第2章 光度學(xué)基礎(chǔ)與光源

1第2章光度學(xué)基礎(chǔ)與光源2波長(zhǎng)：380~780nm光波（波長(zhǎng)：10nm~1mm；頻率：31011~1016Hz）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：3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）：10~100nm

4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)（＝6.62610-34J·s

）;---光的振動(dòng)頻率（s-1）c---光速（真空中,＝3

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m·s-1）；---光波波長(zhǎng)（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next5二、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(lèi)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?。ㄗ钚?4mm)6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（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)7明視情況:

敏感波長(zhǎng):380~780nm

峰值波長(zhǎng)---555nm;暗視情況：敏感波長(zhǎng):330~730nm

峰值波長(zhǎng)---507nm;return81)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（lm

s）---光通量對(duì)時(shí)間的積分焦耳（J）2.光度基本物理量return92)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)555nm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10---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（lm·sr-1=candla=cd）

----光度量中最基本的單位，國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一114）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)處的面元dS在給定方向的光強(qiáng)度單位：cd·m-2

或者lm/sr·m2

12135）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(gè)）：146）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(duì)時(shí)間的積分---單位：lxs光度參量

---與輻射波長(zhǎng)有關(guān)白熾燈15三、光電測(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)

1~2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162）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17激光光譜能量分布18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)?、自然光紫外、紅外測(cè)量---紫外燈（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19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201）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---6.46%;可見(jiàn)光---46.25%紅外光---47.29%2、光電測(cè)量中常用光源21---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?zé)?--燈泡內(nèi)充有鹵族元素工作溫度達(dá)3000~3200K，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222）氣體放電光源---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)：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(zhǎng)，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(zhǎng)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(cè)量之中。

233）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---Light-EmittingDiode

）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(10-7~10-9s)、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24面光源---專用線光源點(diǎn)光源25（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26原理圖外觀圖符號(hào)27顏色---輻射光波長(zhǎng)---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=1.6

10-19J

28（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---管子正向電流;29（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30①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---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(shí)不發(fā)光---反向飽和電流反向擊穿電壓：5~20V左右---工作電壓31②

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)）32③

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）33④

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34⑤配光曲線---光強(qiáng)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(qiáng)的指向性

發(fā)光角

---

80

之間35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=0.6IFM36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（10~100MHz）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(chē)儀表顯示燈、汽車(chē)尾燈、交通信號(hào)燈等（節(jié)約能源）（4~10ns）

（4~幾十ns）

374）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”(LightAmplificationbyStimulatadEmissionofRadiation)---“受激發(fā)射的輻射光放大”。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)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(lèi)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38固體激光器①輻射能量大（比氣體激光器高出三個(gè)數(shù)量級(jí)）②輸出波長(zhǎng)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(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。39兩個(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40氣體激光器半導(dǎo)體激光器②

He-Ne激光器---光電測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)、攜帶與使用方便②可以直接進(jìn)行電流調(diào)制而獲得高內(nèi)調(diào)制輸出③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

41①

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布儒斯特窗陽(yáng)極（鎢棒或鉬筒）毛細(xì)管（放電主要區(qū)域）（金屬圓筒）諧振腔偏振態(tài)42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43

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、1.5μm、3.39μmNe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44②

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：45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（與工作物質(zhì)材料有關(guān)）單色性---