光電檢測技術(shù)2

1、第第2章章 光電檢測中的常用光源光電檢測中的常用光源 在光電檢測系統(tǒng)中，電光源是最常用的光源。按照光波在時間、空間上的相位特征，一般將光源分成相干光源和非相干光源。2.1 光源的特性參數(shù)1.1.輻射效率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率 在給定12波長范圍內(nèi)，某一輻射源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該輻射源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率，表示為 某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的發(fā)光效率 單位為1mW(流明每瓦)。下表所列的為一些常用光源的發(fā)光效率。PdPeee21)(PdVKPemvv780380)()(2.光譜功率分布 光源的光譜功率分布分成

2、四種情況，如下圖所示。圖中,(a)為線狀光譜。 (b)稱為帶狀光譜， (c)為連續(xù)光譜， (d)是混合光譜， 在選擇光源時，它的光譜功率分布應由測量對象的要求來決定。在目視光學系統(tǒng)中，一般采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。對于彩色攝影用光源，應采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計中，通常使用氘燈、汞氙燈等紫外輻射較強的光源。(a)(b)(c)(d)2.1.3 空間光強分布空間光強分布 常用發(fā)光強度矢量和發(fā)光強度曲線來描述光源的這種特性。在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該方向的發(fā)光強度成正比，稱其為發(fā)光強度矢量。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上

3、的發(fā)光強度分布曲線，也稱配光曲線。下圖是氣體發(fā)光光源光強分布。 2.1.4 2.1.4 光源的顏色光源的顏色 光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。 用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。例如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。 當用這種光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色(也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺)與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的致性，稱為該光源的顯色性。2.1.5 2.1.5 光源的色溫光源的色溫 黑體的溫度與它的輻射特性是一一對應的。從光源的顏色與溫度的這種關(guān)系，引出了顏色溫度的概念，簡稱色溫。一般光源，經(jīng)常用色溫、相關(guān)色溫和分布溫度表示。 1)色

4、溫 如果輻射源發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射出的光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。 2)相關(guān)色溫 若個光源的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關(guān)色溫表示。在均勻色度圖中，如果光源的色坐標點與某溫度下的黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為這個光源的相關(guān)色溫。 3)分布溫度 輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布，與黑體在某溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為這個輻射源的分布溫度。選擇光源時，應綜合考慮光源的強度、穩(wěn)定性、光譜特性等性能。2.2 熱輻射源 根據(jù)斯奇芬-玻爾茲曼定律知，物體只要其溫度大于絕對零度，都會向外界

5、輻射能量，其輻射特性與溫度的四次方有關(guān)。物體由于溫度較高而向周圍溫度較低環(huán)境發(fā)射能量的形式稱為熱輻射，這種物體稱為熱輻射源2.2.1 太陽太陽 太陽直徑約為1.392109m。它到地球的年平均距離是1.4961011m。從地球上觀看太陽時，太陽的張角只有0.533o。 太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射,見下圖。 其平均輻亮度為2.01107Wm-2sr-l 平均亮度為1.95109cdm-2。 在大氣層外，太陽對地球的輻照度值在不同的光譜區(qū)所占的百分比為 紫外區(qū)(0.78 ) 47.29 mmm2.2.黑體模擬器黑體模擬器 在許多光電儀器中，往往需要輻射源的溫度特性和光譜特性酷似

6、理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器，也稱基準輻射源， 下圖給出了幾種工程黑體的典型結(jié)構(gòu)。由圖可見，工程黑體的內(nèi)腔呈簡單的幾何形狀球形、錐形、圓柱型，或者是這些形狀的組合。 在實際應用中，基準輻射源稱為黑體爐，由石墨制做，外壁包上較厚一層可長時間承受工作高溫的熱絕緣材料，以利于保溫。采用電加熱線圈加熱，其線圈繞制、排列保證均勻加熱。此外，腔體內(nèi)置有高精度的熱電偶或熱電阻，用其檢測輻射器空腔內(nèi)的溫度。為了使溫度均勻穩(wěn)定，全輻射器空腔的幾何尺寸中l(wèi)/d1.5。內(nèi)腔的長度為L,出口直徑為d。黑體模擬器的結(jié)構(gòu)如上右圖所示，目前的黑體模擬器最高工作溫度為3000K，而實際應用的大多是在2000K以

