1、光电技术光电技术 任何光电系统都离不开光辐射源，所以光辐射任何光电系统都离不开光辐射源，所以光辐射原理是光电子技术的基本研究内容之一。原理是光电子技术的基本研究内容之一。 本章主要介绍本章主要介绍 光辐射的度量方法与度量参数，辐射度参数与光度参光辐射的度量方法与度量参数，辐射度参数与光度参数的关系数的关系 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 光源的基本特征与光源的选择，常用光源光源的基本特征与光源的选择，常用光源什么是光辐射呢？什么是光辐射呢？电磁波谱频率范围电磁波谱频率范围10102 210102525HzHz光辐射波长区域光辐射波长区域 nm m m m ，即，即1010-9-91010-3
2、-3m m可见光波长范围可见光波长范围0.380.380.780.78m m光电器件的光谱响应范围射线到毫米波光电器件的光谱响应范围射线到毫米波红外紫外可见光10156182191210101010101010324f/Hz图1-1 电磁辐射光谱的分布X射线射线近红外远红外电磁波 度量长度用长度物理量度量长度用长度物理量米、厘米等米、厘米等 度量时间用时间物理量度量时间用时间物理量秒、分、时秒、分、时 怎样对光辐射进行度量呢？怎样对光辐射进行度量呢？1-1 光辐射的度量光辐射的度量1-1 1-1 辐射的基本概念辐射的基本概念 光辐射的探测和计量有两套体系光辐射的探测和计量有两套体系辐射度学量辐
3、射度学量 ：客观的，适用于整个电磁：客观的，适用于整个电磁辐射区辐射区光度学量：主观的，适用于可见光光度学量：主观的，适用于可见光 虽然虽然辐射度学辐射度学体系和体系和光度学光度学体系的物理体系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。号一一对应。 辐射度物理量用角标辐射度物理量用角标“e”表示表示( (emission) ) 光度物理量用角标光度物理量用角标“”表示（表示（vision）下面学习这两套光辐射单位体系物理量下面学习这两套光辐射单位体系物理量。一、辐射度的基本物理量一、辐射度的基本物理量辐射能辐射能 Qe 焦耳焦耳(J) 辐射能辐射能是
4、以电磁波的形式发射，传输，或者接收的是以电磁波的形式发射，传输，或者接收的能量能量2. 辐射通量辐射通量 e（辐射功率辐射功率） 瓦特瓦特(W) 焦耳焦耳/ /秒秒(Js) 单位时间内发射、传播或接收的单位时间内发射、传播或接收的辐射能辐射能量量dtdQee3.辐射强度辐射强度 Ie单位：单位：瓦特瓦特球面度球面度-1-1(W(Wsrsr -1-1) )点辐射源点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。的辐射通量。ddIee在所有方向辐射强度都相同的点辐射源，在所有方向辐射强度都相同的点辐射源，Ie是常是常量，则在空间所有方向上发射的辐射通量为量，则在
5、空间所有方向上发射的辐射通量为4eeI.辐射出射度辐射出射度Me单位是单位是Wm2 反映反映物体辐射能力物体辐射能力的物理量。的物理量。 定义为扩展辐射源表面某点单位面积向半球定义为扩展辐射源表面某点单位面积向半球空间发射的辐射通量空间发射的辐射通量 。 dSdMee.辐射照度辐射照度 Ee 单位：单位：Wm2受体的辐射照度受体的辐射照度Ee定义为照射在面元上的辐射通量定义为照射在面元上的辐射通量de与该面与该面元的面积元的面积dA之比，即之比，即dAdEee 辐射出射度Me和辐射照度Ee区别： Me描述面辐射源向外发射的辐射特性，是与光源有关的辐射度参数 Ee描述辐射接收面所接收的辐射特性，
6、是与接受器有关的辐射度参数6.6. 辐射亮度辐射亮度 Le 单位：瓦特瓦特/ /球面度球面度米米2(wsrm2) ) 定义：定义：扩展源扩展源( (面辐射源面辐射源) )表面一点处的面元表面一点处的面元在某一给定方向上单位立体角、单位投影面在某一给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量，如图积内发出的辐射通量，如图l-2l-2所示。所示。 式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。coscos2dSdddSdILeee度量名称度量名称符号符号定义式定义式单位名称单位名称单位符号单位符号单色辐射通量单色辐射通量e, de/d瓦特微米瓦特微米Wm单色辐射出射度单色辐射出射度Me, dMe/
