第一章 光学测量基础知识

1、作业在下面三张PPT中:P11P24P83本次课程的内容本次课程的内容: :参考书目w范志刚范志刚,光电测试技术光电测试技术,电子工业出版社电子工业出版社,2008w苏大图，光学测试技术，北京理工大学出版社，苏大图，光学测试技术，北京理工大学出版社，1996w杨国光，近代光学测试技术，浙江大学出版社，杨国光，近代光学测试技术，浙江大学出版社，1997w张琢，范志刚，激光干涉测试技术及应用，机械工业出版张琢，范志刚，激光干涉测试技术及应用，机械工业出版社，社，1998w孙长库，叶声华，激光测量技术，天津大学出版社，孙长库，叶声华，激光测量技术，天津大学出版社，2001w殷纯永，现代干涉测量技术，

2、天津大学出版社，殷纯永，现代干涉测量技术，天津大学出版社，1999w汤顺青，色度学，北京理工大学出版社，汤顺青，色度学，北京理工大学出版社，1991一、一、 领域和特点领域和特点1.1.研究领域研究领域定义：定义：光学测试技术光学测试技术 利用光学原理实现精密测利用光学原理实现精密测 量的技术。量的技术。意义：意义：是先进制造工业的核心技术是先进制造工业的核心技术近代光学测试技术近代光学测试技术 利用激光，计算机等光利用激光，计算机等光机电算一体化实现精密测量的技术。机电算一体化实现精密测量的技术。名词：分清二套四组名词名词：分清二套四组名词1 1） 计量计量（Metrology)Metrol

3、ogy)对物理量的标定，传递与对物理量的标定，传递与控制，重点是确保精度。控制，重点是确保精度。2 2） 测量测量（Measurement)Measurement)获取物理量的方法，重点获取物理量的方法，重点是获取方法。是获取方法。3) 3) 检验检验（Inspection)Inspection)产品质量的评估技术。产品质量的评估技术。4) 4) 测试测试（Measuring&Testing)Measuring&Testing)是指具有试验研究是指具有试验研究性质的测量，一般是测量与试验的总称，侧重于技术性质的测量，一般是测量与试验的总称，侧重于技术方法。是人们认识客观事物的方法。方法。是人们

4、认识客观事物的方法。计量计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。或者说是以实是实现单位统一、量值准确可靠的活动。或者说是以实现单位统一、量值准确可靠为目的的测量。现单位统一、量值准确可靠为目的的测量。 当生产的发展和商品的交换变成当生产的发展和商品的交换变成社会性活动社会性活动时，客观上就时，客观上就需要测量单位的统一需要测量单位的统一, ,并要求在一定准确度内对同一物体在不并要求在一定准确度内对同一物体在不同地点，用不同的测量手段，达到其测量结果一致。同地点，用不同的测量手段，达到其测量结果一致。为此，就要求以法定的形式建立统一的单位制，建立计为此，就要求以法定的形式建立统一的单位制，建立计

5、量基准、标准，并以这种计量基准、标准检定其他计量器具，量基准、标准，并以这种计量基准、标准检定其他计量器具，保证量值准确可靠，从而形成了区别于测量的新概念保证量值准确可靠，从而形成了区别于测量的新概念 计计量，也可以说，量，也可以说，统一准确的测量就是计量统一准确的测量就是计量。 计量在历史上称之为计量在历史上称之为“度量衡度量衡”。随着生产和科学技术的。随着生产和科学技术的发展，现代计量已远远超出发展，现代计量已远远超出“度量衡度量衡”的范围。现有热学、力的范围。现有热学、力学、学、 电磁学、无线电、时间频率、电离辐射、光学、声学、电磁学、无线电、时间频率、电离辐射、光学、声学、化学等计量专

6、业，已形成了化学等计量专业，已形成了 一门独立的学科一门独立的学科计量学。计量学。 1 1）光学计量光学计量对光学量的标定：光强、亮度对光学量的标定：光强、亮度、照照度、光谱、色度等标定。度、光谱、色度等标定。2 2）光学测量光学测量对光学参数的测量：对光学参数的测量：D D（通光口（通光口 径）、径）、f(f(焦距）、焦距）、2W2W（视场）、（视场）、MTFMTF（像质）。（像质）。3 3）光学检测光学检测对光学元件及光学系统进行质量对光学元件及光学系统进行质量 评估。评估。4 4）光学测试光学测试用光学方法进行精密测试。用光学方法进行精密测试。 自自7070年代开始由于年代开始由于激光技

7、术激光技术、光波导技术光波导技术、数字技数字技术术、计算机技术计算机技术以及以及傅里叶光学傅里叶光学的出现，使光学发展成的出现，使光学发展成。以激光为代表的近代光学促使光学测试技术。以激光为代表的近代光学促使光学测试技术出现更多新方法和新技术，从而开始形成近代光学测试出现更多新方法和新技术，从而开始形成近代光学测试技术。技术。 近代光学测试技术的出现适应了近代科学和工业技术上近代光学测试技术的出现适应了近代科学和工业技术上提出的提出的高灵敏度高灵敏度、高效率高效率、自动化自动化的测试要求，实现了计量的测试要求，实现了计量上的上的三维性三维性、实时性实时性和和相关性相关性。进入。进入8080年代