7、下。 3.3.白熾燈白熾燈 白熾燈是光電測量中最常用的光源之。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體輻射曲線相差約0.5，而在整個光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2。 白熾燈有真空鎢絲燈、充氣鎢絲燈和鹵鎢燈等， 如果在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑(如氯化碘、溴化硼等)，在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán)，即蒸發(fā)的鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物，而該鹵鎢化合物擴散到溫度較高的燈絲周圍時，又分解成鹵素和鎢。這樣，鎢就重新沉積在燈絲上，而鹵素被擴散到溫度較低的燈泡壁區(qū)域再繼續(xù)與鎢化合。這一過程稱為鎢的再生循環(huán)，如下圖。鹵鎢循環(huán)延長了燈的壽命。燈的色溫可達3200K，發(fā)光效率也相應提高到30lmW。 2.

8、3 氣體放電光源 也稱氣體燈。制作時在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氦、氖、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鈉、鉈、鏑等，這些元素的原子在電場作用下電離出電子和離子。 當離子向陰極、電子向陽極運動時，從電場中得到加速，當它們與氣體原子或分子高速碰撞時會激勵出新的電子和離子。在碰撞過程中有些電子會躍遷到高能級，引起原子的激發(fā)。受激原子回到低能級時就會發(fā)射出相應的輻射，這樣的發(fā)光機制被稱為氣體放電原理。 氣體放電光源具有下述特點； 1.發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高210倍。 2.由于不靠燈絲發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊耐震、抗沖擊。 3.壽命長。一般比白熾燈壽命長210倍。 4.光色適應性強，可在較

9、大范圍內(nèi)選擇。 由于上述特點，氣體放電光源具有很強的競爭力，在光電測量和照明中得到廣泛使用。 這種燈的特點是在極短的時間內(nèi)發(fā)出很強的光輻射，其結(jié)構(gòu)和工作電路原理如下圖所示 氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近(見左下圖)，色溫約6000K左右，顯色指數(shù)90以上，因此有“小太陽”之稱。氙燈分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。長弧氙燈的發(fā)光效率為2530lmW右下圖是氘燈的外形及其紫外光譜分布圖。氘燈的紫外線輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長，因此常用作各種紫外分光光度計的連續(xù)紫外光源。 2.3.2原子光譜燈原子光譜燈 原子光潛燈又稱空心陰極燈，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。陽極和圓筒形陰極封在玻殼

10、內(nèi)，玻殼上部有透明石英窗。工作時窗口透射出放電輝光，其中主要是. 2.3.3 汞燈汞燈 汞燈分低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈三類。它們的光譜能量分布如下圖所示。 2.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 固體發(fā)光光源又稱平板發(fā)光器件或平板顯示器固體發(fā)光光源又稱平板發(fā)光器件或平板顯示器。平板顯示器的厚度較薄，看上去就像一塊平板。平板顯示(FPD) 按發(fā)光類型分主動發(fā)光型和被動發(fā)光型兩種。前者媒質(zhì)自己發(fā)光，后者則靠媒質(zhì)調(diào)制外部光源實現(xiàn)信息顯示。按媒質(zhì)和工作原理分液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)、電致發(fā)光顯示(ELD)和場致發(fā)光顯示(FED)等。2.4.12.4.1場致發(fā)光光源場致發(fā)光光源 場致發(fā)

11、光是固體在電場的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象，也稱電致發(fā)光。1交流粉末場致發(fā)光屏 該發(fā)光屏的結(jié)構(gòu)如下圖所示。 1-玻璃板；2-熒光粉層；3-高介電常數(shù)反射層；4-鋁箔；5-玻璃板；6-透明導電膜。 交流發(fā)光屏的工作特性與所加電壓U和頻率f有關(guān)，如下圖所示。當f一定時，發(fā)光亮度的經(jīng)驗公式為 )(exp2/100VVLL2.4.2直流粉末場致發(fā)光屏 這種發(fā)光屏結(jié)構(gòu)與交流發(fā)光屏相似，它依靠傳導電流產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光。常用的發(fā)光材料是ZnS:Mn、Cu，發(fā)橙黃色的光。 直流發(fā)光屏亮度較高，而且亮度隨傳導電流的增大而迅速上升。其優(yōu)點是驅(qū)動電路簡單、制造工藝簡單和成本低。 2.4.3薄膜場致發(fā)光屏 薄膜