7、d瓦特米瓦特米2微米微米W(m2m)单色辐射强度单色辐射强度Ie, dIe/d瓦特球面度瓦特球面度微米微米W(sr m)单色辐射亮度单色辐射亮度Le, dLe/d瓦特球面度瓦特球面度米米2微米微米w(srm2m)单色辐射照度单色辐射照度Ee, dEe/d瓦特米瓦特米2微米微米W(m2m) 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位。辐射计量单位。 （人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）度单位不能正确反映人的亮暗感觉。） 辐射度学的基本物理量辐射度学的基本物理量
8、QeQe、ee、IeIe、MeMe、LeLe、EeEe 光频区光度基本物理量光频区光度基本物理量QvQv、vv、IvIv、MvMv、LvLv、EvEv 定义完全一一对应，其关系如表定义完全一一对应，其关系如表l l2 2所示。所示。表表1-2 1-2 辐射度量和光度量之间的对应关系辐射度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量辐射度物理量光度量物理量光度量物理量物理量名称物理量名称符号符号定义或定义式定义或定义式单位单位物理量名称物理量名称符号符号定义或定义式定义或定义式单位单位辐射能辐射能QehhJ光量光量QvQv= vdtlms辐射通量辐射通量ee=d Qe/dtW光通量光通量vv= Ivdl
9、m辐射出射度辐射出射度MeMededSWm2光出射度光出射度MvMvdvdSlmm2辐射强度辐射强度Ie IededWsr发光强度发光强度Iv基本量基本量cd辐射亮度辐射亮度LeLedIe(dScos)W(m2sr )(光光)亮度亮度LvLvd Iv(dScos)cdm2辐射照度辐射照度Ee EededAWm2(光光)照度照度EvEvdvdAlx光学系统光学系统CCD2三 辐射度参数与光度参数的关系辐射度参数与光度参数的关系 辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内（可见光谱区）经常相互使用，它们之间存在着一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参数标定
10、其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。本节将重点讨论它们的转换关系，掌握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。v人眼的视觉灵敏度人眼的视觉灵敏度 v用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555m=0.555m处的光谱辐射亮度处的光谱辐射亮度L Le,me,m小于其它波长的光小于其它波长的光谱辐亮度谱辐亮度L Le,e,。把波长。把波长=0.555m=0.555m的光谱辐射亮度
11、的光谱辐射亮度L Le,me,m被其它波长的光谱辐亮度被其它波长的光谱辐亮度L Le,e,除得的商，定义为除得的商，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率正常人眼的明视觉光谱光视效率V V（），即），即 v e,me,)(LLV（1-54） 图1-5为人眼的明视觉光谱光视效率V（）和暗视觉光谱效率V(）国际照明委员会根据对许多人的大量观察结果，所确定的光谱光实效率.人眼对绿光最灵敏红蓝光灵敏度最低V(）也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如图1-5中的虚线所示。 e,nm507, e)(LLV(1-55) 对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为处的光谱辐
12、射亮度Le，507nm小于其他波长的光谱辐射亮度 Le,。把 Le，507nm 与Le,的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率，即 光通量与辐射通量之间的关系光通量与辐射通量之间的关系 光度量与辐射度量的关系式的一般函数式光度量与辐射度量的关系式的一般函数式KmKm称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能, ,表示人眼在明视表示人眼在明视觉对觉对555nm555nm的光辐射所产生光感觉的效能的光辐射所产生光感觉的效能. . KmKm称为正常人眼称为正常人眼的暗视觉最大光谱光视效能的暗视觉最大光谱光视效能, ,表示人眼在暗视觉对表示人眼在暗视觉对507nm507
