[信息与通信]光电检测技术第三章.ppt

第三章光电测量系统中的光源与光源系统,本节包括三部分内容，1光源的基本参数，2 光电测量中的常用光源，3照明系统。在光电测量中，光是信息的载体，光源的质量对光电测量往往起着关键的作用。了解光的基本特性参数和光源的特点，对设计光电测量系统是十分重要的。我们日常生活中就见到许多的光，如日光，灯光等，下面我们来了解这些光的特点。,分析:,太阳是巨大的自然光源,使我们白天看到周围的一切可是一到了夜晚,没有太阳光了,人们为了看到东西,就不得不自己制作人造光源.,你还知道哪些物体是光源？你能对它们进行分类吗？,人造光源,自然光源,灯笼鱼,斧头鱼,生物发光,人造光源有一段漫长的发展史。自从会用火以来，原始人就靠篝火照明。以后学会了用火把。大约到了两千多年前的战国时期，已经用油灯照明了，后来又发明了蜡烛。1878年美国发明家爱迪生，发明了电灯，它是迄今为止人类制造出来的最好的人造光源。,光源发出的光是如何传播的呢？,光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。在物质的成分分析、材料的结构研究、光电检测、照明工程中，都离不开一定形式的光源。在光电信息技术中，光是信息的携带者，光的光谱辐射能量（或强度）、频率、振幅均可携带、传输各种信息。而光源在光电信息技术中往往起着关键的作用，因此，了解常用光源的基本特性和参数，并按照实际工作需求选择合适的光源，往往是光电信息技术工作中解决具体问题成功的关键。光电探测器是一种能把光辐射信号转换为电信号的器件。是光电信息技术中核心组成部分，在光电信息技术中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的某些应用提取某些必要的信息。目前已经有一系列工作于射线、x射线、紫外、可见光、红外光波段的各种探测器。根据器件对辐射响应的方式不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器，另一类是热探测器。,光电信息技术中常用的光源,一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光源是人为将各种形式能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。第一节 光源的基本参数一.辐射效率和发光效率(1)辐射效率 在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量e与产生这些辐射通量所需的电功率P之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率e，,（2）发光效率 与辐射效率相应，对于可见光范围，某一光源的发光效率 为所发射的光通量v与产生这些光通量所需的功率Pi之比，就是该光源的发光效率，单位为lm/W，即,常用光源的发光效率,(3-1),式中，V为可见辐射能量在输入功率Pi中所占的比例。,二、寿命,光源的寿命：指灯及其电源的无故障工作时间。评价指标 a.全寿命：从灯点燃到不能工作的时间。b.平均额定寿命：有一半的灯不能工作时的点燃时间。c.有效寿命：当灯发出的光强下降到初始值的0.7时，已点燃的时间。例：全寿命普通白炽灯泡，充气灯泡1000h；冷光束卤钨灯2000-3000h；发光二极管(LED)20000-50000h。,三.光谱功率分布 光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长有关，称为光谱的功率分布。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，可用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分析。常见的4种典型光源功率谱分布。,光源的选择：在选择光源时，为了最大限度地利用光能，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长；（a）对于目视测量，一般选用可见光谱辐射比较丰富的光源；（b）对于目视瞄准，为了减轻人眼的疲劳，宜选用绿光光源；（c）对于彩色摄像，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。（d）对于紫外和红外测量（如紫外分光光度计），宜选用相应的紫外灯（如通常使用氚灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源）；（e）在光纤技术中，通常使用发光二极管和半导体激光器等光源。,四.空间光强分布 特性对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的，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，即配光曲线。