1、光电测试技术发展展望1 1、发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技、发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术术2 2、发展微小型、快速的光、机、电测试系统、发展微小型、快速的光、机、电测试系统3 3、发展非接触、快速在线测量、发展非接触、快速在线测量4 4、发展微空间三维测量技术和大空间三维测量技术、发展微空间三维测量技术和大空间三维测量技术5 5、发展闭环控制的光电测试系统以实现光电测量、发展闭环控制的光电测试系统以实现光电测量与光电控制一体化与光电控制一体化6 6、向人类无法触及的领域发展、向人类无法触及的领域发展7 7、发展光电自动跟踪与光电自动扫描技术、发展光电自动跟踪与光电自动扫描技术本
2、课程的学习要求u了解光电检测系统的基本组成，光电检测了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。技术的特点和发展趋势。u掌握光电检测器件（传感器、光源和成像掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。的应用范围。u能够根据特性参数，选择合适的光电检测能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。器件。熟悉常用器件的性能指标。u能根据被测对象的要求，来设计相应的光能根据被测对象的要求，来设计相应的光电检测系统电检测系统u学会根据光电器件的特点来选择和设计光学会根据光电器件的特点来选择和设
3、计光电检测电路和相关参数电检测电路和相关参数第二章第二章 光辐射的光度学基础与光源光辐射的光度学基础与光源4光度的基本物理量 2.1节1235光度学的三个基本定律 2.2节光辐射在空气中的传播 2.3节44光电测量系统中的常用光源 2.4节光的基本性质牛顿牛顿微粒说微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电
4、磁波光量子说光量子说19001900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论19051905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念的概念光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性光具有波粒二象性光波波长：光波波长：10nm-1mm频率范围：频率范围：1011-1016Hz可见光：可见光：380-780nm 紫紫 外：外：100-380nm X光：光：10-100nm 红红 外：外：0.78 m-1000 m，近红外，中红外，远红外，近红外，中红外，远红外 定量描述辐射能强度
5、的物理量有两类：定量描述辐射能强度的物理量有两类：光度学量光度学量和和辐射度学量辐射度学量 辐射度学量辐射度学量：用能量单位描述光辐射的：用能量单位描述光辐射的客观物理量，是物理的客观物理量，是物理的 光度学量光度学量：是电磁辐射对人眼刺激大小：是电磁辐射对人眼刺激大小的感觉，因此光度的基本物理量只在的感觉，因此光度的基本物理量只在 可见光谱波段可见光谱波段才有意义才有意义光度学定义光谱光视效率（视见函数）视网膜视网膜杆状细胞：灵敏度高，能感受微弱光杆状细胞：灵敏度高，能感受微弱光锥状细胞：灵敏度低，能很好区分颜色锥状细胞：灵敏度低，能很好区分颜色和辨别细节和辨别细节国际照明委员会（国际照明委
6、员会（CIECIE）根据实验结果，确定了人眼对各种）根据实验结果，确定了人眼对各种波长光的相对灵敏度，被称为波长光的相对灵敏度，被称为“光谱光视效能或视见函数光谱光视效能或视见函数”光谱光视效率（视见函数）00.1 0.20.3 0.4 0.5 0.6 0.70.8波长（波长（m）光谱光视效率光谱光视效率明视 情况 暗视 情况 光度的基本物理量光量光量光通量光通量光亮度光亮度光强度光强度照度照度出射度出射度曝光量曝光量光源发射光物体受光光通量（V）又称为又称为“光功率光功率”，与辐射通量，与辐射通量e(e(单位：瓦单位：瓦)相对应相对应单位：单位：流明（流明（lmlm）V(V()为视见函数为视
