第四章光源和光的调制

1、1 发光体实际上是一个电磁辐射波源，光学系统可发光体实际上是一个电磁辐射波源，光学系统可以看作是辐射能的传输系统。光电系统中能产生以看作是辐射能的传输系统。光电系统中能产生辐射的系统称为光源，它的质量的好坏对测量系辐射的系统称为光源，它的质量的好坏对测量系统精度有很大影响。统精度有很大影响。第四章第四章 光度学基础和光源光度学基础和光源2定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应。定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应。 辐射的基本物理量：辐射的基本物理量：l辐射能：辐射能：一种传播电磁波的能量，当辐射能被物质吸一种传播电磁波的能量，当辐射能被物质吸收时，可以转化成其它形式的能量。符号表示：收

2、时，可以转化成其它形式的能量。符号表示：Qe,单单位：焦耳位：焦耳(J)l辐射通量：辐射通量：单位时间内流过面积元单位时间内流过面积元dA的辐射能量，单的辐射能量，单位为瓦特。位为瓦特。l辐射强度辐射强度: 点辐射源在给定方向上单位时间单位立体点辐射源在给定方向上单位时间单位立体角内所辐射的能量为该方向上的辐射强度。单位：角内所辐射的能量为该方向上的辐射强度。单位：W/srdtdQeeddIee对各向同性的点光源，所有方向发射的总辐射通量为：对各向同性的点光源，所有方向发射的总辐射通量为： eeI43辐射的基本物理量：辐射的基本物理量：l辐出度：辐出度：面辐射源单位面积发射出的辐射通量。单位：

3、面辐射源单位面积发射出的辐射通量。单位：W/m2l辐射亮度：辐射亮度：扩展辐射源在给定方向上单位立体角、单扩展辐射源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位投影面积内发出的辐射通量。单位：单位：W/(sr.m2)l辐射效率：辐射效率：光源所发出的辐射通量和外界提供给光源光源所发出的辐射通量和外界提供给光源的功率之比。的功率之比。dAdMeecosdAILee%100PQee4光度学的基本物理量：光度学的基本物理量：l光谱辐射度：光谱辐射度：辐射源所辐射的某一波长的单色光的辐辐射源所辐射的某一波长的单色光的辐射能量射能量 。l光通量：光通量：光源表面在无穷小时间内发射、传播或接收光

4、源表面在无穷小时间内发射、传播或接收所有可见光谱光能定义为光通量。单位：流明所有可见光谱光能定义为光通量。单位：流明(lm)l光出度光出度 ：面光源表面某点处的面元向半球面空间发面光源表面某点处的面元向半球面空间发射的光通量与面元面积之比。单位：勒克斯射的光通量与面元面积之比。单位：勒克斯(lx,lm/m2)dd光度学中的各物理量在光谱的可见波段才有意义。人眼对光度学中的各物理量在光谱的可见波段才有意义。人眼对各种波长光线的视觉灵敏度不同，相同光能量的各种波长各种波长光线的视觉灵敏度不同，相同光能量的各种波长光线所产生的视觉效果不同。光线所产生的视觉效果不同。dtdQvvvM5光度学的基本物理

5、量：光度学的基本物理量：l发光强度：发光强度：点光源在给定方向的立体角内发射的光通点光源在给定方向的立体角内发射的光通量。单位：坎德拉量。单位：坎德拉(cd)l发光效率：发光效率： 光源发射的总光通量与提供的功率之比为光源发射的总光通量与提供的功率之比为发光效率。发光效率。%100PQvvddIvv6l普朗克辐射定律：普朗克辐射定律：黑体表面向半球面空间发射波长为黑体表面向半球面空间发射波长为的光的光谱辐射度是黑体温度和波长的函数。谱辐射度是黑体温度和波长的函数。l斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 热辐射基本定律热辐射基本定律物体热辐射：靠加热保持一定温度使内能不变而持续辐射的辐射物体热

6、辐射：靠加热保持一定温度使内能不变而持续辐射的辐射形式，凡能发射连续光谱，且辐射是温度的函数的物体叫热辐射体。形式，凡能发射连续光谱，且辐射是温度的函数的物体叫热辐射体。) 1(2)(/52TkhcbeBehcTM004/52) 1(2)()(TdehcdTMTMTkhcbeebB黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其它性质无关。黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其它性质无关。7光辐射的度量光辐射的度量l辐射本领：辐射表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的通量。辐射本领：辐射表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的通量。l吸收本领：吸收本领是在波长吸收本领：吸收本领是在波长 到

