑體輻射：連續(xù)譜（不透明物體或熾熱稠密氣體輻射）灰體輻射：連續(xù)譜（發(fā)射率低，多數(shù)物體接近于灰體）其他輻射：不規(guī)則、線狀、帶狀光譜（受激氣體輻射）3/5/202325當(dāng)前25頁，總共97頁。

描述物體的輻射與吸收的關(guān)系熱平衡狀態(tài)時，物體從周圍吸收輻射的能量恰好等于本身發(fā)射輻射而減少的能量，物體就處于熱平衡狀態(tài)。此時，物體的狀態(tài)可用一個確定的溫度T來表征?；鶢柣舴蚨桑涸谌我唤o定溫度的熱平衡條件下，任何物體的輻射本領(lǐng)Ml

(l,T)和吸收率α(l,T)的比值與物體的性質(zhì)無關(guān)；只是波長l及溫度T的函數(shù)；且恒等于同溫度絕對黑體的輻射本領(lǐng)：一、基爾霍夫定律這與黑體的定義是完全一致的3/5/202326當(dāng)前26頁，總共97頁。二、蘭伯特余弦定律蘭伯特定律描述了黑體輻射源向半球空間內(nèi)的輻射亮度沿高低角的變化規(guī)律。蘭伯特定律規(guī)定，若面積元dF在法線入向的輻射亮度為LN，則它在高低角θ的方向上的輻射亮度為對于絕對黑體，蘭伯特定律極為正確。對于不光滑物體，經(jīng)驗證明這一定律可適用于θ＝0o～60o的情況。3/5/202327當(dāng)前27頁，總共97頁。描述點源的輻照度與距離關(guān)系點光源向空間輻射時一般是球面波。點光源在傳輸方向上某點的輻射照度和該點到點光源的距離平方成反比：當(dāng)實際光源不能看成點源時，上式計算結(jié)果有較大誤差。當(dāng)把(光源的半徑)時，近似有RlE三、距離平方反比定律EOlL為發(fā)光表面的輻射亮度3/5/202328當(dāng)前28頁，總共97頁。四、亮度守恒定律描述亮度傳輸規(guī)律光輻射在不同介質(zhì)中傳輸時，如果沒有光能損失，光束的基本輻亮度是守恒的，即有：光輻射能在傳輸介質(zhì)中沒有損失時，表面2的輻射亮度和表面1的輻射亮度是相等的即輻射亮度是守恒的。3/5/202329當(dāng)前29頁，總共97頁。若有光學(xué)系統(tǒng)：n、n’分別為物空間和像空間的折射率，τ為光學(xué)系統(tǒng)的透射比。τ<1，光學(xué)系統(tǒng)可以改變傳輸光束的發(fā)散或會聚狀態(tài)，但是無助于亮度的增加。3/5/202330當(dāng)前30頁，總共97頁。五、普朗克定律描述黑體的光譜輻射出射度與波長、絕對溫度直接的關(guān)系黑體光譜輻射出射度為：式中h—普朗克常數(shù)k—玻爾茲曼常數(shù)c—光速3/5/202331當(dāng)前31頁，總共97頁。3/5/202332當(dāng)前32頁，總共97頁。每條曲線都有一個峰值，隨著溫度的升高，此峰值向短波方向移動普朗克曲線（波長/μm）3/5/202333當(dāng)前33頁，總共97頁。3/5/202334當(dāng)前34頁，總共97頁。普朗克于1900年建立了黑體輻射定律的公式，并于1901年發(fā)表。是熱輻射最基本的定律。其目的是改進由威廉·維恩提出的維恩近似。維恩近似在短波范圍內(nèi)和實驗數(shù)據(jù)相當(dāng)符合，但在長波范圍內(nèi)偏差較大；而瑞利-金斯公式則正好相反。普朗克得到的公式則在全波段范圍內(nèi)都和實驗結(jié)果符合得相當(dāng)好。在推導(dǎo)過程中，普朗克考慮將電磁場的能量按照物質(zhì)中帶電振子的不同振動模式分布。得到普朗克公式的前提假設(shè)是這些振子的能量只能取某些基本能量單位的整數(shù)倍，這些基本能量單位只與電磁波的頻率有關(guān)，并且和頻率成正比。然后，普朗克指出，為了推導(dǎo)出這一定律，必須假設(shè)在光波的發(fā)射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續(xù)的，或者說，物體通過分立的跳躍非連續(xù)地改變它們的能量，能量值只能取某個最小能量元的整數(shù)倍。3/5/202335當(dāng)前35頁，總共97頁。這即是普朗克的能量量子化假說，這一假說的提出比愛因斯坦為解釋光電效應(yīng)而提出的光子概念還要至少早五年。然而普朗克并沒有像愛因斯坦那樣假設(shè)電磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束，他認(rèn)為這種量子化只不過是對于處在封閉區(qū)域所形成的腔（也就是構(gòu)成物質(zhì)的原子）內(nèi)的微小振子而言的，用半經(jīng)典的語言來說就是束縛態(tài)必然導(dǎo)出量子化。普朗克沒能為這一量子化假設(shè)給出更多的物理解釋，他只是相信這是一種數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)手段，從而能夠使理論和經(jīng)驗上的實驗數(shù)據(jù)在全波段范圍內(nèi)符合。不過最終普朗克的量子化假說和愛因斯坦的光子假說都成為了量子力學(xué)的基石。3/5/202336當(dāng)前36頁，總共97頁。本定律由德國物理學(xué)家威廉·維恩（WilhelmWien）于1893年通過對實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗總結(jié)提出。威廉·維恩提出本定律的時間是在普朗克黑體輻射定律出現(xiàn)之前，且過程完全基于對實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗總結(jié)。后來證明，本定律是更為廣義的普朗克黑體輻射定律的一個直接推論。六、維恩位移定律描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關(guān)系的定律。設(shè)黑體輻射的峰值波長，則存在如下的簡單關(guān)系：已知物體的溫度時，可以計算其峰值輻射波長，反之亦然。（溫度與峰值波長成反比）3/5/202337當(dāng)前37頁，總共97頁。將代回普朗克定律公式，可得峰值輻射波長處的輻射出射度：黑體的光輻射出射度的峰值與絕對溫度的五次方成正比維恩位移定律是更為廣義的普朗克黑體輻射定律的一個直接推論3/5/202338當(dāng)前38頁，總共97頁。維恩位移定律說明了一個物體越熱，其輻射譜的波長越短（或者說其輻射譜的頻率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星隨表面溫度的不同會顯示出不同的顏色，溫度較高的顯藍色，次之顯白色，瀕臨燃盡而膨脹的紅巨星表面溫度只有2000-3000K，因而顯紅色。太陽的表面溫度是6000K，根據(jù)維恩位移定律計算得的峰值輻射波長則為502nm，這近似處于可見光光譜范圍的中點，為黃光。描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關(guān)系的定律

