光电子技术19.pptx

精彩回顾第第1页页/共共25页页光源光源光源可分为自然光源和电光源光源可分为自然光源和电光源光电式传感器对光源的选择因素：波长、相干性、体积、造价、功率第第2页页/共共25页页电光源的分类电光源的分类热光源气体放电光源固体发光光源激光光源第第3页页/共共25页页热辐射光源热辐射光源发光原理：热辐射热辐射温度高温度高 辐射能量大辐射能量大 辐射光谱的峰值波长短辐射光谱的峰值波长短白炽灯 1米螺旋形钨丝，蒸发变黑，加氮气喇叭形感柱，固定金属部件，其中的排气管用来把玻壳里的空气抽走，然后将下端烧焊密封，灯就不漏气了。第第4页页/共共25页页l 制造方便，成本低，线路简单，产量最大，应用最广泛l 白炽灯的发明，美国通常归功于爱迪生，英国则归功于斯旺。在英国，电灯发明百周年纪念于1978年10月举行，而美国则于一年后的11月举行l 澳大利亚政府推出了一项逐步采用节能荧光照明设备，以减少温室气体排放的计划，从2010年开始将禁止使用白炽灯泡第第5页页/共共25页页第第6页页/共共25页页第第7页页/共共25页页气体放电光源 发光原理发光原理：电流通过气体发光 光谱不连续，光谱与气体的种类种类及放电条件有关。改变气体的成分成分、压力压力、阴极材料阴极材料和放电放电电流电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。第第8页页/共共25页页 日光灯、低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源。第第9页页/共共25页页固体发光光源 发光原理：发光原理：电场激发固体发光材料发光。器件称为电致发光器件，如发光二极管（LED），半导体电子元件,当电子与空穴复合时能辐射出可见光。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。第第10页页/共共25页页加正向电压正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合复合，产生自发辐射的荧光荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多能量越多，则发出的光的波长越短波长越短。第第11页页/共共25页页 电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。第第12页页/共共25页页hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。h c/=1.8 eV 第第13页页/共共25页页 通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外区。第第14页页/共共25页页与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料材料波长波长/nm材料材料波长波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表2-1 LED材料第第15页页/共共25页页发光二极管的伏安曲线发光二极管的伏安曲线U/VU/V I/mAI/mA -10 -5 0 12GaAsP(GaAsP(红红)GaAsP(GaAsP(绿绿)发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。第第16页页/共共25页页发光二极管的光谱特性0.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaP/nm相对灵敏度砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。第第17页页/共共25页页l发光二极管的发光效率发光效率很大程度上取决于有多少光能够逸出二极管表面，因为大多数半导体材料折射率较高，到达二极管表面的光线大部分将被反射回去。发光二极管的发光发光强度与电流成正比强度与电流成正比，这个电流范围约在几十毫安之内，进一步增加会引起发光二极管输出光强饱和直至损坏器件，使用时常串联串联电阻使发光二极管的电流不会超过允许值。l发光二极管具有体积小体积小、寿命长寿命长（106109h）、工作电压低工作电压低（12V）、响响应速度快应速度快（几个纳秒至几十纳秒）的优点，在实践中得到了广泛的应用。第第18页页/共共25页页l光源所发出的总光通量总光通量（流明、亮度）与该光源所消耗的电功率电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效光源的光效。发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。l照明是为眼睛服务的，眼睛感觉到的光能量，才是真正有用的光能量。表征的是光源产生发生的光通量中，单位光通量中可见光比例的高低。在光通量一定时，可见光比例可见光比例越高，有效视觉光效越高，实际有效视觉有效视觉照度越高，光源技术性能越先进。l光源对物体的显色能力显色能力是通过与同色温同色温的参考或基准光源（白炽灯）下物体外观颜色的比较外观颜色的比较。光所发射的光谱内容光谱内容决定光源的光光色色，但同样光色可由许多，少数甚至仅仅两个单色的光波而成，对各个颜色的显色性亦大不相同。相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。白白炽灯的炽灯的显色指数显色指数定义为定义为100。第第19页页/共共25页页l功率因数功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。l频闪：频闪：光源频闪就是光源发出的光随时间呈快速、重复的变化，使得光源跳动和不稳定不稳定。是指电光源光通量波动的深度。光通量波动深度越大，频闪越严重。而电光源光通量波动深度大小，与电光源的技术品质有直接关係l眩光眩光是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。视野内产生人眼无法适应之光亮感觉，可能引起厌恶、不舒服甚或丧失明视度。在视野中某局部地方出现过高的亮度或前后发生过大的亮度变化。眩光是引起视觉疲劳的重要原因之一。第第20页页/共共25页页激光器 激光器原理：某些物质的分子、原子、离子吸收吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收），如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转粒子数反转，在特定频率的光子激发特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大放大。激光器的突出优点是单色性好单色性好、方向性好方向性好和亮度高亮度高，不同激光器在这些特点上又各有不同的侧重。第第21页页/共共25页页激光器种类繁多繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。第第22页页/共共25页页1.2 固体激光器的基本特性固体激光器的基本组成：1.激光工作物质2.泵浦源3.聚光腔4.谐振腔5.冷却与滤光第第23页页/共共25页页 光源的选择 根据使用场合的要求，选择不同的光源。如：有的检测系统是通过检测被测物体的像像来检测被测物体的某些参数，这时只需选择普通的照明光源即可，如白炽灯，卤钨灯白炽灯，卤钨灯。第第24页页/共共25页页有的需要测量被检测物的空间频谱分布空间频谱分布以确定被检测物的某些特征参数。这时需要选择激光照明激光照明，它能满足单色性好，相干性好，光束准直精度高等特点。另外还需考虑探测器的响应波长，光源体积，热辐射，价格等因素。第第25页页/共共25页页