光机电测控技术基础第2章光电技术基础.ppt

光机电测控技术基础,任课教师:严晗 武汉理工大学 机电工程学院,第2章 光电技术基础,目录 2-1 光的基本概念 2-2 光辐射 2-3 热辐射 2-4 光源的基本特性参数 2-5 光电技术中的光源 2-6 光辐射调制概述,2019/5/24,牛顿微粒说 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 波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等 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,2-1 光的基本概念,2019/5/24,光量子说 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性,2-1 光的基本概念,光辐射 狭义：可见光 广义：可见光、 红外辐射、 X射线、紫外辐射,2-1 光的基本概念,辐射度学量：用能量单位描述光辐射能的客观物理量 （物理的，用下脚标“e”表示） 光度学量：描述光辐射能被平均人眼接受后所引起的视觉 刺激的强度（生理的，用下脚标“v”表示） 光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为基础，受到了主观视觉的限制，不是客观的物理学描述方法。 辐射度学量和光度学量是一一对应的，它们之间有着一定的关系。,2-2 光辐射,2019/5/24,辐射度学量,辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳J 辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦W。 e=d Qe/dt,辐射是一种能量形式，既有电磁性质，又有量子性质。 辐射伴随着能量的转移。,2-2 光辐射,辐射强度Ie ：点辐射源在给定方向单位立体角内的辐射通量，单位为W/sr（瓦每球面度）， Ieded 辐射亮度Le：扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量。单位为Wsrm2（瓦每球面度平方米）,2-2 光辐射,辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量，即Ee dedA，单位为Wm2(瓦每平方米)。 dA是投射辐射通量de的面积元。 辐射出射度Me： 扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即dedS， de由是扩展源表面dS在各方向上所发出的辐射通量，单位为 W/m2(瓦每平方米)。 Ee和Me的单位相同，其区别在于： Ee是描述辐射接收面所接收的辐射特性，而Me则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。,2-2 光辐射,辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。 光谱辐射通量 e（）：辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。也叫辐射通量的光谱密度。 即光谱辐射通量是辐射通量随波长的变化率。,单位为Wm(瓦每微米)，或Wnm(瓦每纳米)。,2-2 光辐射,光度学量,光谱光视效率： 人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的；对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低； 另外，受视觉生理和心理影响，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。 视见函数（“标准光度观察者”光谱光视效率）：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度。,2-2 光辐射,明视觉光谱光视效率：亮度 3cd/m2，V ()，峰值在 555nm，锥体细胞 暗视觉光谱光视效率：亮度 0.001cd/m2，V ()，峰值在 507nm，杆状细胞,0,507,555,700,620,380,V (),V (),波长（nm）,光谱光视效率,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,2-2 光辐射,光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为基础，受到了主观视觉的限制，不是客观的物理学描述方法； 只在可见光波段有意义； 用下脚标“v”表示，辐射度学量和光度学量是一一对应的。