3/5/202339當(dāng)前39頁，總共97頁。七、斯忒藩—波耳茲曼定律本定律由斯洛文尼亞物理學(xué)家約瑟夫·斯特藩（Jo?efStefan）和奧地利物理學(xué)家路德維?！げㄆ澛謩e于1879年和1884年各自獨立提出。提出過程中斯特藩通過的是對實驗數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，波茲曼則是從熱力學(xué)理論出發(fā)，通過假設(shè)用光（電磁波輻射）代替氣體作為熱機的工作介質(zhì)，最終推導(dǎo)出與斯特藩的歸納結(jié)果相同的結(jié)論。本定律最早由斯特藩于1879年3月20日以überdieBeziehungzwischenderW?rmestrahlungundderTemperatur（《論熱輻射與溫度的關(guān)系》）為論文題目發(fā)表在維也納科學(xué)院的大會報告上，這是唯一一個以斯洛文尼亞人的名字命名的物理學(xué)定律。3/5/202340當(dāng)前40頁，總共97頁。

描述黑體輻射出射度與溫度的關(guān)系黑體在半球空間輻射出射度與黑體溫度有下述簡單關(guān)系（由普朗克公式階段積分得到）：計算例：當(dāng)T＝300K時，Meb＝460W/m2；當(dāng)T＝6000K時，Meb＝7.36×107W/m2。二者相差16萬倍。3/5/202341當(dāng)前41頁，總共97頁。光源在科學(xué)研究和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在成份分析、結(jié)構(gòu)研究、光電檢測、照明設(shè)計等方面，都離不開一定型式的光源。在光電系統(tǒng)中，光源往往起著關(guān)鍵的作用，正確選擇光源，對設(shè)計光電系統(tǒng)和解決具體光電檢測問題有重要意義?！?-3