8、，又提出了亚微年代，又提出了亚微米、纳米级灵敏度的测试要求，产生了无损检测、在线光学米、纳米级灵敏度的测试要求，产生了无损检测、在线光学诊断等新技术。诊断等新技术。2 2 技术特色技术特色 利用光学进行精密测量，一直是计量测试技术领利用光学进行精密测量，一直是计量测试技术领域中的主要方法。由于光学测试方法的非接触性，高域中的主要方法。由于光学测试方法的非接触性，高灵敏度性和高精度性，而在近代科学研究，现代技术，灵敏度性和高精度性，而在近代科学研究，现代技术，工业生产，空间技术，国防技术中得到广泛应用，成工业生产，空间技术，国防技术中得到广泛应用，成为一种无法取代的技术。为一种无法取代的技术。1

9、 1）非接触性非接触性遥测，软表面（液面、高温表面）遥测，软表面（液面、高温表面）特种测量（深孔、微孔等）特种测量（深孔、微孔等） 特别是激光技术，微电子技术与计算机技术的发展，特别是激光技术，微电子技术与计算机技术的发展，使光学测试技术向近代光学测试技术方向发展。使光学测试技术向近代光学测试技术方向发展。作业作业:简述光学测试技术的技术特色简述光学测试技术的技术特色.4 4）三维性三维性全部信息。全部信息。3 3）高精度：高精度：灵敏度：测量系统输出变化量与引起该变化量的输灵敏度：测量系统输出变化量与引起该变化量的输入量之比入量之比 K=K=y yx x亚波长亚波长:/2:/2=0.5m,

10、=0.5m, 灵敏度：灵敏度：0.25m0.25m深亚波长：深亚波长：/10 /10 灵敏度灵敏度0.05m0.05m（50nm)50nm)2 2）高灵敏度高灵敏度：精度：反映测量结果与真值接近程度的量。精度：反映测量结果与真值接近程度的量。超精度测量，精度超精度测量，精度0.1m0.1m 因此近代光学测试技术已成为当代先进技术因此近代光学测试技术已成为当代先进技术的表征之一。随着二元光学及微光学的发展，光学的表征之一。随着二元光学及微光学的发展，光学系统向系统向微型化、集成化、经济化微型化、集成化、经济化方向发展。方向发展。5 5）实时性实时性生产线控制生产线控制实时监测控制实时监测控制光电

11、响应光电响应psps（皮秒）（皮秒）fsfs（飞秒）（飞秒） 快速响应快速响应二、技术现状二、技术现状 目前随着激光器的出现和傅立叶光学的形成，特目前随着激光器的出现和傅立叶光学的形成，特别是激光技术与微电子技术、计算机技术的结合，出别是激光技术与微电子技术、计算机技术的结合，出现了光机电算一体化的近代光学测试技术。现了光机电算一体化的近代光学测试技术。1 1、产业现状、产业现状光学产业金字塔中各组成产业及其产值的大致比例，光学产业金字塔中各组成产业及其产值的大致比例，这是这是19901990年日本公布的统计值。年日本公布的统计值。日本公布近三年光学产业国内产值的调查结果2 2、技术现状、技术

12、现状从从原理上原理上说近代光学测试技术的说近代光学测试技术的现状现状主要是三点：主要是三点：1 1）从）从主观光学主观光学发展成为发展成为客观光学客观光学，也就是用光电探，也就是用光电探测器来取代人眼这个主观探测器，提高了测试精度测器来取代人眼这个主观探测器，提高了测试精度与测试效率；与测试效率；2 2）用激光这个单色性、方向性、相干性、稳定性都）用激光这个单色性、方向性、相干性、稳定性都极好的光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际极好的光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光线用于各种光学测量上；光线用于各种光学测量上； 3 3）从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，）从光机结合的

13、模式向光机电算一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化。实现测量与控制的一体化。从从功能上功能上说，近代光学测试技术的说，近代光学测试技术的现状现状主要有三点：主要有三点：1)1)从从测量发展成为测量发展成为测量；测量；2)2)从从测量发展成为测量发展成为测量；测量；3)3)从从度测量发展成度测量发展成的，具有存贮、记录功的，具有存贮、记录功能的测量。能的测量。合理选择光学测试方法的合理选择光学测试方法的五点原则五点原则：以测以测温度温度为例，若我们采用传感器测量，那么如何选为例，若我们采用传感器测量，那么如何选择合适的传感器呢？择合适的传感器呢？温度传感器有四种主要类型：温度传感器有四种主要

14、类型：热电偶热电偶、热敏电阻热敏电阻、电阻温度检测器电阻温度检测器( (RTDRTD) )和和ICIC温度传感器温度传感器( (见下表见下表) )。1)1)测定对象；测定对象；2)2)测定范围；测定范围；3)3)灵敏度或精度；灵敏度或精度；4)4)经济性；经济性； 5)5)测试环境。测试环境。将传感器的输出馈将传感器的输出馈送给一个控制送给一个控制CUPCUP散散热风扇转速的脉冲热风扇转速的脉冲宽度调制器宽度调制器(PWM)(PWM)或或DACDAC。这样可将。这样可将CPUCPU的温度保持在设计的温度保持在设计要求之内要求之内( (见图见图3)3)。风扇转度控制在消风扇转度控制在消费电子产品

15、中正变费电子产品中正变得越来越重要。得越来越重要。 自动风扇转速控制实际上是使用一个本地数字输自动风扇转速控制实际上是使用一个本地数字输出温度传感器来检测出温度传感器来检测CPUCPU的实际管芯温度。的实际管芯温度。作业作业:选择光学测试方法的基本原则有哪些选择光学测试方法的基本原则有哪些,对照这些原则对照这些原则,对比对比衍射计量和全息计量衍射计量和全息计量. 工业生产的精密化、自动化和智能化，对光学工业生产的精密化、自动化和智能化，对光学测试技术提出了新要求，促使光学测试技术的近代测试技术提出了新要求，促使光学测试技术的近代发展走向如下几个方向：发展走向如下几个方向：(1)(1)亚微米级亚