图3-2a)为HG500型发光二极管的配光曲线，b)为超高压球形氙灯的配光曲线。,为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。,图3-2 配光曲线a)发光二极管 b)超高压球形氙灯,五、光源光辐射的稳定性,光辐射的稳定性：是指光源出射光的功率或者光的频率保持随时间恒定不变的能力。措施：对于直接检测光功率的光电系统，采用稳定的直流电源 或采用稳功率的措施，使/小。对于相干检测的光电系统是以波长为基准进行测量的，要求/要小，而光波长与光频率的关系为=c/，可采用稳频光源照明。,六.光源的色温（温度）和显色性（颜色）（1）光源的色温（温度）任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 Mb(,T)表示为,黑体的吸收系数和发射系数都为1。黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。,（3-2）,式中，为辐射本领，它是辐射体表面在单位面积、单位波长间隔内所辐射的能量；(,T)为吸收率，是在波长到+d间隔内被物体吸收的通量de()与入射通量de()之比，即,当(,T)=1 时，该物体称为绝对黑体。,（a）分布温度。辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。这种辐射体的光谱辐亮度可表示为：（b）色温。色温是辐射源发射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。辐射源发射光的颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。,（c）相关色温。指在均匀色度图中，光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。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，这时的光源可用相关色温表示。（2）光源的颜色 光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。用光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体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。光源的颜色：*复色光（太阳光、白炽灯、卤素灯等），一般为白色。其显色性较好，适合于辨色要求较高的场合，如彩色摄像、彩印等。*单色光源：如He-Ne激光为红色，氪灯与钠灯为黄色等。,第二节、光电测量中的常用光源,我们将要学习到4种类型的光源：1.热辐射光源，2.气体放电光源，3.半导体发光器件，4.激光光源一、热辐射光源 任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射性与温度有关。辐射以光子的形式进行。热辐射光源的三个特点：（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的发光或辐射性质；（2）它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用中，适应性强。但在通常情况下，紫外辐射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；（3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光获得很高的稳定度。,1.太阳光：太阳可看成是一个直径为1.392 109 m的光球。它到地球的年平均距离是1.491011m因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射(如图3-a所示)。其平均辐射亮度为2.01l07Wm-2sr-1平均光亮度为1.95109cdm-2。,达到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射在光谱、空间分布、能量大小、偏振状态等都发生了变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳氢化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了大阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质在标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线，如图3-a所示，其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带,太阳照度值分布：紫外区约6.46%；可见光区占46.25%；红外光区占47.29%。