光源的基本特性參數(shù)和光源的選擇3/5/202342當(dāng)前42頁，總共97頁。1.輻射效率與發(fā)光效率輻射效率定義：在給定λ1～λ2波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率，即：相應(yīng)地，對于可見光范圍，某一光源的發(fā)光效率為：輻射通量W/W光通量lm/W一、光源的基本特性參數(shù)3/5/202343當(dāng)前43頁，總共97頁。光源種類發(fā)光效率光源種類發(fā)光效率普通鎢絲燈8～18高壓汞燈30～40鹵鎢燈14～30高壓鈉燈90～100普通熒光燈35～60球形氙燈30～40三基色熒光燈55～90金屬鹵化物燈60～80常用光源的發(fā)光效率（單位：lm/W）3/5/202344當(dāng)前44頁，總共97頁。自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分布。

光源的光譜功率分布通?？煞殖伤姆N情況：線狀光譜帶狀光譜連續(xù)光譜混合光譜低壓汞燈、激光高壓汞燈、高壓鈉燈熒光燈熱輻射光源、白熾燈2.光譜功率分布（相對光譜功率分布）3/5/202345當(dāng)前45頁，總共97頁。光譜功率分布應(yīng)由測量對象的要求來決定在目視光學(xué)系統(tǒng)中，采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。對于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計中，通常使用紫外輻射較強光源。紫外光刻系統(tǒng)中，采用365nm波長譜線輻射較強的光源，高壓汞燈。3/5/202346當(dāng)前46頁，總共97頁。對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不同的。配光曲線：若在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該方向的發(fā)光強度成正比。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強度曲線，即配光曲線。3.空間光強分布0o超高壓球形氙燈光強分布曲線水平平面垂直平面0o30o60o90o-30o-60o-90o-120o120o150o180o-150o提高光能利用率：選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向反光罩