13、nm的光的光辐射所产生光感觉的效能辐射所产生光感觉的效能. . 在光度学体系中，基本单位是在光度学体系中，基本单位是发光强度发光强度IvIv，其单位是，其单位是坎德拉坎德拉cdcd。坎德拉坎德拉cdcd定义：定义：当单色辐射光源频率为当单色辐射光源频率为54054010101212HzHz， 若给定方向的辐射强度为若给定方向的辐射强度为1 1683683（W Wsrsr） 则该光源在该方向上的发光强度为则该光源在该方向上的发光强度为1cd1cd。 dVXKXemv780380 VKemvv例例1-1- 已知某已知某He-NeHe-Ne激光器的输出功率为激光器的输出功率为3mW3mW，试计算其发
14、出的光通量为多少，试计算其发出的光通量为多少lmlm？v解解 He-NeHe-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（根据式（1-561-56）可以计算出它发出的光通量为）可以计算出它发出的光通量为vv,v,=K=Km mV()V()e e, ,v = =6836830.240.243 31010-3-3v =0.492(lm) =0.492(lm) 热辐射热辐射任何任何0K0K以上温度的物体都会发射以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波各种波长的电磁波, ,这种由于物体中的分子、这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象。原子受到热激发而发射电磁波
15、的现象。 热辐射具有连续的辐射谱热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区，波长自远红外区延伸到紫外区（光谱区）延伸到紫外区（光谱区） 辐射能辐射能按波长的按波长的分布分布取决于物体的温度。取决于物体的温度。1.1.辐射本领辐射本领M M(,T(,T) )单位是单位是瓦每微米平方米瓦每微米平方米(W(Wumm2 )定义定义:热辐射体表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的热辐射体表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的辐射通量辐射通量,即光谱辐射出射度、单色辐射出射度即光谱辐射出射度、单色辐射出射度2.吸收率吸收率(,T)定义定义:在波长在波长到到+d间隔内被物体吸收的通量与入射通量间隔内被物体吸收的通量
16、与入射通量之比之比dAddTMe, eeddT,3.3. 绝对黑体绝对黑体( (简称黑体简称黑体) )：在任何温度下，对任何波长的辐射能的在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收吸收率等于率等于l l，即，即（T T）l l黑体的辐射本领黑体的辐射本领 Mb(,T) Meb(,T)4.发射率(,T)定义定义:物体的辐射本领物体的辐射本领M(,T)与绝对黑体辐射本领 Mb(,T) 的比值黑体黑体: (,T)=(,T)=1 TMTMTb,一、基尔霍夫辐射定律一、基尔霍夫辐射定律 辐射本领辐射本领与吸收率吸收率内在联系的重要定律：)()()()()332211TMTTMTTMTTMbeeeeeee（b
17、eM在给定的温度下在给定的温度下, ,对某一波长来说对某一波长来说, ,物体的物体的辐射本辐射本领与单色吸收率之比值领与单色吸收率之比值与物体本身的性质无关，与物体本身的性质无关，对于一切物体都是对于一切物体都是恒量恒量。等于该温度下。等于该温度下黑体黑体对同对同一波长的一波长的辐射本领辐射本领( (单色辐射出射度单色辐射出射度) )。即。即式中 为黑体的单色辐射出射度单色辐射出射度。 基尔霍夫定律是平衡辐射定律基尔霍夫定律是平衡辐射定律, ,与物体本与物体本身的性质无关身的性质无关 吸收和辐射的多少应在同一温度下比较吸收和辐射的多少应在同一温度下比较 任何强烈的吸收必发出强烈的辐射任何强烈的
18、吸收必发出强烈的辐射, ,无论无论吸收是由物体表面性质决定的吸收是由物体表面性质决定的, ,还是由系还是由系统的构造决定的统的构造决定的 基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关, ,不与人眼的视觉特性和光度量有关不与人眼的视觉特性和光度量有关 基尔霍夫定律只适用于温度辐射基尔霍夫定律只适用于温度辐射, ,对其它对其它发光不成立发光不成立二、兰伯特定律二、兰伯特定律-朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化线之间夹角余弦而变化 辐射表面辐射表面 法线方向辐射亮度法线方向辐射亮度 与法线成与法线成 角
