[理学]第一章 光辐射与发光源课件.ppt

第一章 光辐射与光源,光电技术,任何光电系统都离不开光辐射源，所以光辐射原理是光电子技术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射的度量方法与度量参数，辐射度参数与光度参数的关系热辐射的基本定律光源的基本特征与光源的选择，常用光源,什么是光辐射呢？电磁波谱频率范围1021025Hz光辐射波长区域 nm m ，即10-910-3m可见光波长范围0.380.78m光电器件的光谱响应范围射线到毫米波,红外,紫外,可见光,10,15,6,18,21,9,12,10,10,10,10,10,10,10,3,24,f,/Hz,图1-1 电磁辐射光谱的分布,X射线,射线,近红外,远红外,电磁波,度量长度用长度物理量米、厘米等度量时间用时间物理量秒、分、时怎样对光辐射进行度量呢？,1-1 光辐射的度量,1-1 辐射的基本概念光辐射的探测和计量有两套体系,辐射度学量 ：客观的，适用于整个电磁辐射区,光度学量：主观的，适用于可见光,虽然辐射度学体系和光度学体系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。辐射度物理量用角标“e”表示(emission)光度物理量用角标“”表示（vision）下面学习这两套光辐射单位体系物理量。,一、辐射度的基本物理量辐射能 Qe 焦耳(J),辐射能是以电磁波的形式发射，传输，或者接收的能量,辐射通量 e（辐射功率） 瓦特(W) 焦耳/秒(Js) 单位时间内发射、传播或接收的辐射能量,辐射强度 Ie单位：瓦特球面度-1(Wsr -1)点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。,在所有方向辐射强度都相同的点辐射源，Ie是常量，则在空间所有方向上发射的辐射通量为,.辐射出射度Me单位是Wm2 反映物体辐射能力的物理量。 定义为扩展辐射源表面某点单位面积向半球空间发射的辐射通量 。,.辐射照度 Ee 单位：Wm2受体的辐射照度Ee定义为照射在面元上的辐射通量de与该面元的面积dA之比，即,辐射出射度Me和辐射照度Ee区别,辐射出射度Me和辐射照度Ee区别：Me描述面辐射源向外发射的辐射特性，是与光源有关的辐射度参数Ee描述辐射接收面所接收的辐射特性，是与接受器有关的辐射度参数,辐射亮度 Le 单位：瓦特/球面度米2(wsrm2),定义：扩展源(面辐射源)表面一点处的面元在某一给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量，如图l-2所示。 式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。,光谱辐射量,二、光度的基本物理量,光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位。 （人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）辐射度学的基本物理量Qe、e、Ie、Me、Le、Ee光频区光度基本物理量Qv、v、Iv、Mv、Lv、Ev定义完全一一对应，其关系如表l2所示。,表1-2 辐射度量和光度量之间的对应关系,光学系统,CCD2,三 辐射度参数与光度参数的关系,辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内（可见光谱区）经常相互使用，它们之间存在着一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是很重要的。本节将重点讨论它们的转换关系，掌握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。,人眼的视觉灵敏度 用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555m处的光谱辐射亮度Le,m小于其它波长的光谱辐亮度Le,。把波长=0.555m的光谱辐射亮度Le,m被其它波长的光谱辐亮度Le,除得的商，定义为正常人眼的明视觉光谱光视效率V（），即,（1-54）,图1-5为人眼的明视觉光谱光视效率V（）和暗视觉光谱效率V(）国际照明委员会根据对许多人的大量观察结果，所确定的光谱光实效率.人眼对绿光最灵敏红蓝光灵敏度最低,V(）也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如图1-5中的虚线所示。,(1-55),对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为处的光谱辐射亮度Le，507nm小于其他波长的光谱辐射亮度 Le,。把 Le，507nm 与Le,的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率，即,光通量与辐射通量之间的关系光度量与辐射度量的关系式的一般函数式Km称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能,表示人眼在明视觉对555nm的光辐射所产生光感觉的效能. Km称为正常人眼的暗视觉最大光谱光视效能,表示人眼在暗视觉对507nm的光辐射所产生光感觉的效能. 在光度学体系中，基本单位是发光强度Iv，其单位是坎德拉cd。坎德拉cd定义：当单色辐射光源频率为5401012Hz， 若给定方向的辐射强度为1683（Wsr） 则该光源在该方向上的发光强度为1cd。,例1- 已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？