光電檢測技術(shù)第二章

光電檢測技術(shù)第二章第1頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日光學變換電路處理光電變換第2頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日第二章光電檢測用光源掌握內(nèi)容發(fā)光二極管和激光光源的產(chǎn)生機理及基本特性，為正確使用打下一定基礎。理解內(nèi)容光產(chǎn)生的基本原理及方法了解內(nèi)容氣體光源和部分固體光源的機理和基本特性。第3頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日第二章光電檢測用光源2.1光的產(chǎn)生與光源分類2.2光源的基本特性參數(shù)2.3光電檢測常用光源第4頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生牛頓——微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動理論惠更斯、楊氏和費涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波第5頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生光量子說1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出光量子的概念光子的能量與光的頻率成正比光具有波粒二象性第6頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生廣義上——光輻射光以電磁波或粒子（光子）形式傳播能量，光能量的傳播過程稱為光輻射。X射線、紫外輻射、可見光、紅外輻射。狹義上——可見光對人眼能產(chǎn)生目視刺激而形成“光亮”感的電磁輻射。380~780nm。第7頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生光是從實物中發(fā)射出來的，是以電磁波傳播的物質(zhì)粒子在不斷地運動：原子內(nèi)有若干電子圍繞原子核不斷運動運動有多種可能狀態(tài)不同運動狀態(tài)的電子具有不同能量當它們的運動受到騷擾時就可能發(fā)射出電磁波。第8頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生物體發(fā)光有兩種基本形式：熱輻射凡高于絕對零度的物體都具有發(fā)出輻射的能力。連續(xù)光譜，溫度的函數(shù)，平衡輻射?！鞍l(fā)光”輻射線光譜或帶光譜，非溫度函數(shù)，非平衡輻射。電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學發(fā)光、熱發(fā)光。第9頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生電致發(fā)光物體中的原子或離子在電場加速的電子作用下，被激發(fā)到激發(fā)狀態(tài)，當它返回到正常狀態(tài)時將產(chǎn)生輻射。例如：發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光就是電致發(fā)光。氣體放電產(chǎn)生的輝光。第10頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生光致發(fā)光物體被光直接照射或預先被照射而引起自身的輻射稱為光致發(fā)光。例如：熒光、示波管、顯象管、日光燈等中熒光物質(zhì)的余輝。

第11頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生化學發(fā)光由化學反應提供能量而引起的發(fā)光，稱化學發(fā)光。例如：磷在空氣中緩慢氧化而發(fā)光。熱發(fā)光物體被加熱到一定溫度而發(fā)光，稱熱發(fā)光。例如：鈉或鈉鹽在火焰中發(fā)出的鈉黃光。第12頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.1光的本質(zhì)及產(chǎn)生實際上，物質(zhì)受激而發(fā)光是很復雜的，有些同屬幾種受激過程。平衡和非平衡輻射：熱輻射是一種能達到平衡狀態(tài)的輻射，也稱溫度輻射，是熱平衡狀態(tài)的輻射。激發(fā)發(fā)光是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉(zhuǎn)換成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜。第13頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.1.2光源分類定義：一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人造的，都稱為光源。天然光源：是自然界中存在的：如太陽、恒星等。人造光源：人為將各種形式的能量(熱能、電能、化學能)轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件。電光源是最常見的光源。返回第14頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)在光電檢測中，光是信息的載體。光源的質(zhì)量在光電測量中往往起著關(guān)鍵的作用。第15頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)輻射能和光能輻射通量和光通量輻射出射度和光出度輻射強度和發(fā)光強度輻射亮度和光亮度輻射效率和發(fā)光效率第16頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)輻射能Qe

：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量。焦耳：J光能Qv：光通量在可見光范圍內(nèi)對時間的積分。流明秒：lm.s第17頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)輻射通量Φe：在單位時間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻射能。瓦：W光通量Φv

：對可見光，光源表面在無窮小時間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜，其光能被無窮短時間間隔dt來除，其商定義為光通量。流明：lm第18頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)輻射出射度Me：擴展輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領）。瓦每平方米：W/m2光出度Mv：對可見光，擴展輻射源單位面積所輻射的通量。勒克斯或流明每平方米：lx或lm/m2第19頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)輻射強度Ie：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。瓦每球面度：W/sr發(fā)光強度Iv：對可見光，點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量?？驳吕篶d第20頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)輻射亮度Le：輻射表面定向發(fā)射的輻射強度。瓦每球面度平方米：W/（sr.m2）光亮度Lv：對可見光，輻射表面定向發(fā)射的輻射強度。坎德拉每平方米：cd/m2第21頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)輻射效率ηe：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。