12、發(fā)光屏與粉末發(fā)光屏在形式上很相似，但是很薄（約1微米左右），其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示，在薄膜的兩電極間施加適當?shù)碾妷壕涂砂l(fā)光。一般有交流和直流薄膜電致發(fā)光屏兩種形式。 薄膜發(fā)光屏的主要特點是均勻致密、分辨力高，對比度好，驅(qū)動電壓低。可用于隱蔽照明，固體雷達屏幕顯示和數(shù)碼顯示等。 與其它光源相比，場致發(fā)光光源（發(fā)光屏）有以下優(yōu)點：(1)固體化、平板化，因而可靠、安全、占地小，易于安裝；(2)面積、形狀幾乎不受限制，因此可以通過光刻、透明導電膜和金屬電極掩蔽鍍膜的方法，制成任意發(fā)光圖形；(3)屬于無紅外輻射的冷光源，因而隱蔽性好，對周圍環(huán)境沒有影響；(4)視角大，光線柔和，易于觀察；(5)壽命長,可連

13、續(xù)使用幾千小時，而發(fā)光不會突然全部熄滅；(6)功耗低，約幾毫瓦厘米2；(7)發(fā)光易于通過電壓控制。場致發(fā)光光源缺點，主要是亮度較低(一般使用亮度為50cdm2左右)；驅(qū)動電壓高(通常需上百伏)；老化快等等。 場致發(fā)光光源主要應用于以下幾個方面：(1)特殊照明。(2)數(shù)字、符號顯示。(3)模擬顯示。 (4)矩陣顯示，又叫交叉電極場致發(fā)光顯示。 (5)圖象轉(zhuǎn)換及圖象增強。2.4.2 其他平板顯示器件 1 液晶顯示 2.等離子體顯示(PDP) 等離子體顯示板(Plasma Display Panel，PDP)是利用惰性氣體在一定電壓作用下產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體，而直接發(fā)射可見光，或者發(fā)射紫外線（

14、VUV）進而激發(fā)熒光粉發(fā)光的一種主動發(fā)光型平板顯示器件。3.真空熒光顯示(VFD) 真空熒光顯示是利用氧化鋅系列熒光粉在數(shù)十伏低能電子轟擊下發(fā)光而制成的顯示器件。4.電致變色顯示(ECD) 自然界中的一些物質(zhì)在熱、光、電的刺激下其顏色會發(fā)生變化。所謂電致變色是指在電的作用下，物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應，使物質(zhì)的顏色發(fā)生可逆性變化的現(xiàn)象。利用這一現(xiàn)象制作的顯示器件就叫作電致變色顯示。 5. 電泳顯示(EPD) 電泳是指懸浮在液體中的帶電粒子在外電場作用下定向移動并附著在電極上的現(xiàn)象。如果帶電粒子有一定顏色，就可利用電泳實現(xiàn)信息顯示，這就是電泳顯示。 2.4.3 結(jié)型發(fā)光光源-發(fā)光二極管和激光二極管 發(fā)

15、光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復合而產(chǎn)生發(fā)光的一種結(jié)型發(fā)光器件，也稱作注入式場致發(fā)光光源。 1.發(fā)光二極管工作原理 實際上發(fā)光二極管就是一個由P型和N型半導體組合成的二極管，如下圖所示。 以GaAs發(fā)光二極管為例說明它的工作原理。如果把受主材料摻雜到GaAs中，就可形成P型半導體。把施主材料摻雜到GaAs中，就可形成N型半導體。當把它們結(jié)合時，P型和N型區(qū)域間就形成PN結(jié)。我們知道，PN結(jié)未加偏壓時，在PN結(jié)內(nèi)形成內(nèi)電場，內(nèi)電場阻礙電子從N區(qū)進入P區(qū)，空穴從P區(qū)進入N區(qū)。在外電場作用下，電子和孔穴就會克服內(nèi)電場作用，電子從N區(qū)橫越結(jié)區(qū)進入P區(qū)，空穴從P區(qū)橫越結(jié)區(qū)進入N區(qū)。在耗盡層里，電

