_第2章+光电检测用光源

一、光源的产生与分类光的辐射光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质；粒子在不断地运动：原子内有若干电子围绕原子核；运动有多种可能状态，不同运动状态的电子具有不同能量；当它们的运动受到扰动时就可能发射出电磁波。3一、光源的产生与分类假设E0，E1为电子的两个运动状态，E0为基态，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：hEEv01h为普朗克常数，h=6.62×10-27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。）4一、光源的产生与分类（一）热辐射•温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度•任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。•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，5000C左右时物体的温度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的辐射波长越短；大约在15000C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。发光的两种基本形式：5一、光源的产生与分类2.光致发光：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：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)；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。6一、光源的产生与分类光源分类光源热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器汞灯荧光灯钠灯氙灯金属卤化物灯场致发光灯发光二极管气体激光器固体激光器染料激光器半导体激光器7二、光源的基本特性参数1.光通量：光通量：是按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量（辐射功率）。用P表示，单位：光瓦，流明（lm）。光谱光效应函数V：描述人眼对不同波长单色光的视亮度感受性的差异。如图2.1-3明视觉(3cd/m2)光谱光效应函数(锥状视觉细胞）：将黄绿光=555nm的感觉量定为1，其余波长光的感觉量都小于1，如图中的实线；暗视觉光谱光效应函数（杆状视觉细胞）：以蓝绿光=510nm的感觉量定为1，如图中虚线。Km：明视觉最大光谱光视效能（视感度）km=683lm/W8光通量的计算公式：若为多色光，则光通量为各单色光的总和。即：单位换算：1光瓦等于辐射通量为1W，波长的黄绿光所产生的光感觉量。光瓦单位太大，常用另一较小单位流明（）。nm555lmlm6831光瓦,mEKVd例：已知钠光灯发出波长为589nm的单色光，其辐射通量为10.3W,计算其光通量?已知：明视觉函数V(589)=0.78光通量=视觉函数*辐射通量*Km二、光源的基本特性参数9二、光源的基本特性参数2.发光强度：•发光强度：指光源所发出的光通量在空间的分布密度。不同光源发出的光通量在空间的分布往往不同。公式计算：当点光源在某一方向上的无限小立体角内发出的光通量为时，则该方向上的发光强度为ddPddPI如图2，在一半径为的球心O处放一光源，它向球表面ABCD所包围面积S上发出P的光通量。面积S在球心形成的立体角为则这一方向的发光强度为：r)(lm2rsPI•发光强度的单位：坎德拉（Candela），符号。立体角的单位：球面度，符号。cdsrsrlmcd111103.照度：照度：表示被照面上的光通量密度。计算公式：设被照面无限小面积上所接受的光通量为，则该点处的照度为：当光通量均匀分布在被照面上时，则此时被照面的照度为：单位：勒克斯dSdPESPEdSdPPS)(xl2111mlmlx二、光源的基本特性参数114.亮度：•一单元表面在某一方向上的发光强度密度。•物体在视线方向上的发光强度越大，投影面积越小，就感到它越亮，即亮度越大。•亮度单位：熙提sb，1cd/cm2=104cd/m2•太阳亮度20万sb，蓝天0.2~2.0sb，白炽灯灯丝亮度300~500sb。cosdAdIL二、光源的基本特性参数12例：100W白炽灯的光通量、发光强度、照度关系1、光通量：1250lm。2、发光强度：)(5.9941250cdPI如果加反射灯罩，把光向1/4个球面的立体角范围投射，该方向的发光强度为398cd。3、照度：在该灯正下方2米位置的照度为lxSPE88.242412502二、光源的基本特性参数13145.辐射效率和发光效率定义1：在给定λ1—λ2波长范围内，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。pdpee21)(pdVpKm21)()(定义2：在给定λ1—λ2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，称为该光源在规定光谱范围内的发光效率。二、光源的基本特性参数（1）从ηe、ην可以看出，如果光电测量系统的光谱范围为λ1~λ2，那么应尽可能选用η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555nm[V（λ=555）=1]光辐射产生光感觉的效能，且λ1=380nm，λ2=780nm。实际上是光度参量对辐射度参量的转换常数。（3）V（λ）称为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称视见函数。156.光谱功率分布定义：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：线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成。如低压汞灯。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。连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱。混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成。荧光灯的光谱λ二、光源的基本特性参数P（λ）λP（λ）16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。•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。•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。•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。•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。•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。二、光源的基本特性参数7.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。8.光源的色温•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）•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。二、光源的基本特性参数（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。179.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。二、光源的基本特性参数18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。三、光电检测常用光源19201、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：o紫外区(0.38um)6.46%o可见区(0.38—0.78um)46.25%o红外区(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(C02)、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。三、光电检测常用光源212、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。三、光电检测常用光源3、白炽灯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。灯丝要求①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；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其他要求，如加工性能、机械性能等。22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2300～2800K之间，发光效率约为1