無量綱發(fā)光效率ηv：在給定λ1~λ2波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的光通量與產(chǎn)生這些光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)的發(fā)光效率。流明每瓦：lm/W應用時若光電測量系統(tǒng)光譜范圍為λ1~λ2，應盡可能選用η較高的光源。第22頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)光譜功率分布：光源輸出的功率與光譜有關(guān)，即與光的波長有關(guān)，稱為光譜的功率分布。常見四種典型的分布。第23頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日(a)(b)(c)(d)第24頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)在選擇光源時，光譜功率分布應由測量對象的要求來決定。在目視光學系統(tǒng)中，一般采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。第25頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)在紫外分光光度計中，通常使用氘燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強的光源。在光學儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。為了進一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點位于光源的發(fā)光中心上。第26頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)空間光強分布：對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不相同的。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。第27頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)光源的色溫：黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性常可用黑體輻射的特性來近似地表示。對于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。第28頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)分布溫度：定義：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：定義：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。由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。第29頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)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。定義：在均勻色度圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。第30頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)光源的顏色：光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。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。第31頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.2光源的基本特性參數(shù)當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。白熾燈、鹵鎢燈、鏑燈等幾種光源的顯色性較好，適用于彩色攝影等辨色要求較高的場合。高壓汞燈、高壓鈉燈等光源顯色性差，適用于道路、隧道、碼頭等辨色要求低的場合。返回第32頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3光電檢測常用光源任何一種光電檢測系統(tǒng)的使用和評價都離不開特定的光輻射源和光輻射探測器。熱輻射發(fā)光輻射氣體放電光源固體發(fā)光光源激光光源第33頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.1熱輻射光源任何物體只要其溫度大于絕對零度，就會向外界輻射能量，輻射以光子形式進行，這時就會看到發(fā)光的光源。其輻射特性與溫度有關(guān)。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。第34頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.1熱輻射光源太陽太陽向地球輻射熱我們稱之為陽光。復色光。大氣層外的太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射。紫外區(qū)(<0.38um)6.46%可見區(qū)(0.38—0.78um)46.25%紅外區(qū)(>0.78um)47.29%第35頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.1熱輻射光源黑體模擬器在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。第36頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.1熱輻射光源白熾燈定義：白熾燈發(fā)射的是可見光連續(xù)光譜，它是在電源供電下，依靠電能加熱金屬絲使它在真空或惰性氣體中達到白熾狀態(tài)而發(fā)光的器件，因此稱為白熾燈。熔點高、蒸發(fā)率小、對可見光輻射效率高、加工性能要求等。第37頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.1熱輻射光源白熾燈分類真空白熾燈真空，2300~2800K，10lm/W充氣白熾燈充氬、氮等惰性氣體，2600～3000K，17lm/W鹵鎢白熾燈充鹵鎢循環(huán)劑，3000~3200K，30lm/W第38頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日圖2－4鹵鎢循環(huán)工作原理圖第39頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.1熱輻射光源鹵鎢燈特點：優(yōu)點：體積小，光通量穩(wěn)定，紫外線豐富，發(fā)光效率高，壽命長。缺點：價格高，管壁溫度高。第40頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日圖2-3電壓與燈參數(shù)的變化曲線白熾燈性能與電壓關(guān)系第41頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.2氣體放電光源定義氣體放電電流通過氣體媒質(zhì)時的放電現(xiàn)象稱氣體放電。氣體放電光源利用氣體放電原理制成的光源稱氣體放電光源。氣體放電燈利用氣體放電而發(fā)光的原理制成的燈，稱為氣體放電燈。第42頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.2氣體放電光源原理：激勵~~運動~~碰撞~~激勵~~躍遷~~回復~~發(fā)光分類：氣體放電類型放電時燈內(nèi)氣體壓強放電發(fā)光物質(zhì)種類燈的電極形式第43頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.2氣體放電光源特點：發(fā)光效率高熱量小電壓穩(wěn)定性要求低結(jié)構(gòu)緊湊壽命長光色適應性強第44頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源場致發(fā)光是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，也稱為電致發(fā)光。