7、见函数KmKm是光功当量，明视情况下（波长为是光功当量，明视情况下（波长为555nm555nm）为）为680 lm/W680 lm/W dVKemV78.038.0光通量与光通量与辐射通量辐射通量的关系为的关系为光量（光谱光能（光谱光能QV V）指光的指光的“能量能量”，与辐射能，与辐射能QeQe（单位：焦耳单位：焦耳)相对应相对应 的物理量的物理量 单位：单位：流明流明秒（秒（lmlmss）光量是光通量光量是光通量V V对时间的积分对时间的积分dtQtVV0光强度（IV）指点辐射源在给定方向上的指点辐射源在给定方向上的单位立体角单位立体角内内辐射的辐射的光通量光通量ddIVVddV V单位：
8、单位：坎德拉（坎德拉（cdcd）cd=lmcd=lmsrsr-1-1=candela=candela1 1坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内发出发出1 1流明的光通量流明的光通量光亮度（LV）coscos2dsdddsdILVVVddV V指光强度与面元在垂直发光强度方向平指光强度与面元在垂直发光强度方向平面上的投影面积之比面上的投影面积之比即给定方向的即给定方向的单位面积单位面积的的光强度光强度单位：单位：cdmcdm-2-2或者或者lm/srmlm/srm2 2出射度（MV）指指单位面积单位面积光源所辐射的光源所辐射的光通量光通量dsdMvvdsdv单
9、位：单位：lmmlmm-2-2(每平方米流明每平方米流明)照度（EV）dsdvdsdEVV指投射到指投射到单位面积单位面积上的上的光通量光通量或接受光的面元上单位面积被辐射的光或接受光的面元上单位面积被辐射的光通量通量 单位：单位：勒克斯勒克斯lx=lmmlx=lmm-2-2晴天阳光直射地面照度约为晴天阳光直射地面照度约为100000lx100000lx晴天背阴处照度约为晴天背阴处照度约为10000lx10000lx晴天室内北窗附近照度约为晴天室内北窗附近照度约为2000lx2000lx晴天室内中央照度约为晴天室内中央照度约为200lx200lx晴天室内角落照度约为晴天室内角落照度约为20lx
10、20lx阴天室外阴天室外50500lx50500lx阴天室内阴天室内550lx550lx月光（满月）月光（满月）2500lx2500lx日光灯日光灯5000lx5000lx电视机荧光屏电视机荧光屏100lx100lx阅读书刊时所需的照度阅读书刊时所需的照度5060lx5060lx在在40W40W白炽灯下白炽灯下1m1m远处的照度约为远处的照度约为30lx30lx晴朗月夜照度约为晴朗月夜照度约为0.2lx0.2lx黑夜黑夜0.001lx0.001lx照度（EV）曝光量（HV）tVVdtEH0单位：单位：lxslxs指照度对时间的积分指照度对时间的积分 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应光
11、度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为的。辐射度量下标为e e，例如，例如Q Qe e，e e，I Ie e，M Me e，E Ee e，光度量下标为，光度量下标为v v，Q Qv v，v v，I Iv v，L Lv v，M Mv v，E Ev v。光度量只在可见光区光度量只在可见光区（nm)nm)才才有意义。有意义。辐射度量和光度量都是辐射度量和光度量都是波长波长的函数。的函数。光度学基本物理量的总结基本定律基本定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律普朗克定普朗克定律律维恩位移维恩位移定律定律斯忒藩斯忒藩玻耳玻耳兹曼定律兹曼定律光度学的基本定律余弦定律（朗伯余弦定律）此定律描述了光
12、辐射在此定律描述了光辐射在半球空间半球空间内照内照度的变化规律。度的变化规律。任意表面上的照度随该表任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化之间的夹角余弦变化OAA朗伯表面的辐射定律 朗伯辐射表面朗伯辐射表面：理想的漫反射面，即任意发射方：理想的漫反射面，即任意发射方向向(漫射或反射漫射或反射)上上亮度不变亮度不变的表面。的表面。若光照到朗伯表面为时若光照到朗伯表面为时，此表面辐射的光强同，此表面辐射的光强同样符合余弦定律。样符合余弦定律。朗伯辐射表面在某方向朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和该辐射光强随该方向和该表面法线之间夹角余弦表面法线之间