7、到 间隔内被物体吸收间隔内被物体吸收的通量与入射通量之比，与物体的温度及波长有关。的通量与入射通量之比，与物体的温度及波长有关。 dAddTMe),()()(),(eeddTd84.2 光辐射在空气中的传播光辐射在空气中的传播 l大气衰减大气衰减 大气中存在的多种气体分子、尘埃、烟雾、湿气等使部分辐射能大气中存在的多种气体分子、尘埃、烟雾、湿气等使部分辐射能量被吸收、转换、辐射，使辐射能衰减或改变原来的传播方向。量被吸收、转换、辐射，使辐射能衰减或改变原来的传播方向。结果：导致测量精度降低或者无法进行测量。结果：导致测量精度降低或者无法进行测量。 l大气分子吸收：大气分子吸收：不同分子的结构不

8、同，其光谱吸收特性不不同分子的结构不同，其光谱吸收特性不同同 。l大气分子散射大气分子散射l空气湍流效应：空气湍流效应：湍流状态使光辐射在传播过程中随机地湍流状态使光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，出现光束截面内的光强闪烁、光束弯改变其光波参量，出现光束截面内的光强闪烁、光束弯曲和漂移、光束弥散、畸变以及相干性退化等现象。曲和漂移、光束弥散、畸变以及相干性退化等现象。光电测量中的光波多在空气中和光学玻璃中传播。由于在光电检光电测量中的光波多在空气中和光学玻璃中传播。由于在光电检测中通常以空气为信道，大气构成成分的复杂和不稳定性影响光束测中通常以空气为信道，大气构成成分的复杂和不稳定性影响

9、光束的特性，影响测量效果。的特性，影响测量效果。 94.3 光源光源 光电测试是采用光电的方法对带有待测信息的光辐射光电测试是采用光电的方法对带有待测信息的光辐射物体的测试，在任何光电测试系统中，都离不开一定形物体的测试，在任何光电测试系统中，都离不开一定形式的光源。光源的质量对光电测量起着非常重要的作用。式的光源。光源的质量对光电测量起着非常重要的作用。 光源分类：光源分类：自然光源和人造光源。自然光源和人造光源。 一、光的产生和光源选择的基本要求一、光的产生和光源选择的基本要求 二、发光二极管二、发光二极管 三、激光光源三、激光光源 四、其它光源四、其它光源10光的产生和光源选择的基本要求

10、光的产生和光源选择的基本要求l 光的产生方式光的产生方式: 温度辐射和发光温度辐射和发光 （1）平衡辐射：炽热物体热辐射）平衡辐射：炽热物体热辐射 物体温度高于绝对零度（物体温度高于绝对零度（-273C） 温度低时：红外光温度低时：红外光 温度升高：可见光（白炽灯）温度升高：可见光（白炽灯）（2）非平衡辐射：发光）非平衡辐射：发光 外界作用的激发外界作用的激发-物体偏离原来的热平衡态发光物体偏离原来的热平衡态发光11l 光的产生方法光的产生方法（1）电致发光：电致发光：电能电能光能，原子或离子被电场加速的电光能，原子或离子被电场加速的电子轰击由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回到低能子轰击由

11、低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回到低能态时就会发出辐射态时就会发出辐射 。 （2）光致发光：光致发光：物体被光直接照射或预先被照射而引起自物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射，光、紫外线、射线等激发而引起的发光身的辐射，光、紫外线、射线等激发而引起的发光 。（3）化学发光：化学发光：由化学反应提供能量引起的发光，它是由由化学反应提供能量引起的发光，它是由化学反应直接引起的发光。如黄磷因氧化而自然发光化学反应直接引起的发光。如黄磷因氧化而自然发光 。12l 光的产生方法光的产生方法（4）热发光：热发光：物体加热到一定温度时的发光。热辐射是一物体加热到一定温度时的发光。热辐射是一 种能

