光机电测控技术基础【第2章 光电技术基础】.ppt
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1、光机电测控技术基础,任课教师:严晗 武汉理工大学 机电工程学院,第2章 光电技术基础,目录 2-1 光的基本概念 2-2 光辐射与热辐射 2-3 光源的基本特性参数 2-4 光电技术中的光源 2-5 光学量的测试技术 2-6 光辐射调制概述,2019/6/1,牛顿微粒说 根据光直线传播现象,对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象:干涉、衍射和偏振 波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论:光是一种电磁波,2-1 光的基本概念,2019/6/1,光量子说 1900年普朗克在研究黑体辐射时,提出辐射的量子论 1905年,爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量
2、子的概念 光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性,2-1 光的基本概念,光辐射 狭义:可见光 广义:可见光、 红外辐射、 X射线、紫外辐射,2-1 光的基本概念,辐射度学量:用能量单位描述光辐射能的客观物理量 (物理的,用下脚标“e”表示) 光度学量:描述光辐射能被平均人眼接受后所引起的视觉 刺激的强度(生理的,用下脚标“v”表示) 光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为基础,受到了主观视觉的限制,不是客观的物理学描述方法。 辐射度学量和光度学量是一一对应的,它们之间有着一定的关系。,2-2 光辐射与热辐射,2019/6/1,辐射度学量,辐射能Qe :一种以电磁波的形式发射、传播或接
3、受的能量。单位:焦耳J 辐射通量e:单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量,又称辐射功率Pe,是辐射能的时间变化率。单位:瓦W。 e=d Qe/dt,辐射是一种能量形式,既有电磁性质,又有量子性质。 辐射伴随着能量的转移。,2-2 光辐射与热辐射,辐射强度Ie :点辐射源在给定方向单位立体角内的辐射通量,单位为W/sr(瓦每球面度), Ieded 辐射亮度Le:扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量。单位为Wsrm2(瓦每球面度平方米),2-2 光辐射与热辐射,辐射照度Ee:投射在单位面积上的辐射通量,即Ee dedA,单位为Wm2(瓦每平方米)。 d
4、A是投射辐射通量de的面积元。 辐射出射度Me: 扩展辐射源单位面积所辐射的通量,即dedS, de由是扩展源表面dS在各方向上所发出的辐射通量,单位为 W/m2(瓦每平方米)。 Ee和Me的单位相同,其区别在于: Ee是描述辐射接收面所接收的辐射特性,而Me则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。,2-2 光辐射与热辐射,辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射通量,需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。 光谱辐射通量 e():辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。也叫辐射通量的光谱密度。 即光谱辐射通量是辐射通量随波长的变化率。,单位
5、为Wm(瓦每微米),或Wnm(瓦每纳米)。,2-2 光辐射与热辐射,光度学量,光谱光视效率: 人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的;对绿光最灵敏,对红、蓝光灵敏度较低; 另外,受视觉生理和心理影响,不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。 视见函数(“标准光度观察者”光谱光视效率):国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果,确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度。,2-2 光辐射与热辐射,明视觉光谱光视效率:亮度 3cd/m2,V (),峰值在 555nm,锥体细胞 暗视觉光谱光视效率:亮度 0.001cd/m2,V (),峰值在 507nm,杆状细胞,0,507,55
6、5,700,620,380,V (),V (),波长(nm),光谱光视效率,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,2-2 光辐射与热辐射,光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为基础,受到了主观视觉的限制,不是客观的物理学描述方法; 只在可见光波段有意义; 用下脚标“v”表示,辐射度学量和光度学量是一一对应的。,2-2 光辐射与热辐射,辐射度量和光度量的对照表,2-2 光辐射与热辐射,坎德拉(candela,cd):发光强度(IV )的单位,国际单位制中七个基本单位之一。定义是发出频率为5401012Hz(对应在空气中555nm)的单色辐射,在给定方向上的辐射强度为1/683 Wsr-1时
7、,在该方向上的发光强度为1cd。 流明(lm):光通量(V)的单位,定义是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角(1sr)内发出的光通量。 勒克斯(lx):光照度(EV )的单位,它相当于1lm的光通量均匀地照在1m2面积上所产生的光照度。,光度量的主要单位,2-2 光辐射与热辐射,光度量与辐射量之间的统一函数关系 Km:光功当量,明视觉的最大光谱光视效率系数,它表示人眼对波长为555nm光辐射产生光感觉的效能。Km680 lm / W,2-2 光辐射与热辐射,热辐射:由于外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。 热辐射源的特性:它的辐射能量直接与它的温度有关。 热平衡辐射:如果物体从周围