16、微米级、纳米级纳米级的高精密光学测量方法首先得的高精密光学测量方法首先得到优先发展；到优先发展；(2)(2)快速发展快速发展小型的小型的、微型的微型的非接触式光学传感器；非接触式光学传感器；(3)(3)半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)及其阵列，及其阵列，光滤波光滤波器器，光电探测阵列光电探测阵列等新器件将在过程控制，在线测等新器件将在过程控制，在线测量与控制上得到广泛应用；量与控制上得到广泛应用；(4)(4)微光学微光学这类微结构系统将崭露头角；这类微结构系统将崭露头角；(8)(8)以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的的集成光学集成

17、光学和其他微传感器将成为技术的主流方向；和其他微传感器将成为技术的主流方向；(5)(5)快速、高效的快速、高效的3 3一一D(D(三维三维) )测量技术将取得突破；测量技术将取得突破；(6)(6)发展带存贮功能的全场动态应变测量仪器；发展带存贮功能的全场动态应变测量仪器；(7)(7)发展发展闭环闭环式光学测试技术，实现光学测量与光学式光学测试技术，实现光学测量与光学控制的一体化；控制的一体化；(9)(9)发展光学诊断和光学无损检测技术。发展光学诊断和光学无损检测技术。2 2、声光光开关技术声光光开关技术 基本原理：基本原理：控制电信号经换能器后产生一定频率的声控制电信号经换能器后产生一定频率的

18、声表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，当入发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。偏转角由声波的频率和入射光波长决定。 声光光开关的切换速度在毫秒量级，该技术可方声光光开关的切换速度在毫秒量级，该技术可方便地用来制作端口数较少的光开关。便地用来制作端口数较少的光开关。 声光光开关是利用介质的声光效应。声光光开关是利用介质的声光效应。3 3、Mach-ZehnderM

19、ach-Zehnder干涉仪型光开关干涉仪型光开关 通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一个端分别连接一个Y Y形分束器。向波导臂注入电流将改变形分束器。向波导臂注入电流将改变光开关的折射率，使光程相应变化，形成相干增强或相光开关的折射率，使光程相应变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。消，达到开关的目的。基本原理：基本原理：开关速度快，在微秒量级；开关速度快，在微秒量级；消光比不够高。消光比不够高。 在介质材料（如玻璃或硅基片）先做上波导结构在介质材料（如玻璃或硅基片）先做上波导结构, ,然后然后, ,再在波导上蒸镀金属薄膜加

20、热器。当电流通过再在波导上蒸镀金属薄膜加热器。当电流通过加热器时加热器时, ,金属薄膜通电发热金属薄膜通电发热, ,改变了波导分支区域内改变了波导分支区域内的热量分布的热量分布, ,导致其下面的波导的折射率发生变化导致其下面的波导的折射率发生变化, ,这这样就可将光耦合从主波导引导至目的分支波导样就可将光耦合从主波导引导至目的分支波导, ,从而从而实现光的开关动作。实现光的开关动作。4 4、热光光开关热光光开关数字型光开关（数字型光开关（DOSDOS）和干涉型光开关）和干涉型光开关(Interferometric switches)(Interferometric switches)。微光学微

21、光学 微光学（微光学（micro-optiCSmicro-optiCS）是微米尺度上的光学，）是微米尺度上的光学，其中包括微米尺度的光学表面微结构。微光学在日其中包括微米尺度的光学表面微结构。微光学在日本称为微小光学。本称为微小光学。 物理意义上的微光学其单元尺寸已在光波长量级，物理意义上的微光学其单元尺寸已在光波长量级，因此，建立在单元尺度远大于光波长的常规光学，其因此，建立在单元尺度远大于光波长的常规光学，其主要理论及设计方法已不适用微光学或其计算结果不主要理论及设计方法已不适用微光学或其计算结果不够精确。够精确。微光学是一个知识密集、前沿和技术先进的新的微光学是一个知识密集、前沿和技术先

22、进的新的光学学科分支。光学学科分支。 闭环控制闭环控制 输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统称为闭环控制系统。也叫反馈控制系统。与控制的系统称为闭环控制系统。也叫反馈控制系统。 为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量进行相减得到偏将测量的结果反馈到输入端与输入量进行相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。整个系差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。整个系统形成一个闭环。统形成一个闭环。 集成光学集成光学integated opticsintega

23、ted optics研究集成光路特性研究集成光路特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。把和制造技术以及与微电子学相结合的学科。把光源光源、各种各种光学元件光学元件、耦合器耦合器和和检测器检测器等做成薄膜形式并等做成薄膜形式并组合在同一衬底上的微型光学回路称为集成光路。组合在同一衬底上的微型光学回路称为集成光路。 集成光路中现已制成的光学元件包括薄膜微型激集成光路中现已制成的光学元件包括薄膜微型激光器、薄膜透镜、棱镜、薄膜型光学波导、耦合器、光器、薄膜透镜、棱镜、薄膜型光学波导、耦合器、光开关、光学调制器、滤波器、光学双稳态器件、模光开关、光学调制器、滤波器、光学双稳态器件、模- -数转换器