粉末、薄膜和結(jié)型Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—V族化合物半導體第45頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源1、粉末電致發(fā)光光源熒光（或發(fā)光）材料在足夠強的電場或電流作用下被激發(fā)而發(fā)光，構(gòu)成電致發(fā)光光源。交流和直流兩種第46頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日1）交流粉末場致發(fā)光光源1－玻璃基板2－透明導電膜（SnO2）3－發(fā)光材料4－TiO2反射層5－背電極（金屬）6－防潮樹脂7－防潮蓋板圖2－6交流粉末場致發(fā)光光源第47頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源場致發(fā)光光源的亮度L與所加的交流電壓幅度V和頻率f有關(guān)。老化，壽命場致發(fā)光的顏色與基質(zhì)和激活劑類型、外加電壓頻率f有關(guān)。上升時間，衰減時間第48頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源優(yōu)點：固體化、平板化，可靠、安全、易安裝；面積、形狀幾乎不受限制，可制成任意圖形；無紅外輻射的冷光源，隱蔽性好；視角大，光線柔和，易于觀察；壽命長?？蛇B續(xù)使用幾千小時；功耗低，約幾毫瓦／厘米2；發(fā)光易于電控。缺點：亮度低，驅(qū)動電壓高，老化快等。第49頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源應用：特殊照明數(shù)字、符號顯示模擬顯示矩陣顯示顯像器件第50頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源2）直流粉末電致發(fā)光電源發(fā)光材料涂層導電發(fā)光體與電極良好接觸，并有電流通過亮度高，成本低，驅(qū)動方便效率低，壽命短數(shù)碼、字符和矩陣尋址顯示第51頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源2、薄膜電致發(fā)光光源將固體發(fā)光材料制成薄膜的形式，在電場作用下出現(xiàn)的發(fā)光現(xiàn)象，稱為薄膜場致發(fā)光。交流或直流兩種第52頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日薄膜電致發(fā)光屏1－防潮層2－第二電極3－硫化鋅薄膜4－透明導電層5－玻璃基板圖2－8薄膜電致發(fā)光屏結(jié)構(gòu)原理示意圖第53頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源直流：橙黃和綠色，10~30V，1000h交流：橙色和綠色，100~300V，5000h優(yōu)點：分辨率高，成像質(zhì)量高顯示對比度好驅(qū)動電壓低固體平板化、視角大、制備簡單、便宜等隱蔽照明、固體雷達屏幕顯示、數(shù)碼顯示第54頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源3、發(fā)光二極管固態(tài)P-N結(jié)器件，屬冷光源發(fā)光機理是電致發(fā)光當P－N結(jié)上有正向電流時即可發(fā)光點光源第55頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日1）LED發(fā)光機理圖2－9發(fā)光二極管原理結(jié)構(gòu)第56頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源2）LED性能參數(shù)伏安特性發(fā)光亮度響應時間壽命光譜特性第57頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源伏安特性：正向：正向死區(qū)、開啟電壓反向：反向死區(qū)、反向擊穿發(fā)光亮度：基本正比于電流密度受環(huán)境溫度影響注入電流影響第58頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源響應時間：指LED開啟與熄滅的時間延遲。開啟時間tr：4~10ns下降時間tF：4~幾十ns壽命：電流密度小于1A／cm2的情況下，壽命可達106小時。老化第59頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源光譜特性一個峰值峰值波長由禁帶寬度決定峰值波長半強度寬度圖2-13發(fā)光二極管的光譜能量分布第60頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源3）驅(qū)動電路發(fā)光二極管的驅(qū)動電路與一般二極管的驅(qū)動電路相同。發(fā)光二極管可工作在直流狀態(tài)、交流狀態(tài)和脈沖狀態(tài)。交變頻率可達1MHz。LED的供電電路中一般要加限流電阻以限定其最大工作電流。第61頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源4）特點：優(yōu)點：工作電壓低、耗電少響應速度快高亮度易集成、驅(qū)動簡單性能穩(wěn)定、壽命長第62頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.3固體發(fā)光光源缺點：功率小發(fā)光效率低光色有限應用：光源指示燈、電平指示、安全閃光、交替閃光、電源極性顯示、數(shù)碼顯示等。汽車儀表顯示燈、汽車尾燈、交通信號燈等。第63頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.4激光器激光器：能激發(fā)出激光并能實現(xiàn)激光的持續(xù)發(fā)射的器件。激光的形成：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光學諧振腔的共振作用滿足閾值條件第64頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.4激光器1、激光器的工作原理圖2-14激光器工作原理圖第65頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.4激光器2、分類：氣體激光器工作物質(zhì)為He-Ne、CO2、Ar+等。光電測量；激光加工、醫(yī)療、大氣通信和軍事。固體激光器工作物質(zhì)為固體，如紅寶石、鈦寶石等。打孔、焊接、測距、雷達半導體激光器工作物質(zhì)為GaAs、GaSe、CaS等。光電測量、激光打印、光存儲、光通信、光雷達第66頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.4激光器3、激光特點：光束特性單色性方向性亮度相干性第67頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.4激光器4、氦氖激光器He-Ne激光器單色性好、方向性好，尤其是其輸出功率和頻率能控制得很穩(wěn)定。精密測量中應用最廣泛。放電管、共振腔、激光電源第68頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.4激光器圖2－15氦氖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖第69頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.4激光器特點：氦氖激光器是最早研制成的一種氣體激光器。可輸出0.6328um、1.15um、3.39um等可見光和紅外波長。單色性好能量集中可連續(xù)輸出輸出功率能控制得很穩(wěn)定第70頁，共78頁，2023年，2月20日，星期日2.3.4激光器應用干涉測長精密定位多普勒測速激光瞄準其它精密測試和計量第71頁，共78頁，2023年，2月20日，星期