3/5/202347當(dāng)前47頁，總共97頁。描述光源的輻射特性黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射特性來近似地表示。分布溫度輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。色溫輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。相關(guān)色溫對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關(guān)色溫表示。在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。4.光源的色溫3/5/202348當(dāng)前48頁，總共97頁。5.光源的顏色色表：用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。例如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。顯色性：當(dāng)用這種光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色（也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺）與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。顯色性好的光源（白熾燈、鹵鎢燈、鏑燈等），適用于辨色要求較高的場合，如彩色電影、彩色電視的拍攝和放映，染料、彩色印刷等行業(yè)。顯色性差的光源（高壓汞燈、高壓鈉燈等），一般用于道路、隧道、碼頭等辨色要求較低的場合。3/5/202349當(dāng)前49頁，總共97頁。二、光源選擇的基本要求1．對光源發(fā)光光譜特性的要求基本要求：光源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的需要。光源和光電探測器之間的光譜匹配系數(shù)，描述兩光譜特性間的重合程度或一致性。Wλ為光源光輻射通量的相對值；Sλ為在光電探測器靈敏度的相對值。3/5/202350當(dāng)前50頁，總共97頁。2．對光源發(fā)光強度的要求光源強度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，以至無法正常檢測；光源強度過高，會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時可能損壞系統(tǒng)、待測物或光電探測器等，同時也導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費。因此在系統(tǒng)設(shè)計時，必須對探測器所需獲得的最大、最小光通量進行正確的估計，并按估計來選擇光源。3/5/202351當(dāng)前51頁，總共97頁。3．對光源穩(wěn)定性的要求依據(jù)不同的檢測對象來確定（脈沖、連續(xù)量）。同時也應(yīng)考慮光源的造價，過分的要求會使設(shè)備昂貴，而對檢測并無好處。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法：可采用穩(wěn)壓電源供電?？刹捎梅€(wěn)流電源供電。所用光源應(yīng)預(yù)先進行老化處理。可對發(fā)出光進行采樣，然后反饋控制光源的輸出。3/5/202352當(dāng)前52頁，總共97頁。4．對光源其它方面的要求如燈絲的結(jié)構(gòu)和形狀；發(fā)光面積的大小和構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀和均勻性；以及光源發(fā)光率和空間分布等；3/5/202353當(dāng)前53頁，總共97頁。自然光源：太陽、月亮、地球、星體、天空和地球上的物體……特點：光源的輻射對于光電探測系統(tǒng)來說通常很不穩(wěn)定，而且無法控制。處理方法：直接測量、分析、統(tǒng)計。星等：星的亮暗程度用地面所接收到的照度來衡量，具體表示為星等數(shù)字的大?。ú灰欢ㄊ钦麛?shù)）。星等數(shù)字越大，對地面的照度越弱。各星等間每差五等，其照度差為100倍。n>m比零等星更亮的星為負(fù)數(shù)。5.自然光源3/5/202354當(dāng)前54頁，總共97頁。各自然輻射源的星等和地面的照度輻射源星等對地面的照度（lx）太陽-26.731.30×105點光源（1cd距1m處）-13.91.00滿月-12.52.67×10-1金星（最亮?xí)r）-4.31.39×10-4天狼星-1.429.8×10-6零等星02.65×10-6一等星11.05×10-6六等星61.05×10-83/5/202355當(dāng)前55頁，總共97頁。光源亮度比較光源及條件光亮度光源及條件光亮度光源及條件光亮度太陽(大氣外測定)1.9×109低壓汞燈2~3×104碘鎢燈5×107太陽(海平面測定)1.6×109鈉光燈1~2×105碳弧燈1.8×108月亮2.5×10350W鎢絲燈4.08×106超高壓汞燈108~109天空(夏天平均)5×103200W充氣鎢絲燈1.33×107超高壓氙燈1010天空(秋天平均)3×1032500K黑體5.3×106球形脈沖氙燈1011氖燈1×10310000K黑體1.12×1010乙炔焰8×104氣體、固體激光器(W/m2sr)105~1010調(diào)Q激光器(W/m2sr)1014~1017單位：cd/m23/5/202356當(dāng)前56頁，總共97頁。§1-4光電技術(shù)中常用光源簡介光源是一門專門技術(shù)學(xué)科，涉及光學(xué)、原子物理、電真空和色度學(xué)等多門知識，內(nèi)容非常豐富。而且，隨著光源技術(shù)的發(fā)展，可提供光電探測用的光源品種也日趨增多。熱輻射光源氣體放電光源固體發(fā)光光源激光器3/5/202357當(dāng)前57頁，總共97頁。一、熱輻射光源熱輻射光源三個特點：(1)它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們發(fā)光或輻射性質(zhì)；(2)發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，但紫外輻射和可見光輻射含量很少；(3)采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光輸出獲得很高的穩(wěn)定度。應(yīng)用：熱輻射光源除了用作照明或在各種光學(xué)和光電探測系統(tǒng)中充當(dāng)一般光源外，還可用作光度或輻射度測量中的標(biāo)準(zhǔn)光源或標(biāo)準(zhǔn)輻射源(輻射定標(biāo))。其作用是完成計量工作中的光度或輻射度標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。這在光學(xué)和光電檢測中是必不可少的。3/5/202358當(dāng)前58頁，總共97頁。1.人造黑體輻射源酚醛管銅屏蔽光闌加熱電阻絲石棉和硅酸鹽水泥黑體輻射源結(jié)構(gòu)原理圖溫度計（測溫）光譜范圍：紅外光區(qū)(0.75μm～2.5μm或0.75μm～6μm)結(jié)構(gòu)輻射源：銅或不銹鋼圓筒內(nèi)有圓錐腔絕緣層：石棉和硅酸鹽水泥加熱：電阻絲加熱溫度：溫度計、自動控溫儀光闌：黑體輻射輸出3/5/202359當(dāng)前59頁，總共97頁。2．白熾燈3/5/202360當(dāng)前60頁，總共97頁。白熾燈將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。自1879年，美國的愛迪生制成了碳化纖維（即碳絲）白熾燈以來，經(jīng)人們對燈絲材料、燈絲結(jié)構(gòu)、充填氣體的不斷改進，白熾燈的發(fā)光效率也相應(yīng)提高。現(xiàn)代的鎢絲白熾燈到1908年才由美國發(fā)明家?guī)炖嬖囍瞥晒?。發(fā)光體是用金屬鎢拉制的燈絲，這種材料最可貴的特點是其熔點很高，即在高溫下仍能保持固態(tài)。一只點亮的白熾燈的燈絲溫度高達3000℃。正是由于熾熱的燈絲產(chǎn)生了光輻射，才使電燈發(fā)出了明亮的光芒。因為在高溫下一些鎢原子會蒸發(fā)成氣體，并在燈泡的玻璃表面上沉積，使燈泡變黑，所以白熾燈都被造成“大腹便便”的外型，這是為了使沉積下來的鎢原子能在一個比較大的表面上彌散開。否則的話，燈泡在很短的時間內(nèi)就會被熏黑了。由于燈絲在不斷地被升華，所以會逐漸變細(xì)，直至最后斷開，這時一只燈泡的壽命也就結(jié)束了。

