光机电测控技术基础光电技术基础PPT课件

1、2021-11-29u牛顿微粒说u根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释u不能解释较为复杂(fz)的光现象：干涉、衍射和偏振u波动理论u惠更斯、杨氏和费涅耳等u解释光的干涉和衍射现象u麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波2-1 光的基本概念第1页/共108页第一页，共109页。2021-11-29u光量子说u1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论u1905年，爱因斯坦在解释光电发射(fsh)现象时提出光量子的概念u光子的能量与光的频率成正比u光具有波粒二象性2-1 光的基本概念第2页/共108页第二页，共109页。2-1 光的基本概念第3页/共108页第三页，共109页。辐射度学量：

2、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(fngf)。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 光辐射第4页/共108页第四页，共109页。2021-11-29辐射(fsh)度学量u辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射(fsh)、传播或接受的能量。单位：焦耳Ju辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射(fsh)、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变

3、化率。单位：瓦W。u e=d Qe/dtu辐射是一种能量形式，既有电磁性质，又有量子(lingz)性质。辐射伴随着能量的转移。2-2 光辐射第5页/共108页第五页，共109页。u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），u Iededu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(min j)内发出的辐射通量。单位为Wsrm2（瓦每球面度平方米）cos),(2dSddLee2-2 光辐射第6页/共108页第六页，共109页。u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)。udA

4、是投射辐射通量de的面积元。u辐射出射度Me： 扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即dedS，ude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)。u Ee和Me的单位相同，其区别在于： Ee是描述(mio sh)辐射接收面所接收的辐射特性，而Me则为描述(mio sh)扩展辐射源向外发射的辐射特性。2-2 光辐射第7页/共108页第七页，共109页。q 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。q q 光谱辐射通量 e（）：辐射源发出的光在波长处的单位(dnwi)波长间隔内的辐

5、射通量。也叫辐射通量的光谱密度。q 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(wi m)，或Wnm(瓦每纳米)。ddee)(2-2 光辐射第8页/共108页第八页，共109页。u光谱光视效率：u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；u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。u视见函数（“标准光度(gungd)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 光辐射第9页/共108页第九页，共109页。0V ()V ()光谱

6、(gungp)光视效率0.20.40.60.81.02-2 光辐射第10页/共108页第十页，共109页。q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(xinzh)，不是客观的物理学描述方法；q只在可见光波段有意义；q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 光辐射第11页/共108页第十一页，共109页。辐射度量辐射度量 符号符号 单位单位 光度量光度量 符号符号 单位单位 辐射能辐射能 Qe J 光能光能 QV lms 辐射通量辐射通量e W光通量光通量 V lm 辐射照度辐射照度 Ee Wm-2 光照度光照度 EV lx=lmm-2 辐射出度

7、辐射出度Me Wm-2 光出射度光出射度MV lx辐射强度辐射强度Ie Wsr-1 发光强度发光强度IV cd=lmsr-1 辐射亮度辐射亮度 Le Wm-2 sr-1 光亮度光亮度LVcdm-2 2-2 光辐射第12页/共108页第十二页，共109页。 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(pnl)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

8、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。2-2 光辐射第13页/共108页第十三页，共109页。 光度量(dling)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 / W780 380 d)()(VXKXemV辐射度学量光度学2-2 光辐射第14页/共108页第十四页，共109页。 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

9、能所得到的热量恰好(qiho)(qiho)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 热辐射第15页/共108页第十五页，共109页。q适用于红外波段q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）。q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(chx)稳定地发射电磁波。2-3 热辐射第16页/共108页第十六页，共109页。2-3 热辐射第17页/共108页第十七页，共109页。 光源(gungyun)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

10、离不开一定型式的光源(gungyun)。 在光电系统中，光源(gungyun)往往起着关键的作用，正确选择光源(gungyun)，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(txng)参数第18页/共108页第十八页，共109页。辐射效率与发光(f un)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：PPeee21d)(PVKPemVV760380d)()(2-4 光源的基本特性参数第19页/共108页第十九页，共109页。2-4 光源的基本特性(txng)参数第20页/共

11、108页第二十页，共109页。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(fnb)来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布(fnb)进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布(fnb)称为相对光谱功率分布(fnb)。 2-4 光源的基本特性参数第21页/共108页第二十一页，共109页。光谱功率(gngl)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(sci)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。

12、 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(gungyun)的基本特性参数第22页/共108页第二十二页，共109页。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(qxin)：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(qxin)，即配光曲线(qxin)。0o0o30o6 0o9 0o-30o-60o-90o-120o120o150o180o-150o2-4 光源的基本特性参数第23页/共108页第二十三页，共109页。描述光源的辐射特性黑体的温度决定