,图3-a 太阳的光谱能量分布曲线图,2.黑体模拟器 在许多军用红外光电信息技术和光电系统中，往往需要这样一种辐射源，它的温度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器也称基准辐射源。图3-b 为黑体模拟器的结构。黑体空腔内壁所涂的黑色物质反射系数很小，经过多次反射后，从小孔射出去的辐能量已经极小，几乎为0，绝大部分入射进来的被内腔壁吸收；吸收的能量转为热能，由于保持恒温，吸收的能量只能以温度辐射的方式通过小孔向外发出，为黑体辐射。,图3-b 黑体模拟器的结构,在实际应用中，基准辐射源为黑体炉，由石墨制做，外壁包上较厚一层可长时间承受工作高温的热绝缘材料。采用电加热线圈均匀加热。此外，腔体内置有高精度的热电偶或热电阻，用以检测辐射器空腔内的温度。目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而实际应用的大多是在2000K以下。,3.白炽灯 白炽灯是照明工程和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯靠灯泡中的钨丝被加热而发光，它发出连续光谱，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%。白炽灯发光特性稳定、简单、可靠、寿命比较长，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。,图3-3是用于光计量的几种标准光源。图(a)所示为BDQ型发光强度标准灯，用来传递和复现发光强度单位(cd)的量值。发光强度标准灯是通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。图(b)是BDT型光通量标准灯，用来传递和复现光通量值光通量标准灯的灯丝是旋转对称的，这样使电压与灯参数的变化曲线其光分布在各旋转方向尽可能一致。图(c)为BW型温度标准灯，它的发光体是一条狭长的钨带，当通以电流时，钨带炽热发光。主要工作在80025000C 范围内，复现和验定光学高温计及某些以光学高温计作标准的温度源，也可以代替能量标准灯使用。,图3-3 几种标准灯的外形,常用钨丝白炽灯的型号、类别和用途表,真空与充气钨丝白炽灯,真空钨丝灯：真空，钨丝被加热到23002800K时发出复色光，发光效率约10 lm/W。充气灯泡。充氩、氮等惰性气体：当灯丝蒸发出来的钨原子与惰性气体原子相碰撞时，部分钨原子会返回灯丝表面而延长灯的寿命，工作温度提高到27003000K，发光率约为17 lm/W。充卤族元素（氯化物、溴化物等）：称为卤素灯。钨丝被加热后，蒸发出来的钨原子在玻璃壳附近与卤素化合成卤钨化合物，如WI2，WBr等，然后卤钨化合物又扩散到温度较高的灯丝周围，且又被分解成卤素和钨，而钨原子又沉积到灯丝上，弥补钨原子的蒸发，以此循环而延长灯的寿命。卤钨灯的工作温度达30003200K，发光效率约为30 lm/W。,灯丝的形状和尺寸决定于灯丝的工作温度、光效和寿命。,白炽灯供电电压的影响,白炽灯的供电电压对灯的参数（电流、功率、寿命和光通量）有很大的影响，其关系如下式所示：,(3-3),式中，V0、I0、V0、v0、0分别为灯泡额定电压、电流、发光效率、光通量和寿命；V、I、v、v、分别为使用值。对于充气灯泡n=0.0714，对于真空灯泡n=0.0769.由式(3-3)可知，降压使用，使光电测量用的白炽灯的寿命延长，从而使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。例：额定电压为220V的灯泡降压到180V使用，其发光的光通量降低到62%，但其寿命延长13.6倍。白炽灯的灯丝形状对发光强度的方向性影响：*普通照明常用W形灯丝，使灯360发光；*光栅的莫尔测量用直丝形状仪器灯泡：灯丝长度方向应与光栅刻线方向一致。,二、气体放电光源,利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。在电场等能源的激励下，从灯的阴极发射出电子，电子奔向具有正电位的阳极，由于阳极和阴极之间充满了气体或金属蒸汽，所以电子在运动过程中不停地和气体原子发生碰撞，电子的动能就转交给原子使其激发。受激原子处于高能级是不稳定的，它力图放出能量返回基态。受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。这样的发光机制被称为气体放电原理。气体放电光源具有下列共同的特点：（1）发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高210倍，因而节省能源；（2）由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；但结构尺寸较大。