光电系统设计第三章

（5）光源的颜色
• 光源的颜色包含两个方面的含义： • 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。 • 显色性——用某种光源照射物体时，物体呈现 的颜色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。国际照 明委员会规定了14种特殊物体作为检验光源 显色性的“试验色”。 • 常用光源中，白炽灯、卤钨灯、氙灯的显色性 较好；高压汞灯、高压钠灯的显色性较差。
（2）直流粉末场致发光光源
• 特点：亮度较高；制造工艺简单，成本低；外 部驱动方便。 • 缺点：效率低；寿命短。 • 应用：数码、字符和矩阵寻址显示等方面
（3）发光二极管
• 属于低电压小电流器件，在室温下即可得 到足够的亮度； • 发光相应速度快； • 性能稳定，寿命长； • 易于和集成电路匹配，且驱动简单； • 与普通光源相比，单色性好； • 小型化，耐冲击； • 应用前景广阔。
3.2.5 激光光源
（1）气体激光器 • 氦氖激光器：输出波长632.8，输出光功率 1~60mW。 • 氩离子激光器：输出波长514.5nm，488.0nm等， 输出光功率0.3~4W。 • 二氧化碳激光器：输出波长10.6μm ，连续式激 光输出功率可达数千瓦；脉冲式激光输出峰值功 率可达千兆瓦数量级。 • 准分子激光器：紫外脉冲输出，输出功率高，寿 命长。
3.2.1 光源的基本特性参数
（1）辐射效率和发光效率 在给定波长范围内，某光源发出的辐射通量与所 消耗的电功率之比称为该光源在此光谱范围内的辐 射效率：
e 1 2 e e ( )d P P 1
某光源发射的光通量与产生这些光通量所消耗的电 功率之比，就是该光源的发光效率：
（7）斯特芬——玻尔兹曼定律
• 黑体辐射全部波长成分的总辐射出射度与 黑体的绝对温度的四次方成正比。即： MeB(T)=σT4 式中σ=5.67×10-8W· -2· -4，称为斯特 m K 芬——玻尔兹曼常数。
3.1.3 光辐射测量仪器
（1）光度计 • 光度计是用于比较两个光源光度特性的仪 器，一般分为目视和非目视两类。
3.2.3 气体放电光源
• • • • • • 气体放电光源的共同特点： 发光效率比同功率的白炽灯高2~10倍； 结构紧凑，电极牢固，耐震，抗冲击； 使用寿命一般比白炽灯长2~10倍； 光色适应性强，可在很大范围内变化。 在光电测量和照明工程中有广泛应用。
3.2.4 固体发光光源
• （1）交流粉末场致发光光源 • 特点：固体化、平板化，可靠、安全、易于安装； 面积、形状几乎不受限制；冷光源，无红外辐射； 视角大，光线柔和；寿命长，可连续使用数千小 时；功耗低；发光易于电控。 • 缺点：亮度较低，驱动电压高，老化快。 • 应用：仪表照明；数字、符号显示、矩阵显示、 像转换与像增强器
3.2.2 热辐射光源
（1）太阳——直径为1.392×109m的光球 • 平均辐射亮度为2.01×107W· -2· -1； m sr • 平均亮度为1.95×109cd· -2； m • 地球大气层外测到的太阳光谱能量分布，相当于 5900K左右的黑体辐射光谱能量分布； • 太阳常数——在地球-太阳的年平均距离，大气 层外太阳对地球的的辐照度(1367±7) W· -2； m • 太阳对地球的辐照度值在不同光谱区的比例为： 紫外区6.46%；可见区46.25%；红外区47.29%。
பைடு நூலகம்
（4）亮度守恒定律
• 光辐射能在两种介质边界面上没有吸收、反射等 损失时，则在两种介质里的亮度满足关系：
L1 L2 2 2 n1 n2
• 在一般成像光学系统中，像面亮度L’与物体亮度L 有如下关系： L’ =τ(n’/n)2L 式中n，n’——物、像空间折射率； τ——光学 系统的透过率
（5）普朗克定律
第三章
光电测量与传感器
3.1 光辐射的度量
3.1.1辐射量
（1）辐射能Qe • 辐射能是一种以辐射形式发射、传播或接收的能量， 单位是J。 • 当辐射被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的 能量，如热能、电能等。 （2）辐射通量Φ e • 辐射通量又称辐射功率：
dQe e dt
3.1.1 辐射量
（3）染料激光器
• 以染料溶液为工作物质，在特定波长的辐射激发 下，工质能发出一定带宽的荧光光谱。在足够强 的光照下，工质可成为具有放大特性的激活介质。 • 可调谐染料激光器：在染料激光器的谐振腔内加 入色散元件，通过调谐色散元件的色散范围，可 获得不同的输出波长。 • 连续式染料激光：输出稳定，平均功率大于1W， 线宽1MHz。 • 脉冲式染料激光：输出功率高，覆盖波长范围大。 输出能量大于120mJ，线宽小于10-3nm
（4）光源色度
• 黑体的温度决定了它的光辐射特性。 • 对非黑体的某些辐射特性，常可用黑体辐 射的特性来近似表示。对于一般光源，常 用分布温度、色温或相关色温表示。 • 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，则该温度就 是辐射源的分布温度。