12、达到平衡状态的辐射。辐射的频率与强度取决于热种能达到平衡状态的辐射。辐射的频率与强度取决于热 平衡的温度，达到热平衡时的辐射就是所谓的黑体辐平衡的温度，达到热平衡时的辐射就是所谓的黑体辐 射。射。（5）生物发光：生物发光：萤火虫、发光细菌等的生物发光。萤火虫、发光细菌等的生物发光。 （6）阴极射线发光：阴极射线发光：由电子束激发荧光物质发光，如电视由电子束激发荧光物质发光，如电视 机的显像管机的显像管。 13l 光源选择的基本要求光源选择的基本要求（1）光谱特性要求：）光谱特性要求：光源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求光源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求 。（2）发光强度要求：）发光强

13、度要求：确保光电测试系统的正常工作，光源强度过低，确保光电测试系统的正常工作，光源强度过低，系统获得信号过小，无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工系统获得信号过小，无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性作的非线性 （3）稳定性要求：）稳定性要求：一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。可采用稳流电源供电。 （4）其它方面要求：）其它方面要求：如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；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；光源发光效率和空间分布；激光测量：漂灯泡玻壳的形状和均匀

14、性；光源发光效率和空间分布；激光测量：漂移、光斑大小、光形状等。移、光斑大小、光形状等。14发光二极管发光二极管l 概况概况 （1）实质是一个）实质是一个PN结，在结，在PN结上加正向电压，流过一结上加正向电压，流过一 定电流，就会发出光束。定电流，就会发出光束。（2）LED(Light Emiting Diode) 电致发光。电致发光。（3）发光的颜色取决于材料；变色发光二极管（随通过的）发光的颜色取决于材料；变色发光二极管（随通过的 电流大小而改变颜色）。电流大小而改变颜色）。（4）可用于显示、照明、信号光源等。）可用于显示、照明、信号光源等。15l 特点特点发光亮度与正向电流成正比例关系

15、发光亮度与正向电流成正比例关系响应速度极快响应速度极快正向电压低，耗电少正向电压低，耗电少体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿命长、单色性好命长、单色性好缺点缺点:发光效率低、发光面积小，发出短发光效率低、发光面积小，发出短波光的材料极少波光的材料极少16l外形和结构外形和结构外外 形形结结 构构外壳材料：金属、陶瓷、全树脂外壳材料：金属、陶瓷、全树脂17lLED发光机理发光机理 LED发光机理是发光机理是电致发光电致发光。 P型半导体与型半导体与N型半导体接触时，型半导体接触时，载流子的扩散运动和由此产生内电载流子的扩散运动和由此产生内电场作用下的场作用下的漂

16、移运动达到平衡状态漂移运动达到平衡状态形成形成P-N结结。如果在。如果在P-N结上施加结上施加正向电压，则正向电压，则促进了扩散运动的进促进了扩散运动的进行行。即从。即从N区流向区流向P区的电子和从区的电子和从P区流向区流向N区的空穴同时增多，于是区的空穴同时增多，于是有大量的电子和空穴在有大量的电子和空穴在P-N结中结中相相遇复合遇复合，并以光和热的形式发出能，并以光和热的形式发出能量。量。01EEhcEhcg电子和空穴的复合很复杂，电子和空穴的复合很复杂，分辐射复合和非辐射复合分辐射复合和非辐射复合发光二极管发出光的波长和谱宽主要发光二极管发出光的波长和谱宽主要取决于半导体材料及其掺杂材料

17、。取决于半导体材料及其掺杂材料。 18l LED的特性及参数的特性及参数 表示二极管性能的参数有光学参数和电学参数。表示二极管性能的参数有光学参数和电学参数。（1）发光效率）发光效率eeIURIP2eeeeeUIRUP辐射功率：辐射功率：热功率：热功率：辐射效率：辐射效率：发光二极管的辐射效率一般在百分之几到百分之十几，受环境温度的影发光二极管的辐射效率一般在百分之几到百分之十几，受环境温度的影响，并且与工作电流大小有一定关系。响，并且与工作电流大小有一定关系。 19（2）光谱特性）光谱特性 光谱分布曲线是描述发光的光谱分布曲线是描述发光的相对强度相对强度（或能量）随（或能量）随波波长长（或频