24、、存储器和检测器等。数转换器、存储器和检测器等。 1.2 1.2 光学测量中的常用光源光学测量中的常用光源1.2.1 1.2.1 光源选择的基本要求和光源的分类光源选择的基本要求和光源的分类 为适应各种科技工作的实际需要设计并生产为适应各种科技工作的实际需要设计并生产了各种不同光学性质和结构特点的光源。在具体的了各种不同光学性质和结构特点的光源。在具体的光电检测系统中，应按实际工作的要求光电检测系统中，应按实际工作的要求选择光源选择光源，这些这些要求要求综合起来主要包括以下几个方面。综合起来主要包括以下几个方面。 除去那些直接检测规定光源或辐射源特性的光电除去那些直接检测规定光源或辐射源特性的

25、光电检测系统外，总是要求光源特性满足检测的需要。检测系统外，总是要求光源特性满足检测的需要。按照检测任务的不同，要求的光谱范围亦不同，如按照检测任务的不同，要求的光谱范围亦不同，如可见光区、紫外光区或红外光区等。有时要求连续可见光区、紫外光区或红外光区等。有时要求连续的光谱，有时又要求几个特定的光谱段。系统对光的光谱，有时又要求几个特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时给以满足。谱范围的要求都应在选择光源时给以满足。 为增大光电检测系统的信号和为增大光电检测系统的信号和信噪比信噪比，这里引入，这里引入光源光源和和光电探测器光电探测器之间之间光谱匹配系数光谱匹配系数的概念，以此描的概

26、念，以此描述两光谱特性间的重合程度或一致性。述两光谱特性间的重合程度或一致性。光谱匹配系数光谱匹配系数定义定义为：为：的的相相对对值值；时时，光光电电探探测测器器灵灵敏敏度度波波长长的的相相对对值值；时时，光光源源光光谱谱辐辐射射通通量量波波长长 :SW与光源总通量的比值。与光源总通量的比值。信号信号配合工作时，产生的光配合工作时，产生的光是光源与探测器是光源与探测器匹配系数匹配系数 供光电鼠标使用的对管供光电鼠标使用的对管一般的光电探测器都属于一般的光电探测器都属于选择性探测器选择性探测器，比如，比如光电导光电导探测器探测器，其光谱响应率：，其光谱响应率：GhcqISp )()()(量量子子

27、效效率率输输出出光光电电流流:)( pI单单色色辐辐射射功功率率:)( 光电导探测器典光电导探测器典型光谱曲线：型光谱曲线：益益系系数数本本征征型型光光电电导导探探测测器器增增:G光电二极管光谱曲线光电二极管光谱曲线（光伏探测器）：（光伏探测器）： 为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。 光源强度过低，系统获得光源强度过低，系统获得信号过小信号过小，以至无法正，以至无法正常检测。常检测。 因此，在系统设计时，必须对探测器所需获得的因此，在系统设计时，必须对探测器所需获得的最

28、大、最小光通量进行正确的最大、最小光通量进行正确的估计估计，并按估计来选择，并按估计来选择光源。光源。 光源强度过高，又会导致系统工作的光源强度过高，又会导致系统工作的非线性非线性，有，有时可能时可能损坏损坏系统、待测物或光电探测器系统、待测物或光电探测器等，同时也导等，同时也导致不必要的能源消耗而造成浪费。致不必要的能源消耗而造成浪费。不同的光电检测系统对光源的稳定性有着不同的要求。不同的光电检测系统对光源的稳定性有着不同的要求。 脉冲量脉冲量的检测，包括脉冲数、脉冲频率、脉冲持的检测，包括脉冲数、脉冲频率、脉冲持续时间等，这时对光源的稳定性要求可稍低些，只要续时间等，这时对光源的稳定性要求

29、可稍低些，只要确保不因光源被动产生伪脉冲和漏脉冲即可。确保不因光源被动产生伪脉冲和漏脉冲即可。3)3)当有更高要求时，可对发出光进行当有更高要求时，可对发出光进行采样采样，然后，然后反馈反馈控制光源的输出控制光源的输出。计量用标准光源通常采用高精度仪。计量用标准光源通常采用高精度仪器控制下的稳流源供电。器控制下的稳流源供电。 光量或辐射量中光量或辐射量中强度、亮度、照度强度、亮度、照度或或通量通量等的等的检测系统，对光源的稳定性就有较严格的要求。检测系统，对光源的稳定性就有较严格的要求。1)1)一般要求时，可采用一般要求时，可采用稳压稳压电源供电。电源供电。2)2)当要求较高时，可采用当要求较

30、高时，可采用稳流稳流电源供电电源供电, ,所用光源所用光源应预先进行老化处理。应预先进行老化处理。 用于光电检测系统中的光源除上述基本要求外，用于光电检测系统中的光源除上述基本要求外，还有一些具体要求。如灯丝的还有一些具体要求。如灯丝的结构和形状结构和形状；发光面积发光面积的大小和构成的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性灯泡玻壳的形状和均匀性；以及；以及光源光源发光效率相空间分布发光效率相空间分布等。这些方面均应按检测系统的等。这些方面均应按检测系统的要求给以满足。要求给以满足。 按照光辐射按照光辐射来源来源不同，通常将光源分成两大类：不同，通常将光源分成两大类：自然光源自然光源和和人工光源人

31、工光源。在光电检测系统中，除对自然。在光电检测系统中，除对自然光源的特性进行直接测量外光源的特性进行直接测量外很少采用很少采用它们做为检测它们做为检测其它物理量的光源。其它物理量的光源。 自然光源主要包括自然光源主要包括太阳、月亮、恒星太阳、月亮、恒星和和天空天空等。等。这些光源对地面辐射通常这些光源对地面辐射通常很不稳定很不稳定，且，且无法控制无法控制，为，为了解各种自然光照在不同条件厂的大致数量范围，给了解各种自然光照在不同条件厂的大致数量范围，给出了下面一些数据表，供使用时参考。出了下面一些数据表，供使用时参考。 星的亮暗程度用地面所接收到的照度来衡量，具星的亮暗程度用地面所接收到的照度