（3）寿命长。大约是白炽灯的210倍；（4）光色范围宽。（5）光源的功率稳定性较差。,气体放电灯的结构示意图,图3-6 气体放电灯的结构示意图,图3-7 气体放电灯的电路,图中K是阴极，用以发射电子。一般用铝、镍、铜等材料制成，为了提高电子发射效率，在其表面上涂以碱金属氧化物。A是阳极，用钨等高熔点材料制作。B是泡壳，由透明的玻璃或石英加工而成。G是灯中充的气体，如氙气或汞蒸汽等。由于汞的辐射波长是253.7nm的紫外辐射，人眼观察不到，因此常在灯壳的内壁涂以荧光粉，将紫外辐射转换可见光，即常见的荧光灯。如果灯工作在高电压、小电流下，阴极压降约100V左右，会发生辉光放电；如果灯工作在低电压（阴极压降约10V左右）、大电流下会发生弧光放电。为使气体放电灯稳定工作，电源应串联镇流电路，左图中是直流供电，电阻镇流。在交流供电时可用电感或电容镇流。,气体放电光源,图3-d 几种气体放电灯的外形图,表:常用气体放电灯的种类、性能和主要应用领域,气体放电光源,1.汞灯 按玻璃壳内气压的高低分，汞灯通常分为低压汞灯、高压汞灯和球形超高压汞灯，分别简介如下。(1)低压汞灯。见图3-e(a)图，相对光谱能量分布。,图3-e,气体放电光源,（2）高压汞灯。当汞灯内的蒸气压达到15大气压时，汞灯电弧的辐射光谱就会产生明显变化，光谱线加宽，出现弱的连续光谱，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加，其光谱分布如图3-e(b)所示。（3）球形超高压汞灯。在球形超高压汞灯中，如果启动气体改为高气压的氙气，则此时称为球形超高压汞氙灯。灯一经启动就辐射出强烈的连续光谱，并且远紫外区光谱明显增加图3-e(c)。2.氙灯。氙灯是由充有惰性气体氙的石英泡壳内两个钨电极之间的高温电弧放电，从而发出强光。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(图3-f)，色温为6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种。,气体放电光源,图3-f 短弧氙灯光谱能量分布 图3-g 短弧氙灯的电弧亮度分布,气体放电光源,3.空心阴极灯。空心阴极灯属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。该灯的外形如图3-g所示，其阴极由金属元素或其它合金制成空心圆柱形，圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。,图3-g 空心阴极灯外形图,空心阴极灯也叫做原子光谱灯，阴极材料根据所需的谱线选择相应的金属；窗口有石英玻璃和普通玻璃两种，则根据辐射的原子光谱波长而定。空心阴极灯是原子吸收分光光度计上必不可少的光源。由于这种灯工作时阴极的温度并不高，所辐射出的金属原子谱线很窄，强度很大，稳定性好。因此，空心阴极灯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。,气体放电光源,图3-h 氘灯,4.氘灯。氘(dao)灯是一种热阴极弧光放电灯，泡壳内充有高纯度的氘气。氘(H12是氢(H11)的同位素，又叫重氢,三、电致发光光源电致发光：是将电能直接转换成光能的发光现象。按激发条件分类：a.高电场电致发光 b.半导体注入式（一）高电场电致发光光源（简介）高电场电致发光光源一般是将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于平极电极之间（其中一块是透明电极），外施高压电（100V以上），直接加速初电子碰撞激发中心而发光。常用光源有：粉末型（EL型）和无机薄膜型（TFEL）。特点：a.粉末型：体积小，安装方便，可制作成各种形状。驱动电压高，老化较快。b.薄膜型：视角大、分辨率高、亮度和对比度高、驱动电压也不太高。稳定性不够。,(二)、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，又称为注入式场致发光光源，如发光二极管（light emitting diode，LED），它由p型和n型半导体组合而成，是少数载流子在P-N结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。1.工作原理 实际上发光二极管就是一个由直接带隙半导体（如GaAs）制成的PN接二极管。半导体内电子空穴对在电场作用下复合产生光子发射。由某些半导体材料做成的二极管，在未加电压时，由于半导体P-N结阻挡层的限制，使P区比较多的空穴与N区比较多的电子不能发生自然复合，而当给P-N结加正向电压时，N区的电子越过P-N结而进入P区，并与P区的空穴相复合。