《光源及辐射源》PPT课件

1、1,第3章 光源及辐射源,每周案例,2,这是什么？,每周案例,3,这是什么？,如何知道它的温度？,如何测量？,4,热电偶Thermocouple,/wiki/Thermocouple,如何测量？,5,热电偶Thermocouple,/wiki/Thermocouple,如果热电偶的工作端与参比端存有温差 时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。,特点：,热电偶测温,6,热电偶Thermocouple,装配简单，更换方便 测量范围大（2702800） 机械强度高，耐压性能好 耐高温可达2800

2、度,除了热电偶外，还有没有别的办法？,7,为什么看了颜色就知道温度？ 学完本节就了解！,关于CIE“平均人眼”的具体标准的讨论,欢迎侯擎昊同学讲解自己的调研结果,问题：国际照明委员会所定义的“平均人眼”是怎么确定的？视见函数是如何获取的？,侯擎昊、茹锋同学做过调研,问题,某白炽灯的光视效能 8lm/W,某白炽灯的发光效率 8lm/W,9,1.两者单位一样，请问有何区别？ 2. 哪一个更耗电？ 3.哪一个更亮？,回顾,第二章,2.1 辐射度量与光度量基础 辐射能、辐射通量、辐射强度、辐亮度、辐照度. 光量、光通量、发光强度、亮度、照度、视见函数 2.2 光电检测器件的特性参量 光电探测器的分类，

3、响应度、噪声、噪声等效功率的概念 如何根据探测器的参数表格选择探测器,11,第3章 光源及辐射源,12,我们能想到的光源有哪些？,什么灯？,白炽灯,13,我们能想到的光源有哪些？,什么灯？,节能灯,14,我们能想到的光源有哪些？,什么灯？,发光二极管（LED),15,我们能想到的光源有哪些？,什么灯？,激光,16,我们能想到的光源有哪些？,什么灯？,闪光灯,17,我们能想到的光源有哪些？,什么灯？,氙灯,18,我们能想到的光源有哪些？,什么灯？,可调谐激光器,19,本章主要内容,3.1 光源选择的基本要求和光源的分类 3.2 热光源 3.3 气体放电光源 3.4 固体发光光源 3.5 激光光源

4、 3.6 新型电调制红外光源,20,3.1 光源选择的基本要求和光源的分类,如何从光源的参数表格中选取光源？,This unit has the following specifications: Total Output Power: +13 dBm (20 mW) Spectral Power Density (Typical): -18 dBm/nm 1530 nm -11 dBm/nm 1540-1600 nm -18 dBm/nm 1610 nm Output Power Stability (Typical): +/- 0.001 dB Output Power Stability

5、 (Max): +/- 0.005 dB Output Fiber: SMF-28,21,3.1 光源选择的基本要求和光源的分类,如何从光源的参数表格中选取光源？,22,光源分类,例 自然光：日、月、星、闪电、萤火虫 人工光：篝火、油灯、蜡烛、钨丝白炽灯、日光灯、氙灯、闪光灯、发光二极管、半导体激光、气体激光、节能灯.,热光源：物体升温产生 气体放电光源：电极间气体放电 固体发光光源：电能直接转换为光能 激光：受激辐射,问：上面这些光源各属于哪种类型？,23,3.1 光源选择的基本要求和光源的分类,波长（光谱）特性 发光强度 （光功率） 光源稳定性（强度、波长） .,试想我们对一个光电检测系统

6、的光源通常都有哪方面的要求？,24,3.1 光源选择的基本要求和光源的分类,1.对光源发光光谱特性的要求 一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要，光源发光光谱与探测器的光谱响应要匹配。 例如： 红外探测器必须配套红外光源 通常的硅探测器（如CCD相机）必须匹配0.4-1.1微米范围内光谱的光源。,如何度量两者的匹配程度呢？,25,3.1 光源选择的基本要求和光源的分类,1.对光源发光光谱特性的要求 光源和光电探测器之间光谱匹配系数，用以描述两光谱特性间的重合程度或一致性。光谱匹配系数定义为： W波长时光源光辐射通量的相对值；S波长时，光电探测器灵敏度的相对值；A1和A2的物理意义分别表示

7、WS和W两曲线与横轴所围成的面积。,26,2.对光源发光强度的要求 为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。 3.对光源稳定性的要求 稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电或稳流电源供电，所用光源应预先进行老化处理。 当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。计量用标准光源通常采用高精度仪器控制下的稳流源供电。 波长稳定性：干涉仪,27,4.对光源其它方面的要求 灯丝结构和形状 发光面积大小和构成 灯泡玻壳的形状和均匀性 光源的发光效率和空间分布 ,28,自然光源,光电检测中基本不用，给出作为一般参考。,29,30,3.