32、来衡量，具体表示为体表示为星等数字星等数字的大小。的大小。 星等数字星等数字愈大愈大，对地面的照度，对地面的照度愈弱愈弱，并规定，并规定零等星零等星对地面的照度为对地面的照度为2.652.6510106 61x1x。各星等间每差五等，其。各星等间每差五等，其照度差为照度差为l00l00倍。所以相邻两等星的照度比为：倍。所以相邻两等星的照度比为： 若有若有m m等星和等星和n n等星，当等星，当m m等星比等星比n n等星亮时，则有等星亮时，则有n nm m，而这两颗星对地面产生的照度比为：，而这两颗星对地面产生的照度比为：)(512. 21005倍倍 应当注意，比零等星更亮的星等为负数，且星应

33、当注意，比零等星更亮的星等为负数，且星等数不一定是整数。等数不一定是整数。 在光电检测系统中，大量采用的是人工光源。在光电检测系统中，大量采用的是人工光源。按其工作原理不向，人工光源大致可以分为按其工作原理不向，人工光源大致可以分为热光源热光源、气体放电光源气体放电光源、固体光源固体光源及及激光光源激光光源。 激光光源激光光源固体光源固体光源气体放电管气体放电管气体灯气体灯封闭式封闭式电火花放电光源电火花放电光源电弧放电光源电弧放电光源开放式开放式气体放电光源气体放电光源热光源热光源 电致发光电致发光是电能直接转换为光能的发光现象。是电能直接转换为光能的发光现象。实现这种发光的材料很多，可以分

34、为以下几类：实现这种发光的材料很多，可以分为以下几类：1 1）无机粉末发光无机粉末发光：又分为交流（：又分为交流（ACAC）与直流）与直流（DCDC）发光，后者由于技术问题，一直未能大规模）发光，后者由于技术问题，一直未能大规模实际应用，研究生产处于停顿。实际应用，研究生产处于停顿。2 2）无机薄膜发光无机薄膜发光：于：于7070年代末期开始小规模使用年代末期开始小规模使用真空溅射技术，主要用于终端显示器件，目前处于真空溅射技术，主要用于终端显示器件，目前处于缓慢发展状态。缓慢发展状态。3 3）无机厚膜发光无机厚膜发光：于：于9090年代末开始小规模生产，年代末开始小规模生产，主要应用于大屏幕

35、电视，现处于规模化研究生产前主要应用于大屏幕电视，现处于规模化研究生产前期状态。期状态。4 4）有机分子发光有机分子发光（OELOEL或或OLEDOLED）。）。 于于9090年代末开始小年代末开始小规模生产，主要应用于规模生产，主要应用于小屏幕电视显示，如手小屏幕电视显示，如手机。现处于大规模化生机。现处于大规模化生产前期状态。产前期状态。 OLED OLED是一项是一项魔幻般魔幻般的技术，未来可以发展的技术，未来可以发展为将电视机、电脑显示为将电视机、电脑显示屏随意的折叠。屏随意的折叠。 一、一、无机粉末发光无机粉末发光（EL, Electroluminescent EL, Electro

36、luminescent ）5 5）P-NP-N结发光器件（结发光器件（LEDLED，发光二极管，发光二极管）。已经成）。已经成熟应用。熟应用。 当当荧光材料荧光材料在足够强的在足够强的电场电场或或电流电流作用下，被作用下，被激发而发光构成电致发光屏。按激发电源不同，又激发而发光构成电致发光屏。按激发电源不同，又有有交流交流和和直流直流电致激发屏两种。电致激发屏两种。 1 1交流粉末场致发光屏交流粉末场致发光屏(AC-EL)(AC-EL) 该发光屏的结构如图所该发光屏的结构如图所示。其中铝箔和透明导电膜示。其中铝箔和透明导电膜作为两个电极，透明导电膜作为两个电极，透明导电膜通常用氧化锡制成；高介

37、电通常用氧化锡制成；高介电常数的反射层常用搪瓷或钛常数的反射层常用搪瓷或钛酸钡等制成，用以反射光束，酸钡等制成，用以反射光束，将光集中到上方输出。将光集中到上方输出。 粉层中自由电子在强电场作用下加速而获得很粉层中自由电子在强电场作用下加速而获得很高的能量，它们撞击发光中心，使其受激而处于高的能量，它们撞击发光中心，使其受激而处于激发态，当激发态复原为基态时产生复合发光。激发态，当激发态复原为基态时产生复合发光。交流场致发光屏的交流场致发光屏的工作原理工作原理： 荧光粉层由荧光粉层由荧光粉荧光粉(Zns)(Zns)、树脂树脂和和搪瓷搪瓷等混合而等混合而成，厚度很薄。玻璃板起支撑、保护和透光作用

38、、为成，厚度很薄。玻璃板起支撑、保护和透光作用、为使发光屏发光均匀，每层的厚度部应十分均匀。使发光屏发光均匀，每层的厚度部应十分均匀。发光亮度的经验公式为：发光亮度的经验公式为： 上式中上式中A A和和b b为与为与f f有关的常数。有关的常数。优点：优点：光发射角大、光线柔和、寿命长、功耗小、光发射角大、光线柔和、寿命长、功耗小、发光响应速度快、不发热、几乎无红外辐射和不产发光响应速度快、不发热、几乎无红外辐射和不产生放射线。生放射线。缺点：缺点：是发光亮度低，驱动电压高和老化快。是发光亮度低，驱动电压高和老化快。应用：应用：这种发光屏主要用在仪表及暗环境下的特殊照这种发光屏主要用在仪表及暗

