光学基础与光源实用教案

1、光谱(gungp) - 光波频段的电磁波谱 紫外 可见光 红外可见可见(kjin)光谱光谱 X射线（射线（X光）：光）：10100nm 第1页/共48页第一页，共49页。波动性粒子(lz)性- 干涉(gnsh)、衍射、偏振- 光电效应(un din xio yng)（物质相互作用）光由光子组成，每个光子能量：h-普朗克常数（6.62610-34 Js ）; - 光的振动频率（s-1）c - 光速（真空中,3 108 ms-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第2页/共48页第二页，共49页。二、二、 光度光度(gungd)的的基本物理量

2、基本物理量光度学量光度学量-电磁辐射能引起人眼刺激大小电磁辐射能引起人眼刺激大小(dxio)的度量的度量 类似于辐射度量（电磁辐射）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(shju)效率- 可见光波段物体晶状体晶状体 镜头；视网膜镜头；视网膜 像敏面；像敏面；远物体远物体 晶状体扁平晶状体扁平 屈光能力小屈光能力小 距离大（最大距离大（最大17mm)近物体近物体 晶状体厚晶状体厚 屈光能力大屈光能力大 距离小（最小距离小（最小14mm)第3页/共48页第三页，共49页。视网膜 - 感官(gngun)细胞杆状细胞 - 光灵敏度高，感受微弱(wiru)光刺激;锥状细胞(

3、xbo) - 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明视觉明视觉暗视觉暗视觉第4页/共48页第四页，共49页。明视情况(qngkung): 敏感波长:380780nm 峰值波长-555nm;暗视情况： 敏感波长(bchng):330730nm 峰值波长(bchng)- 507nm;第5页/共48页第五页，共49页。1) 光量（光谱(gungp)光能Qv）- 光的能量(nngling)（与辐射能Qe相对应）单位

4、(dnwi)：流明秒（lms）- 光通量对时间的积分焦耳（J）2. 光度基本物理量第6页/共48页第六页，共49页。2) 光通量（v）- 光功率(gngl)（与辐射通量e对应）单位(dnwi)流明（lm）瓦（W）光通量与辐射(fsh)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-所有方向的光通量第7页/共48页第七页，共49页。 - 点辐射源在给定(i dn)方向的单位立体角内辐射的光通量3

5、）光强度(qingd)（Iv）1坎德拉相当于均匀(jnyn)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第8页/共48页第八页，共49页。4）光亮度（Lv）- 光强度光强度(qingd)dIv与面元与面元dS在垂直于发光强度在垂直于发光强度(qingd)方向平面上方向平面上的投影面积之比的投影面积之比光源光源(gungyun)上上某点处的面元某点处的面元dS在给定方向在给定方向(fngxing)的光强度的光强度单位：单位：cdm-2 或者或者 lm/srm2 第9页/共48页第九页，共4

6、9页。第10页/共48页第十页，共49页。5）出射度（Mv）- 单位单位(dnwi)面积光源所辐射的光通量面积光源所辐射的光通量单位单位(dnwi)：lmm-2小结(xioji) - 光源向外发射光的特征参量（5个）：第11页/共48页第十一页，共49页。6）照度(zho d)（Ev）- 投射投射(tush)到单位面积上的光通量到单位面积上的光通量单位单位(dnwi)：勒克斯（：勒克斯（lx=lmm-2）- 接受光的面元上单位面积被辐射的光通量接受光的面元上单位面积被辐射的光通量7）曝光量（Hv）- 照度对时间的积分照度对时间的积分- 单位：单位：lx s光度参量 - 与辐射波长有关0.780

7、.38vv)d(0.780.38vv)d(EE白炽灯第12页/共48页第十二页，共49页。三、光电测试系统(xtng)常用光源在给定在给定(i dn)的波长范围内，某光源发出的光通量的波长范围内，某光源发出的光通量v与与产生该光通量所需的功率产生该光通量所需的功率P之比之比1）发光）发光(f un)效率效率1、光源的基本参数、光源的基本参数21v()dPP 1 2为该光电测量系统的光谱范围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应用：采用发光效率高的光源以节省能源第13页/共48页第十三页，共49页。2）光谱功率(gngl)分布光源(gungyun)输出的功率与光谱（光的