16、子能夠自發(fā)地與空穴復合而放出能量-產(chǎn)生光子，光子朝各個方向運動，這就形成了結(jié)型發(fā)光，這就是LED。在LED中，向各個方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。 為了使發(fā)光二極管能產(chǎn)生激光，必須限制和引導復合層里的光子，使光強增加到產(chǎn)生受激發(fā)射的程度。 2.2.發(fā)光二極管的特性參數(shù)發(fā)光二極管的特性參數(shù) (1)(1)量子效率量子效率 發(fā)光二極管的量子效率有內(nèi)量子效率和外量子效率之分。內(nèi)量子效率用符號 表示GNrqi外量子效率用 表示 eqGNTqeqiNr為產(chǎn)生的光子數(shù)； G為注入的電子空穴對數(shù)。 NT為器件射出的光子數(shù)。 (2)(2)發(fā)光與電流的關(guān)系發(fā)光與電流的關(guān)系 下圖表示幾種發(fā)光二極管的光出射度與電流密度的

17、關(guān)系。 (3)光譜特性光譜特性 發(fā)光二極管的材料直接決定著它的發(fā)光顏色，目前已能制造出紅、綠、黃、橙、藍、紅外等各種顏色的發(fā)光二極管。下圖表示GaAs0.6P0.4和GaP紅色發(fā)光的光譜能量分布 (4)響應時間響應時間 響應時間是指注入電流后發(fā)光二極管點亮(上升)或熄滅(衰減)的時間。發(fā)光二極管的上升時間隨著電流的增大近似地成指數(shù)減小。 發(fā)光二極管可用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可達幾十兆赫。(5)壽命壽命 發(fā)光二極管的壽命一般是很長的，在電流密度小于lAcm2時，壽命可達106小時，即可連續(xù)工作一百余年。這是任何光源均無法與之競爭的。 2.5 激光器激光器2.5.1.激光原

18、理激光原理 單位時間里，處于低能態(tài)E1的每一個原子，躍遷至高能態(tài)E2之受激吸收概率，記作R12，它正比于頻率為=(E2-E1)/h的光譜能量密度()。 處于高能態(tài)E2 原子躍遷至低能態(tài)E1之受激輻射的概率，也正比于光譜能量密度()，為B21()。自發(fā)輻射之概率卻與入射之光譜能量密度()無關(guān)，為A21。于是總的輻射概率為 式中，B B1212和和B B2121稱為愛因斯坦稱為愛因斯坦B B系數(shù)系數(shù)，A A2121稱為愛因斯坦稱為愛因斯坦A A系數(shù)系數(shù)，它們與原子的能級性質(zhì)有關(guān)。 )(1221vBR)(212112vBAR上述結(jié)果，是首先由愛因斯坦于1917年得到的。此結(jié)果給出了三種可能的躍遷系數(shù)

19、之比。前式說明，受激吸收系數(shù)與受激輻射系數(shù)相等。后式說明，自發(fā)輻射系數(shù)與受激輻射系數(shù)之比，正比于3，這就是說，若原子二能級系統(tǒng)的能級差越大，則自發(fā)輻射的概率就越大于受激輻射之概率。12112BB3321218chvBA3 3激光產(chǎn)生的必要條件激光產(chǎn)生的必要條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光泵、諧振腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光泵、諧振腔 1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在熱平衡條件下，原子按能級服從玻耳茲曼分布，有nln2。但是，在非平衡態(tài)，就有可能使原子數(shù)按能級分布反轉(zhuǎn)為nln2，稱這種分布為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 2)光泵 為了保持原子系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，需不斷地將原子從低能態(tài)抽運至高能態(tài)，并將能量注入原子系統(tǒng)，以維持激光運轉(zhuǎn)所必需之能量。這

20、種將原子從低能態(tài)抽運至高能態(tài)的過程，稱為光泵(optical pumping)。光泵可以是電學的、化學的、熱學的或者光學的方法。 3)諧振腔 激光器之兩端面，如同F(xiàn)-P干涉儀之兩端面，所不同的是，激光腔兩個端面之一是全反射的，而另一面是部分透射的。 2.5.2.激光器的結(jié)構(gòu)和工作過程激光器的結(jié)構(gòu)和工作過程 為滿足產(chǎn)生激光的必要條件，激光器一般由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源三部分組成，如下圖所示.要產(chǎn)生激光，激光器的諧振腔要精心設計，反射鏡的鍍層對所激發(fā)波長的光要有很高的反射率、很小的吸收系數(shù)、很高的波長穩(wěn)定性和機械強度。因此實用的激光器要比下圖所示的結(jié)構(gòu)復雜得多。 2.5.3.激光器的類型激光器的類型 按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導體激光器等。 1.氣體激光器 主