3/5/202361當(dāng)前61頁，總共97頁。發(fā)射連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體輻射曲線相差約0.5％，而在整個光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2％。燈絲的熱電阻的阻值是其冷電阻阻值的12—16倍，所以，在燈的啟動瞬時有較大的電流。在選擇熔斷器或用白熾燈作半導(dǎo)體整流的負(fù)載時，應(yīng)考慮這個瞬時電流。電壓與參數(shù)關(guān)系圖用于照明時浪費電能2．白熾燈3/5/202362當(dāng)前62頁，總共97頁。在所有用電的照明燈具中，白熾燈的效率是最低的，它所消耗的電能只有很小的部分，即12％－18％可轉(zhuǎn)化為光能，而其余部分都以熱能的形式散失了。至于照明時間，這種電燈的使用壽命通常不會超過1000小時。澳大利亞：2009年停止生產(chǎn)，最晚在2010年逐步禁止使用傳統(tǒng)的白熾燈。澳大利亞是世界上第一個計劃全面禁止使用傳統(tǒng)白熾燈的國家。臺灣：規(guī)劃2010年開始執(zhí)行白熾燈禁產(chǎn)政策，2012年全面禁產(chǎn)。美國：2012年1月到2014年1月。

中國：預(yù)計10年內(nèi)禁用（禁售）白熾燈，為加快推進節(jié)能減排，逐步淘汰白熾燈，加快推廣節(jié)能燈，國家發(fā)改委日前與聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）、全球環(huán)境基金（GEF）合作共同開展“中國逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈”項目，支持研究編制《中國逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈行動計劃》。

3/5/202363當(dāng)前63頁，總共97頁。二、氣體放電光源利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電原理：密封在泡殼內(nèi)的氣體或金屬氣體在電場的作用下激勵出電子和離子，電子和離子從電場中獲得能量分別向陰極和陽極運動，它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子。這一過程中會引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級時就會發(fā)射出輻射，這就是氣體放電原理。優(yōu)點：發(fā)光效率高，比同瓦數(shù)白熾燈高2～10倍，節(jié)能；不用燈絲發(fā)光，具有牢固、結(jié)構(gòu)緊湊優(yōu)點；壽命長，比白熾燈長2～10倍；光色適應(yīng)性強等特點。因而有較強的競爭力，在光電技術(shù)和照明工程中得到廣泛的應(yīng)用。3/5/202364當(dāng)前64頁，總共97頁。1.汞燈汞燈又稱水銀燈，是利用汞蒸氣放電發(fā)光而制成的。按汞蒸氣壓的不同可分為低壓、高壓和超高壓三種。3/5/202365當(dāng)前65頁，總共97頁。1.汞燈

（1）低壓汞燈管內(nèi)氣壓為10-4～10-5大氣壓。

放電時主要輻射兩條共振輻射線：253.7nm和185.0nm。共振輻射線是指原子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時所發(fā)出的輻射，即主要是汞元素原子的特征譜線。應(yīng)用：光譜儀的波長基準(zhǔn)、紫外殺菌、光化學(xué)反應(yīng)及熒光分析等。3/5/202366當(dāng)前66頁，總共97頁。燈內(nèi)的汞蒸氣壓約為1～5個大氣壓，由于在高氣壓時相鄰原子接近，原子之間的相互作用增強，產(chǎn)生了譜線的壓力加寬和多卜勒加寬，輻射的光譜中有很強的連續(xù)成份，紫外輻射明顯減弱，而可見輻射增加。高壓汞燈的發(fā)光效率達64lm/W，應(yīng)用：照明、光學(xué)儀器、光化反應(yīng)、紫外線理療、熒光分析等方面。1.汞燈

（2）高壓汞燈3/5/202367當(dāng)前67頁，總共97頁。燈內(nèi)的汞蒸氣體大于10～200個大氣壓。隨著汞蒸氣壓的提高，原子激發(fā)到高能級的幾率增大，紫外輻射減弱，共振輻射幾乎全部被吸，可見光譜線加寬。連續(xù)背景譜線明顯加強，紅外譜輻射增強。球形超高壓汞燈中的電極距離為毫米級，放電電弧集中在電極之間。因此電弧的亮度很高，常應(yīng)用于光學(xué)儀器、熒光分析和光刻技術(shù)等方面。1.汞燈