13、夹角余弦而变化而变化II0dAcos0II朗伯表面的亮度dAIL00000coscosLdAIdAIdAILII0dAdA 朗伯表面任意方向上朗伯表面任意方向上发射亮度不变发射亮度不变亮度守恒定律1 1、当光束在同一种介质中传播、当光束在同一种介质中传播dA1dA212d1d2r2cosrdAd亮度守恒定律2 2、当光束不在同一种介质中传播、当光束不在同一种介质中传播（忽略光在介质表面并无反射和吸收损失）（忽略光在介质表面并无反射和吸收损失）L1L2dA2121nn21sinsinnn依据折射定律依据折射定律请试推导：请试推导：2221nLnLL L/n n2 2为基本幅亮度为基本幅亮度上式表
14、明了在不同介质上式表明了在不同介质中传播的光束，在能量中传播的光束，在能量无损耗下其无损耗下其基本幅亮度基本幅亮度是守恒的是守恒的亮度守恒定律3 3、当光束传播中有光学系统、当光束传播中有光学系统一般光学系统一般光学系统n n1 1=n n2 2,而而1 L L2 2光学系统能使光会聚或发散；光学系统能使光会聚或发散；若光学系统的透射比为若光学系统的透射比为，物面亮度为，物面亮度为L L1 1，像，像面亮度为面亮度为L L2 2，就有就有12122LnnL这表明：像面的辐射亮度不可能大于物面的辐射这表明：像面的辐射亮度不可能大于物面的辐射亮度，即光学系统并不能使亮度增加。亮度，即光学系统并不能
15、使亮度增加。照度与距离平方反比定律当均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传播当均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传播方向上某点的方向上某点的照度照度与该点到点光源与该点到点光源距离的平方距离的平方成反比成反比ORddAdRE22-3光辐射在空气中的传播光辐射在空气中的传播光电测量中，光大多在空气中和光学玻璃（含晶光电测量中，光大多在空气中和光学玻璃（含晶体）中传播。体）中传播。大气中其成分的复杂性和不稳定性将影响光束在大气中其成分的复杂性和不稳定性将影响光束在传播过程中的特性，同时对测量带来影响。传播过程中的特性，同时对测量带来影响。本节主要介绍一些光在空气中传播的基本概念本节主要介绍一
16、些光在空气中传播的基本概念一、大气衰减一、大气衰减气体分子、尘埃、烟雾使部分辐射能量气体分子、尘埃、烟雾使部分辐射能量被吸收、转换、散射等，使辐射能衰减被吸收、转换、散射等，使辐射能衰减或改变方向。或改变方向。结果：导致测量精度下降甚至无法测量结果：导致测量精度下降甚至无法测量包括：包括：大气分子吸收大气分子吸收和和大气分子散射大气分子散射 入射光频率为大气分子的固有频率时，发生共振入射光频率为大气分子的固有频率时，发生共振吸收吸收极化受迫振动以光波频率以光波频率光波光波能量被消耗吸收1、大气分子吸收N N2 2、O O2 2分子对分子对 可见光、红外光几乎不吸收，可见光、红外光几乎不吸收，而
17、对远红外和微波呈现很大的吸收而对远红外和微波呈现很大的吸收H H2 2O O和和COCO2 2分子在近红外和可见光区有宽广的振分子在近红外和可见光区有宽广的振动结构，对可见光和红外光吸收较大，是大气动结构，对可见光和红外光吸收较大，是大气光学衰减的主要因素光学衰减的主要因素对某些特定波长，大气会呈现出很强的吸收对某些特定波长，大气会呈现出很强的吸收能力，使光波无法通过能力，使光波无法通过大气窗口：透过率较高的波段，即对可见光大气窗口：透过率较高的波段，即对可见光和红外光呈现吸收较弱的窗口和红外光呈现吸收较弱的窗口2 2、大气分子散射、大气分子散射大气散射大气密度的大气密度的不均匀，造不均匀，造
18、成次波叠加成次波叠加方向变化方向变化大气中存在大气中存在灰尘、烟雾灰尘、烟雾等微粒，导等微粒，导致光向各方致光向各方向散射向散射大气分子的尺寸远小于可见光和红外线波长，大气分子的尺寸远小于可见光和红外线波长，在此条件下的散射满足在此条件下的散射满足瑞利散射条件瑞利散射条件根据瑞利散射经验公式，根据瑞利散射经验公式，瑞利散射系数瑞利散射系数为为瑞利散射瑞利散射43827.0NAm波长越长，散射越弱，所以可见光的散波长越长，散射越弱，所以可见光的散射比红外光强烈。射比红外光强烈。二、空气湍流效应二、空气湍流效应大气的运动形式有大气的运动形式有层流层流和和湍流湍流层流：层流：一种有规则的稳定流动，薄
19、层内流速和一种有规则的稳定流动，薄层内流速和流向均为定值，层间运动互不混合流向均为定值，层间运动互不混合湍流：湍流：一种无规则的旋涡流动，空间每点运动一种无规则的旋涡流动，空间每点运动轨迹复杂，速度随机变化轨迹复杂，速度随机变化湍流状态对光束质量的影响湍流状态对光束质量的影响使光辐射在传播过程中随机地改变光波参量使光辐射在传播过程中随机地改变光波参量光强闪烁光强闪烁光束弯曲、漂移光束弯曲、漂移光束弥散畸变光束弥散畸变相干性退化等现象相干性退化等现象空气湍流效应对光电检测的影响空气湍流效应对光电检测的影响光束散射造成光信号受到随机寄生调制，信噪光束散射造成光信号受到随机寄生调制，信噪比降低，探测