8、物体吸收幅射能所得到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量,则辐射过程达到平衡状态,这称为热平衡辐射。,2-2 光辐射与热辐射,适用于红外波段 任何物体只要它的温度高于热力学温度(0K或摄氏-273),它就一定不断地发射电磁辐射(热辐射)。 只要外界传递热量给物体以维持物体的温度不变,物体就能不改变内能持续稳定地发射电磁波。,2-2 光辐射与热辐射,在研究热平衡辐射所遵从的规律时,我们假定物体发射能量和吸收能量的过程中,除了物体的热状态有所改变外,它的成分不发生变化。 热辐射的辐射光谱是连续的。 热辐射不仅与物体温度有关,而且与物体表面特征有关。,2-2 光辐射与热辐射,黑体辐射 任何0 K温度以
9、上的物体,都会由于其中的分子、原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电磁波,这种现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱,波长自远红外区到紫外区,并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。,2-2 光辐射与热辐射,当辐射从外界入射到“不透明”(不限于可见光不透明)的物体表面上时,一部分能量被吸收,另一部分能量从表面反射(如果物体是透明的,则还有一部分能量透射)。需要强调的是任何物体向周围发射电磁波的同时,也吸收周围物体发射的辐射能。 (1) 吸收比 被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比,用表示。,2-2 光辐射与热辐射,(2) 反射比
10、 反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比,用表示。对于不透明的物体,单色吸收比和单色反射比之和等于1,即,2-2 光辐射与热辐射,若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸收比都等于1,即,则称该物体为绝对黑体(简称黑体)。它没有反射,也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。,2-2 光辐射与热辐射,(3) 人工黑体 作为一种理想化模型,人工黑体是人工制作的、接近于黑体的模拟物。 对于不透明的物体,当反射系数为1时,称为白体或镜(面反射)体。现实中的物体介于黑体、白体之间。 (4) 灰体 当某种
11、物体的辐射光谱是连续的,并且在任何温度下所有各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数,那么这种物体就叫做理想灰体,或简称灰体。实际物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的,因此不是灰体。但在工程计算上为了方便起见,近似把它们都看作是灰体,其发射率为介于0与1之间的正数。,2-2 光辐射与热辐射,基尔霍夫辐射定律 德国物理学家基尔霍夫指出:在热平衡状态下,任何辐射体的光谱辐出度与光谱吸收率的比值只是辐射波长和温度的函数,而与辐射体本身性质无关,即 式中为黑体的单色辐射出射度。这说明黑体必然是辐射本领最大的物体。,2-2 光辐射与热辐射,普朗克公式 普朗克假设物质
12、辐射的能量是不连续的,只能是某一个最小能量的整数倍。由此创立了量子理论。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,kB为波尔兹曼常数。 令,2-2 光辐射与热辐射,第一辐射常数,第二辐射常数。,为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度(辐射亮度)随波长的变化曲线。可见: 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。因而温度能唯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)。 单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。w/ (m2m) 单色辐射出射度的 峰值随温度的升高 向短波方向
13、移动。 黑体辐射单色辐射 出射度的波长分布,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等,这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 外光电效应:物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物 内光电效应:物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应:半导体受光照后,内部产生光生载流子,使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 光生伏特效应:
14、光照在半导体PN结或金属半导体接触上时,会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应:当用适当波长的光照射PN结时,由于内建场的作用(不加外电场),光生电子拉向n区,光生空穴拉向p区,相当于PN结上加一个正电压。 半导体内部产生电动势(光生电压);如将PN结短路,则会出现电流(光生电流)。,2-2 光辐射与热辐射,光热效应:材料受光照射后,光子能量与晶格相互作用,振动加剧,温度升高,材料的性质发生变化 热释电效应:介质的极化强度随温度变化而变化,引起电荷表面电荷变化的现象 辐射热计效应:入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象 温差电效应:由两种材料制成的结点
15、出现稳差而在两结点间产生电动势,回路中产生电流,光热效应,2-2 光辐射与热辐射,光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。在成份分析、结构研究、光电检测、照明设计等方面,都离不开一定型式的光源。 在光电系统中,光源往往起着关键的作用,正确选择光源,对设计光电系统和解决具体光电检测问题有重要意义。,2-3 光源的基本特性参数,辐射效率与发光效率 辐射效率定义:在给定12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,即:,相应地,对于可见光范围,某一光源的发光效率为:,辐射通量 W/W,光通量 lm/W,2-3 光源的基本特性参数,常