由于高能电子与空穴复合将释放出一定的能量，即场致激发使载流子由低能级跃迁到高能级，而高能级的电子不稳定，总要回到稳定的低能级，这样当电子从高能级回到低能级时放出光子，即半导体发光。(见图3-i)辐射光的波长决定于半导体材料的禁带宽度 Eg，即（3-4）,图3-i 发光二极管的能带图(a)不加外电场情况(b)加上外电场情况,图3-i(a)中，pn结在不加外电场时的能带图。结区内建立了自建电场，同时载流子已耗尽。整个p区能带相对于n区提高了eVD 能级。费米能级EF在各处水平一致。在pn结内，既缺少导带电子，价带上又没有空穴。如果加上的正向电压又足够大，载流子注入的结果使能带图发生了质的变化（图b)。pn结的导带上有了较多的电子，同时价带上又出现了较多的空穴，于是在结区的一段区间内形成了粒子反转状态，这就是有源层的形成。在有源层内，导带电子跃迁入价带，电子-空穴对复合的同时伴随着光子的发射。由于这一发光过程是由外加正向电压造成的，我们称它为场致发光。,由式（3-4）知，不同材料的禁带宽度 Eg不同，所以不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。图3-11a 是半导体发光二极管原理图，图b 是其外观图，图c 则是其器件符号。,图3-11半导体发光二极管a)原理图b)外观图c)器件符号,图3-j 双异质结半导体发光二极管的结构示意图,基本结构图3-j 是双异质结半导体发光二极管的结构示意图。PGaAs是产生荧光的复合区（有源区），它和与之相邻的PAlxGa1xAs层构成限制电子和光波的同型异质结PP结。而和与之相邻的NAlyGa1yAs层构成限制空穴和光波的反型异质结PN结。,发光二极管,图3-k是短波长0.80.9m双异质结GaAs/AlGaAs面发光二极管的结构,图3-k 又异质结面发光二极管结构,图3-l为波长1.3m双异质结 InGaAsP/InP边发光型LED结构。它的核心部分是一个NAlGaAs有源层，及其两边的PAlGaAs和NAlGaAs导光层（限制层）。导光层的折射率比有源层低，但比其它周围材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光波从其端面射出。,图3-l 双异质结边发光型LED结构,发光二极管,驱动电路 发光二极管工作需要加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图3-m所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，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，则调制信号通过一电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。,图3-m 发光二极管驱动电路,2.主要参数和特性,半导体发光二极管既是半导体器件也是发光器件，因此其工作参数有电学参数和光学参数。电学参数：正向电流、正向电压、反向电流、反向电压、功耗、响应时间等；光学参数：辐射波长、光谱特性、发光亮度、光强分布等。（1）伏安特性,图3-12 LED的伏安特性,如图3-12所示。从特性曲线可以看出，正向电压较小时不发光，此区为正向死区。ab段为工作区，即大量发光区，其正向电压一般为1.53V。反向击穿电压约为520V左右。,(2)光谱特性,发光二极管发出的光不是纯单色光，其谱线宽度比激光宽，但比复色光源谱线窄。如图3-13所示。发光二极管的发光光谱直接决定着它的发光颜色。根据半导体材料的不同，目前能制造出红、绿、黄、橙、蓝、红外等各种颜色的发光二极管，如表3-3所列。,表3-3发光二极管性能,图3-13几种LED的光谱特性曲线,(3)发光亮度特性,发光二极管的发光亮度基本上正比于电流密度，如图3-14所示。,随着电流密度的增加，发光亮度有趋于饱和的现象，因此采用脉冲驱动方式是有利的，它可以在平均电流与直流相等的情况下有更高的亮度。,图3-14出射度与电流密度曲线,(4)温度特性,图3-15发光电流与温度关系,温度对LED P-N结的复合电流是有影响的，P-N结温度升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度也减弱。电流与温度的关系，如图3-15所示。（5）配光曲线与LED的结构、封装方式以及发光二极管前端装的透镜有关。如前面图3-2所示的HG500的配光曲线，发光角约为80之间，具有方向性。,发光二极管,（6）响应时间 响应时间是表示反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得十分重要。响应时间：是指注入电流后启亮（上升）和熄灭（衰减）的时间。直接跃迁材料为几个纳秒，而间接跃迁材料约为100纳秒。（7）寿命 发光二极管的寿命一般是很长的，在电流密度小于1A/cm2情况下，寿命可达105小时以上。