8、2 热光源,热光源：利用物体升温产生光辐射制成的光源。例如白炽灯、黑体源,问题：热光源对光电检测有什么用？,1.发光特性（光谱分布、出射度、亮度）可以用普朗克公式估算。,2.发出连续光谱，谱宽很宽，适应性强。,3. 大多属于电热型，可以通过控制输入电量控制发光特性。,三大特点：,作用： 1.一般光电检测的光源（白光干涉） 2.光（辐射）度量中做标准光源或标准辐射源，计量标准传递。,31,3.2 热光源,3.2.1 黑体及黑体光强标准器 1.黑体辐射的主要公式 在任意温度条件下，能全部吸收入射在其表面上的任意波长辐射的物体叫做绝对黑体，或简称黑体(Blackbody)。 但是.,研究黑体辐射的最

9、基本公式是普朗克公式(Plancks law)，它给出了绝对黑体在绝对温度为T 时的光谱辐射出射度：,自然界并不存在绝对黑体。,黑体与黑洞有什么关系？,32,3.2 热光源,3.2.1 黑体及黑体光强标准器,式中 M波长处的单色辐射出射度； 波长(m)； h普朗克常数，其值为6.62610-34 (Js)； c真空中光速，其值为2.998108(ms)； k波尔兹曼常数，其值为1.3810-23 (J/K)； T绝对温度(K)； c1第一辐射常数，其值为3.7410-16(Wm)； c2第二辐射常数，其值为1.43910-2(mK)。,33,黑体辐射的光谱分布曲线,特点： 温度越高： 1.中心

10、波长越 2.最高辅亮度越,此普朗克公式与前一页的有何区别,34,黑体辐射的光谱分布如图3-2中曲线所示。,另一种表达方式,35,利用上述普朗克公式可以导出以下各实用公式 斯蒂芬一波尔兹曼公式(StefanBoltzmann law) (全辐射出射度） 式中 称为波尔兹曼常数(StefanBoltzmann constant),黑体最大辐射波长处的辐射出射度公式,黑体最大辐射波长m公式，即维恩位移定律(Wiens displacement law),/wiki/Wien%27s_displacement_law,36,能量的分布：,37,2. 腔型黑体

11、辐射源 按照物理学的原理可知，等温密闭空腔中的辐射是黑体辐射。 构成：黑体芯子、加温绕组、测温计和温度控制器等部分组成。,难点：如何控制温度稳定,腔型黑体辐射源,38,常用的黑体芯子四种基本结构：锥形腔、柱形腔、球形腔和倒置锥形腔。,39,2.面型黑体源 红外热成像系统的校准和红外辐射计量需要采用大面积的面型黑体辐射源。面型黑体源主要用于均匀性和系统响应等的测量或标定。,http:/www.hgh.fr/corps-noir-infrarouge-infrared-source-haute-high-temperature-blackbody-cn.php,40,3.面型黑体源 常采用差分黑体

12、源(Differential Blackbody)方式作为热成像系统信号响应和性能测量的辐射源。,41,面型差分黑体源,差分黑体源的靶标图案,42,黑体光强标准,发光强度是国际规定的七个基本物理量之一。其定义为，某光源发出频率为5401012Hz(555nm)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度入1/683 W/sr时，定义该光源在该方向上的发光强度为lcd。 但是，实际上不存在这样的光源，怎么办？ 实物基础是黑体光强（光度）标准器。这是一个被定义在铂熔点温度(2046.05K)的黑体辐射器。,问题：已知黑体光强标准器温度T，辐射腔孔直径D，如何推出的腔孔亮度和光强度。,43,由光度标准器向外传

13、递的光度标准将寄存在特制的钨丝白炽灯即标准灯中。 利用目视光度计进行传递，通过对标准灯的光强度校准，从而将标准通过标准灯传出。,标准灯,光强标准器复杂，不易被传递，实际上如何办？,44,3.2.2 白炽灯,(1)对灯丝材料的要求 1.熔点高：使之可适用于较高的工作温度，从而使光源发光光谱向短波方向移动； 2.蒸发率小，要求在高温炽热条件下蒸发愈小愈好，以提高白炽灯的使用寿命； 3.对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光辐射； 4.其它要求，如加工性能、机械性能等。 按照上述要求，目前白炽灯几乎仍全采用钨丝作为炽热灯丝。,45,白炽灯的光参数,白炽灯功率、电流、光通量、寿命与额定电压的关系,