20、率降低，漏检率增加比降低，探测率降低，漏检率增加模拟调制的激光通信噪声增大模拟调制的激光通信噪声增大数字激光通信误码率增加数字激光通信误码率增加光束抖动使激光偏离接受孔径，降低信号强度光束抖动使激光偏离接受孔径，降低信号强度相干性退化，使激光外差探测效率降低，甚至相干性退化，使激光外差探测效率降低，甚至产生计数误差产生计数误差在精密光电测量中，为保证测量的稳定在精密光电测量中，为保证测量的稳定性，应尽量避免空气湍流的产生性，应尽量避免空气湍流的产生光电测量系统中的常用光源光源的质量对光电测量中起着关键的作用光源的质量对光电测量中起着关键的作用;设设计光电测量系统时，了解光源的基本特性参计光电测
21、量系统时，了解光源的基本特性参数和特点是十分重要的数和特点是十分重要的光源的基本参数1.发光效率发光效率指在给定的波长范围内，某一光源所发出的指在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量光通量V与产生该光通量所需要的功率与产生该光通量所需要的功率P之比之比PdPV21常用光源的发光效率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）白炽灯白炽灯818卤钨灯卤钨灯1430高压汞灯高压汞灯3040球形氙灯球形氙灯3040普通荧光灯普通荧光灯3560三基色荧光灯三基色荧光灯5590金属卤化物灯金属卤化物灯6080高压钠灯高压钠灯90100 2、光谱功率谱分布带状光谱带状光谱高压汞灯高
22、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线状光谱线状光谱低压汞灯低压汞灯P()指光源输出的功率与光谱有关，即指光源输出的功率与光谱有关，即与波长有关与波长有关光源的选择 光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长一致，可最大限度的利用光能一致，可最大限度的利用光能 目视测量可以采用可见光谱辐射比较丰富的光源目视测量可以采用可见光谱辐射比较丰富的光源 目视瞄准，为降低疲劳，宜选用绿光源目视瞄准，为降低疲劳，宜选用绿光源 彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯光源彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯光源 紫外和红外测量应选用相应的紫外灯和红
23、外灯紫外和红外测量应选用相应的紫外灯和红外灯3、空间光强分布特性90809080 0光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向上是不同的个方向上是不同的发光二极管的配光发光二极管的配光曲线曲线配光曲线：在空间某一截面上，配光曲线：在空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，该将发光强度相同的点连线，该曲线称为配光曲线曲线称为配光曲线4、光源的温度和颜色温度辐射：温度辐射：任何物体其温度在绝对零任何物体其温度在绝对零度以上，就向外发出辐射度以上，就向外发出辐射黑体：黑体：是一种完全的温度辐射体，吸是一种完全的温度辐射体，吸收通量和入射通量相同收通量和
24、入射通量相同 eed,Td 吸收率吸收率：的物体称为绝对黑体的物体称为绝对黑体吸收通量和入射通吸收通量和入射通量之比量之比1,T 42bM,TM,T,T edM,Td dA,T 辐射表面单位面积单位波长间隔内所辐射的通量辐射表面单位面积单位波长间隔内所辐射的通量黑体黑体的辐射本领的辐射本领 一般物体 ，1,所以同一温度中对任何波长，物体的辐射本领不会大于黑体4、光源的温度和颜色辐射本领辐射本领43 黑体的温度决定了它的光辐射特性黑体的温度决定了它的光辐射特性 一般光源的某些特性常用黑体辐射特性表示，一般光源的某些特性常用黑体辐射特性表示，而其温度用色温或相关色温表示而其温度用色温或相关色温表示