13、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(n me)(n me)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。2-4 光源的基本特性(txng)参数第24页/共108

14、页第二十四页，共109页。 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(chnshng)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(gungyun)的基本特性参数第25页/共108页第二十五页，共10

15、9页。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(mnz)(mnz)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。WW为光源光辐射通量的相对值；SS为在光电探测器灵敏度的相对值。0021dWdSWAA2-4 光源的基本特性(txng)参数第26页/共108页第二十六页，共109页。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(zhn

16、gqu)(zhngqu)的估计，并按估计来选择光源。2-4 光源的基本特性(txng)参数第27页/共108页第二十七页，共109页。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(nggu)(nggu)，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(gungyun)的基本特性参数第28页/共108页第二十八页，共109页。对光源其它方面的要求如灯丝的结构和形状(xngzhun)(xngzhun)；发光面积的大小和构

17、成；灯泡玻壳的形状(xngzhun)(xngzhun)和均匀性；以及光源发光率和空间分布等；2-4 光源的基本(jbn)特性参数第29页/共108页第二十九页，共109页。 自然光源(gungyun)：太阳、月亮、地球、星体、天空和地球上的物体 特点：光源(gungyun)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。mnnmEE512. 2自然(zrn)光源2-

18、4 光源的基本(jbn)特性参数第30页/共108页第三十页，共109页。各自然(zrn)辐射源的星等和地面的照度辐射源辐射源星等星等对地面的照度（对地面的照度（lx）太阳太阳-26.731.30105点光源（点光源（1cd距距1m处）处）-13.91.00满月满月-12.52.6710-1金星（最亮时）金星（最亮时）-4.31.3910-4天狼星天狼星-1.429.810-6零等星零等星02.6510-6一等星一等星11.0510-6六等星六等星61.0510-82-4 光源的基本特性(txng)参数第31页/共108页第三十一页，共109页。光源亮度(lingd)(lingd)比较太阳太阳

19、(大气外测定大气外测定)1.9109低压汞灯低压汞灯23104碘钨灯碘钨灯5107太阳太阳(海平面测定海平面测定)1.6109钠光灯钠光灯12105碳弧灯碳弧灯1.8108月月 亮亮2.510350W钨丝灯钨丝灯4.08106超高压汞灯超高压汞灯108 109天空天空(夏天平均夏天平均)5103200W充气钨充气钨丝灯丝灯1.33107超高压氙灯超高压氙灯1010天空天空(秋天平均秋天平均)31032500K黑体黑体5.3106球形脉冲氙球形脉冲氙灯灯1011氖氖 灯灯110310000K黑体黑体1.121010乙炔焰乙炔焰8104气体、固体激光器气体、固体激光器(W/m2 sr)105101

20、0调调Q激光器激光器(W/m2 sr)10141017单位(dnwi)：cd/m22-4 光源(gungyun)的基本特性参数第32页/共108页第三十二页，共109页。 光源是一门专门技术学科，涉及(shj)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(jsh)中的光源第33页/共108页第三十三页，共109页。 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

21、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(shdng)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(jsh)中的光源第34页/共108页第三十四页，共109页。结构辐射(fsh)(fsh)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(fsh)(fs

22、h)输出2-5 光电技术中的光源第35页/共108页第三十五页，共109页。2-5 光电技术(jsh)中的光源第36页/共108页第三十六页，共109页。 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18791879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(jigu)(jigu)、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19081908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30003000。正是由于炽

23、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(jsh)中的光源第37页/共108页第三十七页，共109页。 发射连续光谱(lin x un p)，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

24、，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(jsh)中的光源第38页/共108页第三十八页，共109页。 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12121818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10001000小时。 澳大利亚：20092009年停止生产，最晚在20102010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20102010年开始

25、执行白炽灯禁产政策，20122012年全面禁产。 美国：20122012年1 1月到20142014年1 1月。 中国：预计1010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（UNDPUNDP）、全球环境基金（GEFGEF）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(zhch)(zhch)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(jsh)中的光源第39页/共108页第三十九页，共109页。 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

26、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(gungfn)的应用。2-5 光电技术(jsh)中的光源第40页/共108页第四十页，共109页。 汞灯又称水银灯，是利用(lyng)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