39、环境下的特殊照明；比如：飞机与汽车仪表的照明，广告屏等明；比如：飞机与汽车仪表的照明，广告屏等 。 1982 1982年中科院年中科院长春物理所长春物理所成功的研制了成功的研制了4X44X4米的米的矩阵式超大型塑料发光屏幕，并在北京人民大会堂矩阵式超大型塑料发光屏幕，并在北京人民大会堂大礼堂悬挂应用大礼堂悬挂应用1010年之久。年之久。二、二、有机分子发光有机分子发光（OELOEL或或OLEDOLED）最早推出最早推出OLEDOLED的厂商是索的厂商是索尼公司，早在尼公司，早在20042004年索尼年索尼就推出了采用就推出了采用OLEDOLED屏幕的屏幕的掌上电脑掌上电脑VZ90VZ90 左图

40、为：左图为：APODAPOD青苹果青苹果 AP629AP629采用的就是采用的就是OLEDOLED屏屏 盈泰光电盈泰光电索尼在东京召开的显示索尼在东京召开的显示器器20082008大会上展示了一大会上展示了一款电致发光显示器，仅款电致发光显示器，仅有一张打印纸那么薄有一张打印纸那么薄（0.3mm0.3mm）。）。 “OELD “OELD是很梦幻很令人向往，然而，由于是很梦幻很令人向往，然而，由于OELDOELD产产业链不成熟，使其制造成本偏高，在全球范围内，尚无业链不成熟，使其制造成本偏高，在全球范围内，尚无厂家盈利。厂家盈利。” 在邱成峰的带领下，两条有机发光显示器生产线已在邱成峰的带领下，

41、两条有机发光显示器生产线已经开发制造出多款产品样品，并可进行小批量生产。经开发制造出多款产品样品，并可进行小批量生产。视频 三、发光二极管三、发光二极管 它是由它是由P P型和型和N N型半导体组合而成的二极管，当型半导体组合而成的二极管，当在在PNPN结上施加正向电压时产生发光。结上施加正向电压时产生发光。 为能将所发光引出，通常为能将所发光引出，通常将将P P型半导体充分减薄，于是结型半导体充分减薄，于是结中复合发光主要从垂直于中复合发光主要从垂直于P P一一N N结的结的P P型区发出。型区发出。 在在PNPN结上施加正向电压，则促进多子扩散运动结上施加正向电压，则促进多子扩散运动的进行

42、，即从的进行，即从N N区流向区流向P P区的电子和从区的电子和从P P区流向区流向N N区的空区的空穴同时增多，于是有大量的电子与空穴在穴同时增多，于是有大量的电子与空穴在PNPN结相遇结相遇复合，并以光和热的形式放出能量。复合，并以光和热的形式放出能量。 2 2、发光二极管的、发光二极管的主要特点主要特点：1 1）发光亮度与正向电流之间在电流低于）发光亮度与正向电流之间在电流低于25mA25mA时，时，基本呈线性关系。基本呈线性关系。 当电流高于当电流高于25mA25mA时，由时，由于于P-NP-N结发热而使曲线弯曲。结发热而使曲线弯曲。 正是由于这种线性关正是由于这种线性关系使之可以通过

43、改变电流系使之可以通过改变电流大小的方法，对所发光量进大小的方法，对所发光量进行调制。行调制。 2 2）发光二极管的响应速度极快，时间常数约为）发光二极管的响应速度极快，时间常数约为10106 610109 9s s也就是说它有着良好的频率特性。故其调制也就是说它有着良好的频率特性。故其调制频率可以很高。频率可以很高。 3 3）发光二极管的正向电压很低，约）发光二极管的正向电压很低，约2v2v左右，可直左右，可直接与集成电路匹配使用。接与集成电路匹配使用。 4 4）发光二极管还具有小巧轻便、耐振动、寿命长）发光二极管还具有小巧轻便、耐振动、寿命长( (大于大于5000h)5000h)和单色性好

44、等一系列优点，使其应用和单色性好等一系列优点，使其应用越来越广泛。越来越广泛。 5 5）主要缺点：主要缺点：发光效率低；有效发光面很难做大；发光效率低；有效发光面很难做大；另外，发出短波光另外，发出短波光( (如蓝紫色如蓝紫色) )的材料极少，制成的的材料极少，制成的短波发光二极管的价格昂贵。克服这些缺点将位发短波发光二极管的价格昂贵。克服这些缺点将位发光二极管作用及应用范围剧增。光二极管作用及应用范围剧增。Tt1t2msCRRt397)(693. 0211 msCRt5 . 6693. 012 应用示例：应用示例： 下面就是一下面就是一种闪烁发光电路，种闪烁发光电路，该电路正常工作该电路正常

45、工作时，两只时，两只发光二发光二极管极管将同时一闪将同时一闪一闪地发光。一闪地发光。ledled电视电视 严格意义上的严格意义上的LEDLED电视是指电视是指完全采用完全采用LEDLED（发光二极管）做（发光二极管）做为显像器件的电视机，一般用于为显像器件的电视机，一般用于低精度显示或户外大屏幕。低精度显示或户外大屏幕。 目前中国大陆地区家电行业中通常所指的目前中国大陆地区家电行业中通常所指的LEDLED电视严电视严格的名称是格的名称是“LEDLED背光源液晶电视背光源液晶电视”，是指以，是指以LEDLED做为做为背光源的液晶电视，仍是背光源的液晶电视，仍是LCDLCD的一种。的一种。 液晶必