,2-2 光辐射,辐射度量和光度量的对照表,2-2 光辐射,坎德拉（candela，cd）：发光强度（IV ）的单位，国际单位制中七个基本单位之一。定义是发出频率为5401012Hz(对应在空气中555nm)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683 Wsr-1时，在该方向上的发光强度为1cd。 流明（lm）：光通量（V）的单位，定义是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角（1sr）内发出的光通量。 勒克斯（lx）：光照度（EV ）的单位，它相当于1lm的光通量均匀地照在1m2面积上所产生的光照度。,光度量的主要单位,2-2 光辐射,光度量与辐射量之间的统一函数关系 Km：光功当量，明视觉的最大光谱光视效率系数，它表示人眼对波长为555nm光辐射产生光感觉的效能。Km680 lm / W,2-2 光辐射,热辐射：由于外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。 热辐射源的特性：它的辐射能量直接与它的温度有关。 热平衡辐射：如果物体从周围物体吸收幅射能所得到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量，则辐射过程达到平衡状态，这称为热平衡辐射。,2-3 热辐射,适用于红外波段 任何物体只要它的温度高于热力学温度（0K或摄氏-273），它就一定不断地发射电磁辐射（热辐射）。 只要外界传递热量给物体以维持物体的温度不变，物体就能不改变内能持续稳定地发射电磁波。,2-3 热辐射,在研究热平衡辐射所遵从的规律时，我们假定物体发射能量和吸收能量的过程中，除了物体的热状态有所改变外，它的成分不发生变化。 热辐射的辐射光谱是连续的。 热辐射不仅与物体温度有关，而且与物体表面特征有关。,2-3 热辐射,光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。在成份分析、结构研究、光电检测、照明设计等方面，都离不开一定型式的光源。 在光电系统中，光源往往起着关键的作用，正确选择光源，对设计光电系统和解决具体光电检测问题有重要意义。,2-4 光源的基本特性参数,辐射效率与发光效率 辐射效率定义：在给定12波长范围内，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，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率，即：,相应地，对于可见光范围，某一光源的发光效率为：,辐射通量 W/W,光通量 lm/W,2-4 光源的基本特性参数,常用光源的发光效率 （单位： lm/W）,2-4 光源的基本特性参数,自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。,光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：,线状光谱 带状光谱 连续光谱 混合光谱,低压汞灯、激光,高压汞灯、高压钠灯,荧光灯,热辐射光源、白炽灯,光谱功率分布（相对光谱功率分布）,2-4 光源的基本特性参数,光谱功率分布应由测量对象的要求来决定,在目视光学系统中，采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。 对于彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。 在紫外分光光度计中，通常使用紫外辐射较强光源。 紫外光刻系统中，采用365nm波长谱线辐射较强的光源，高压汞灯。,2-4 光源的基本特性参数,对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不同的。 配光曲线：若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。,空间光强分布,提高光能利用率： 选择发光强度高的方向作为照明方向 反光罩,2-4 光源的基本特性参数,描述光源的辐射特性 黑体的温度决定了它的光辐射特性。 