25、色色 温温相关色温相关色温5、光源的寿命全寿命平均寿命有效寿命6、光源的稳定性功率稳定性波长稳定性二、光电测量中的常用光源二、光电测量中的常用光源热辐射光源热辐射光源气体气体放电光源放电光源半导体半导体发光器件发光器件激光光源激光光源常用光源常用光源（一）热辐射光源（一）热辐射光源1、太阳光、太阳光复色光，很好的平行光源复色光，很好的平行光源2、白炽灯、白炽灯灯泡内的钨丝被加热到灯泡内的钨丝被加热到2300k-2800k发光发光复色光，连续光谱复色光，连续光谱发光特性稳定、简单、可靠发光特性稳定、简单、可靠真空灯泡：发光效率真空灯泡：发光效率10lm/w47白炽灯供电电压的大小对灯的参数（电流
26、、功率、寿命及光通量）有很大的影响nvvvvIIVV0278.05.00000例如例如：额定功率为220V的灯泡降压到180V使用，光通量降低到62%，寿命延长到13.6倍白炽灯的使用寿命充气灯泡充气灯泡充氩、氮等惰性气体充氩、氮等惰性气体灯丝蒸发出来的钨原子与惰性气灯丝蒸发出来的钨原子与惰性气体原子碰撞时，部分钨原子会返回体原子碰撞时，部分钨原子会返回灯丝表面，延长灯寿命灯丝表面，延长灯寿命工作温度提高到工作温度提高到2700k-3000k发光效率：发光效率：17lm/w49卤素光源（仪器用）卤素光源（仪器用）（二）气体放电光源（二）气体放电光源利用利用气体放电原理气体放电原理来发光的光源来
27、发光的光源这种气体包括：氢、氦、氘、氙、氪这种气体包括：氢、氦、氘、氙、氪和金属蒸汽（汞、钠、硫等）和金属蒸汽（汞、钠、硫等）特点：特点：1、发光效率高，比白炽灯高、发光效率高，比白炽灯高2-10倍，倍，节省能源节省能源2、结构紧凑，耐震、耐冲击、结构紧凑，耐震、耐冲击3、寿命长，是白炽灯的、寿命长，是白炽灯的2-10倍倍4、光色范围大、光色范围大（三）金属卤化物灯（三）金属卤化物灯金属卤化物灯是继白炽灯、荧光灯之后的第三代光源。典型的例子是钠、铊、铟金属卤化物灯。这种灯加入了碘化钠碘化铊和碘化铟。金属卤化物分子分解为金属原子和卤素原子，金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电。灯泡中充有卤族
28、元素（灯泡中充有卤族元素（氯化碘、溴氯化碘、溴化硼化硼）蒸发的钨原子与玻璃壳附近的卤素蒸发的钨原子与玻璃壳附近的卤素化合成金属卤化物，如化合成金属卤化物，如WI2，WBr，扩散到灯丝附近又被分解成钨和卤素，扩散到灯丝附近又被分解成钨和卤素，钨沉淀到灯丝上，延长寿命钨沉淀到灯丝上，延长寿命 工作温度达工作温度达3000-3200k 发光效率发光效率30lm/w（四）高电场电致发光光源（四）高电场电致发光光源场致发光光源一般是将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于平极电极之间（其中一块是透明电极），外施高压电（100V以上），直接加速初电子碰撞激发中心而发光。常用场致发光光源有粉末型（EL型
29、）和无机薄膜型（TFEL型）。（五）半导体发光器件（五）半导体发光器件（LEDLED）半导体发光器件半导体发光器件是指在电场作用下使半导体的电是指在电场作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件，也称为子与空穴复合而发光的器件，也称为注入式场致注入式场致发光光源发光光源工作原理工作原理V+NP电电极极SiO2电电极极PN结结塑塑料料发光管符发光管符号号辐射光的辐射光的波长波长决定于半导体材料的禁决定于半导体材料的禁带宽度带宽度EgLED的波长1 24.eVmEg 材料材料光色光色峰值波长峰值波长/nm光谱光视效能光谱光视效能/lm.W-1GaAs0.6P0.4红红65070GaAs0.15P0
30、.85黄黄589450GaP:N绿绿565610GaAs红外红外910GaAs:Si红外红外940LEDLED光源特点光源特点优点优点低电压（几伏低电压（几伏）小电流）小电流发光响应速度高，发光响应速度高，10-7-10-9s性能稳定，寿命长（性能稳定，寿命长（10万小时以上）万小时以上）易于与集成电路匹配，驱动简单易于与集成电路匹配，驱动简单与普通光源比，单色性好，谱宽几纳米与普通光源比，单色性好，谱宽几纳米-百纳米百纳米小型，耐冲击小型，耐冲击缺点缺点功率较小（功率较小（w，mw）光色有限，较难获得短波发光（如紫外，蓝光色有限，较难获得短波发光（如紫外，蓝光）光）59环形环形LEDLED光
31、源光源LEDLED光源主要参数和特性光源主要参数和特性60 1）伏安特性）伏安特性 正向电压较小时不发光，正向电压较小时不发光，此区为此区为正向死区正向死区 加反向电压时不发光，这加反向电压时不发光，这时的电流称为时的电流称为反向饱和电反向饱和电流流 当反向电压加至击穿电压当反向电压加至击穿电压的时候，电流突然增加，的时候，电流突然增加，称为称为反向击穿反向击穿。反向击穿电压约为反向击穿电压约为520V左右。左右。击穿反向死区正向死区工作区开启电压abIU开启电压约 1-2V工作电压约2-3V612）光谱特性）光谱特性 发光二极管发出的光其谱线宽度比激光宽发光二极管发出的光其谱线宽度比激光宽，