18、率）变（或频率）变 化的曲线，发射光谱的形成是由材料的种类、性质以及发光中心的结构决化的曲线，发射光谱的形成是由材料的种类、性质以及发光中心的结构决 定的，与器件的几何形状和封装方式无关。定的，与器件的几何形状和封装方式无关。最大值所对应的波长为发光峰值波长峰值波长。值等于峰值波长对应的发光强度的一半的两点所对应的谱线宽度，称为发光管的带宽带宽。带宽是反映发光的单色性带宽是反映发光的单色性好坏的参数。好坏的参数。 20（3）伏安特性）伏安特性 表述流过发光二极管的表述流过发光二极管的电流电流随管子两端随管子两端电压电压变化而变化的关系，变化而变化的关系，是管子性能优劣的重要标志是管子性能优劣的

19、重要标志 （1）正向死区；（）正向死区；（2）正向工作区）正向工作区（3）反向死区；（）反向死区；（4）反向击穿区：并联普通二极管的方法加以保护）反向击穿区：并联普通二极管的方法加以保护 反向饱和电流：反向饱和电流：少数载流子所形成的电流少数载流子所形成的电流 21（4） 发光亮度发光亮度 发光亮度：单位面积发光强度的度量。发光亮度：单位面积发光强度的度量。 AIB/00正法线方向正法线方向的亮度：的亮度： 发光亮度基本上与正向电流密度成线性关系发光亮度基本上与正向电流密度成线性关系 发光二极管的发光亮度受环境温度的影响。发光二极管的发光亮度受环境温度的影响。在一定工作电流下，环境温度越高，发

20、光在一定工作电流下，环境温度越高，发光复合几率下降，发光亮度也随之下降。复合几率下降，发光亮度也随之下降。 22（5） 响应时间响应时间 LED在接收电信号后并不立即发光；而发光后去掉电信号，发光也不会在接收电信号后并不立即发光；而发光后去掉电信号，发光也不会立即消失。发光二极管的响应时间是指其发光和熄灭时对输入脉冲电流的延立即消失。发光二极管的响应时间是指其发光和熄灭时对输入脉冲电流的延迟时间。响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容和电路阻抗迟时间。响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容和电路阻抗 。 上升时间：上升时间：10%-90%：发光二极管：发光二极管 的上升时间随电流的增加

21、而近似呈的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。指数衰减。 下降时间：下降时间：90%-10%用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。间所许可的范围内。 23（6） 寿命寿命发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半所经历发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于时的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于时 ，一般最长可达一般最长可达 。 发光亮度减弱的现象老化，老化速度与电流密度有关发光亮度减弱的现象老化，老化速度与电流密度有关2/1

22、cmAh91024l LED的应用的应用（1）数字、文字及图像显示）数字、文字及图像显示（2）指示、照明）指示、照明（3）光源）光源（4）光电开关、报警、遥控、耦合）光电开关、报警、遥控、耦合 根据显示文字的各点坐标，在扫描过程中利用脉冲来控制开关的启闭，根据显示文字的各点坐标，在扫描过程中利用脉冲来控制开关的启闭，使组成文字的各点顺序发光。虽发光是闪烁的，但由于人眼的余像效应，使组成文字的各点顺序发光。虽发光是闪烁的，但由于人眼的余像效应，看起来仍是一个静止的文字。看起来仍是一个静止的文字。25激光光源激光光源l激光器的特点（激光的准直和光强截面分布）激光器的特点（激光的准直和光强截面分布）

23、（1）方向性强或准直性好：经过长距离之后，仍然为细小的光束）方向性强或准直性好：经过长距离之后，仍然为细小的光束，发散角可小到发散角可小到0.1mrad左右；左右；（2）单色性好：激光是一种）单色性好：激光是一种单色光单色光，频率范围极窄；，频率范围极窄；（3）亮度高：依靠光在发射方向上的集中提高亮度；具有特殊措施）亮度高：依靠光在发射方向上的集中提高亮度；具有特殊措施的激光器可积累能量，然后在极短时间内发光，大大提高了激光功的激光器可积累能量，然后在极短时间内发光，大大提高了激光功率和激光的亮度。率和激光的亮度。26 激光器的特点（激光的准直和光强截面分布）激光器的特点（激光的准直和光强截面