3.1.3 光和辐射的联系量
(1)光视效能k和光谱光视效能k(λ) • k=Φv/Φe • k(λ)= Φv(λ )/Φe (λ ) • 最大光谱光视效能是频率为540×1012Hz 的 单色辐射的光谱光视效能，其值为： km=683 lm· -1 W (2)光谱光视效率V(λ) • V(λ)= k(λ)/km
（4）半导体激光器
• • • • 体积小、质量轻 效率高 可小范围调谐 寿命长
3.1.4 光辐射基本定律和公式
（1）朗伯定律 • 理想的漫射发光或漫反射面，在某方向上 的辐射强度同该方向与表面法线夹角呈余 弦函数关系，若发光面法线方向的发光强 度为I0 ,则与法线夹角为θ的方向的发光强度 为：Iθ = I0 cosθ
（2）布给定律 • 被照射面上的照度E同垂直照明时照度E0的 关系是： E = E0 cosθ （3）平方反比定律 • 由点光源形成的照度，与该光源在一定方 向上的发光强度成正比，而与被照面到点 光源的距离平方成反比。即E = I/l2 （4）亮度守恒定律 • 光辐射能在同种传输介质中没有损失时， 表面2的亮度和表面1的亮度是相等的。
• 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 温度称为辐射源的色温。 • 色温相同的光源，它们的相对光谱功率分 布不一定相同。 • 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，此 时光源颜色用相关色温表示。 • 在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与 某一温度下黑体辐射的色坐标点最接近， 则该黑体的温度称为光源的相关色温。
Ie d e Le ds cos dds cos
3.1.1 辐射量
•
• • • • • • （7）光谱辐射量 前述6个辐射量随波长的变化率，称为相应的光谱辐射 量 光谱辐射能量：Qe (λ)=dQe/dλ，单位J· -1 m 光谱辐射通量： Φ e (λ)= dΦ e/dλ，单位W· -1 m 光谱辐射出射度： Me (λ)= dMe/dλ，单位W· -3 m 光谱辐射强度： Ie (λ)= dIe/dλ，单位W· -1· -1 sr m 光谱辐射照度： Ee (λ)= dEe/dλ，单位W· -3 m 光谱辐射亮度： Le (λ)= dLe/dλ，单位W· -1· -3 sr m
• 黑体的光谱辐射出射度同波长λ、绝对温度T之间的 关系式： 2hc2 M eB ( , T ) hc 5 [exp( ) 1] k T
• 式中：c——光速；k——玻尔兹曼常数；h——普 朗克常数。
（6）维恩位移定律
• 黑体的峰值辐射波长λm随辐射体绝对温度T 的变化呈反比关系： λm T=2897.8 µ K m·
常用光电探测头相对光谱灵敏度及运放电路
（5）光谱辐射计
• 用途：测量辐射光谱光度、色度。
3.2 光辐射源
按发光机理，光电检测系统中的光源分为： • 热辐射光源：太阳；白炽灯；黑体辐射。 • 气体放电光源：汞灯；荧光灯；钠灯；氙 灯；金属卤化物灯；氘灯；空心阴极灯。 • 固体发光光源：场致发光灯；发光二极管。 • 激光器：气体激光器；固体激光器；染料 激光器；半导体激光器。
三基色荧光灯 55~90 金属卤化物灯 60~80
（2）光谱功率分布
• • • • 线状光谱 带状光谱 连续光谱 混合光谱
（3）空间光强分布
• 对于各向异性光源，其发光强度在空间各 方向上是不同的。 • 配光曲线：在某一截面上，自原点向各径 向取矢量，矢量长度与该方向的发光强度 成正比。将各矢量的端点连起来，就是光 源在该截面上的配光曲线。 • 为提高光的利用率，一般选发光强度高的 方向作为照明方向，还可以在光源背面安 装反光罩。
3.1.2 光度量
• 辐射度量是用客观的物理量来描述辐射，而光度 量则是用人眼视觉来评定。光度量中最基本的单 位是发光强度的单位——坎德拉(cd) （1）光能Qv，单位lm· s （2）光通量Φ v，单位lm （3）光照度Ev，单位lx=lm· -2 m （4）光出射度Mv，单位lm· -2 m （5）发光强度Iv，单位cd= lm· -1 sr （6）光亮度Lv，单位cd· -2 m
（2）固体激光器
• 钕玻璃激光器：脉冲输出，波长1.06 μm ，广 泛用于测距、材料加工、皮秒快速过程和激光 核聚变的研究。 • 钇铝石榴石激光器（YAG激光器）：可在脉冲 和连续泵浦下产生激光，波长1.064 μm ，在低 温条件下还可以产生其它波长的激光。 • 色心激光器：要求在低温（77K）下工作，是 目前近红外区域内最有效的波长可调谐光源。
v Km v P P

780 nm
380 nm
e ( )V ( )d
常用光源的发光效率
光源
钨丝灯
ηv /lm· -1 W