32、但比复色光源谱线窄，但比复色光源谱线窄 (绿）绿）（红）（红）5005006006008008007007000 00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0相对发光强度相对发光强度/nm/nm注意：注意：若若PN结温度上结温度上升，则峰值波长向长升，则峰值波长向长波方向漂移，即波方向漂移，即具有具有正的温度系数。正的温度系数。62 发光二极管的发光二极管的发光亮度基发光亮度基本上正比于电流密度本上正比于电流密度 随着随着电流密度的增加电流密度的增加，发，发光亮度有趋于饱和的现象光亮度有趋于饱和的现象，因此采用脉冲驱动方式，因此采用脉冲驱动方式是有利的，它可以在平均是有利的，
33、它可以在平均电流与直流相等的情况下电流与直流相等的情况下有更高的亮度有更高的亮度 目前，通常采用脉宽调制目前，通常采用脉宽调制（PMWPMW）驱动方式）驱动方式 GaAs0.35P0.6510410310210110010-110-2GaP（红）GaP（绿）GaAs（红）10-1 100 101 102 103电流密度电流密度/Acm-2 光出射度光出射度/（lmcm-2）3 3）发光亮度特性）发光亮度特性几种几种LED出射度与电流出射度与电流密度曲线图密度曲线图634 4）温度特性）温度特性 温度对温度对LED PN结结的复合电流是有影的复合电流是有影响的，响的，PN结温度结温度升高到一定程
34、度后升高到一定程度后，电流将变小，发，电流将变小，发光亮度也减弱。光亮度也减弱。0204060801020304050I/mAt/发光电流与温度的关系曲线图发光电流与温度的关系曲线图645 5）配光曲线）配光曲线 与与LEDLED的的结构结构、封装方封装方式式以及发光二极管前端以及发光二极管前端装的装的透镜透镜有关有关 目前在市场中，有很多目前在市场中，有很多不同发光角的不同发光角的LED,LED,例如例如：15153030、454590809080 0LEDHG500的配光曲线的配光曲线发光角为发光角为8065 发光二极管的电学参数包括发光二极管的电学参数包括工作电压工作电压、工作工作电流电
35、流、开启电压开启电压和和功耗功耗等等 响应时间是指响应时间是指LED开启与熄灭的时间延迟，开启与熄灭的时间延迟，通常用通常用开启时间开启时间 tr 和和下降时间下降时间tF 来表征。来表征。开启时间开启时间 tr 是指接通电源后发光亮度从是指接通电源后发光亮度从10%开始开始到达到到达到90%所经历的时间，一般为所经历的时间，一般为410ns 之间之间。下降时间下降时间 tF是指切断电源后，管子发光亮度从是指切断电源后，管子发光亮度从90%降到降到10%所经历的时间，一般为所经历的时间，一般为4ns到几十到几十ns 之间，可工作于之间，可工作于10100MHZ的动态场合。的动态场合。LEDLE
36、D电学参数和特性电学参数和特性激光光源激光器三大要素激光器三大要素激励能源激励能源激光工作物质激光工作物质谐振腔谐振腔光激励磁激励核激励化学反应共轴球面腔环形腔折叠腔相位共轭腔固体激光器固体激光器 工作物质为固体，工作物质为固体，如红宝石、如红宝石、钕钇铝石榴石、钕钇铝石榴石、钛宝石钛宝石 气体激光器气体激光器 工作物质为工作物质为He-Ne、CO2、Ar+等等 半导体激光器半导体激光器 工作物质为工作物质为GaAs、GaSe、CaS、PbS等等 用光泵激励形成受激辐用光泵激励形成受激辐射，辐射能量大，比气射，辐射能量大，比气体激光器高出三个量级。体激光器高出三个量级。激光输出的波长范围宽，激
37、光输出的波长范围宽，可得到从紫外到红外稳定可得到从紫外到红外稳定的激光输出。可输出脉冲的激光输出。可输出脉冲光、重复脉冲光和连续光、重复脉冲光和连续光输出。常用于打孔、光输出。常用于打孔、焊接、测距、雷达等。焊接、测距、雷达等。CO2激光器输出功率大，激光器输出功率大，能量转换效率高，输出波能量转换效率高，输出波长为长为10.6 m的红外光。的红外光。它广泛用于激光加工、它广泛用于激光加工、医疗、大气通信和军事上。医疗、大气通信和军事上。在光电测量中应用最多的在光电测量中应用最多的是是He-Ne气体激光器，因气体激光器，因为为He-Ne激光器发出的激激光器发出的激光单色性和方向性好。光单色性和
