光度學基礎(chǔ)與光源

關(guān)于光度學基礎(chǔ)與光源第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日波長：380~780nm光波（波長：10nm~1mm；頻率：31011~1016Hz）一、物理光學基礎(chǔ)光電器件敏感波長微波無線電波1.電磁波譜：2第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日光譜---光波頻段的電磁波譜

紫外→可見光→紅外可見光譜

X射線（X光）：10~100nm

3第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日波動性粒子性---干涉、衍射、偏振---光電效應(yīng)（物質(zhì)相互作用）光由光子組成，每個光子能量：h---普朗克常數(shù)（＝6.62610-34J·s

）;---光的振動頻率（s-1）c---光速（真空中,＝3108

m·s-1）；---光波波長（真空中，m）---僅與光的頻率有關(guān)2.光的波粒二象性：電磁波方式傳播的粒子next4第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日二、光度的基本物理量光度學量---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----人眼對光的視覺效率---可見光波段物體晶狀體—鏡頭；視網(wǎng)膜—像敏面；遠物體—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第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日視網(wǎng)膜----感官細胞桿狀細胞---光靈敏度高，感受微弱光刺激;錐狀細胞---光靈敏度低，能很好區(qū)別顏色和辨別細節(jié)視覺神經(jīng)----不同波長光的感光靈敏度不一樣（綠光---最靈敏；紅、藍---靈敏度最低）光譜光視效率（視見函數(shù)）

---人眼對各種波長光的相對靈敏度國際照明委員會（CIE）10-3cd/m2明視覺暗視覺6第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日明視情況:

敏感波長:380~780nm

峰值波長---555nm;暗視情況：敏感波長:330~730nm

峰值波長---507nm;return7第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日1)光量（光譜光能Qv）---光的能量（與輻射能Qe相對應(yīng)）單位：流明秒（lms）---光通量對時間的積分焦耳（J）2.光度基本物理量return8第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日2)光通量（v）---光功率（與輻射通量e對應(yīng)）單位流明（lm）瓦（W）光通量與輻射通量之間的關(guān)系視見函數(shù)Km---光功當量（人眼在明視條件下，波長555nm時，光輻射產(chǎn)生的光感覺效能）=680lm/W（理論計算值）光通量與發(fā)光強度之間的關(guān)系---發(fā)光強度為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)光強度相同時，立體角內(nèi)的光通量---所有方向的光通量9第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日---點輻射源在給定方向的單位立體角內(nèi)輻射的光通量3）光強度（Iv）1坎德拉相當于均勻點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（lm·sr-1=candla=cd）

----光度量中最基本的單位，國際單位制中七個基本單位之一10第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日4）光亮度（Lv）---光強度dIv與面元dS在垂直于發(fā)光強度方向平面上的投影面積之比光源上某點處的面元dS在給定方向的光強度單位：cd·m-2

或者lm/sr·m2

11第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日12第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日5）出射度（Mv）---單位面積光源所輻射的光通量單位：lm·m-2小結(jié)---光源向外發(fā)射光的特征參量（5個）：13第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日6）照度（Ev）---投射到單位面積上的光通量單位：勒克斯（lx=lm·m-2）---接受光的面元上單位面積被輻射的光通量7）曝光量（Hv）---照度對時間的積分---單位：lxs光度參量

---與輻射波長有關(guān)白熾燈14第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日三、光電測試系統(tǒng)常用光源在給定的波長范圍內(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)1~2為該光電測量系統(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第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日2）光譜功率分布光源輸出的功率與光譜（光的波長）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、鹵素燈復(fù)合光譜熒光燈16第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日激光光譜能量分布17第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日選擇：光譜功率分布的峰值波長與光電器件的靈敏波長相一致目視瞄準---綠光光源（減輕人眼的疲勞）彩色攝影---白熾燈、鹵素燈、自然光紫外、紅外測量---紫外燈（氙燈、紫外汞燈）、紅外燈尺寸檢測---單色光（紅、綠、藍）干涉測量---穩(wěn)頻激光光源18第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日光源發(fā)光各向異性---發(fā)光強度在各個方向不同3）空間光強分布特性發(fā)光強度曲線（配光曲線）---在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強度相同的點連線選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向---提高光的利用率利用反光罩（焦點位于光源的發(fā)光中心）---充分利用其他方向的光19第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日1）熱輻射光源物體溫度大于絕對零度---向外輻射能量---光子---光（1）太陽光陽光---太陽向地球輻射熱（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---6.46%;可見光---46.25%紅外光---47.29%2、光電測量中常用光源20第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日---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2700~3000K，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2300~2800K---復(fù)色光（發(fā)光效率10lm/W）鹵素燈---燈泡內(nèi)充有鹵族元素工作溫度達3000~3200K，發(fā)光效率30lm/W

電壓---燈絲長度；電流---燈絲直徑100W鎢燈---光通量大約200lm燈絲形狀---發(fā)光強度的方向性21第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日2）氣體放電光源---利用氣體放電原理來發(fā)光的光源如：將氫、氦、氘、氙、氪或者金屬蒸汽（汞、鈉、硫等）充入燈中運動：電子陽極，離子陰極

原子躍遷高能級低能級（發(fā)光）氣體放電電源的特點：①發(fā)光效率高，比白熾燈高2~10倍，可節(jié)省能源；②結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊；③壽命長，大約是白熾燈的2~10倍；④光色范圍大，如普通高壓汞燈發(fā)光波長大約為

400~500nm，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量之中。

22第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日3）半導(dǎo)體發(fā)光器件在電場的作用下使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件---注入式場致發(fā)光光源（LED---Light-EmittingDiode