27、和超高压三种。2-5 光电技术(jsh)中的光源第41页/共108页第四十一页，共109页。 管内气压为10-410-5大气压。 放电时主要辐射两条共振(gngzhn)辐射线：253.7nm和185.0nm。共振(gngzhn)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(jsh)中的光源第42页/共108页第四十二页，共109页。 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(linx)

28、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(jsh)中的光源第43页/共108页第四十三页，共109页。 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(dinj)距离为毫米级，放电电弧集中在电极(dinj)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(jsh)中的光源第44页/共108页第

29、四十四页，共109页。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(bjio)(bjio)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(jsh)中的光源第45页/共108页第四十五页，共109页。 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(dn zu)(dn zu)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

30、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(jsh)中的光源第46页/共108页第四十六页，共109页。 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6000K6000K左有，显色指数9090以上，因此(ync)(ync)有“小太阳”之称。2-5 光电技术(jsh)中的光源第47页/共108页第四十七页，共109页。2-5 光电技术(jsh)中的光源第48页/共108页第四十八页，共109页。 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

31、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(ywi)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(jsh)中的光源第49页/共108页第四十九页，共109页。 空心阴极灯( (也叫原子光

32、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(yudin)(yudin)：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(jsh)中的光源第50页/共108页第五十页，共109页。 工作原理：加热灯丝，产生电子发射，当阳极加高压(goy)(goy)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

33、射出连续的紫外光谱(185(185500nm)500nm)。 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。21H2-5 光电技术(jsh)中的光源第51页/共108页第五十一页，共109页。 固体在电场(din chng)(din chng)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。 IIII一VIVI族化合物半导体是实际唯一的粉末和薄膜场致发光材料 IIIIII一V 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(jsh)中的光源第52页/共108页第五十二页，

34、共109页。 按激发方式不同(b tn)(b tn)，场致发光光源有交流电场激发和直流电场激发两种。 (1) (1)交流粉末场致发光光源 该器件的发光材料( (通常为ZnS:Cu)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(shzh)；7防潮盖板2-5 光电技术中的光源第53页/共108页第五十三页，共109页。 与其它光源(gungyun)(gungyun)相比, ,它有独特的优

35、点： (1)(1)固体化、平板化，占地小，易于安装； (2)(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)(3)无红外辐射冷光源(gungyun)(gungyun)，因而隐蔽件好，对周围环境没有影响； (4)(4)视角大，光线柔和，易于观察； (5)(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(jsh)中的光源第54页/共108页第五十四页，共109页。 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CuxSCuxS，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

36、电极(dinj)(dinj)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(lz)的表面ZnSCu，MnCuxS涂层阴极透明阳极2-5 光电技术中的光源第55页/共108页第五十五页，共109页。 应用： (1)(1)特殊照明：仪表表盘、飞机座舱、坑道等； (2)(2)数字、符号显示：可以做成大型的数字钟、电子称等显示； (3)(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)(4)矩阵显示，又叫交叉电极(dinj)(dinj)场致发光显示。主要用于雷达、航迹显示及电视等； (5)(5)像转换及像增强器。把场致发光屏与光导材料联合

37、使用，可以做成显像器件等等。2-5 光电技术(jsh)中的光源第56页/共108页第五十六页，共109页。 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(zoji)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(jsh)中的光源第57页/共108页第五十七页，共109页。 发光二极管是少数载流子在p pn n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pnpn结附近(fjn)(fjn)产

38、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(jsh)中的光源第58页/共108页第五十八页，共109页。 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(sh wn)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、

39、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(jsh)中的光源第59页/共108页第五十九页，共109页。 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

40、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(qin ji wn h)是LED发展的必然趋势。 2-5 光电技术(jsh)中的光源第60页/共108页第六十页，共109页。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(jsh)中的光源第61页/共108页第六十一页，共109页。 按工作物质(wzh)(wzh)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)(1)气体激光器 气体激光器采用的工作物质(wzh)(wzh)很多，激励方式多样，发射波长也最广。

41、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(jsh)中的光源第62页/共108页第六十二页，共109页。 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(fng din)，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(jsh)中的光源第63页/共108页第六十三页，共109页。 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

42、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(chn yn)耐高温的熔石英做成，大功率放电常用(chn yn)高导热系数的石墨或BeO陶瓷做成。 放电管外部通常用(chn yn)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(jsh)中的光源第64页/共108页第六十四页，共109页。 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

43、分布(fnb)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(jsh)中的光源第65页/共108页第六十五页，共109页。 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(lz)(lz)。 红宝石激光器是发现最早、用途最广的晶体激光器。2-5 光电技术中的光源第66页/共108页第六十六页，共109页。 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