38、方向性好。体积小、效率高、寿体积小、效率高、寿命长、携带与使用方命长、携带与使用方便，尤其是便，尤其是可以直接可以直接进行电流调制而获得进行电流调制而获得高内调制输出，高内调制输出，广泛广泛用于光电测量、激光用于光电测量、激光打印、光存储、光通打印、光存储、光通信、光雷达等信、光雷达等。激光器举例激光器特点1）光束特点）光束特点气体激光器和固体激光器大都采用两块具有共气体激光器和固体激光器大都采用两块具有共轴线的球面镜作为反射镜构成谐振腔，称为轴线的球面镜作为反射镜构成谐振腔，称为共共轴球面腔轴球面腔；如果两个球面镜焦点重合，它们构；如果两个球面镜焦点重合，它们构成的腔称为成的腔称为共焦腔共焦
39、腔。L=2f 0 0 x,yw00wz激光在共焦腔中光斑的大激光在共焦腔中光斑的大小，在不同位置各不相同小，在不同位置各不相同激光振幅分布激光振幅分布 zyxezEAzyxE222000000，A A0000为与模的级次有关的，归一化比例常数；为与模的级次有关的，归一化比例常数；E E0 0为与坐标无关的常量；为与坐标无关的常量；(z)(z)为为z z处的基模光斑半径；处的基模光斑半径；0 0为为z=0z=0处的光斑半径，此处的处的光斑半径，此处的(z)(z)为最小，为最小，称为称为束腰半径束腰半径0f2）激光的单色性）激光的单色性激光谱线宽度很窄，即波长变化范围很小，激光谱线宽度很窄，即波长
40、变化范围很小，单色性很好。单色性很好。半导体激光器因其体积小，功率大，散半导体激光器因其体积小，功率大，散热又不太好，热稳定性较差，其谱线宽热又不太好，热稳定性较差，其谱线宽度即单色性远比度即单色性远比He-NeHe-Ne激光器差。激光器差。因单色性好，所以相干性好。因单色性好，所以相干性好。3）激光的方向性）激光的方向性He-Ne激光激光方向性最好，它的发散角可达到方向性最好，它的发散角可达到310-4rad，十分接近衍射极限（十分接近衍射极限（210-4rad），可用于），可用于准直测量准直测量固体激光器固体激光器发散角略大，大约发散角略大，大约10-2rad量级；量级；半导体激光器半导体
41、激光器纵向发散角约纵向发散角约5-10，其方向性较差，其方向性较差4）激光的亮度）激光的亮度由亮度定义可知激光的亮度是极高的。激光的亮由亮度定义可知激光的亮度是极高的。激光的亮度比普通光源高上百万倍。如气体激光器亮度可度比普通光源高上百万倍。如气体激光器亮度可达达104-108w/sr.cm2，固体激光器发光亮度约为，固体激光器发光亮度约为107-1011w/sr.cm2，而太阳表面亮度为，而太阳表面亮度为2103w/sr.cm2，可见激光亮度比可见激光亮度比太阳表面亮度高出几个到几十个太阳表面亮度高出几个到几十个数量级数量级。激光的高亮度使光电测量的距离更远，激光的高亮度使光电测量的距离更远
42、，信噪比更高，尤适合于遥测和遥控。信噪比更高，尤适合于遥测和遥控。5）相干性）相干性He-Ne激光的相干长度达到激光的相干长度达到几百公里几百公里。是散斑测量和全息测量的理想光源是散斑测量和全息测量的理想光源用激光干涉法测量长度和表面形貌时，也会由于激用激光干涉法测量长度和表面形貌时，也会由于激光相干性太好，而使干涉场内的干涉图出现散斑使光相干性太好，而使干涉场内的干涉图出现散斑使干涉场散乱，给图像处理带来困难。干涉场散乱，给图像处理带来困难。光源光源谱线谱线/nm谱线谱线/nm相干长度相干长度L/cm氙氙606.780.0004777镉镉643.850.001330钠钠589.30.60.6
43、贡贡546.10.013氦氖激光氦氖激光632.810-831066）激光器的模态）激光器的模态 光波也是一种电磁波电磁波，每一种光都是具有一定频率的电磁振荡，它与谐振腔参数及振荡模式之间有密切关系激光的纵模激光的纵模：谐振腔内沿光轴方向形成谐振的振荡模式，由激光工作物质的光谱特性和谐振腔的频率特性共同决定，谐振腔长度等于半波长整数倍的光波可以形成稳定振荡，输出频率有多个，即多个纵模 qnlc2激光的横模激光的横模：由于光场在横向不同的稳定分布引起的激光输出的强弱和光斑形状的不同。00101311纵模横模的联系纵模横模的联系：激光的纵模 和横模个从一个侧面反映了谐振腔内稳定的光场分布情况，只有