19、角方向辐射亮度方向辐射亮度 理想漫反射表面理想漫反射表面coscos2dAdddAdILeee- - 均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方成反比成反比 三、距离平方反比定律距离平方反比定律2RddA2RdEdA - 球心点光源球心点光源 o 发出的光所张的发出的光所张的 立体角立体角d 所截的表面积所截的表面积- 与球的半径平方成正比与球的半径平方成正比 dA上的照度：上的照度：- - 照度照度E与距离的平方与距离的平方R2成反比成反比半径半径R - 表面表面dA到点光源
20、的距离到点光源的距离点光源点光源o o向空间任一锥立体角向空间任一锥立体角d 内辐射通量内辐射通量 - - 不变不变 四、亮度守恒定律四、亮度守恒定律辐射亮度辐射亮度几何关系几何关系1)同一种介质中同一种介质中- 光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等量损失，则光能传输的任一表面亮度相等2）不同介质中）不同介质中在不同介质中传播的光束，在不同介质中传播的光束，在无能量损耗的情况下其基本在无能量损耗的情况下其基本幅亮度是守恒的。幅亮度是守恒的。21sinsinnn2221nLnL2/nL- 基本幅亮度基本幅亮度折射定律
21、折射定律 - 光在介质表面无反射和吸收损失光在介质表面无反射和吸收损失 结论：结论： 黑体处于温度黑体处于温度T T时，在波长时，在波长处的单色辐处的单色辐射出射度由普朗克公式给出射出射度由普朗克公式给出式中式中h h为普朗克常数，为普朗克常数，c c为真空中的光速，为真空中的光速，k k为波尔兹为波尔兹曼常数。曼常数。(1)对应任一温度，单色辐对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值；化，且只有一个峰值；对应不同温度的曲线不对应不同温度的曲线不相交。因而温度能惟一相交。因而温度能惟一确定单色辐射出射度的确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度光谱分布和辐
22、射出射度( (即曲线下的面积即曲线下的面积) )。(2)单色辐射出射度和辐射单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高出射度均随温度的升高而增大。而增大。(3)单色辐射出射度的峰值单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方随温度的升高向短波方向移动。向移动。单色辐射出射度最大值对应的波长m应由 这就是著名的维恩位移定律。根据这一定律，只要知道了黑体的温度，就能直接得到黑体最大辐射出射度最大辐射出射度对应的峰值波长峰值波长mm。 普朗克公式积分可得到黑体的辐射出射度为此为单位面积辐射总功率. 表明黑体辐射出射度只与黑体温度有关。温度决定了黑体的辐射特性。例例1-1- 若可以将人体作为黑体，正常人体温
23、的为若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.536.5，（，（1 1）试计算正常人体所发出的辐射出射）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少度为多少W/mW/m2 2？（？（2 2）正常人体的峰值辐射波长为）正常人体的峰值辐射波长为多少多少mm？峰值光谱辐射出射度？峰值光谱辐射出射度M Me,s,me,s,m为多少？（为多少？（3 3）人体发烧到）人体发烧到3838时峰值辐射波长为多少？发烧时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度时的峰值光谱辐射出射度M Me,s,me,s,m又为多少？又为多少？解解 （1 1）人体正常体的绝对温度为）人体正常体的绝对温度为T T=36.5+273=
24、309.5K=36.5+273=309.5K，根据斯特藩，根据斯特藩- -波尔兹曼辐射波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为定律，正常人体所发出的辐射出射度为 24, s , em/W3 .5205 .309M （2 2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为 Tm2898(m)=9.36m 峰值光谱辐射出射度为 155se103091T.Mm,Wcm-2m-1 =3.72 Wcm-2m-1 （3）人体发烧到38时峰值辐射波长为 m32. 9382732898m发烧时的峰值光谱辐射出射度为 155, s , e10309. 1TMm=3.81