8、波长）有关典型(dinxng)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、卤白炽灯、卤素灯素灯复合光谱复合光谱荧光灯荧光灯第14页/共48页第十四页，共49页。激光光谱能量分布激光光谱能量分布第15页/共48页第十五页，共49页。选择选择(xunz)：光谱功率(gngl)分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致目视(m sh)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 - 稳频激光光源第16页/共48页第十六页，共49页。光

9、源(gungyun)发光各向异性 - 发光强度在各个方向不同3） 空间(kngjin)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在光源辐射光的空间(kngjin)某一截面某一截面上，上，将发光强度相同的点连线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选择发光强度高的方向作为照明方向 - 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第17页/共48页第十七页，共49页。1） 热辐射光源(gungyun)物体温度(wnd)大于绝对零度 - 向外辐

10、射能量 - 光子 - 光（1）太阳光阳光(ynggung) - 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、光电测量中常用光源第18页/共48页第十八页，共49页。 - 灯泡中的钨丝被加热而发光(f un) - 连续光谱（2）白炽灯充气(chn q)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(f un)效率10lm/W）卤素灯 - 灯泡内充有

11、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 - 发光强度的方向性第19页/共48页第十九页，共49页。2） 气体(qt)放电光源- 利用气体放电原理来发光利用气体放电原理来发光(f un)的光的光源源如：将氢、氦、氘、氙、氪或者金属(jnsh)蒸汽（汞、钠、硫等） 充入灯中运动：电子 阳极，离子 阴极 原子跃迁 高能级 低能级（发光）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

12、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。 第20页/共48页第二十页，共49页。3）半导体发光(f un)器件在电场的作用下使半导体的电子(dinz)与空穴复合而发光的器件 - 注入式场致发光(f un)光源（LED - Light-Emitting Diode ）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

13、向性显示器件：点亮第21页/共48页第二十一页，共49页。面光源 - 专用线光源点光源第22页/共48页第二十二页，共49页。（1）LED工作(gngzu)原理二极管二极管（半导体材料（半导体材料(cilio)）未加电压未加电压P区空穴与区空穴与N区电子不能自然区电子不能自然(zrn)复合（受半导体复合（受半导体P-N结阻挡层的限制）结阻挡层的限制）施加正向电压施加正向电压N区电子越过区电子越过P-N结进入结进入P区，区，与与P区空穴相复合区空穴相复合高能电子与空穴复合高能电子与空穴复合 - 释放能量释放能量场致激发使载流子由低能级跃迁到高能级场致激发使载流子由低能级跃迁到高能级 高能级电子（

14、不稳定）低能级（稳定） - 半导体发光 放出光子第23页/共48页第二十三页，共49页。原理图原理图外观外观(wigun)图图符号符号(fho)第24页/共48页第二十四页，共49页。颜色-辐射(fsh)光波长 - 半导体材料的禁带宽度Eg 3486.626 103 10 J1.24eV mmEgEgEg hc - 材料(cilio)（搀杂）不同材料(cilio)发光二极管性能其中：1ev = 1.610-19J 第25页/共48页第二十五页，共49页。（2）LED驱动(q dn)电路工作过程(guchng)中电流不能超过极限值 限流电阻(dinz)：- 产品参数表中查到 电源电压亮度电流（G

15、aAs-20mA; GaP-10mA） UF -管子正向电压; IF -管子正向电流;第26页/共48页第二十六页，共49页。（3）LED主要参数半导体发光(f un)二极管 - 半导体器件、发光(f un)器件工作(gngzu)参数 - 电学参数、光学参数 电学参数 - 工作(gngzu)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、 光强分布等第27页/共48页第二十七页，共49页。 伏安(f n)特性正向电压(diny)较小不发光- 正向死区- 与普通(ptng)半导体二极管相同开启电压： GaAs - 1V G