对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射特性来近似地表示。 分布温度 辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。 色温 辐射源发射光的颜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。 相关色温 对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。,光源的色温,2-4 光源的基本特性参数,光源的颜色,色表：用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。 显色性：当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。 显色性好的光源（白炽灯、卤钨灯、镝灯等），适用于辨色要求较高的场合，如彩色电影、彩色电视的拍摄和放映，染料、彩色印刷等行业。 显色性差的光源（高压汞灯、高压钠灯等），一般用于道路、隧道、码头等辨色要求较低的场合。,2-4 光源的基本特性参数,光源选择的基本要求,对光源发光光谱特性的要求 基本要求：光源发光的光谱特性必须满足检测系统的需要。 光源和光电探测器之间的光谱匹配系数，描述两光谱特性间的重合程度或一致性。 W为光源光辐射通量的相对值；S为在光电探测器灵敏度的相对值。,2-4 光源的基本特性参数,对光源发光强度的要求 光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常检测； 光源强度过高，会导致系统工作的非线性，有时可能损坏系统、待测物或光电探测器等，同时也导致不必要的能源消耗而造成浪费。 因此在系统设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光通量进行正确的估计，并按估计来选择光源。,2-4 光源的基本特性参数,对光源稳定性的要求 依据不同的检测对象来确定（脉冲、连续量）。同时也应考虑光源的造价，过分的要求会使设备昂贵，而对检测并无好处。 稳定光源发光的方法： 可采用稳压电源供电。 可采用稳流电源供电。 所用光源应预先进行老化处理。 可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。,2-4 光源的基本特性参数,对光源其它方面的要求 如灯丝的结构和形状； 发光面积的大小和构成； 灯泡玻壳的形状和均匀性； 以及光源发光率和空间分布等；,2-4 光源的基本特性参数,自然光源：太阳、月亮、地球、星体、天空和地球上的物体 特点：光源的辐射对于光电探测系统来说通常很不稳定，而且无法控制。 处理方法：直接测量、分析、统计。 星等：星的亮暗程度用地面所接收到的照度来衡量，具体表示为星等数字的大小（不一定是整数）。星等数字越大，对地面的照度越弱。各星等间每差五等，其照度差为100倍。 nm 比零等星更亮的星为负数。,自然光源,2-4 光源的基本特性参数,各自然辐射源的星等和地面的照度,2-4 光源的基本特性参数,光源亮度比较,单位：cd/m2,2-4 光源的基本特性参数,光源是一门专门技术学科，涉及光学、原子物理、电真空和色度学等多门知识，内容非常丰富。而且，随着光源技术的发展，可提供光电探测用的光源品种也日趋增多。 热辐射光源 气体放电光源 固体发光光源 激光器,2-5 光电技术中的光源,一、热辐射光源,热辐射光源三个特点： (1)它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制它们发光或辐射性质； (2) 发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，但紫外辐射和可见光辐射含量很少； (3)采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。 应用：热辐射光源除了用作照明或在各种光学和光电探测系统中充当一般光源外，还可用作光度或辐射度测量中的标准光源或标准辐射源(辐射定标)。其作用是完成计量工作中的光度或辐射度标准的传递。这在光学和光电检测中是必不可少的。,2-5 光电技术中的光源,1. 