电流密度大时，发光亮度高，但寿命会很快缩短。老化快慢与电流密度和时间常数有关，关系为：,发光二极管的应用,随着科学技术的发展，电子设备的数字化和集成化，越来约需要能显示较大信息量的显示器和全标度图标显示。随着半导体材料的制备和工艺的发展，发光二极管已在指示和信息显示中占主导地位。(a)指示灯。LED正在成为指示灯的主要光源。LED的寿命在数十万小时以上，为普通白炽灯的30100倍以上，而且具有功耗小、发光响应速度快、亮度高、小型、耐振动等特点，在各种应用中占有明显优势。(b)数字显示用显示器。利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。点矩阵型如图3-n所示，使用LED发光元件纵横按矩阵排列；按需要显示的数字只让相应的元件发光（图3-o)。,图3-n 点矩阵型数字显示 图3-o 字段型数字显示,（c）光源。LED除用作显示器件外，还可用作各种装置、系统的光源。如电视机、空调等的遥控器的光源。在光电检测系统及光通信系统中，也可作为发射光源来使用。(e)光耦合器件。光耦合器件是将发光二极管和光电接收元件组合而构成的一种器件。它是以光子作为传输媒介，将输入端的电信号耦合到输出端,总之，随着半导体材料的制备和p-n结制造技术的发展，发光二极管日益得到广泛的重视和应用。归纳起来它具有如下优点：(1)属于低电压(1-2V)、小电流(每个发光单元只需10mA)器件，在室温下即可得到足够的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)发光响应速度快(10-7-10s)，白炽灯为160ms；(3)由于器件在正向偏置下使用因此性能稳定；(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)小型、耐冲击。当然它也存在一些缺点，主要是功率较小，只有pW、mW级；光色有限，较难获得短波发光(如紫外、蓝色)，且发光效率低,四、激光光源,激光又称为受激发射光，它的单色性好，相干能力强，在光电测量中常用作相干光源。激光器：能发出激光并能实现激光的持续发射的器件称为激光器。主要包括以下4方面的内容：a.激光器的组成 b.激光的特点 c.HeNe气体激光器及其使用要点 d.半导体激光器及其使用要点1.激光器的组成 激光器要实现光的受激发射，必须具有激光工作物质、激励能源和光学谐振腔三大要素。,(1).激光器工作原理：图3-q所示激光器由工作物质（具有亚稳态能级结构且能产生粒子数反转的物质）、谐振腔和泵浦源（为辐射源或电源，将工作物质中的粒子从低能态激发高能态，构成粒子数反转分布）组成。,图3-q 激光器谐振腔及激光输出,激光器工作原理当粒子从高能级跃迁到低能级时发出辐射光子；而当粒子从低能级跃迁到高能级时将吸收光子（粒子吸收了光子的能量将从低能级跃入到高能级）。,图3-r 激光器工作原理（三能级系统：a泵浦抽运粒子至高能级吸收带E3，b）快速衰变到亚稳态E2，c)E2态粒子数反转过程中，d)激光跃迁至基态E1）,（2）激光器的类型 目前已研制成功的激光器达数百种，输出波长范围从近紫外直到远红外，辐射功率从几毫瓦至上万瓦，一般按工作物质分类，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。（a）固体激光器。固体激光器所使用的工作物质(如红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等)具有特殊能力的高质量光学玻璃或光学晶体，里面掺如具有发射激光能力的金属离子。激光输出的波长范围宽，从紫外到红外都是可得到稳定的激光输出。可输出脉冲光、重复脉冲光和连续光。常用于打孔、焊接、测距、雷达等。（b）气体激光器。气体激光器采用的工作物质很多，激励方式多样，发射波长也最广。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。*氦氖激光器 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。*氩离子激光器 氩离子激光器的工作物质是氩气，在低气压大电流下工作，因此激光管的结构及材料都与氦氖激光器不同。*二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的工作物质主要是二氧化碳，掺入少量和He等气体，是典型的分子气体激光器。,激光器,（c）染料激光器。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。（d）半导体激光器。半导体激光器的工作物质是半导体材料。它的原理与前面讨论过的发光二极管没有太多差异，pn结就是激活介质，如图3-u为砷化镓同质结二极管激光器的结构，两个与结平面垂直的晶体解理面构成了谐振腔。