（3）超高壓汞燈3/5/202368當(dāng)前68頁，總共97頁。（4）日光燈（熒光燈）

日光燈管兩端裝有燈絲，玻璃管內(nèi)壁涂有一層均勻的薄熒光粉，管內(nèi)被抽成真空度10-3-10-4毫米汞柱后，充入微量的氬和稀薄的汞蒸氣。汞蒸氣電離導(dǎo)電產(chǎn)生紫外線而激發(fā)螢光粉發(fā)出柔和的可見光。日光燈發(fā)光不含紅外線，所以它的光是很溫和的，不傷眼睛；因為不含有紅外線，用起來比較省電；日光燈會發(fā)出許多美麗有色的光。這就是由熒光粉里所含的化學(xué)藥品的性質(zhì)來定了，例如涂上鎢酸鎂的，發(fā)藍白色光，涂上硼酸鎘的發(fā)淡紅色光。

3/5/202369當(dāng)前69頁，總共97頁。節(jié)能燈，又稱為省電燈泡、電子燈泡、緊湊型熒光燈及一體式熒光燈，是指將熒光燈與鎮(zhèn)流器（安定器）組合成一個整體的照明設(shè)備。節(jié)能燈的尺寸與白熾燈相近，與燈座的接口也和白熾燈相同，所以可以直接替換白熾燈。節(jié)能燈的光效比白熾燈高得多，同樣照明條件下，前者所消耗的電能要少得多，所以被稱為節(jié)能燈。

1.汞燈

（5）節(jié)能燈3/5/202370當(dāng)前70頁，總共97頁。2.氙燈氙燈惰性氣體氙在兩個鎢電極之間的高壓電孤放電從而發(fā)出強光的光源。高壓氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近，色溫為6000K左有，顯色指數(shù)90以上，因此有“小太陽”之稱。3/5/202371當(dāng)前71頁，總共97頁。氙燈可分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種3/5/202372當(dāng)前72頁，總共97頁。當(dāng)氙燈的電極間距為1.5~300cm時稱為長弧氙燈，細(xì)管形，工作氣壓為1個大氣壓，發(fā)光效率為25～30lm/w。當(dāng)氙燈的電極間距縮短到毫米數(shù)量級時稱為短弧氙燈，燈內(nèi)的氙氣氣壓約為10～20個大氣壓。該燈的電弧亮度很高，其陰極點的最大亮度可達幾十萬坎德拉每平方厘米，電弧的亮度在陰極和陽極距離上分布是很不均勻的。短弧氙燈常用于電影放映、熒光分光光度計及模擬等場合。脈沖氙燈的發(fā)光是不連續(xù)的，可以在瞬時(10－9～10－12s)獲得除激光以外最強的光通和亮度。它用高壓電脈沖激發(fā)產(chǎn)生光脈沖。脈沖氙燈廣泛用作固體激光器的光泵、高速攝影、航空照相、頻閃觀察儀器、光學(xué)儀器、激光武器等方面。3/5/202373當(dāng)前73頁，總共97頁。3．空心陰極燈