24、分布）202)(zR0tg220reAA27（4）相干性高）相干性高 激光通过受激辐射发光，光源上各点发射的光相位恒定，是相干性良好的相干光 普通光源激光28l 激光器的组成激光器的组成泵浦源工作物质谐振腔1.工作物质 能被激发至粒子数反转的原子或分子集合激活介质 是产生激光的内因能级结构决定产生激光的频率1）激光器根据工作物质分类）激光器根据工作物质分类气体固体半导体如He-Ne激光器如红宝石激光器半导体激光器光放大器29l 产生激光的条件产生激光的条件1)受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件 2)工作物质必须具有亚稳态能级,至少有三个能级 3) 形成粒子数反转，使受激发射多于受激吸收

25、 4)使光子共振，形成“雪崩”式放大，就必须有一个谐振腔 5)光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多30l激光器的类型激光器的类型1. 气体激光器：气体激光器：工作物质为气体，激励方式多样，发射波长最广。工作物质为气体，激励方式多样，发射波长最广。 （1）氦氖激光器：）氦氖激光器：优点：优点：单色性和相干性好，频率和输出幅度较稳定，结构简单，制造方单色性和相干性好，频率和输出幅度较稳定，结构简单，制造方 便，造价低，输出可见红光便，造价低，输出可见红光 。缺点：缺点：效率低，输出功率较小，与其他光源相比，需电压较高，电源也效率低，输出功率较小，与其他光源相比，需电压较高，电源也 较复杂

26、，体积也较大。较复杂，体积也较大。外腔式和半内腔式的优点是输出线偏振光，进行内调制较方便外腔式和半内腔式的优点是输出线偏振光，进行内调制较方便. 31（2）氩离子激光器）氩离子激光器 以氩气为工作物质的激光器。在大电流的电弧光放电或脉冲放电的条件以氩气为工作物质的激光器。在大电流的电弧光放电或脉冲放电的条件下工作。下工作。 输出波长有输出波长有514.5nm、488nm、496.5nm （3）二氧化碳激光器）二氧化碳激光器 以二氧化碳气体作为工作物质的激光器。在激光器内除充入二氧化碳外，以二氧化碳气体作为工作物质的激光器。在激光器内除充入二氧化碳外，还充入氦和氮，以提高激光器的输出功率还充入氦

27、和氮，以提高激光器的输出功率 。 低气压纵向激励的二氧化碳激光器是气体激光器中连续输出功率最大和低气压纵向激励的二氧化碳激光器是气体激光器中连续输出功率最大和转换效率最高的一种器件。小型二氧化碳激光器可用于测距，大功率二氧化转换效率最高的一种器件。小型二氧化碳激光器可用于测距，大功率二氧化碳激光器可用作工业加工和热处理等碳激光器可用作工业加工和热处理等 激光的输出谱线波长分布在激光的输出谱线波长分布在911 m322. 固体激光器固体激光器（1）红宝石激光器）红宝石激光器 红宝石激光器是最早制成的固体激光器。红宝石激光器激红宝石激光器是最早制成的固体激光器。红宝石激光器激光波长为光波长为694

28、.3nm，脉冲宽度在，脉冲宽度在1ms以内，输出功率一般可达以内，输出功率一般可达10千瓦，能量转换效率为千瓦，能量转换效率为0.1%。脉冲工作单色性差，相干长度。脉冲工作单色性差，相干长度仅几毫米。仅几毫米。 红宝石激光器红宝石激光器 33固体激光器的两种典型结构 342. 固体激光器固体激光器（2）玻璃激光器）玻璃激光器 玻璃激光器常用钕玻璃作工作物质，可广泛用于测距、材料加工、玻璃激光器常用钕玻璃作工作物质，可广泛用于测距、材料加工、微微秒快速过程和激光核聚变的研究。微微秒快速过程和激光核聚变的研究。 聚光腔一般为椭圆形，直管聚光腔一般为椭圆形，直管形泵灯与圆柱形激光棒分别放在椭圆腔的两