44、同时用纵模和横模才能全面的反映腔内光场分布 激光的模态记作TEMmnqHe-NeHe-Ne气体激光器及其使用要点气体激光器及其使用要点 He-Ne激光器的结构激光器的结构依据放电管与谐振腔的位置关系，激光依据放电管与谐振腔的位置关系，激光器的结构一般分为器的结构一般分为内腔式内腔式，外腔式外腔式，半半外腔式外腔式三种三种He-Ne激光器所有激光谱线激光器所有激光谱线 由由Ne原子产原子产生，而生，而He原子起原子起 共振能量转移的作用共振能量转移的作用 He-Ne激光器的使用要点激光器的使用要点 1）要注意激光的模态要注意激光的模态 在相干测量中在相干测量中光的波长光的波长是是测量基准测量基准
45、，因此要求波，因此要求波长很稳定，而波长长很稳定，而波长与光频率的关系为与光频率的关系为c稳波长实质就是稳光频，即要采用稳频技术。稳波长实质就是稳光频，即要采用稳频技术。稳频的三种方式稳频的三种方式：兰姆下陷兰姆下陷-谱线非均匀加宽中的烧孔效应谱线非均匀加宽中的烧孔效应塞曼效应塞曼效应-原子能级在磁场作用下发生分裂的原子能级在磁场作用下发生分裂的效应效应饱和吸收法饱和吸收法-在谐振腔内放入吸收管，利用非在谐振腔内放入吸收管，利用非线性吸收效应，吸收介质可采用碘同位素蒸汽线性吸收效应，吸收介质可采用碘同位素蒸汽漂移原因：温度，振动造成谐振腔长变化或反射镜倾角的变化。虽然虽然He-NeHe-Ne激
46、光具有很好的方向性和单色性，但激光具有很好的方向性和单色性，但它也是有漂移的，尤其是用作精密尺寸测量和它也是有漂移的，尤其是用作精密尺寸测量和准直测量时尤应注意准直测量时尤应注意半导体激光器半导体激光器半导体激光器原理半导体激光器原理激光解理面它是用半导体材料（它是用半导体材料（ZnS、GaAs、PbS、GaSe等）制成的面结型二等）制成的面结型二极管。极管。半导体材料是半导体材料是LD的的激活物质激活物质。在半导体的二个端面精细加工磨在半导体的二个端面精细加工磨成解理面而构成成解理面而构成谐振腔谐振腔。给半导体施以正向外加电场，给半导体施以正向外加电场，高能电子与空穴相遇产生复合，高能电子与
47、空穴相遇产生复合，同时可将多余的能量以光的形式同时可将多余的能量以光的形式放出来，由于解理面谐振腔的共放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。定向发射而输出激光。半导体激光器的特点半导体激光器的特点1 1、输出功率范围大：约几、输出功率范围大：约几mwmw数百数百mwmw，在，在以脉冲输出时可达数以脉冲输出时可达数w w。2、单色性较差。它比、单色性较差。它比He-Ne激光差，大约大激光差，大约大104倍左右，但比倍左右，但比LED小小104倍左右。倍左右。3、输出的波长范围与工作物质材料有关，、输出的波长范围与工作物质材料有关，
48、从紫外到红外均可发光。从紫外到红外均可发光。半导体激光器的使用要点半导体激光器的使用要点1 1、LDLD发出的光束不是高斯光束，光束截发出的光束不是高斯光束，光束截面近似矩形，发散角又较大，因此用面近似矩形，发散角又较大，因此用LDLD作作为平行光照明时应该用柱面镜将光束整形，为平行光照明时应该用柱面镜将光束整形，再用准直镜准直。再用准直镜准直。2 2、频率稳定性、频率稳定性 LD光的单色性远逊于He-Ne激光，因而其相干性也较差，因此用LD作相干光源且测量距离又较大时，必须对LD稳频。LDLD的稳频法的稳频法LD的稳频法主要有吸收法吸收法和电控法电控法/可达10-8 10-10但复现性差，方
49、法复杂，不宜常规使用吸收法吸收法 半导体激光器的电控法稳频半导体激光器的电控法稳频激光频率qnlc2两边对温度求导iiRTlnTnlnlcq)11(2说明控制输入电流可以稳频说明控制输入电流可以稳频稳频精度可达10-710-8半导体激光器稳频框图半导体激光器稳频框图参考电压参考电压差分放大差分放大A/D单片机单片机D/A功率放大功率放大帕尔帖帕尔帖元件元件LD结电压采样结电压采样帕尔帖元件：电流-温度变换器温度变化导致结温度变化导致结电压变化电压变化半导体激光器稳频原理图半导体激光器稳频原理图单片机单片机参考电压参考电压A/D差分放大差分放大 功放功放LD帕尔帖元件帕尔帖元件铝壳铝壳D/A3 3、半导体激光器的调频、半导体激光器的调频改变改变LD的注入电流的注入电流i会使会使LD的输出频率产生的输出频率产生v的变化。的变化。如果注入电流是按某一频率变化规律来变化，那如果注入电流是按某一频率变化规律来变化，那么输出的激光将被调频。这种调频是在么输出的激光将被调频。这种调频是在LD内部实内部实现的，故称为内调制。由此原理制成的半导体激光现的，故称为内调制。由此原理制成的半导体激光器可用于外差测量。器可用于外差测量。应注意，在调频的同时伴随着应注意，在调频的同时伴随着LD输出功率的改变，输出功率的改变，因此应注意功率变化对测量的影响因此应注意功率变化对测量的影响