人造黑体辐射源,光谱范围：红外光区(0.75m2.5m或0.75m 6m),结构 辐射源：铜或不锈钢圆筒内有圆锥腔 绝缘层：石棉和硅酸盐水泥 加 热：电阻丝加热 温 度：温度计、自动控温仪 光 阑：黑体辐射输出,2-5 光电技术中的光源,2白炽灯,2-5 光电技术中的光源,白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年，美国的爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。 现代的钨丝白炽灯到1908年才由美国发明家库利奇试制成功。发光体是用金属钨拉制的灯丝，这种材料最可贵的特点是其熔点很高，即在高温下仍能保持固态。一只点亮的白炽灯的灯丝温度高达3000。正是由于炽热的灯丝产生了光辐射，才使电灯发出了明亮的光芒。 因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体，并在灯泡的玻璃表面上沉积，使灯泡变黑，所以白炽灯都被造成“大腹便便”的外型，这是为了使沉积下来的钨原子能在一个比较大的表面上弥散开。否则的话，灯泡在很短的时间内就会被熏黑了。由于灯丝在不断地被升华，所以会逐渐变细，直至最后断开，这时一只灯泡的寿命也就结束了。,2-5 光电技术中的光源,发射连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2。 灯丝的热电阻的阻值是其冷电阻阻值的1216倍，所以，在灯的启动瞬时有较大的电流。在选择熔断器或用白炽灯作半导体整流的负载时，应考虑这个瞬时电流。 电压与参数关系图 用于照明时浪费电能,2-5 光电技术中的光源,在所有用电的照明灯具中，白炽灯的效率是最低的，它所消耗的电能只有很小的部分，即1218可转化为光能，而其余部分都以热能的形式散失了。至于照明时间，这种电灯的使用寿命通常不会超过1000小时。 澳大利亚：2009年停止生产，最晚在2010年逐步禁止使用传统的白炽灯。 澳大利亚是世界上第一个计划全面禁止使用传统白炽灯的国家。 台湾：规划2010年开始执行白炽灯禁产政策，2012年全面禁产。 美国：2012年1月到2014年1月。 中国：预计10年内禁用（禁售）白炽灯，为加快推进节能减排，逐步淘汰白炽灯，加快推广节能灯，国家发改委日前与联合国开发计划署（UNDP）、全球环境基金（GEF）合作共同开展“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯”项目，支持研究编制中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯行动计划。,2-5 光电技术中的光源,二、气体放电光源,利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。 气体放电原理：密封在泡壳内的气体或金属气体在电场的作用下激励出电子和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射，这就是气体放电原理。 优点： 发光效率高，比同瓦数白炽灯高210倍，节能； 不用灯丝发光，具有牢固、结构紧凑优点； 寿命长，比白炽灯长210倍； 光色适应性强等特点。 因而有较强的竞争力，在光电技术和照明工程中得到广泛的应用。,2-5 光电技术中的光源,1. 汞灯,汞灯又称水银灯，是利用汞蒸气放电发光而制成的。按汞蒸气压的不同可分为低压、高压和超高压三种。,2-5 光电技术中的光源,（1）低压汞灯,管内气压为10-410-5大气压。 放电时主要辐射两条共振辐射线：253.7nm和185.0nm。共振辐射线是指原子从激发态跃迁到基态时所发出的辐射，即主要是汞元素原子的特征谱线。 应用：光谱仪的波长基准、紫外杀菌、光化学反应及荧光分析等。,2-5 光电技术中的光源,（2）高压汞灯,灯内的汞蒸气压约为15个大气压，由于在高气压时相邻原子接近，原子之间的相互作用增强，产生了谱线的压力加宽和多卜勒加宽，辐射的光谱中有很强的连续成份，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加。 高压汞灯的发光效率达64lm/W， 应用：照明、光学仪器、光化反应、紫外线理疗、荧光分析等方面。,2-5 光电技术中的光源,（3）超高压汞灯,灯内的汞蒸气体大于10200个大气压。随着汞蒸气压的提高，原子激发到高能级的几率增大，紫外辐射减弱，共振辐射几乎全部被吸，可见光谱线加宽。连续背景谱线明显加强，红外谱辐射增强。 球形超高压汞灯中的电极距离为毫米级，放电电弧集中在电极之间。因此电弧的亮度很高，常应用于光学仪器、荧光分析和光刻技术等方面。,2-5 光电技术中的光源,（4）日光灯（又称荧光灯） 日光灯管两端装有灯丝，玻璃管内壁涂有一层均匀的薄荧光粉，管内被抽成真空度10-3-10-4毫米汞柱后，充入微量的氩和稀薄的汞蒸气。