44、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(yunjin)，通过调谐色散元件(yunjin)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(jl)光激光染料2-5 光电技术中的光源第67页/共108页第六十七页，共109页。 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(j hu)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

45、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(jsh)中的光源第68页/共108页第六十八页，共109页。 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(shch)像散光束，发散角大，垂直于结方向1230o，平行于结方向

46、28o。2-5 光电技术(jsh)中的光源第69页/共108页第六十九页，共109页。既然光束具有振幅、频率(pnl)(pnl)、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。)cos()(tAtE2-6 光辐射调制概述第70页/共108页第七十页，共109页。 光辐射调制(tiozh)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。2-6 光辐射调制(

47、tiozh)概述第71页/共108页第七十一页，共109页。 光调制(tiozh)的分类：内调制(tiozh)、外调制(tiozh)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 光辐射调制概述第72页/共108页第七十二页，共109页。 调制的作用：使光信号携带信息、抑制背景(bijng)干扰、抑制系统固有噪声和外部电磁干扰。光辐射调制(tiozh)(tiozh)的基本原理2-6 光辐射调制概述第73页/共108页第七十三页，共109页。模拟调制(tiozh)的原理强度(qingd)调制：振幅(zhnf)调制：频率调制：2-6 光辐射调制概述第74页/共108页第七十四页，共1

48、09页。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(binhu)。 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(tiozh)概述第75页/共108页第七十五页，共109页。脉冲调制2-6 光辐射调制概述第76页/共108页第七十六页，共109页。数字(shz)调制 方式：把信息以编方式：把信息以编码形式转变码形式转变(zhunbin)位脉位脉冲序列冲序列 特点：脉冲在时间特点：脉冲在时间上固定，幅度被量上固定，幅度被量化化 优点：

49、优点：2-6 光辐射调制概述第77页/共108页第七十七页，共109页。调制盘是光强度(qingd)调制器的一种。调制(tiozh)(tiozh)盘2-6 光辐射调制概述第78页/共108页第七十八页，共109页。调制(tiozh)盘的光刻制作方法曝光显影腐蚀掩模 光刻胶玻璃基底金属层涂胶紫外光去胶2-6 光辐射调制(tiozh)概述第79页/共108页第七十九页，共109页。调制盘的扫描方式：旋转式调制盘绕(pnro)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(pnro)光轴作圆周平移扫描2-6 光辐射调制概述第80页/共108页第八十页，共109页。莫尔（Moi

50、reMoire）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。18741874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(t go)(t go)，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

51、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。2-6 光辐射调制(tiozh)概述第81页/共108页第八十一页，共109页。播放(b fn)中1. 1. 圆弧莫尔条纹(tio wn)(tio wn)单击准备(zhnbi)演示播放动画2-6 光辐射调制概述第82页/共108页第八十二页，共109页。2. 2. 光闸莫尔条纹(tio wn)(tio wn)播放(b fn)动画播放(b fn)中2-6 光辐射调制概述第83页/共108页第八十三页，共109页。单击准备(zhnbi)演示3. 3. 辐射(fsh)(fsh)形莫尔条纹播放(b fn)动画2

52、-6 光辐射调制概述第84页/共108页第八十四页，共109页。4. 4. 长光栅(gungshn)(gungshn)莫尔条纹播放(b fn)动画2-6 光辐射调制概述第85页/共108页第八十五页，共109页。5. 5. 长光栅(gungshn)(gungshn)光闸莫尔条纹播放(b fn)动画2-6 光辐射调制概述第86页/共108页第八十六页，共109页。莫尔条纹的调制(tiozh)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(tio wn)(tio wn)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(

53、tiozh)概述第87页/共108页第八十七页，共109页。P P 计量光栅精密测量中的测量元件P P 衍射光栅光谱仪器中的分光元件P P 亚波长光栅增透、偏振元件按制作方法分类(fn li)(fn li)：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2-6 光辐射调制(tiozh)概述第88页/共108页第八十八页，共109页。2-6 光辐射调制(tiozh)概述第89页/共108页第八十九页，共109页。凹面镜扩束镜反射镜曝光区2-6 光辐射调制(tiozh)概述第90页/共108页第九十页，共109页。2-6 光辐射调制(tiozh)概述第91页/共108页第九十一页，共109页。复制技术基 底(j d)压模印 章(ynzhng)紫外光复制(fzh)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 光辐射调制概述第92页/共108页第九十二页，共109页。计量光栅(gungshn)莫尔条纹的形式 横向莫尔条纹(tio wn)：P