14、46,白炽灯,白炽灯种类： 真空钨丝白炽灯：真空钨丝白炽灯的工作温度为23002800K，光效约10 1mw。 充气钨丝白炽灯：在灯炮中充入和钨不发生化学反应的氩、氮等惰性气体，使由灯丝蒸发出来的钨原子在和惰性气体原子碰撞时，部分钨原子能返回灯丝。可使白炽灯的工作温度可以提高到2700K3000K，相应的光效提高到17 lmW。 卤钨灯：灯泡内充入卤钨循环剂(如氯化碘、溴化硼等)，灯丝温度可达3000-3200K,47,卤钨灯,在灯泡内充入卤钨循环剂(如氯化碘、溴化硼等)，在一定温度下可以形成卤钨循环灯的色温可达3200K，光效也相应提高到30 lmW,48,标准光源,(a)发光强度标准灯是通

15、过精确控制流过灯丝的直流电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法线方向上的光强度。 (b)光通量标准灯，用来传递和复现光通量值。 (c)温度标准灯，中心1/3的位置用以复现8002500度之间的色温,49,黑体灯，它是一种稳定性良好的标准光源。它可作为温度标难或传递温度的标准。,50,3.2.3 其他,1.红外辐射灯 (1)能斯特灯 条状的辐射源，是用15的氧化钇粉末和锆粉压制成小棒，长约25mm，直径约2mm，可用直流或交流供电。 在空气中可加热到2000K左右。它发出的连续光谱可从0.3m一直延伸到远红外,51,3.2.3 其他,1.红外辐射灯 (2)硅碳棒 要获得波长更长的红外辐射，

16、能斯特灯就不能胜任了。这时可采用硅碳棒作为红外辐射源。 在空气中用直流或交流供电，加热温度一般在1500K以下。,52,2.火焰 火焰也是一种热光源，由于火焰分层又不稳定，因此不把它用做检测用光源。这里只列出常用火焰的最高温度。,第二次课,每周案例,这是什么 烟雾报警器（SMOKE ALARM),它如何工作？,每周案例,光电型,每周案例,离子探测型 镅衰变产生粒子，离子使氧气与氮气电离，回路产生电流 烟尘可以吸附离子，导致电流下降，引发警报 通过线路互联，可以触发楼层内其它警报,每周案例,需要探测可燃、有毒气体的场合,煤矿（瓦斯、煤尘）-每年数千人死于矿难 化工厂(碳氢化合物、硫化氢、氟化氢等

17、） 石油、天然气产业（碳氢化合物、硫化氢、一氧化碳） 半导体工厂（氢气、HCl, AsH3, PH3, CO, HF, O3, H2Cl2Si, TEOS, BCl3, C4F6, C5F8, GeH4, NH3, NO2 ) 电厂、污水处理厂、锅炉房、停车场（隧道）、化学实验室,每周案例,气体探测原理,热催化剂式（Catalytic Sensor) 半导体传感器（Semiconductor sensor) 热传导式（Thermal conductivity) 红外气体探测器（Infrared Gas Detector),每周案例,气体探测原理,早期用火焰安全灯（flame safety la

18、mp）,有可燃气体时发光会变化，依靠人的观察,每周案例,http:/www.felcom.it:8080/tutorial/copy2_of_test-1,气体探测原理,热催化剂式（Catalytic Sensor),有可燃气体时，在催化剂作用下氧化、温度升高，铂金属线圈电阻增大，电桥失去平衡，,每周案例,瓦斯气体探测,测量范围 0 4.00 CH4 测量误差 0 1.00 CH4 时， 0.1 ,每周案例,气体探测原理,有可燃气体时，金属氧化物吸附，在催化剂作用下氧化、温度升高，电阻增大,半导体传感器（Semiconductor sensor),每周案例,

19、/InTechTemplate.cfm?Section=Features3 (3)正向电压很低，约2V左右; (4) 小巧轻便、耐振动、寿命长(大于5000h);,发光二极管的主要特点,100,LED的特性参数 a) 伏安特性,电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。这时正向电流与电压的关系为 在较宽禁带的半导体中，当电流i0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m2。电流增大后，扩散电流占优势时，m1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。,iioexp(eV/mkT),101,b) 发光亮度与电流密度,发光二极管的发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐

20、射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系为,是载流子辐射复合寿命R和非辐射复合寿命NR的函数,102,LED的发光光谱指LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。,描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和发光强度的半宽度。,发光光谱和辐射效率,103,发光二极管辐射功率e与消耗的电功率的比值表示辐射效率,峰值波长在925nm附近，半宽度大约为35nm。,掺硅GaAs的发射光谱,104,发光二极管的时间响应快，短于1s，比人眼的时间响应要快得多。,图表示GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAs

21、P三种发光二极管的相对光亮度Le,r与温度t的关系曲线。,通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。,时间响应特性与温度特性,105,随着发光管电流密度的增加，PN结的温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。,在低工作电流下，发光二极管发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增加到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随工作电流的继续增加而降低。原因？,e) 最大工作电流,106,f) 寿命,发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。 二极管的寿命一般都很长，一般可达10万小时（13.7年）以上。 随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关

22、。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。,107,g) 响应时间,在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。 实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。 在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。,108,目前常用的几种发光二极管及特点,1.磷化镓 (GaP)发光二极管: 在磷化镓中掺入锌和氧时，所形成的复合物可发红光、发光中心波长为0.69m，其带宽为0.1m。 当掺入锌和氮时，器件可发绿光，其发光

23、的中心波长为0.565m，而带宽约为0.035m,磷砷化镓发光二极管的伏安特性曲线,109,砷化镓发光二极管的发光效率较高。反向耐压约为5V，正向交变电压约为1.2V。该二极管发出近红外光，中心波长为0. 94m，带宽为0.04m。 当温度上升时，辐射波长向长波方向移动。 脉冲响应快，约为几纳秒所以能产生高频调制的光束，这使它的应用十分广泛。如用于光纤通讯、红外夜视等多种领域中。,砷化镓 (GaAs)发光二极管,110,当磷砷化镓的材料含量比不同时，发光光谱可出0.565m变化到0.9lm。可以制成不同发光颜色的发光二极管,磷砷化镓 (GaAs1-x_Px)发光二极管,111,将LED接入到晶

24、体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。 在光通信中以LED为光源的场合，需要对LED进行调制，则调制信号通过电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。,LED的驱动电路,112,通过加入荧光物质获得多个波长输出 发光效率高，不发热，寿命1万小时，不含汞，第三代光源！,White light LED, ,55美元！ 7瓦=50瓦白炽灯,113,Organic Light-Emitting Diode 用于显示、照明,有机发光二极管（OLED）,与LCD相比，OLED显示屏具有以下优点： 更薄的外形 更宽的视角 更快的响应速度 更低功耗 更好的色域和色彩还原 更高

25、的对比度和更宽的工作温度范围,114,Organic Light-Emitting Diode 用于显示、照明,有机发光二极管（OLED）, ,115,3.5 激光光源,特点： (1)极小的光束发散角； (2)激光的单色性好； (3)激光的输出功率密度很高 分类： (1)气体激光器; (2)固体激光器; (3)染料激光器 (4）半导体激光器,116,3.5.1 气体激光器,气体激光器采用的工作物质为气体目前可采用的物质最多激励方式多样，发射的波长也最多。 氦氖激光器要输出波长有0.6328m、1.15m和339m，示为三种不同腔式结构的氦氖激光器。,图3-20 氦氖激光器示意图,117,氦氖激

26、光器的单色性好，相干长度可达十米以至数百米。,氦氖激光器,118,氩离子激光器是用氩气为工作物质，在大电流的电弧光放电或脉冲放电的条件下工作。 它的输出波长有多个，功率主要集中在0.5145m和0.4880m两条谱线,氩离子激光器（Argon-ion ）,/4411L_f96/i2_lif/ar_laser.html,119,输出谱线波长分布在911m。 这种激光器的运转效率高，连续功率可达104w以上， 小型CO2激光器可用于测距，大功率CO2激光器可用作工业加工和热处理等。,二氧化碳激光器,120,3.5.2 固体激光器,红宝石激光器，694.3nm,http:/technology.niagarac.on.ca/lasers/Chapter4.html ,121,玻璃激光器常用钕玻璃作工作物质，它在闪光氖灯照射下，1.06m波长附近发射出很强的激光。 可做成大功率或大能量的固体激光器,可产生对人眼安全的1.54m的激光。,图3-22 固体激光器基本结构,玻璃激光器(Glass laser),122,3.5.3 可调谐染料激光器(Tuneable Dye lasers),其工作物质可分为两类：一类是有机染料溶液；另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液 由于液体