空心陰極燈(也叫原子光譜燈)是屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈。結(jié)構(gòu)：其陰極由金屬元素或其他合金制成空心圓柱型，圓環(huán)形陽極是用吸氣性能很好的鋯材料制成的。原理：被濺散出來的陰極金屬原子蒸汽，在空心陰極燈中被激發(fā)，輻射出該金屬的原子特征譜線。優(yōu)點：輻射出的金屬原子譜線很窄，強度很大，穩(wěn)定性好。應(yīng)用：用作對微量金屬元素吸收光譜定性或定量分析的光源，以及用于光譜儀器波長定標(biāo)上。3/5/202374當(dāng)前74頁，總共97頁。4.氘燈工作原理：加熱燈絲，產(chǎn)生電子發(fā)射，當(dāng)陽極加高壓后，氘()原子在燈內(nèi)受高速電子碰撞而激發(fā)，從陽極小圓孔中輻射出連續(xù)的紫外光譜(185～500nm)。優(yōu)點：氘燈的紫外線輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長。應(yīng)用：各種紫外分光光度計的連續(xù)紫外光源。3/5/202375當(dāng)前75頁，總共97頁。三、固體發(fā)光光源固體在電場的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象叫場致發(fā)光，也稱為電致發(fā)光。目前常見的場致發(fā)光有三種形態(tài)，即粉末、薄膜和結(jié)型。II一VI族化合物半導(dǎo)體是實際唯一的粉末和薄膜場致發(fā)光材料III一V族發(fā)光材料在發(fā)光二極管方面有廣泛應(yīng)用。3/5/202376當(dāng)前76頁，總共97頁。1．粉末場致發(fā)光光源按激發(fā)方式不同，場致發(fā)光光源有交流電場激發(fā)和直流電場激發(fā)兩種。(1)交流粉末場致發(fā)光光源該器件的發(fā)光材料(通常為ZnS:Cu)懸浮在介電系數(shù)很高、透明而又絕緣的膠合介質(zhì)中，并被兩電極所挾持。兩電極之間通常沒有一條完整的導(dǎo)電支路，所以不能用直流激勵。當(dāng)在兩電極間加上交變電場時，粉末就會產(chǎn)生場致發(fā)光。1-玻璃基板；2－透明導(dǎo)電膜；3－發(fā)光材料；4－反射層；5－背電極；6－防潮樹脂；7－防潮蓋板3/5/202377當(dāng)前77頁，總共97頁。優(yōu)點與缺點與其它光源相比,它有獨特的優(yōu)點：(1)固體化、平板化，占地小，易于安裝；(2)面積、形狀幾乎不受限制，因而可以通過光刻、金屬電極掩蔽鍍膜等方法制成任意發(fā)光圖形；(3)無紅外輻射冷光源，因而隱蔽件好，對周圍環(huán)境沒有影響；(4)視角大，光線柔和，易于觀察；(5)壽命長，功耗低，發(fā)光易于電控。缺點：亮度較低、驅(qū)動電壓高、老化快等。3/5/202378當(dāng)前78頁，總共97頁。(2)直流粉末場致發(fā)光光源直流粉末場致發(fā)光光源的結(jié)構(gòu)與交流情況類似，但其發(fā)光材料的涂層是導(dǎo)電的CuxS，而不是大量分布在中間的絕緣膠合介質(zhì)。正常使用之前，需在兩電極上施加短暫的高壓脈沖，使銅離子從緊挨著陽極的發(fā)光體表面上失落。失落銅離子的表面ZnSCu，MnCuxS涂層陰極透明陽極3/5/202379當(dāng)前79頁，總共97頁。應(yīng)用：(1)特殊照明：儀表表盤、飛機座艙、坑道等；(2)數(shù)字、符號顯示：可以做成大型的數(shù)字鐘、電子稱等顯示；(3)模擬顯示。如顯示生產(chǎn)工藝流程和大型設(shè)備的工作狀態(tài)，各種應(yīng)急系統(tǒng)標(biāo)志顯示等；(4)矩陣顯示，又叫交叉電極場致發(fā)光顯示。主要用于雷達、航跡顯示及電視等；(5)像轉(zhuǎn)換及像增強器。把場致發(fā)光屏與光導(dǎo)材料聯(lián)合使用，可以做成顯像器件等等。3/5/202380當(dāng)前80頁，總共97頁。2．薄膜場致發(fā)光光源將固體發(fā)光材料制成薄膜的形式，在電場的作用下出現(xiàn)的發(fā)光現(xiàn)象，稱為薄膜場致發(fā)光。優(yōu)點：薄膜場致發(fā)光可以有很高的分辨率，成像質(zhì)量高，顯示對比度好?？芍瞥筛鞣N形狀，視角大，光線柔和，制備工藝簡單，造價便宜等。應(yīng)用：在顯示和顯像方面是很有前途的發(fā)光器件。3/5/202381當(dāng)前81頁，總共97頁。3．發(fā)光二極管(LED,LightEmittingDiode