解 He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，根据式（1-56）可以计算出它发出的光通量为v,=KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm),四、热辐射的基本物理量,热辐射任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波,这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区延伸到紫外区（光谱区）辐射能按波长的分布取决于物体的温度。,辐射本领M(,T)单位是瓦每微米平方米(Wumm2 )定义:热辐射体表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的辐射通量,即光谱辐射出射度、单色辐射出射度吸收率(,T)定义:在波长到+d间隔内被物体吸收的通量与入射通量之比,绝对黑体(简称黑体)：在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收率等于l，即（T）l黑体的辐射本领 Mb(,T) Meb(,T)发射率(,T)定义:物体的辐射本领M(,T)与绝对黑体辐射本领 Mb(,T) 的比值黑体: (,T)=(,T)=1,1-2 热辐射的基本定律,一、基尔霍夫辐射定律辐射本领与吸收率内在联系的重要定律：,在给定的温度下,对某一波长来说,物体的辐射本领与单色吸收率之比值与物体本身的性质无关，对于一切物体都是恒量。等于该温度下黑体对同一波长的辐射本领(单色辐射出射度)。即,式中 为黑体的单色辐射出射度。,总结:,基尔霍夫定律是平衡辐射定律,与物体本身的性质无关吸收和辐射的多少应在同一温度下比较任何强烈的吸收必发出强烈的辐射,无论吸收是由物体表面性质决定的,还是由系统的构造决定的基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关,不与人眼的视觉特性和光度量有关基尔霍夫定律只适用于温度辐射,对其它发光不成立,二、兰伯特定律,-朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化,辐射表面,法线方向辐射亮度,与法线成 角方向辐射亮度,理想漫反射表面,- 均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方成反比,三、距离平方反比定律,dA - 球心点光源 o 发出的光所张的 立体角d所截的表面积,- 与球的半径平方成正比,dA上的照度：,- 照度E与距离的平方R2成反比,半径R - 表面dA到点光源的距离,点光源o向空间任一锥立体角d内辐射通量 - 不变,四、亮度守恒定律,辐射亮度,几何关系,1)同一种介质中,- 光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等,2）不同介质中,在不同介质中传播的光束，在无能量损耗的情况下其基本幅亮度是守恒的。,- 基本幅亮度,折射定律,- 光在介质表面无反射和吸收损失,结论：,五、普朗克定律,黑体处于温度T时，在波长处的单色辐射出射度由普朗克公式给出,式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，k为波尔兹曼常数。,(1)对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值；对应不同温度的曲线不相交。因而温度能惟一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度(即曲线下的面积)。(2)单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。(3)单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。,六、维恩位移定律,单色辐射出射度最大值对应的波长m应由,这就是著名的维恩位移定律。根据这一定律，只要知道了黑体的温度，就能直接得到黑体最大辐射出射度对应的峰值波长m。,七、斯忒藩玻尔兹曼定律,普朗克公式积分可得到黑体的辐射出射度为,此为单位面积辐射总功率. 表明黑体辐射出射度只与黑体温度有关。温度决定了黑体的辐射特性。,例1- 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少m？峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,m又为多少？解 （1）人体正常体的绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为,（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为,(m)=9.36m,峰值光谱辐射出射度为,Wcm-2m-1,=3.72 Wcm-2m-1,（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为,发烧时的峰值光谱辐射出射度为,=3.81Wcm-2m-1,例1- 将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解 标准钨丝灯的温度为TW=2856K，因此它的峰值辐射波长为,(m),峰值光谱辐射出射度为,=1.3092856510-15,=248.7Wcm-2m-1,总辐射出射度为,上节回顾,一6个辐射度基本物理量；6个光度基本物理量二辐射通量与光通量的转换公式；用一般的函数表示光度量与辐射量之间的公式三黑体的定义四黑体辐射的三个定律：普朗克定律：维恩位移定律：斯忒藩玻尔兹曼定律：,1-3 光源的基本特性参数和光源的选择,在光电技术系统中，光源的选择起着关键的作用。根据光源的基本特性参数，按实际需要选择光源。