25、Wcm-2m-1 例例1-1- 将将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解解 标准钨丝灯的温度为标准钨丝灯的温度为T TW W=2856K=2856K，因此它的峰值辐射，因此它的峰值辐射波长为波长为 015. 1285628962898Tm(m) 峰值光谱辐射出射度为 155, s , e10309. 1TMm=1.3092856510-15 =248.7Wcm-2m-1 总辐射出射度为 24484, s , em/W1077. 328561067. 52856M 一
26、6个辐射度基本物理量；6个光度基本物理量 二辐射通量与光通量的转换公式；用一般的函数表示光度量与辐射量之间的公式 三黑体的定义 四黑体辐射的三个定律： 普朗克定律： 维恩位移定律： 斯忒藩玻尔兹曼定律： 在光电技术系统中，在光电技术系统中，光源光源的选择起着的选择起着关关键的作用键的作用。 根据光源的基本特性参数，按实际需要根据光源的基本特性参数，按实际需要选择光源。选择光源。 1 1、辐射效率（辐射度学）和发光效率（光度学）、辐射效率（辐射度学）和发光效率（光度学） 在给定波长范围（12）内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比。光源在规定光谱范围内的辐射效率为： 相应对
27、于光度学，对于可见光，某一光源的发光效率为：V()为明视觉光谱光视效率，Km为明视觉最大光谱光视效能。在照明和光度测量系统中，一般选用发光效率v较高的光源。PdPee21)(e)(/)()(780380流明每瓦WlmPdVKPemvv 常用光源的发光效率 光源种类光源种类发光效率发光效率(lm/W)光源种类光源种类发光效率发光效率(lm/W)普通钨丝灯普通钨丝灯818高压汞灯高压汞灯3040卤钨灯卤钨灯1430高压钠灯高压钠灯90100普通荧光灯普通荧光灯3560球形氙灯球形氙灯xiandeng 3040三基色荧光灯三基色荧光灯5590金属卤化物灯金属卤化物灯60802 2、光谱功率分布、光谱
28、功率分布光源输出的功率与光谱（光的波长光源输出的功率与光谱（光的波长 ）有关）有关典型分布典型分布线状光谱线状光谱低压汞灯低压汞灯带状光谱带状光谱高压汞灯高压汞灯连续光谱连续光谱白炽灯、白炽灯、卤素灯卤素灯复合光谱复合光谱荧光灯荧光灯选择：选择：光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致目视测量目视测量 - 可见光谱辐射比较丰富的光源可见光谱辐射比较丰富的光源目视瞄准目视瞄准 - 绿光光源（减轻人眼的疲劳）绿光光源（减轻人眼的疲劳）彩色摄影彩色摄影 - 白炽灯、卤素灯作光源白炽灯、卤素灯作光源紫外、红外测量紫外、红外测量 - 紫外灯（氙灯、
29、紫外汞灯）、红外灯紫外灯（氙灯、紫外汞灯）、红外灯光源发光各向异性光源发光各向异性 - - 发光强度在各个方向不同发光强度在各个方向不同3 3、空间光强分布特性、空间光强分布特性发光强度曲线（配光曲线）发光强度曲线（配光曲线）- 在光源辐射光的空间某一截面上，在光源辐射光的空间某一截面上，将与发光强度成正比的矢量将与发光强度成正比的矢量的端点连线的端点连线选择发光强度高的方向作为照明选择发光强度高的方向作为照明方向方向 - 提高光的利用率提高光的利用率利用反光罩（焦点位于利用反光罩（焦点位于光源的发光中心）光源的发光中心） - 充分利用其他方向的光充分利用其他方向的光 色温色温辐射源发射光的颜
30、色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。 一种颜色可以由多种光谱分布产生。 色温相同，相对光谱功率分布不一定相同。 色温只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。 光谱特性必须满足检测系统的要求，光源和光电探光谱特性必须满足检测系统的要求，光源和光电探测器之间光谱匹配系数尽可能大。测器之间光谱匹配系数尽可能大。 发光强度必须满足检测系统的要求发光强度必须满足检测系统的要求。 光源的稳定性必须满足检测系统的要求。光源的稳定性必须满足检测系统的要求。 对光源的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯对光源的结