46、须借助额外的光源才能发光。目前液晶必须借助额外的光源才能发光。目前LCDLCD电视常电视常用的背光源有用的背光源有CCFL(CCFL(冷阴极荧光灯管，也就是我们常见的冷阴极荧光灯管，也就是我们常见的日光灯日光灯) )、LED(LED(发光二极管发光二极管) )、HCFL(HCFL(热阴极荧光灯管热阴极荧光灯管) )等等几种。其中几种。其中CCFLCCFL是目前最常用的是目前最常用的LCDLCD背光源，目前通常也背光源，目前通常也称传统背光源。称传统背光源。 因此，如果按照背光源的类型来划分因此，如果按照背光源的类型来划分LCDLCD电视的种电视的种类，即可以分成：类，即可以分成： CCFLCC

47、FL背光源背光源LCDLCD（也即通常所谓的（也即通常所谓的“传统液晶电传统液晶电视视”、“LCD”LCD”）；）； LEDLED背光源背光源LCDLCD（也即通常所谓的（也即通常所谓的“LEDLED电视电视”）；）； HCFLHCFL背光源背光源LCDLCD（适合于较大尺寸电视，可以应用（适合于较大尺寸电视，可以应用到到6666英寸产品，市面上较少）；英寸产品，市面上较少）； 目前，南昌已经形成目前，南昌已经形成LEDLED从从研发研发到到生产生产，再到，再到应用应用的的完整产业链。完整产业链。 晶能光电依托南昌大学开发的硅衬底蓝光晶能光电依托南昌大学开发的硅衬底蓝光LEDLED外外延片、芯

48、片技术，打造南昌延片、芯片技术，打造南昌LEDLED产业园，产业园，20102010年公司年公司形成年产形成年产100100亿粒蓝、绿光芯片的产能。亿粒蓝、绿光芯片的产能。 据南昌市政府相关负责人介绍，目前南昌已有据南昌市政府相关负责人介绍，目前南昌已有联创光电联创光电、晶能光电晶能光电等一批等一批LEDLED企业，初步形成了从企业，初步形成了从研发到生产，再到应用的完整产业链。据报道，维研发到生产，再到应用的完整产业链。据报道，维修后的八一大桥以及改造完的阳明路、八一大道，修后的八一大桥以及改造完的阳明路、八一大道，都已使用都已使用LEDLED路灯。路灯。 目前实用的发光二极管大多用目前实用

49、的发光二极管大多用族半导体族半导体材料制成。如磷化镓、砷化镓和磷砷化镓等。材料制成。如磷化镓、砷化镓和磷砷化镓等。3 3、目前常用的几种发光二极管及特点：、目前常用的几种发光二极管及特点： 在磷化镓中掺入锌和氧时，所形成的复合物在磷化镓中掺入锌和氧时，所形成的复合物可发红光，发光中心波长为可发红光，发光中心波长为0.69m0.69m，其带宽为，其带宽为0.1m0.1m。 当掺入锌和氮时，器件可发绿光，其发光的当掺入锌和氮时，器件可发绿光，其发光的中心波长为中心波长为0.565m0.565m，而带宽约为，而带宽约为0.035m0.035m。 1 1）磷化嫁（）磷化嫁（GaPGaP）发光二极管）发

50、光二极管 2 2）砷化镓）砷化镓(GaAs)(GaAs)发光二极管发光二极管 砷化镓发光二极管的发光效率较高。该二极管发砷化镓发光二极管的发光效率较高。该二极管发出近红外光，中心波长为出近红外光，中心波长为0.94m0.94m，带宽为，带宽为0.04m0.04m。 这种发光二极管的最大优点是这种发光二极管的最大优点是脉冲响应快脉冲响应快，时，时间常数约为几十名微秒，所以能产生高频调制的光间常数约为几十名微秒，所以能产生高频调制的光束，这使它的应用十分广泛。如用于光纤通讯、红束，这使它的应用十分广泛。如用于光纤通讯、红外夜视等多种领域中。外夜视等多种领域中。3.3.磷砷化嫁磷砷化嫁(GaAs(G

51、aAs1-x1-xP Px x) )发光二极管发光二极管 当磷砷化嫁的材料含量比不同时，即当磷砷化嫁的材料含量比不同时，即x x内内1 1一一0 0变化，变化，其发光光谱可从其发光光谱可从0.56m0.56m变化到变化到0.91m0.91m。所以，可以。所以，可以制成不同发光颜色的发光二极管。制成不同发光颜色的发光二极管。 一般取一般取x0. 4x0. 4，于是有，于是有0.565m0.565m，0.04m0.04m。1.2.5 1.2.5 激光光源激光光源 它们是以半导体材料作为工作物质的激光器。它们是以半导体材料作为工作物质的激光器。其结构原理与发光二极管十分类似。其结构原理与发光二极管十