）冷光源發(fā)展：20世紀60年代末特點：低電壓(1-2V)、低能耗(小電流10mA)、高亮度(3000cd/m2)、小尺寸、壽命長(105h)、響應(yīng)快(10-7~10-9s)、單色性好(半寬幾十nm)、成本低發(fā)光器件：發(fā)光強度、方向性顯示器件：點亮23第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日面光源---專用線光源點光源24第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日（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P-N結(jié)進入P區(qū)，與P區(qū)空穴相復(fù)合高能電子與空穴復(fù)合---釋放能量場致激發(fā)使載流子由低能級躍遷到高能級

高能級電子（不穩(wěn)定）低能級（穩(wěn)定）---半導(dǎo)體發(fā)光放出光子25第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日原理圖外觀圖符號26第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日顏色---輻射光波長---半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg

---材料（攙雜）不同材料發(fā)光二極管性能其中：1ev=1.610-19J

27第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日（2）LED驅(qū)動電路工作過程中電流不能超過極限值

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---管子正向電流;28第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日（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)---電學參數(shù)、光學參數(shù)

電學參數(shù)---工作電流、正向電壓、功耗、響應(yīng)時間、反向電壓、反向電流等---光電器件手冊中查到

光學參數(shù)---輻射波長、光譜特性、發(fā)光亮度、光強分布等29第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日①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)體二極管相同開啟電壓：

GaAs---1VGaAsP---1.5VGaP（紅）---1.8VGaP（綠）---2V大量發(fā)光區(qū)電壓：1.5~3V加反向電壓時不發(fā)光---反向飽和電流反向擊穿電壓：5~20V左右---工作電壓30第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日②

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---峰值波長向長波方向漂移（正溫度系數(shù)）31第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日③

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)動方式---更高的亮度（平均電流與直流相等）32第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日④

溫度特性---對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第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日⑤配光曲線---光強分布曲線與LED的結(jié)構(gòu)、封裝方式以及發(fā)光二極管前端裝的透鏡有關(guān)很強的指向性

發(fā)光角

---80之間34第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日電學參數(shù)

---保證LED正常發(fā)光和提高壽命及正確使用功耗：PF=UFIF開啟電壓和工作電壓---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℃時的PFM---額定功耗工作電流---根據(jù)PFM確定通常IF=0.6IFM35第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日動態(tài)參數(shù)：響應(yīng)時間（開啟與熄滅的時間延遲）下降時間（tF）開啟時間（tr）響應(yīng)時間很短---動態(tài)場合（10~100MHz）壽命長---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、交通信號燈等（節(jié)約能源）（4~10ns）

（4~幾十ns）

36第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日4）激光光源---受激發(fā)射光單色性好、相干能力強---相干光源激光——

是原子（分子）系統(tǒng)在受激輻射放大過程中，產(chǎn)生的一種具有高亮度、高方向性、高強度、好的單色性（相干性）的光。

“激光”---“LASER”(LightAmplificationbyStimulatadEmissionofRadiation)---“受激發(fā)射的輻射光放大”。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“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世紀以來，繼原子能、計算機、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)、激勵能源、光學諧振腔37第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日固體激光器①輻射能量大（比氣體激光器高出三個數(shù)量級）②輸出波長范圍寬---紫外到紅外③可以輸出脈沖光、重復(fù)脈沖光和連續(xù)光④常用于打孔、焊接、測距、雷達等---光泵激勵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第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日兩個端面：研磨后再拋光，使兩個端面相互平行，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（可吸收激勵光）脈沖氙燈的瞬時強烈閃光，借助于聚光鏡腔體會聚到紅寶石棒上，這樣紅寶石激光器就輸出波長為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焦點上39第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日氣體激光器半導(dǎo)體激光器②

He-Ne激光器---光電測量中應(yīng)用最多(單色性和方向性好)①

CO2激光器---輸出功率大、能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出波長為

10.6m的紅外光，用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信和軍事①體積小、效率高、壽命長、攜帶與使用方便②可以直接進行電流調(diào)制而獲得高內(nèi)調(diào)制輸出③用于光電測量、激光打印、光存儲、光通信、光雷達等---工作物質(zhì)為He-Ne、CO2、Ar+等

---工作物質(zhì)為GaAs、GaSe、CaS、PbS等

40第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日①

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）激勵能源：千伏高壓諧振腔氦、氖氣體陰極反射鏡反射鏡布儒斯特窗陽極（鎢棒或鉬筒）毛細管（放電主要區(qū)域）（金屬圓筒）諧振腔偏振態(tài)41第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日作用：*產(chǎn)生與維持光的振蕩，使光得到加強。*使激光有極好的方向性。*使激光單色性好?？傊?，具有對光放大實行選擇、控制、增強的作用。諧振腔42第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

廣泛應(yīng)用于測量、對準、通訊、全息及醫(yī)學等多個領(lǐng)域。工作方式：連續(xù)激勵輸出波長：632.8nm、1.5μm、3.39μmNe原子---產(chǎn)生激光譜線；He原子---共振轉(zhuǎn)移能量，對激光器的輸出功率影響很大43第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日②

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)體的二個端面精細加工磨成解理面構(gòu)成激勵源---

給半導(dǎo)體施以正向外加電場，產(chǎn)生電激勵外部電場作用下---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)運動，而p區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）向n區(qū)運動高能電子與空穴相遇產(chǎn)生復(fù)合，同時可將多余的能量以光的形式放出來解理面諧振腔的共振放大作用實現(xiàn)受激反饋，實現(xiàn)定向發(fā)射輸出激光工作原理：