16、aAsP - 1.5V GaP（红） - 1.8V GaP（绿） - 2V 大量发光区大量发光区电压：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-工作电压工作电压第28页/共48页第二十八页，共49页。 光谱(gungp)特性- 不是(b shi)纯单色光（谱线比激光宽、比复色光源窄）峰值波长700nm左右(zuyu)，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）第29页/共48页第二十九页，共49页。 发光亮度(lingd)特性- 正比(zhngb)于电流密度 电流密度增加 - 发光(

17、f un)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）第30页/共48页第三十页，共49页。 温度(wnd)特性- 对P-N结复合电流(dinli)有影响P-N结温度升高到一定(ydng)程度- 电流变小 - 发光亮度减弱 第31页/共48页第三十一页，共49页。 配光曲线(qxin)- 光强分布(fnb)曲线与LED的结构、封装方式(fngsh)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之间第32页/共48页第三十二页，共49页。电学参数 - 保证LED正常发光(f un)和提高寿命及正确使用功耗(n ho)：PF =UF IF开启电压和工作电压 -

18、伏安(f n)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第33页/共48页第三十三页，共49页。动态参数：响应(xingyng)时间（开启与熄灭的时间延迟）下降时间（tF）开启(kiq)时间（tr）响应时间(shjin)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

19、显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等 （节约能源）（410ns） （4几十ns） 第34页/共48页第三十四页，共49页。4）激光(jgung)光源- 受激发射光单色性好、相干(xinggn)能力强 - 相干(xinggn)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(y zhn)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”(Light Amplification by Stimulatad Emission of Radiation)-“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(

20、y zhn)崭新的光源，是由激光器产生的一种(y zhn)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、光学谐振腔第35页/共48页第三十五页，共49页。固体(gt)激光器 辐射能量(nngling)大（比气体激光器高出三个数量级） 输出波长(bchng)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

21、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。第36页/共48页第三十六页，共49页。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(zhu xin)，再镀以多层介质膜，构成两面反射镜。圆柱形圆柱形外表面(biomin)：粗磨（可吸收激励光）脉冲(michng)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(michng)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第37页/共48页第三十七页，共49页。气体(q

22、t)激光器半导体激光器 He-Ne激光器 - 光电测量(cling)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(ylio)、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 第38页/共48页第三十八页，共49页。 He-Ne气体(qt)激光器单色性好，方向性好，输出功率、频率(pnl)稳定 - 应用(yngyng)最广泛

23、放电管（玻璃或金属外壳）激励能源：千伏高压谐振腔氦、氖气体阴极反射镜反射镜反射镜%100%98布儒斯特窗阳极阳极（钨棒或钼筒）（钨棒或钼筒）毛细管（放电主要区域）（金属圆筒）谐振腔偏振态偏振态第39页/共48页第三十九页，共49页。作用(zuyng)：*产生与维持产生与维持(wich)光的振荡，使光得到加强。光的振荡，使光得到加强。 *使激光有极好的方向性。使激光有极好的方向性。 *使激光单色性好。使激光单色性好。总之，具有对光放大实行总之，具有对光放大实行 选择、控制、增强选择、控制、增强 的作用。的作用。谐振腔第40页/共48页第四十页，共49页。 广泛应用于测量、对准广泛应用于测量、对准

24、(du zhn)、通讯、全息及医学等多个领域。、通讯、全息及医学等多个领域。工作方式(fngsh)：连续激励输出(shch)波长：632.8nm、1.5m、3.39mNe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 第41页/共48页第四十一页，共49页。 半导体激光器用半导体材料(cilio)（ZnS、GaAs、PbS、GaSe等）制成的面结型二极管激活物质(wzh) - 半导体材料（LD）谐振腔 - 在半导体的二个端面(dunmin)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：第42页/共48