,1、辐射效率（辐射度学）和发光效率（光度学）在给定波长范围（12）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。光源在规定光谱范围内的辐射效率为：相应对于光度学，对于可见光，某一光源的发光效率为：V()为明视觉光谱光视效率，Km为明视觉最大光谱光视效能。在照明和光度测量系统中，一般选用发光效率v较高的光源。,一、发光源的基本特性参数,常用光源的发光效率,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,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,目视测量 - 可见光谱辐射比较丰富的光源,目视瞄准 - 绿光光源（减轻人眼的疲劳）,彩色摄影 - 白炽灯、卤素灯作光源,紫外、红外测量 - 紫外灯（氙灯、紫外汞灯）、红外灯,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，将与发光强度成正比的矢量的端点连线,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,4、光源的色温,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。一种颜色可以由多种光谱分布产生。色温相同，相对光谱功率分布不一定相同。色温只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。,二、光源选择的基本要求,光谱特性必须满足检测系统的要求，光源和光电探测器之间光谱匹配系数尽可能大。发光强度必须满足检测系统的要求。光源的稳定性必须满足检测系统的要求。对光源的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；以及光源的空间分布等也有一些具体要求。,光谱特性,目视光学系统：选用可见光谱较丰富的光源。,紫外、红外测量:紫外灯、红外灯,彩色摄影系统：选用类似日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。,返 回,发光强度,光源强度过低，系统获得信号过小，可能无法正常监测,因此，系统设计应对探测器所需获得的最大、最小光通量进行正确的估计，并按估计选择光源,光源强度过高，将导致系统工作的非线性，可能损坏系统、待测物、光电探测器等,返 回,发光源的稳定性,脉冲量的检测系统对光源的稳定性要求较低。,光量或辐射量强度、亮度、照度或通量检测系统，对光源的稳定性有较严格的要求。,返 回,1-4 光电技术中常用光源简介,常用光源种类 热辐射光源 气体放电光源 固体发光光源 激光器,一、热辐射光源,发光特性可用普朗克公式精确计算光通量为连续光谱，光谱宽，紫外和可见光少采用稳定的供电（稳压或稳流），可使输出的光辐射有较高的稳定度,2、白炽灯,1、人造黑体辐射源,种类,二、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。,三、固体发光光源,粉末场致发光光源薄膜场致发光光源注入式场致发光光源-发光二极管发光二极管(LED - Light-Emitting Diode):由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在P-N结区的注入与复合而产生的发光的器件,面光源 - 专用,线光源,点光源,N 型半导体和 P 型半导体,N 型,磷原子,自由电子,电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数 电子数,P 型,硼原子,空穴,空穴 多子,电子 少子,载流子数 空穴数,施主离子,受主离子,1、工作原理,PN 结(PN Junction)的形成,1. 载流子的浓度差引起多子的扩散,2. 复合使交界面形成空间电荷区,(耗尽区、势垒区),空间电荷区特点:,无载流子，,阻止扩散进行，,利于少子的漂移。,3. 扩散和漂移达到动态平衡,扩散电流 等于漂移电流，,总电流 I = 0。,内建电场,PN 结形成,外加正向电压(正向偏置),内电场,外电场,外电场使P区的空穴和N区的电子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。,N区电子越过P-N结进入P区,与P区空穴相复合。 N区电子扩散进入P区,对于P区称为少数载流子的注入。 P区空穴越过P-N结进入N区,与N区电子相复合。 P区空穴扩散进入N区,对于N区称为少数载流子的注入。,扩散运动加强形成正向电流 IF 。,高能电子与空穴复合 - 释放能量-光子-半导体发光,辐射光波长 - 半导体材料的禁带宽度Eg,- 材料（搀杂）,发光二极管性能,2、主要参数和特性,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, 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 - 1V GaAsP - 1.5V GaP（红） - 1.8V GaP（绿） - 2V,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,大量发光区, 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,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）,切断电源后，发光亮度从90%降到10%所经历的时间,接通电源后，发光亮度从10%到达90%所经历的时间,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）,四激光器,激光器的工作原理：工作物质，谐振腔，泵浦源激光器分类：气体激光器，固体激光器，染料激光器，半导体激光器激光的特性：单色性，方向性，亮度，相干性,