31、构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；以及光源的空间分布等也泡玻壳的形状和均匀性；以及光源的空间分布等也有一些具体要求。有一些具体要求。目视光学系统目视光学系统：选用可见光谱较丰富的光源。：选用可见光谱较丰富的光源。紫外、红外测量紫外、红外测量: :紫外灯、红外灯紫外灯、红外灯彩色摄影系统彩色摄影系统：选用类似日光色的光源，：选用类似日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。如卤钨灯、氙灯。返返 回回 光源光源强度过低强度过低，系统获得信号过小，可能无法正，系统获得信号过小，可能无法正常监测常监测因此，系统设计应对探测器所需获得的最大、最因此，系统设计应对探测器所需获得的最大、最小光通量
32、进行正确的估计，并按估计选择光源小光通量进行正确的估计，并按估计选择光源光源光源强度过高强度过高，将导致系统工作的非线性，可能，将导致系统工作的非线性，可能损坏系统、待测物、光电探测器等损坏系统、待测物、光电探测器等返返 回回脉冲量脉冲量的检测系统对光源的稳定性要求较低。的检测系统对光源的稳定性要求较低。光量或辐射量光量或辐射量强度、亮度、照度或通量检强度、亮度、照度或通量检测系统，对光源的稳定性有较严格的要求。测系统，对光源的稳定性有较严格的要求。返返 回回 常用光源种类常用光源种类 热辐射光源热辐射光源 气体放电光源气体放电光源 固体发光光源固体发光光源 激光器激光器发光特性发光特性可用普
33、朗克公式精确计算可用普朗克公式精确计算光通量为光通量为连续光谱，光谱宽连续光谱，光谱宽，紫外和可见光少，紫外和可见光少采用采用稳定的供电稳定的供电（稳压或稳流），可使输出的光（稳压或稳流），可使输出的光辐射有较高的稳定度辐射有较高的稳定度 2、白炽灯、白炽灯1、人造黑体辐射源、人造黑体辐射源n种类种类二、气体放电光源二、气体放电光源- 利用气体放电原理来发光的光源利用气体放电原理来发光的光源如：将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸汽（汞、钠、硫等）如：将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸汽（汞、钠、硫等） 充入灯中充入灯中运动：电子运动：电子 阳极，离子阳极，离子 阴极阴极 原子跃迁原子跃迁 高能级高能级
34、 低能级（发光）低能级（发光）气体放电电源的特点：气体放电电源的特点： 发光效率高，比白炽灯高发光效率高，比白炽灯高210倍，可节省能源；倍，可节省能源；结构紧凑，耐震、耐冲击；结构紧凑，耐震、耐冲击；寿命长，大约是白炽灯的寿命长，大约是白炽灯的210倍；倍；光色范围大，如普通高压汞灯发光波长大约为光色范围大，如普通高压汞灯发光波长大约为 400500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色 （589nm），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。- 常用于工程照明和光电测量之中。常用于工程照明和光电测量之中。 粉末场致发光光源粉末场致发
35、光光源 薄膜场致发光光源薄膜场致发光光源 注入式场致发光光源注入式场致发光光源-发光二极管发光二极管n发光二极管发光二极管( (LED - Light-Emitting Diode): :由于少数载流子少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在P-NP-N结区的注入与复合而产生的发光的器件面光源面光源 - 专用专用线光源线光源点光源点光源N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空
36、穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数施主施主离子离子受主受主离子离子1、工作原理、工作原理PN 结结( (PN Junction) )的形成的形成1. 载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2. 复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区( (耗尽区、势垒区耗尽区、势垒区) ) 空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子， 阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。3. 扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流， 总电流总电流 I = 0。内建电场内建电场PN 结形成结形