汞蒸气电离导电产生紫外线而激发萤光粉发出柔和的可见光。 日光灯发光不含红外线，所以它的光是很温和的，不伤眼睛；因为不含有红外线，用起来比较省电； 日光灯会发出许多美丽有色的光。这就是由荧光粉里所含的化学药品的性质来定了，例如涂上钨酸镁的，发蓝白色光，涂上硼酸镉的发淡红色光。,2-5 光电技术中的光源,（5）节能灯,节能灯，又称为省电灯泡、电子灯泡、紧凑型荧光灯及一体式荧光灯，是指将荧光灯与镇流器（安定器）组合成一个整体的照明设备。节能灯的尺寸与白炽灯相近，与灯座的接口也和白炽灯相同，所以可以直接替换白炽灯。节能灯的光效比白炽灯高得多，同样照明条件下，前者所消耗的电能要少得多，所以被称为节能灯。,2-5 光电技术中的光源,2. 氙灯,氙灯惰性气体氙在两个钨电极之间的高压电孤放电从而发出强光的光源。 高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近，色温为6000K左有，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。,2-5 光电技术中的光源,氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种,2-5 光电技术中的光源,当氙灯的电极间距为1.5300cm时称为长弧氙灯，细管形，工作气压为1个大气压，发光效率为2530lm/w。 当氙灯的电极间距缩短到毫米数量级时称为短弧氙灯，灯内的氙气气压约为1020个大气压。该灯的电弧亮度很高，其阴极点的最大亮度可达几十万坎德拉每平方厘米，电弧的亮度在阴极和阳极距离上分布是很不均匀的。短弧氙灯常用于电影放映、荧光分光光度计及模拟等场合。 脉冲氙灯的发光是不连续的，可以在瞬时(1091012s)获得除激光以外最强的光通和亮度。它用高压电脉冲激发产生光脉冲。脉冲氙灯广泛用作固体激光器的光泵、高速摄影、航空照相、频闪观察仪器、光学仪器、激光武器等方面。,2-5 光电技术中的光源,3空心阴极灯,空心阴极灯(也叫原子光谱灯)是属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。 结构：其阴极由金属元素或其他合金制成空心圆柱型，圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。 原理：被溅散出来的阴极金属原子蒸汽，在空心阴极灯中被激发，辐射出该金属的原子特征谱线。 优点：辐射出的金属原子谱线很窄，强度很大，稳定性好。 应用：用作对微量金属元素吸收光谱定性或定量分析的光源，以及用于光谱仪器波长定标上。,2-5 光电技术中的光源,4. 氘灯,工作原理：加热灯丝，产生电子发射，当阳极加高压后，氘( )原子在灯内受高速电子碰撞而激发，从阳极小圆孔中辐射出连续的紫外光谱(185500nm)。 优点：氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长。 应用：各种紫外分光光度计的连续紫外光源。,2-5 光电技术中的光源,三、固体发光光源,固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象叫场致发光，也称为电致发光。 目前常见的场致发光有三种形态，即粉末、薄膜和结型。 II一VI族化合物半导体是实际唯一的粉末和薄膜场致发光材料 III一V族发光材料在发光二极管方面有广泛应用。,2-5 光电技术中的光源,1粉末场致发光光源,按激发方式不同，场致发光光源有交流电场激发和直流电场激发两种。 (1)交流粉末场致发光光源 该器件的发光材料(通常为ZnS:Cu)悬浮在介电系数很高、透明而又绝缘的胶合介质中，并被两电极所挟持。 两电极之间通常没有一条完整的导电支路，所以不能用直流激励。当在两电极间加上交变电场时，粉末就会产生场致发光。,1-玻璃基板；2透明导电膜；3发光材料；4反射层；5背电极；6防潮树脂；7防潮盖板,2-5 光电技术中的光源,优点与缺点,与其它光源相比,它有独特的优点： (1)固体化、平板化，占地小，易于安装； (2)面积、形状几乎不受限制，因而可以通过光刻、金属电极掩蔽镀膜等方法制成任意发光图形； (3)无红外辐射冷光源，因而隐蔽件好，对周围环境没有影响； (4)视角大，光线柔和，易于观察； (5)寿命长，功耗低，发光易于电控。 缺点：亮度较低、驱动电压高、老化快等。,2-5 光电技术中的光源,(2)直流粉末场致发光光源,直流粉末场致发光光源的结构与交流情况类似，但其发光材料的涂层是导电的CuxS，而不是大量分布在中间的绝缘胶合介质。 