光度学基础与光源.ppt

1,波长：380780nm,光波（波长：10nm1mm；频率：310111016Hz）,一、物理光学基础,光电器件敏感波长,1.电磁波谱：,2,光谱-光波频段的电磁波谱,紫外可见光红外,可见光谱,X射线（X光）：10100nm,3,波动性,粒子性,-干涉、衍射、偏振,-光电效应（物质相互作用）,光由光子组成，每个光子能量：,h-普朗克常数（6.62610-34Js）;-光的振动频率（s-1）c-光速（真空中,3108ms-1）；-光波波长（真空中，m）,-仅与光的频率有关,2.光的波粒二象性：,电磁波方式传播的粒子,next,4,二、光度的基本物理量,光度学量-电磁辐射能引起人眼刺激大小的度量类似于辐射度量（电磁辐射）,1.光谱光视效率-人眼对光的视觉效率,-可见光波段,物体,晶状体镜头；视网膜像敏面；,远物体晶状体扁平屈光能力小距离大（最大17mm)近物体晶状体厚屈光能力大距离小（最小14mm),5,视网膜-感官细胞,杆状细胞-光灵敏度高，感受微弱光刺激;,锥状细胞-光灵敏度低，能很好区别颜色和辨别细节,视觉神经-不同波长光的感光灵敏度不一样（绿光-最灵敏；红、蓝-灵敏度最低）,光谱光视效率（视见函数）-人眼对各种波长光的相对灵敏度,国际照明委员会（CIE）,10-3cd/m2,明视觉,暗视觉,6,明视情况:敏感波长:380780nm峰值波长-555nm;,暗视情况：敏感波长:330730nm峰值波长-507nm;,return,7,1)光量（光谱光能Qv）,-光的能量（与辐射能Qe相对应）,单位：流明秒（lms）,-光通量对时间的积分,焦耳（J）,2.光度基本物理量,return,8,2)光通量（v）,-光功率（与辐射通量e对应）,单位流明（lm）,瓦（W）,光通量与辐射通量之间的关系,视见函数,Km-光功当量（人眼在明视条件下，波长555nm时，光辐射产生的光感觉效能）=680lm/W（理论计算值）,光通量与发光强度之间的关系,-发光强度为Iv的光源在一定立体角内的辐射通量。,所有方向上的发光强度相同时，,立体角内的光通量,-所有方向的光通量,9,-点辐射源在给定方向的单位立体角内辐射的光通量,3）光强度（Iv）,1坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内发出1流明的光通量。,单位：坎德拉（lmsr-1=candla=cd）,-光度量中最基本的单位，国际单位制中七个基本单位之一,10,4）光亮度（Lv）,-光强度dIv与面元dS在垂直于发光强度方向平面上的投影面积之比,光源上某点处的面元,dS在给定方向的光强度,单位：cdm-2或者lm/srm2,11,12,5）出射度（Mv）,-单位面积光源所辐射的光通量,单位：lmm-2,小结-光源向外发射光的特征参量（5个）：,13,6）照度（Ev）,-投射到单位面积上的光通量,单位：勒克斯（lx=lmm-2）,-接受光的面元上单位面积被辐射的光通量,7）曝光量（Hv）,-照度对时间的积分,-单位：lxs,光度参量-与辐射波长有关,白炽灯,14,三、光电测试系统常用光源,在给定的波长范围内，某光源发出的光通量v与产生该光通量所需的功率P之比,1）发光效率,1、光源的基本参数,12为该光电测量系统的光谱范围,应用：采用发光效率高的光源以节省能源,15,2）光谱功率分布,光源输出的功率与光谱（光的波长）有关,典型分布,线状光谱,低压汞灯,带状光谱,高压汞灯,连续光谱,白炽灯、卤素灯,复合光谱,荧光灯,16,激光光谱能量分布,17,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,目视瞄准-绿光光源（减轻人眼的疲劳）,彩色摄影-白炽灯、卤素灯、自然光,紫外、红外测量-紫外灯（氙灯、紫外汞灯）、红外灯,尺寸检测-单色光（红、绿、蓝）,干涉测量-稳频激光光源,18,光源发光各向异性-发光强度在各个方向不同,3）空间光强分布特性,发光强度曲线（配光曲线）-在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线,选择发光强度高的方向作为照明方向-提高光的利用率,利用反光罩（焦点位于光源的发光中心）-充分利用其他方向的光,19,1）热辐射光源,物体温度