16、用光源的发光效率 (单位: lm/W),2-3 光源的基本特性参数,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布。,光源的光谱功率分布通常可分成四种情况:,线状光谱 带状光谱 连续光谱 混合光谱,低压汞灯、激光,高压汞灯、高压钠灯,荧光灯,热辐射光源、白炽灯,光谱功率分布(相对光谱功率分布),2-3 光源的基本特性参数,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,采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。 对于彩色摄影用光源,为了
17、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,通常使用紫外辐射较强光源。 紫外光刻系统中,采用365nm波长谱线辐射较强的光源,高压汞灯。,2-3 光源的基本特性参数,对于各向异性光源,其发光强度在空间各方向上是不同的。 配光曲线: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。,空间光强分布,提高光能利用率: 选择发光强度高的方向作为照明方向 反光罩,2-3 光源的基本特性参数,描述光源的辐射特性 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
18、特性常可用黑体辐射特性来近似地表示。 分布温度 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。 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。 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。,光源的色温,2-3 光源的基本特性参数,光源的颜色,色表: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
19、压钠灯的色表呈黄色,荧光灯的色表呈白色。 显色性: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。 显色性好的光源(白炽灯、卤钨灯、镝灯等),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。 显色性差的光源(高压汞灯、高压钠灯等),一般用于道路、隧道、码头等辨色要求较低的场合。,2-3 光源的基本特性参数,光源选择的基本要求,对光源发光光谱特性的要求 基本要求:光源发光的光谱特性必须满足检测系统的需要。 光源和光电探测器之间的光谱匹配系数,描述两光谱特性间的重合
20、程度或一致性。 W为光源光辐射通量的相对值;S为在光电探测器灵敏度的相对值。,2-3 光源的基本特性参数,对光源发光强度的要求 光源强度过低,系统获得信号过小,以至无法正常检测; 光源强度过高,会导致系统工作的非线性,有时可能损坏系统、待测物或光电探测器等,同时也导致不必要的能源消耗而造成浪费。 因此在系统设计时,必须对探测器所需获得的最大、最小光通量进行正确的估计,并按估计来选择光源。,2-3 光源的基本特性参数,对光源稳定性的要求 依据不同的检测对象来确定(脉冲、连续量)。同时也应考虑光源的造价,过分的要求会使设备昂贵,而对检测并无好处。 稳定光源发光的方法: 可采用稳压电源供电。 可采用
21、稳流电源供电。 所用光源应预先进行老化处理。 可对发出光进行采样,然后反馈控制光源的输出。,2-3 光源的基本特性参数,对光源其它方面的要求 如灯丝的结构和形状; 发光面积的大小和构成; 灯泡玻壳的形状和均匀性; 以及光源发光率和空间分布等;,2-3 光源的基本特性参数,自然光源:太阳、月亮、地球、星体、天空和地球上的物体 特点:光源的辐射对于光电探测系统来说通常很不稳定,而且无法控制。 处理方法:直接测量、分析、统计。 星等:星的亮暗程度用地面所接收到的照度来衡量,具体表示为星等数字的大小(不一定是整数)。星等数字越大,对地面的照度越弱。各星等间每差五等,其照度差为100倍。 nm 比零等星
22、更亮的星为负数。,自然光源,2-3 光源的基本特性参数,各自然辐射源的星等和地面的照度,2-3 光源的基本特性参数,光源亮度比较,单位:cd/m2,2-3 光源的基本特性参数,光源是一门专门技术学科,涉及光学、原子物理、电真空和色度学等多门知识,内容非常丰富。而且,随着光源技术的发展,可提供光电探测用的光源品种也日趋增多。 热辐射光源 气体放电光源 固体发光光源 激光器,2-4 光电技术中的光源,一、热辐射光源,热辐射光源三个特点: (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发光或辐射性质; (2) 发出的光通量构成连续的光谱,且光谱范围很宽,但紫外辐射和
23、可见光辐射含量很少; (3)采用适当的稳压或稳流供电,可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。 应用:热辐射光源除了用作照明或在各种光学和光电探测系统中充当一般光源外,还可用作光度或辐射度测量中的标准光源或标准辐射源(辐射定标)。其作用是完成计量工作中的光度或辐射度标准的传递。这在光学和光电检测中是必不可少的。,2-4 光电技术中的光源,1. 人造黑体辐射源,光谱范围:红外光区(0.75m2.5m或0.75m 6m),结构 辐射源:铜或不锈钢圆筒内有圆锥腔 绝缘层:石棉和硅酸盐水泥 加 热:电阻丝加热 温 度:温度计、自动控温仪 光 阑:黑体辐射输出,2-4 光电技术中的光源,2白炽灯,2-4
24、光电技术中的光源,白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态,利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年,美国的爱迪生制成了碳化纤维(即碳丝)白炽灯以来,经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进,白炽灯的发光效率也相应提高。 现代的钨丝白炽灯到1908年才由美国发明家库利奇试制成功。发光体是用金属钨拉制的灯丝,这种材料最可贵的特点是其熔点很高,即在高温下仍能保持固态。一只点亮的白炽灯的灯丝温度高达3000。正是由于炽热的灯丝产生了光辐射,才使电灯发出了明亮的光芒。 因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体,并在灯泡的玻璃表面上沉积,使灯泡变黑,所以白炽灯都被造成“大腹便便”的外型,这是为了使沉积下来的钨原
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