半导体激光器光输出电流特性如图3-v所示，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。,图3-u GaAs半导体激光器 图3-v 半导体激光器光输出电流特性,2激光的特性,（1）光束特性共轴球面腔与共焦腔：气体激光器和固体激光器大都采用两块具有共轴线的球面镜作为反射镜构成谐振腔，称为共轴球面腔。如果两个球面镜焦点重合，它们构成的腔称为共焦腔。,图3-16高斯光束及束腰半径,共焦腔中光斑的大小，在不同位置是各不相同的，如图3-16所示。图中，(z)为z处的基模光斑半径；0为z=0处的光斑半径，此处的(z)最小，称为束腰半径。在球面镜表面上，即z=L/2处的光斑半径为(L/2)=os=21/20，共焦腔的光振幅分布为高斯分布，如式(3-5)，激光束的发散角如式(3-7)所示。,（3-5）,(3-6)(3-7),式中，f为球面镜焦距，对于共焦腔f=L/2，L为谐振腔腔长；为激光波长。,（2）单色性。普通光源发射的光，即使是单色光也有一定的波长范围。这个波长范围即谱线宽度，谱线宽度越窄，单色性越好。例：氦氖激光器发出的波长为632.8nm的红光，频率为4.741014Hz，它的谱线宽度只有910-2Hz，很窄。（3）方向性。普通光源的光是均匀射向四面八方，因此照射的距离和效果都很有限，即使是定向性比较好的探照灯，它的照射距离也只有几公里。直径一米左右的光束，不出十公里就扩大为直径几十米的光斑了。He-Ne激光方向性最好，光束细而笔直。（4）亮度。激光器由于发光面小，发散角小，因此可获得高的光谱亮度。太阳的亮度值约为2103W/cm2.sr，常用气体激光器为104108W/cm2.sr，固体激光器为1071011W/cm2.sr。（5）相干性。由于激光器的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因此有很好的空间和时间相干性。,表：半导体激光器的材料及波长,3.HeNe气体激光器及其使用要点,图3-17全内腔式HeNe激光器结构L：玻璃或金属放电管 T：放电毛细管 A：放电管阳极（钨棒或钼筒）K：阴极（金属圆筒）M1,M2：反射镜,He-Ne气体激光器单色性好、方向性也很好，尤其是其输出功率和频率能控制得很稳定，因此在精密计量中是应用最广泛的一种激光器。它的典型结构如图3-17所示。,放电管中充有按一定比例混合的He和Ne气体，作为激光的工作物质。A与K之间加以上千伏小电流的高压，作为激励能源。反射镜M1和M2与光轴垂直安放，构成谐振腔。工作方式为连续激励方式。输出波长：632.8nm，1.15m和1.52m，3.39m几种谱线。Ne原子产生激光谱线，He原子起共振转移能量作用，影响输出功率。输出功率：几mW到十几mW。需用稳频的方法来提高激光频率和波长的稳定度。,选择和使用He-Ne激光器注意事项,1）注意激光的模态。在光电测量中选用He-Ne激光器作为光源时，一般选用工作稳定性好的单模激光。激光的模态：激光的模态记作TMEmnq，其中q为纵模序数，m、n为横模序数。对于单模激光，其模态为TEM00。纵模：指在谐振腔内沿光轴方向形成谐振的振荡模式。谐振腔频率表达式为：,（3-8）,式中，c为光速；n为激光工作物质折射率；l为谐振腔长；q为正整数。式(3-8)表明只有谐振腔的光学长度等于半波长整数倍的那些光波才能形成稳定的振荡，因此激光器输出激光的频率有多个，即多个纵模。单一纵模输出的获取方法：选择谐振腔的腔长和在反射镜上镀选频波长的增强膜。,图3-18激光的基模和几个高阶模的光斑形状a)TEM00模b)TEM10模c)TEM13模d)TEM11模,激光基模和几个高阶模的光斑形状假设用一感光屏垂直于z轴拦截激光束，屏上光斑形状如图3-18，m，n分别对应于x和y方向的暗纹间隔数，q略去。图a为均匀的圆形光斑，称为基模，记作TEM00；图b在X方向有一个极小值，记作TEM10；图c在X方向有一个极小值，在Y方向有3个极小值，记作TEM13；图d在X、Y方向各有一个极小值，记作TEM11。,TEM00,TEM10,TEM11,4）激光束的漂移,由于激光器的光学谐振腔受温度和振动的影响，使谐振腔的腔长变化、反射镜发生倾角变化，从而造成输出激光束产生漂移。一般角漂移达到1左右，光束平行漂移大约十多m。使用激光作精密尺寸测量和准直测量时，应设法补偿或减小漂移的影响。,4.半导体激光器及其使用要点半导体激光器简称LD，它是用半导体材料（ZnS、GaAs、PbS、GaSe、GaAlAs(砷化镓铝)等）制成的面结型二极管。工作原理（图3-19）谐振腔：半导体材料是LD的激活物质，在半导体的二个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。a.给半导体施以正向外加电场，产生电激励。b.在外部电场作用下，使半导体的P-N结中N区多数载流子即电子向P区运动，而P区的多数载流子空穴向N区运动。,图3-19半导体激光器的工作原理a)半导体发光原理图b)半导体激光器的工作原理图,c.