37、成外加外加正向正向电压电压( (正向偏置正向偏置) )P 区区N 区区内电场内电场+ UR外电场外电场外电场使外电场使P区的空穴和区的空穴和N区的区的电子向电子向 PN 结移动结移动,中和部分中和部分离子离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。 IF限流电阻限流电阻N N区电子越过区电子越过P-NP-N结进入结进入P P区区, ,与与P P区空穴相复合区空穴相复合。 N N区区电子扩散进入电子扩散进入P P区区, ,对于对于P P区称为少数载流子的注入区称为少数载流子的注入。 P P区空穴越过区空穴越过P-NP-N结进入结进入N N区区, ,与与N N区电子相复合区电子相复合。 P P区区空穴
38、扩散进入空穴扩散进入N N区区, ,对于对于N N区称为少数载流子的注入区称为少数载流子的注入。扩散运动加强形成正向电扩散运动加强形成正向电流流 IF 。高能电子与空穴复合高能电子与空穴复合 - 释放能量释放能量-光子光子-半导体发光半导体发光辐射光波长辐射光波长 - 半导体材料的禁带宽度半导体材料的禁带宽度Eg 1.24eV mEg - 材料（搀杂）材料（搀杂）发光二极管性能发光二极管性能2 2、主要参数和特性、主要参数和特性半导体发光二极管半导体发光二极管 - 半导体器件、发半导体器件、发光器件光器件工作参数工作参数 - 电学参数、光学参数电学参数、光学参数 电学参数电学参数 - 工作电流
39、、正向电压、功耗、响应工作电流、正向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等时间、反向电压、反向电流等- 光电器件手册中查到光电器件手册中查到 光学参数光学参数 - 辐射波长、光谱特性、发光亮度、辐射波长、光谱特性、发光亮度、光强分布等光强分布等 伏安特性伏安特性正向电压较小不发光正向电压较小不发光- 正向死区正向死区- 与普通半导体二极管相同与普通半导体二极管相同开启电压：开启电压： GaAs - 1V GaAsP - 1.5V GaP（红）（红） - 1.8V GaP（绿）（绿） - 2V 电压：电压：1.53V加反向电压时不发光加反向电压时不发光- 反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压
40、：反向击穿电压：520V左右左右-工作电压工作电压大量发光区大量发光区 光谱特性光谱特性- 不是纯单色光（谱线比激光宽、比复色光源窄）不是纯单色光（谱线比激光宽、比复色光源窄）峰值波长峰值波长700nm左右，左右，半宽度约半宽度约100nm；GaAs - 谱线宽度谱线宽度25nm （单色光）（单色光）P-N结温度上升结温度上升 -峰值波长向长波方向漂移峰值波长向长波方向漂移动态参数：响应时间（开启与熄灭的时间延迟）动态参数：响应时间（开启与熄灭的时间延迟）下降时间（下降时间（tF）开启时间（开启时间（tr）切断电源后，发光亮度从切断电源后，发光亮度从90%降到降到10%所经历的时间所经历的时间
41、接通电源后，发光亮度从接通电源后，发光亮度从10%到达到达90%所经历的时间所经历的时间响应时间很短响应时间很短 - 动态场合（动态场合（10100MHz）寿命长寿命长 - 105h以上（电流密度以上（电流密度1A/cm2）电流密度大电流密度大 - 发光亮度高发光亮度高 - 寿命很快缩短寿命很快缩短正常使用正常使用 - 白炽灯泡的白炽灯泡的30倍；间歇使用倍；间歇使用 - 30年年 用途：指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性用途：指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性 指示、数码显示等指示、数码显示等高亮度高亮度LED - 汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等 （节约能源）（节约能源）（410ns） （4几十几十ns） 激光器的工作原理：工作物质，谐振腔，泵浦源 激光器分类：气体激光器，固体激光器，染料激光器，半导体激光器 激光的特性：单色性，方向性，亮度，相干性