正常使用之前，需在两电极上施加短暂的高压脉冲，使铜离子从紧挨着阳极的发光体表面上失落。,失落铜离子的表面,ZnSCu，Mn CuxS涂层,阴极,透明阳极,2-5 光电技术中的光源,应用： (1)特殊照明：仪表表盘、飞机座舱、坑道等； (2)数字、符号显示：可以做成大型的数字钟、电子称等显示； (3)模拟显示。如显示生产工艺流程和大型设备的工作状态，各种应急系统标志显示等； (4)矩阵显示，又叫交叉电极场致发光显示。主要用于雷达、航迹显示及电视等； (5)像转换及像增强器。把场致发光屏与光导材料联合使用，可以做成显像器件等等。,2-5 光电技术中的光源,2薄膜场致发光光源,将固体发光材料制成薄膜的形式，在电场的作用下出现的发光现象，称为薄膜场致发光。 优点：薄膜场致发光可以有很高的分辨率，成像质量高，显示对比度好。可制成各种形状，视角大，光线柔和，制备工艺简单，造价便宜等。 应用：在显示和显像方面是很有前途的发光器件。,2-5 光电技术中的光源,3发光二极管(LED, Light Emitting Diode ),发光二极管是少数载流子在pn结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。 加正向偏压时，在外电场作用下，在pn结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来。,2-5 光电技术中的光源,优点、缺点、应用,优点： (1) 属于低电压(12v)、小电流(每个发光单元只需10mA）器件，在室温下即可得到高亮度(一般3000cdm2以上)； (2) 发光响应速度快（107109秒)； (3) 性能稳定，寿命长(一般105小时以上)； (4) 易于和集成电路匹配，且驱动简单； (5) 与普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米； (6) 体积小、耐冲击。 缺点： 功率较小(W，mW)、 光色有限，较难获得短波发光(如紫外、蓝色)，且发光效率低 应用：作为仪表指示器和小型超小型文字、数字显示器等方面。随着大功率和多功能器件的发展，其应用范围将日益扩大。,2-5 光电技术中的光源,自从高亮度白光LED问世后，由于它具有发光效率高节电效果好，并且无污染、寿命的特点，在照明应用上受到各的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着，取得了一些成果。 LED灯的应用是一个综合技术的应用，它涉及到LED、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。但目前关键技术瓶颈还是LED的发光效率不够高、生产成本不够低。LED灯进入千家万户是LED发展的必然趋势。,2-5 光电技术中的光源,四、激光器,1激光器的工作原理 组成：工作物质、谐振腔和泵浦源 常用的泵浦源是辐射源或电源。利用泵浦源能将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数，构成粒子数的反转分布，这是产生激光的必要条件。处于这一状态的原子或分子称为受激原子或分子。 当高能态粒子跃迁到低能态而产生辐射后，它通过受激原子时会感应出同相位同频率的辐射。这些辐射波沿由两平面构成的谐振腔来回传播时，沿轴线的来回反射次数最多，它会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大，这样，受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。,2-5 光电技术中的光源,2. 激光器的类型,按工作物质分类，激光器可分为气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等。 (1)气体激光器 气体激光器采用的工作物质很多，激励方式多样，发射波长也最广。这里主要介绍氦氖激光器，氩离子激光器和二氧化碳激光器。,2-5 光电技术中的光源,a. 氦氖激光器,氦氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器，在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质，用高反射比的多层介质膜反射镜作为谐振腔，则可获得激光输出，输出的波长为632.8nm、1.15m、3.39m。 主要用于精密计量、全息术、准直测量等。