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。d.由解理面谐振腔的共振放大实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。LD的功率和单色性：*输出功率：几mW数百mW，脉冲输出时可达数W。*单色性比He-Ne激光差，比LED好。其谱线宽度比He-Ne激光大104倍左右，比LED小102104倍左右。使用半导体激光器时注意事项1）LD发出的光束不是高斯光束，光束截面近似矩形，发散角较大。作为平行光照明时需用柱面镜将光束整形，再用准直镜准直。2）频率稳定性。因单色性比He-Ne激光差，因此相干性也较差。作相干光源或大距离测量时，需进行稳频。LD的稳频法：吸收法和电控法。吸收法：稳频精度较高，达10-810-10，但复现性差，方法复杂。电控法：电流控制法的频率稳定度可达10-710-8，主要是用电控法稳定谐振腔的腔长。,LD稳频框图,图3-20为LD稳频框图。其工作过程如下：对LD的结电压采样与参考电压相比较比较值经A/D变换为数字量送到单片机处理D/A转换为模拟量经功率放大送给帕尔贴元件（具有温差电效应的电流/温度变换器）经铝壳使LD的P-N结发生温度变化引起LD的结电压变化。整个过程简述为：闭环电流温度结电压控制，使LD输出频率保持稳定。,3）调频。由式（3-12）可知改变LD的注入电流i会使LD的输出频率产生的变化。内调制：在LD内部使注入电流按某一频率变化规律来变化，来实现输出激光的调频。应用：由此原理制成的半导体激光器可用于外差测量。,第三节照 明 系 统,照明对光学系统的成像质量起着非常重要的作用，本节内容包括：1.照明系统的设计原则，2.照明的种类。一、照明系统的设计原则照明系统的设计要求：保证足够的光能。保证足够照明范围，照明均匀。照明光束应充满物镜的入瞳。应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。合理安排布局，避免光源高温的有害影响。,两个设计原则：1）光孔转接原则。照明系统的出瞳应该与物镜的入瞳重合，否则照明光束不能充分利用。,图3-22光孔转接示意图,出瞳与入瞳不重合（图3-22）：右上部阴影部分为被物镜的入瞳所遮挡，不能参与成像，因此没有充分利用光束。,2)照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量。拉赫不变量定义为（图3-23)：J=nyu=nyu(3-13)含义：拉赫不变量表示光学系统在近轴区成像时，在物像共轭面上，物体的大小y、成像光束的孔径角u、物空间介质的折射率n的乘积为一常数。,图3-23拉赫不变量示意图,按原则2（拉赫不变量）的要求：照明系统的 n0y0u0 nuy nyu在显微镜中：由于显微镜的放大倍率很高，成像光束的像方孔径很小，并且被观察的物体通常是不发光的，所以必须保证充足的照明。,二、照明的种类分为5类，1.直接照明，2.临界照明，3.远心柯勒照明，4.光纤照明，5.同轴反射照明,一）直接照明按照明方法来分：1.透射光亮视场照明 2.反射光亮视场照明 3.透射光暗视场照明 4.反射光暗视场照明,图3-25直接照明四种类型a)透射光亮视场照明b)反射光亮视场照明c)透射光暗视场照明d)反射光暗视场照明图中阴影部分为照明光场,直接照明按光源类型分为：白炽灯照明，光纤照明，LED照明等。,1.透射光亮视场照明 照明光源和物镜在物的两侧，物平面上各部分的透射率不同而调制照明光。当物体为无缺陷的玻璃板时，得到均匀的亮视场。2.反射光亮视场照明 照明光源和物镜在物的同侧，物平面上各部分的反射率不同而调制照明光。当物体为无缺陷的漫反射表面时，得到均匀的亮视场。,3.透射光暗视场照明 照明光源和物镜在物的两侧，倾斜入射的照明光束在物镜侧向通过，当物体为无缺陷的玻璃板时，无光线进入物镜成像，因此得到均匀的暗视场。物体有缺陷时，光束通过物体内部结构的衍射、折射和反射射向物镜而形成物体缺陷的像。4.反射光暗视场照明 照明光源和物镜在物的同侧，从物镜旁侧入射到物体的照明光束经反射后在物镜侧向通过，当物体为无缺陷的反射镜面时，无光线进入物镜成像，得到均匀的暗视场。物体有缺陷时，光束通过衍射和反射射向物镜而形成物体的像。,图3-26临界照明,(二)临界照明临界照明：光源发出的光通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式。图3-26中，照明光源灯丝成像到物平面上，照明在视场范围内有最大的亮度，并且没有杂光。缺点：光源亮度不均匀性将直接反映到物面上；不满足光孔转接原则。,(三)远心柯勒照明,图3-27远心柯勒照明,原理（图3-27）：集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上。特点：a消除了