光电检测技术 第二章

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1、.,第二章 光电检测用光源,掌握内容 发光二极管和激光光源的产生机理及基本特性，为正确使用打下一定基础。 理解内容 光产生的基本原理及方法 了解内容 气体光源和部分固体光源的机理和基本特性。,.,第二章 主要内容 2.1光的产生 2.2光电仪器中的常用光源 2.3发光二极管 2.4激光光源 2.5其他光源,.,2.1 光的产生 一、光的辐射 l光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质 l粒子在不断地运动：原子内有若干电子围绕原子核不断运动 l运动有多种可能状态 l不同运动状态的电子具有不同能量 l当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。,.,假设E0 、 E1为电子的两个运动状态，E0为

2、基态，电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态时，能量从E1变到E0，此时发射光子的频率为： 式中： h为普朗克常数，h=66210-27尔格秒=4.13l0-15 eVS,.,应用：由于原子中有很多可能的能级，而原子受激后可发射出多种频率的光。因此，利用光的频率分立特性，用适当的仪器可以把它们分辩出来。 （分立的线光谱称为原子光谱，其中每一条谱线代表一个频率的光。） （一）热辐射 l温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度 l任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。 l自然界中的任何物体都是热辐射体。 温度低的物体发红外辐射，500。C左右时物体的温度辐射开始发部分暗红

3、色的可见光。温度越高，发出的辐射波长越短；大约在1500。C时的温度辐射体开始发白光。热辐射光谱是连续光谱。 应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据。 （二）发光辐射,.,二、光的产生方法 激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形 式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、 光致发光、化学发光、 热发光和场致发光。 1 电致发光 物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击， 使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能 态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时， 就会发出辐射。这一过程称为电致发光。 例如： 发光二极管所产生的光就是电致发光。,.,2 光致发光

4、物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射 称为光致发光。 例如： l荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉； 钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射)； l 短波长的紫外光照射到杂质(油污)上发出波长较长的可见荧光。 光致发光原理 当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用(吸收、动量传递等)，引起电子能态的改变， 电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。,.,3 化学发光 由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。 例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。 4 热发光 物体被加热到一定温度而发光，称热发光。 例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。 热发光的原理是特定的材料在

5、特定的温度下才可能发光。 火焰中的原子、离子或电子具有足够的动能去碰撞达到一定温度的钠原子，使钠原子受激而发光，其光谱为线光谱。,.,实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同属几种受激过程。例如： l 白炽灯中钨丝通以电流会发光，本质是电流通过电阻丝产生的热发光； l 物质加热后燃烧发的光通常是氧化化学反应发光； 平衡和非平衡辐射： l激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱。 l 温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。,.,三、光源分类 定义： 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。

6、 l天然光源：是自然界中存在的：如太阳、恒星等，在天文光电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。 l人造光源：人为将各种形式的能量(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。,.,分类：按照发光机理，光源可以分成如下几类： 太阳 热辐射光源 白炽灯、卤钨灯 黑体辐射器 汞灯 荧光灯 钠灯 气体放电光源 氙灯 光源 金属卤化物灯 空心阴极灯 场致发光 固体发光光源， 发光二极管 气体激光器 固体激光器 激光器 染料激光器 半导体激光器,.,2.2 光源的基本特性参数 一、辐射效率和发光效率 定义1： 在给定12波长范围

7、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。,.,定义2： 在给定1 2波长范围内，某一光源发出的光通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该光源的光效率。,.,（1）从e 、 可以看出，如果光电测量系统的光谱范围为1 2，那么应尽可能选用较高的光源。 （2）Km称为明视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为555nmV（ =555）=1光辐射产生光感觉的效能，且1 = 380nm， 2 = 780nm。实际上是光度参量对辐射度参量的转换常数。 （3）V（ ）称为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称视见函数。,.,二、光谱功率分布 定

8、义：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，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为l，将光谱功率分布进行规一化处理，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。,.,光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：l 图a为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成。如低压汞灯。 l 图b称为带状光谱，由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。 l 图c为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱。 l 图d为混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成。一般荧光灯的光谱就属于这种分布。,.,P（）,o,图21 四

9、种典型的光谱功率分布,.,应用：在选择光源时，光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。 l 在目视光学系统中，一般采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。 l 彩色摄影用光源，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。 l 在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源。 l 在光学仪器中，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。 l 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。,.,三、空间光强分布 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

10、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。,.,四、光源的色温 l 黑体的温度决定了它的光辐射特性。 （在任何温度下可以全部吸收任何波长辐射的物体称为绝对黑体,简称黑体） l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。 l 对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。,.,1 分布温度 定义： 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，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。 2 色温 定义： 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

11、黑体的这一温度称为该辐射源的色温。 由于一种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。 3 相关色温 定义： 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。,.,五、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。 例如高压钠灯的色表呈黄色。 荧光灯的色表呈白色。 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的颜色感觉)与该物

12、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。 白炽灯、卤钨灯、镝灯等几种光源的显色性较好，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。高压汞灯、高压钠灯等光源,.,2.3光电检测常用光源 激光和发光二极管是检测技术中应用广泛的光源。本节还另外介绍几种光源：热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源。 一、热辐射光源 定义：任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。 例如：炉上的一块铁，刚开始加热时，温度较低呈暗红色。若继续加热，随着温度的升高，铁块

13、的颜色会由暗红色逐渐变为炽白，而且发光也更明亮。 热辐射源遵循有关黑体的定律。,.,1、太阳 太阳可看成是一个直径为1.392 109m的光球。它到地球的年平均距离是1.496 1011m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.5330。 大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。在大 气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为： 紫外区(0.78um) 47.29 % 射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射的光谱和空间分布、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(02)、水汽(H20)、臭氧(03)、二氧化碳(C

14、02)、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太阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质。,.,2、黑体模拟器 在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角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。 黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。 实际工作温度的精确测量和控制是黑体辐射能（稳定）产生的关键。 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 定义 白炽灯发射的是可见光连续光谱，它是在电源供电下，依靠电能加热金属丝使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光的器件，因此称为白炽灯。

15、灯丝要求 熔点高，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； 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； 对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光辐射； 其他要求，如加工性能、机械性能等。,.,分类 真空白炽灯 玻壳内真空条件的作用是保护钨丝，使其不被氧化。它的功率不太大，其灯丝温度常在23002800 K之间，发光效率约为10 lm/W，进一步增加钨的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从而缩短寿命。 充气白炽灯 在灯泡中充入不和钨发生化学反应的惰性气体氩、氮或氩和氮的混和气体。当灯丝在高温下蒸发的钨原子与气体分子发生频繁的碰撞时，部分钨原子返回灯丝

16、表面，抑制钨的蒸发。因此，在与真空型灯泡同样寿命的条件下，充气钨丝白炽灯的工作温度可以提高到26003000 K左右，相应的光效提高到17 lm/W。 卤钨白炽灯 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。,.,图24 卤钨循环工作原理图,.,卤钨灯的特点 卤钨灯也是利用电能使灯丝发热到白炽状态而发光的电光源。但它具有较高的发光效率和较长的使用寿命，得到了方泛应用。与白炽灯相比，它有许多优点： (1) 体积小，是同功率白炽灯的0.5%3%，因而可使光学系统小型化； (2) 光通量稳定，最终的光通量为开始的9598，而白炽灯为60； (3) 紫外线较丰富，因卤钨灯