,2-5 光电技术中的光源,b. 氩离子激光器,氩离子激光器的工作物质是氩气，在低气压大电流下工作。 连续的氩离子激光器在大电流的条件下运转，放电管需承受高温和离子的轰击，因此小功率放电管常用耐高温的熔石英做成，大功率放电常用高导热系数的石墨或BeO陶瓷做成。 放电管外部通常用水冷却，降低工作温度。 输出的谱线属于离子光谱线，主要输出波长有452.9nm、476.5nm、496.5nm、488.0nm、514.5nm，其中488.0nm和514.5nm二条谱线为最强，约占总输出功率的80。,2-5 光电技术中的光源,c. 二氧化碳激光器,二氧化碳激光器的工作物质主要是二氧化碳，掺入少量N2和He等气体，是典型的分子气体激光器。 激光输出谱线波长分布在911m的红外区域，典型的波长为10.6m。 二氧化碳激光器的激励方式通常有低气压纵向连续激励和横向激励两种。 应用：金属材料的切割、热处理、宝石加工和手术治疗等方面。,2-5 光电技术中的光源,(2)固体激光器,工作物质是具有特殊能力的高质量的光学破璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。 红宝石激光器是发现最早、用途最广的晶体激光器。,工作原理：圆拄形的红宝石棒的两个端面研磨后再抛光，使两个端面相互平行，构成两面反射镜。与红宝石棒平行的是作为激励源的脉冲氙灯。脉冲氙灯的瞬时强烈闪光会聚到红宝石棒上，红宝石激光器便输出波长为694.3nm的脉冲红色激光。 激光器的工作是单次脉冲式。脉冲宽度为几毫秒量级。输出能量可达1100焦耳。,2-5 光电技术中的光源,(3)染料激光器,染料激光器以染料为工作物质。染料溶解于某种有机溶液中，在特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。某些染料，当在脉冲氙灯或其它激光的强光照射下，可成为具有放大特性的激活介质，用染料激活介质做成的激光器。 在其谐振腔内放入色散元件，通过调谐色散元件的色散范围，可获得不同的输出波长，称为可调谐染料激光器。 染料激光器有连续和脉冲两种工作方式。连续方式输出稳定，线宽小，功率大于1W。脉冲方式的输出功率高，脉冲输出能量可达120mJ。,半反镜,高反镜,激励光,激光,染料,2-5 光电技术中的光源,(4)半导体激光器,半导体激光器的工作物质是半导体材料。它的原理与发光二极管相似。pn结就是激活介质。 砷化镓同质结半导体激光器的结构如下左，两个与结平面垂直的晶体解理面构成了谐振腔。pn结通常用扩散法或液相外延法制成。当pn结正向注入电流时，则可激发激光。 半导体激光器光输出与电流特性曲线如下右，其中受激发射曲线与电流轴的交点就是该激光器的阈值电流，它表示半导体激光器产生激光输出所需的最小注入电流。,2-5 光电技术中的光源,根据材料及结构的不同，目前半导体激光器的波长为0.33m44m。 优点：半导体激光器体积小、重量轻、效率高，寿命超过一万小时。 应用：光通信、光学测量、自动控制等方面，是最有前途的辐射源之一。 缺点：输出像散光束，发散角大，垂直于结方向1230o，平行于结方向28o。,2-5 光电技术中的光源,既然光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么该光束就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。 需要指出的是，由于光电探测器仅响应于光功率(辐射通量)，所以各种光波参数的调制最终均需转化为光功率的变化。,要用光束作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到光束上去的问题。这种将信息加载于光束上的过程称为光调制，完成这一过程的装置称为光调制器，光束称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。,光波的电场强度可以表示为：,2-6 光辐射调制概述,光辐射调制定义：改变光波振幅、强度、相位、频率或偏振等参数，使之携带信息的过程。,目的：对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式的变换、使之便于处理、传输和检测。,2-6 光辐射调制概述,光调制的分类：内调制、外调制,内调制：将待传输信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制。 实例：半导体激光器电源 激光器谐振腔,外调制：在光源外的光路上放置调制器，将待传输信号加载于调制器上，来实现调制。