大于绝对零度-向外辐射能量-光子-光,（1）太阳光,阳光-太阳向地球辐射热（复色光）,-很好的平行光源,照度值在不同光谱区所占的百分比：,紫外光-6.46%;可见光-46.25%红外光-47.29%,2、光电测量中常用光源,20,-灯泡中的钨丝被加热而发光-连续光谱,（2）白炽灯,充气灯泡-灯泡内充氩、氮等惰性气体工作温度提高到27003000K，发光效率17lm/W,真空钨丝灯-玻璃灯泡抽成真空，钨丝加热到23002800K-复色光（发光效率10lm/W）,卤素灯-灯泡内充有卤族元素工作温度达30003200K，发光效率30lm/W,电压-灯丝长度；电流-灯丝直径,100W钨灯-光通量大约200lm,灯丝形状-发光强度的方向性,21,2）气体放电光源,-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）充入灯中,气体放电电源的特点：,发光效率高，比白炽灯高210倍，可节省能源；结构紧凑，耐震、耐冲击；寿命长，大约是白炽灯的210倍；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（589nm），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。,22,3）半导体发光器件,在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件,-注入式场致发光光源（LED-Light-EmittingDiode）,冷光源,发展：20世纪60年代末,特点：低电压(1-2V)、低能耗(小电流10mA)、高亮度(3000cd/m2)、小尺寸、寿命长(105h)、响应快(10-710-9s)、单色性好(半宽几十nm)、成本低,发光器件：发光强度、方向性,显示器件：点亮,23,面光源-专用,线光源,点光源,24,（1）LED工作原理,二极管（半导体材料）,P区空穴与N区电子不能自然复合（受半导体P-N结阻挡层的限制）,N区电子越过P-N结进入P区，与P区空穴相复合,高能电子与空穴复合-释放能量,场致激发使载流子由低能级跃迁到高能级,高能级电子（不稳定）,低能级（稳定）,-半导体发光,25,原理图,外观图,符号,26,颜色-辐射光波长-半导体材料的禁带宽度Eg,-材料（搀杂）,不同材料发光二极管性能,其中：1ev=1.610-19J,27,（2）LED驱动电路,工作过程中电流不能超过极限值,限流电阻：,-产品参数表中查到,电源电压,亮度电流,（GaAs-20mA;GaP-10mA）,UF-管子正向电压;IF-管子正向电流;,28,（3）LED主要参数,半导体发光二极管-半导体器件、发光器件,工作参数-电学参数、光学参数,电学参数-工作电流、正向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等,-光电器件手册中查到,光学参数-辐射波长、光谱特性、发光亮度、光强分布等,29,伏安特性,正向电压较小不发光-正向死区,-与普通半导体二极管相同,开启电压：GaAs-1VGaAsP-1.5VGaP（红）-1.8VGaP（绿）-2V,大量发光区,电压：1.53V,加反向电压时不发光-反向饱和电流,反向击穿电压：520V左右,-工作电压,30,光谱特性,-不是纯单色光（谱线比激光宽、比复色光源窄）,峰值波长700nm左右，半宽度约100nm；,GaAs-谱线宽度25nm（单色光）,P-N结温度上升-峰值波长向长波方向漂移（正温度系数）,31,发光亮度特性,-正比于电流密度,电流密度增加-发光亮度趋于饱和,脉冲驱动方式-更高的亮度（平均电流与直流相等）,32,温度特性,-对P-N结复合电流有影响,P-N结温度升高到一定程度-电流变小-发光亮度减弱,33,配光曲线,-光强分布曲线,与LED的结构、封装方式以及发光二极管前端装的透镜有关,很强的指向性,发光角-80之间,34,电学参数-保证LED正常发光和提高寿命及正确使用,功耗：PF=UFIF,开启电压和工作电压-伏安特性,PFM-最大功耗,其中UF是工作电压，而IF是工作电流。