52、分类似。 如图为注入式砷化镓如图为注入式砷化镓激光二极管。将激光二极管。将PNPN结切结切成长方块，其侧面磨成非成长方块，其侧面磨成非反射面、二极管的端面是反射面、二极管的端面是平行平面，构成端部反射平行平面，构成端部反射镜。镜。 半导体激光器半导体激光器，重量轻重量轻，寿命长寿命长，具有，具有高的转换效率。如砷化嫁激光器的效率可达高的转换效率。如砷化嫁激光器的效率可达2020，寿命超过一万小时。寿命超过一万小时。 半导体激光器是目前最被重视的激光器，它的半导体激光器是目前最被重视的激光器，它的商品化程度高。随着半导体技术的快速发展，新型商品化程度高。随着半导体技术的快速发展，新型的半导体激光

53、器也在不断出现。的半导体激光器也在不断出现。 目前可制成波长可从目前可制成波长可从0.4m0.4m到到1 16m6m功率可功率可由由mwmw数量级到数量级到w w数量级的多种类型半导体激光器。数量级的多种类型半导体激光器。 它们可应用于它们可应用于光通讯技术光通讯技术、光存储技术光存储技术、光集光集成技术成技术、光计算机光计算机和和激光器泵浦激光器泵浦等领域中。等领域中。 激光光束细小，且带着巨大的功率，如用透镜聚激光光束细小，且带着巨大的功率，如用透镜聚焦，可将能量集中到微小的面积上，产生巨大的热量。焦，可将能量集中到微小的面积上，产生巨大的热量。可应用于可应用于打细小孔打细小孔、切割切割等

54、工作；在医疗上做等工作；在医疗上做手术刀手术刀；大功率的大功率的激光武器激光武器等。等。二、激光器的主要用途：二、激光器的主要用途： (1) (1)激光用作热源。激光用作热源。金运小型激光打标机加工演示ESP回顾、激光焊接、简讯烟台冠金激光切割(2)(2)激光测距。激光测距。 激光作为测距光源由于方向性好、功率大，激光作为测距光源由于方向性好、功率大，可测很远的距离，精度很高。可测很远的距离，精度很高。(3)(3)激光通讯。激光通讯。(4)(4)受控核聚变受控核聚变中的应用。中的应用。 将激光射到氘与氚混合体中，激光所带给它们将激光射到氘与氚混合体中，激光所带给它们巨大能量，产生高压与高温，促

55、使两种原子核聚合巨大能量，产生高压与高温，促使两种原子核聚合为氦与中子，并同时放出巨大辐射能量。由于激光为氦与中子，并同时放出巨大辐射能量。由于激光能量可控制，所以该过程称为受控核聚变。能量可控制，所以该过程称为受控核聚变。1.3.1 1.3.1 常用光电探测器分类常用光电探测器分类 凡是能把光辐射量转换为电量的探测器，都称凡是能把光辐射量转换为电量的探测器，都称为光电探测。为光电探测。从物理效应通常分为两类：从物理效应通常分为两类： 光热探测器光热探测器光电磁光电磁光生伏特光生伏特光电导光电导光电子发射光电子发射光子探测器光子探测器温差电效应温差电效应 由两种不同材料制成的结点由于受到某种因

56、素作用而出现由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。光照射结点产生温差变化也能造成温差电这就是温差电效应。光照射结点产生温差变化也能造成温差电效应。效应。 温差电效应根据具体作用原理及表现形式，有赛贝克效应、温差电效应根据具体作用原理及表现形式，有赛贝克效应、帕尔贴效应、汤姆逊效应三种。目前主要应用前两个效应，赛贝帕尔贴效应、汤姆逊效应三种。目前主要应用前两个效应，赛贝克效应应用在半导体温差发电技术上面，而帕尔贴效应应用在半克效应应用在半导体温差发电技术上面，

57、而帕尔贴效应应用在半导体致冷。导体致冷。 塞贝克（塞贝克（SeebackSeeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。压差的热电现象。温差电制冷：如红酒柜、啤酒机、小冰箱等，由于其制冷效果温差电制冷：如红酒柜、啤酒机、小冰箱等，由于其制冷效果没有压缩机制冷效果好，并且最好的制冷温度也在没有压缩机制冷效果好，并且最好的制冷温度也在0 0度左右，所度左右，所以还不能取代冰柜、冰箱。温差发电：可以做一些热水发电，以还不能取代冰柜、冰箱。温

58、差发电：可以做一些热水发电，汽车尾气发电，还有一些工业废热发电，这些还只在实验室研汽车尾气发电，还有一些工业废热发电，这些还只在实验室研究，目前转换效率较低，还未能应有到实际当中。究，目前转换效率较低，还未能应有到实际当中。 两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应（PeltierEffectPeltierEffect）。帕尔帖效应可以视为塞贝克效应的反效）。帕尔帖效应可以视为塞贝克效应的反效应。通常将塞贝克效应称为热电第一效应，帕尔帖效应称作应。通常

59、将塞贝克效应称为热电第一效应，帕尔帖效应称作热电第二效应，汤姆逊效应则称作热电第三效应。帕尔帖效热电第二效应，汤姆逊效应则称作热电第三效应。帕尔帖效应是法国科学家珀尔帖于应是法国科学家珀尔帖于18341834年发现的。年发现的。 一、光子探测器一、光子探测器 在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各相互作用的光电子效应。子和材料中的电子发生各相互作用的光电子效应。几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。 在众多的光电子效应中，只有光电子发射效应、在众多的光电子效应中，只有光电子发射效应、光电导效应

60、、光生伏特效应和光电磁效应得到广泛光电导效应、光生伏特效应和光电磁效应得到广泛的应用。的应用。 基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后器件材料中的波长的光子能量以后器件材料中的，这种器件称为外光电效应器件。，这种器件称为外光电效应器件。 基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件。在基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件。在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器件。应器件。内、外光电效应及器件的区分内、