,解调：从已调制信号中恢复原始信号的过程，调制的逆过程。,2-6 光辐射调制概述,调制的作用：使光信号携带信息、抑制背景干扰、抑制系统固有噪声和外部电磁干扰。,光辐射调制的基本原理,调制的形式：模拟调制、脉冲调制、数字调制。,模拟调制：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振（载波是模拟信号）。 特点：信息信号的幅度与波参数的幅度之间一一对应。 模拟调制形式：调幅（AM）、调频（FM）、调相 （PM）。,2-6 光辐射调制概述,模拟调制的原理,强度调制：,振幅调制：,频率调制：,2-6 光辐射调制概述,脉冲调制,载波：对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，用脉冲序列作载波（载波是脉冲序列） 。 方法：脉冲的幅度、宽度、频率或位置随信息信号的幅度变化。 分类：脉冲调幅（PAM）、脉冲调宽（PWM）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（PPM）。,2-6 光辐射调制概述,脉冲调制,脉冲幅度调制,脉冲宽度调制,脉冲频率调制,脉冲位置调制,2-6 光辐射调制概述,数字调制,方式：把信息以编码形式转变位脉冲序列 特点：脉冲在时间上固定，幅度被量化 优点：,效率高、失真小； 抑制噪声能力强、精度高； 系统易于实现。,2-6 光辐射调制概述,调制盘是光强度调制器的一种。,调制盘,制作方法：光刻（精密） 表面刻划（粗线条）,作用：把恒定的光辐射通量变成周期性重复的光辐射通量。,2-6 光辐射调制概述,调制盘的光刻制作方法,2-6 光辐射调制概述,调制盘的扫描方式： 旋转式调制盘绕光轴转动 圆锥扫描式调制盘不动，光学系统像点作圆周运动 圆周平移式调制盘绕光轴作圆周平移扫描,光点扫描式调幅调制盘,旋转调频调制盘,2-6 光辐射调制概述,莫尔（Moire）一词在法文中的原意是表示水波纹或波状花纹。当薄的两层丝绸重叠在一起并作相对运动时，则形成一种漂动的水波型花纹，当时就将这种有趣的图案叫做莫尔条纹。 任何两组（或多组）有一定排列规律的几何线族的叠合，均能产生按新规律分布的莫尔条纹图案。 1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔条纹作为一种测量手段，根据条纹形态来评价光栅尺各线纹间的间隔均匀性，从而开创了莫尔测试技术。随着光刻技术和光电子技术水平的提高，莫尔技术获得较快发展，在位移测试、数字控制、伺服跟踪、运动比较等方面有广泛的应用。 莫尔条纹现象已成为一种精确的检测手段，应用于光电测量技术中。 在莫尔测试技术中，通常利用两块光栅（称做光栅付）或光栅的两个像的重叠产生莫尔条纹，以获取各种被测量的信息。,莫尔条纹,2-6 光辐射调制概述,播放中,1. 圆弧莫尔条纹,单击准备演示,播放动画,莫尔条纹举例,2-6 光辐射调制概述,2. 光闸莫尔条纹,播放动画,播放中,莫尔条纹举例,2-6 光辐射调制概述,单击准备演示,3. 辐射形莫尔条纹,播放动画,莫尔条纹举例,2-6 光辐射调制概述,4. 长光栅莫尔条纹,播放动画,莫尔条纹举例,2-6 光辐射调制概述,5. 长光栅光闸莫尔条纹,播放动画,莫尔条纹举例,2-6 光辐射调制概述,莫尔条纹的调制作用,从上面的例子可以看到： 在光栅后的某一点的光通量随光栅的移动作明暗交替变化，即莫尔条纹把光栅位移信息转换成光强度变化的信号，从而实现了对光辐射的调制。,2-6 光辐射调制概述,P 计量光栅精密测量中的测量元件 P 衍射光栅光谱仪器中的分光元件 P 亚波长光栅增透、偏振元件 按制作方法分类：刻划光栅、复制光栅 材料：玻璃光栅、金属光栅 表面结构：黑白光栅、相位光栅,计量光栅,2-6 光辐射调制概述,2-6 光辐射调制概述,2-6 光辐射调制概述,2-6 光辐射调制概述,复制技术,基底,压模,印章,紫外光,复制元件,曝光,印章,复制元件,分离,印章,基底,印章,SURPHEXTM,（a）,（d）,（c）,（b）,干性光聚合物紫外成型压模技术,2-6 光辐射调制概述,计量光栅莫尔条纹的形式,横向莫尔条纹：P1P2 ，夹角较小 纵向莫尔条纹：P1P2 ，P1与P2接近， 0 斜向莫尔条纹：P1P2 ，P1与P2接近， 0,2-6 光辐射调制概述,莫尔条纹的几何特征,条纹宽度 （一般很小） 光栅移动P，条纹移动B， PB， 莫尔条纹具有放大作用， 放大倍数,2-6 光辐射调制概述,莫尔条纹的测量,莫尔条纹的移动量： N： 移动过检测点的莫