,20时的PFM-额定功耗,工作电流-根据PFM确定,通常IF=0.6IFM,35,动态参数：响应时间（开启与熄灭的时间延迟）,下降时间（tF）,开启时间（tr）,响应时间很短-动态场合（10100MHz）,寿命长-105h以上（电流密度1A/cm2）,电流密度大-发光亮度高-寿命很快缩短,正常使用-白炽灯泡的30倍；间歇使用-30年,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,高亮度LED-汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等（节约能源）,（410ns）,（4几十ns）,36,4）激光光源,-受激发射光,单色性好、相干能力强-相干光源,激光是原子（分子）系统在受激辐射放大过程中，产生的一种具有高亮度、高方向性、高强度、好的单色性（相干性）的光。“激光”-“LASER”(LightAmplificationbyStimulatadEmissionofRadiation)-“受激发射的辐射光放大”。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光，是一种崭新的光源，是由激光器产生的一种光。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。,能激发出激光并能实现激光的持续发射的器件-激光器,（1）激光器的组成：,三大要素-激光工作物质、激励能源、光学谐振腔,37,固体激光器,辐射能量大（比气体激光器高出三个数量级）,输出波长范围宽-紫外到红外,可以输出脉冲光、重复脉冲光和连续光,常用于打孔、焊接、测距、雷达等,-光泵激励形成受激辐射,工作物质为固体，如红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等,红宝石激光器-发现最早、用途最广的固体激光器粉红色的红宝石是掺有0.05铬离子(Cr3+)的氧化铝(Al2O3)单晶体。,38,两个端面：研磨后再抛光，使两个端面相互平行，并垂直于棒的轴线，再镀以多层介质膜，构成两面反射镜。,圆柱形,外表面：粗磨（可吸收激励光）,脉冲氙灯的瞬时强烈闪光，借助于聚光镜腔体会聚到红宝石棒上，这样红宝石激光器就输出波长为694.3nm的脉冲红光,输出窗口：部分反射镜(反射比约0.9),高反射比镜面,激励源（与红宝石棒平行）-分别位于内表镀铝的椭圆柱体谐振腔的两个焦点上,39,气体激光器,半导体激光器,He-Ne激光器-光电测量中应用最多(单色性和方向性好),CO2激光器-输出功率大、能量转换效率高、输出波长为10.6m的红外光，用于激光加工、医疗、大气通信和军事,体积小、效率高、寿命长、携带与使用方便,可以直接进行电流调制而获得高内调制输出,用于光电测量、激光打印、光存储、光通信、光雷达等,-工作物质为He-Ne、CO2、Ar+等,-工作物质为GaAs、GaSe、CaS、PbS等,40,He-Ne气体激光器,单色性好，方向性好，输出功率、频率稳定,-应用最广泛,激励能源：千伏高压,谐振腔,氦、氖气体,阴极,反射镜,反射镜,布儒斯特窗,阳极（钨棒或钼筒）,（金属圆筒）,谐振腔,偏振态,41,作用：,*产生与维持光的振荡，使光得到加强。*使激光有极好的方向性。*使激光单色性好。总之，具有对光放大实行选择、控制、增强的作用。,谐振腔,42,广泛应用于测量、对准、通讯、全息及医学等多个领域。,工作方式：连续激励,输出波长：632.8nm、1.5m、3.39m,Ne原子-产生激光谱线；He原子-共振转移能量，对激光器的输出功率影响很大,43,半导体激光器,用半导体材料（ZnS、GaAs、PbS、GaSe等）制成的面结型二极管,激活物质-半导体材料,（LD）,谐振腔-在半导体的二个端面精细加工磨成解理面构成,激励源-给半导体施以正向外加电场，产生电激励,外部电场作用下-半导体的P-N结中n区多数载流子（电子）向p区运动，而p区的多数载流子（空穴）向n区运动,高能电子与空穴相遇产生复合，同时可将多余的能量以光的形式放出来,解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射输出激光,工作原理：,44,输出功率-几mW到数百mW（脉冲输出可达数W）,输出的波长-紫外到红外均可发光（与工作物质材料有关）,单色性-比He-Ne激光大104倍左