)發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在p－n結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源。加正向偏壓時，在外電場作用下，在p—n結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合。一個電子和一個空穴的每一次復(fù)合，將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的一定復(fù)合能量，這個能量會以熱能、光能或部分熱能和部分光能的形式輻射出來。3/5/202382當(dāng)前82頁，總共97頁。優(yōu)點、缺點、應(yīng)用優(yōu)點：(1)屬于低電壓(1－2v)、小電流(每個發(fā)光單元只需10mA）器件，在室溫下即可得到高亮度(一般3000cd／m2以上)；(2)發(fā)光響應(yīng)速度快（10－7－10－9秒)；(3)性能穩(wěn)定，壽命長(一般105小時以上)；(4)易于和集成電路匹配，且驅(qū)動簡單；(5)與普通光源相比，單色性好，其發(fā)光的半寬度一般為幾十納米；(6)體積小、耐沖擊。缺點：功率較小(μW，mW)、光色有限，較難獲得短波發(fā)光(如紫外、藍色)，且發(fā)光效率低應(yīng)用：作為儀表指示器和小型超小型文字、數(shù)字顯示器等方面。隨著大功率和多功能器件的發(fā)展，其應(yīng)用范圍將日益擴大。3/5/202383當(dāng)前83頁，總共97頁。自從高亮度白光LED問世后，由于它具有發(fā)光效率高節(jié)電效果好，并且無污染、壽命的特點，在照明應(yīng)用上受到各的重視。用白光LED作照明燈來取代傳統(tǒng)照明燈的研發(fā)工作不斷地進行著，取得了一些成果。LED燈的應(yīng)用是一個綜合技術(shù)的應(yīng)用，它涉及到LED、太陽能電池、蓄電池、AC/DC轉(zhuǎn)換器、LED驅(qū)動器等各個領(lǐng)域的技術(shù)。但目前關(guān)鍵技術(shù)問題還是LED的發(fā)光效率不夠高、生產(chǎn)成本不夠低。要使LED燈進入千家萬戶，可能還要等幾年。

3/5/202384當(dāng)前84頁，總共97頁。四、激光器

1．激光器的工作原理

組成：工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源常用的泵浦源是輻射源或電源。利用泵浦源能將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，使處于高能態(tài)的粒子數(shù)大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)，構(gòu)成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，這是產(chǎn)生激光的必要條件。處于這一狀態(tài)的原子或分子稱為受激原子或分子。當(dāng)高能態(tài)粒子躍遷到低能態(tài)而產(chǎn)生輻射后，它通過受激原子時會感應(yīng)出同相位同頻率的輻射。這些輻射波沿由兩平面構(gòu)成的諧振腔來回傳播時，沿軸線的來回反射次數(shù)最多，它會激發(fā)出更多的輻射，從而使輻射能量放大，這樣，受激和經(jīng)過放大的輻射通過部分透射的平面鏡輸出到腔外，產(chǎn)生激光。泵浦源全反鏡工作物質(zhì)半反鏡3/5/202385當(dāng)前85頁，總共97頁。2.激光器的類型按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器等。(1)氣體激光器氣體激光器采用的工作物質(zhì)很多，激勵方式多樣，發(fā)射波長也最廣。這里主要介紹氦氖激光器，氬離子激光器和二氧化碳激光器。3/5/202386當(dāng)前86頁，總共97頁。a.氦氖激光器氦氖激光器工作物質(zhì)由氦氣和氖氣組成，是一種原子氣體激光器，在激光器電極上施加幾千伏電壓使氣體放電，在適當(dāng)?shù)臈l件下氦氖氣體成為激活的介質(zhì)，用高反射比的多層介質(zhì)膜反射鏡作為諧振腔，則可獲得激光輸出，輸出的波長為632.8nm、1.15μm、3.39μm。主要用于精密計量、全息術(shù)、準(zhǔn)直測量等。3/5/202387當(dāng)前87頁，總共97頁。b.氬離子激光器氬離子激光器的工作物質(zhì)是氬氣，在低氣壓大電流下工作。連續(xù)的氬離子激光器在大電流的條件下運轉(zhuǎn)，放電管需承受高溫和離子的轟擊，因此小功率放電管常用耐高溫的熔石英做成，大功率放電常用高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨或BeO陶瓷做成。放電管外部通常用水冷卻，降低工作溫度。輸出的譜線屬于離子光譜線，主要輸出波長有452.9nm、476.5nm、496.5nm、488.0nm、514.5nm，其中488.0nm和514.5nm二條譜線為最強，約占總輸出功率的80％。3/5/202388當(dāng)前88頁，總共97頁。c.二氧化碳激光器二氧化碳激光器的工作物質(zhì)主要是二氧化碳，摻入少量N2和He等氣體，是典型的分子氣體激光器。激光輸出譜線波長分布在9～11μm的紅外區(qū)域，典型的波長為10.6μm。二氧化碳激光器的激勵方式通常有低氣壓縱向連續(xù)激勵和橫向激勵兩種