[信息与通信]光电检测技术第三章.ppt
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1、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
2、,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。
3、 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、+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
10、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
11、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
12、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
13、-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。,
14、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
15、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
16、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30
17、003200K,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
18、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
19、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。
20、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
21、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
22、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。
23、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(100
24、V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
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