29、个焦线上。形泵灯与圆柱形激光棒分别放在椭圆腔的两个焦线上。 （3）钇铝石榴石激光器（）钇铝石榴石激光器（YAG激光器）激光器） 353. 染料激光器（液体激光器）染料激光器（液体激光器） 液体激光器中最普遍采用的激光器，以染料作为工作物质。液体激光器中最普遍采用的激光器，以染料作为工作物质。采用不同采用不同的染料溶液和激发光源，输出的波长范围可达的染料溶液和激发光源，输出的波长范围可达0.321。4.半导体激光器半导体激光器半导体激光器特点：体积小，重量轻、寿命长、效率高。如砷化镓激光半导体激光器特点：体积小，重量轻、寿命长、效率高。如砷化镓激光器转换效率可达器转换效率可达20%，寿命超过一万

30、小时。，寿命超过一万小时。 36（3）结构结构 将将P-N结切成长方块，焊上电极。其侧面磨成非反射面，二极管的端面是平行结切成长方块，焊上电极。其侧面磨成非反射面，二极管的端面是平行平面并构成端部反射镜。大电流由引线输入。平面并构成端部反射镜。大电流由引线输入。 特点：特点：体积很小，重量轻、体积很小，重量轻、寿命长、效率高。如砷化寿命长、效率高。如砷化镓激光器转换效率可达镓激光器转换效率可达20%，寿命超过一万小时。寿命超过一万小时。 37 调调Q激光器：激光器：通过控制谐振腔的通过控制谐振腔的Q值按某种规定的程序变值按某种规定的程序变化，当激光器开始工作时使腔内处于低化，当激光器开始工作时

31、使腔内处于低Q状态，谐振腔的状态，谐振腔的激光振荡阈值很高，工作物质上能级不断积累粒子，某一激光振荡阈值很高，工作物质上能级不断积累粒子，某一时刻使得工作物质上能级粒子数积累到最大值，此时若使时刻使得工作物质上能级粒子数积累到最大值，此时若使Q值突然升高，则振荡阈值降低，谐振腔内在短时间内激值突然升高，则振荡阈值降低，谐振腔内在短时间内激光上能级储存的大部分能量转变为光能量，有极强的激光光上能级储存的大部分能量转变为光能量，有极强的激光脉冲输出。脉冲输出。 激光器的锁模：激光器的锁模：锁模指纵模锁定。锁模可以获得超短脉冲。锁模指纵模锁定。锁模可以获得超短脉冲。被锁模的多个纵模激光输出时，产生叠

32、加，其叠加结果相被锁模的多个纵模激光输出时，产生叠加，其叠加结果相当于一个振荡频率为的单色余弦波振幅受到调制。当于一个振荡频率为的单色余弦波振幅受到调制。38l激光器的类型激光器的类型39其它光源其它光源l 热辐射光源热辐射光源 白炽灯：可见光谱辐射源，依靠电能加热金属丝，使其在真空或惰性气体中达到白炽状白炽灯：可见光谱辐射源，依靠电能加热金属丝，使其在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光。白炽灯能量损失较大、发光效率低，可见辐射仅有态而发光。白炽灯能量损失较大、发光效率低，可见辐射仅有6%12%。但因其结构简。但因其结构简单，造价低廉，使用方便，且有连续光谱，仍然是应用最广的光源。单，造价低廉

33、，使用方便，且有连续光谱，仍然是应用最广的光源。 卤钨灯：卤钨灯： 高温下从灯丝蒸发出来的钨在温度较低的泡壳附近与卤素反应，生成具有挥发性的卤钨化合物，又向回扩散到温度很高的炽热灯丝附近，又分解为卤素和钨；释放出来的钨沉积到灯丝上，卤素则又扩散到温度较低的泡壳附近再与蒸发出来的钨化合。 特点：特点：（1）体积小（2）光通量稳定（3）紫外线较丰富（4）发光效率比白炽灯高23倍（5）寿命长。 缺点：缺点：价格较贵，管壁温度高，使用时要注意安全，以免烧毁其它物质。 40l 气体放电光源气体放电光源置于气体中的二电极之间放电发光的光源置于气体中的二电极之间放电发光的光源 开放式气体放电光源开放式气体放

34、电光源 直流电弧、高压电容火花、高压交流电弧、碳弧。直流电弧、高压电容火花、高压交流电弧、碳弧。气体灯：将电极间的放电过程密封在泡壳中进行气体灯：将电极间的放电过程密封在泡壳中进行 辉光放电辉光放电 脉冲灯、燃烧式闪光泡、原子光谱灯脉冲灯、燃烧式闪光泡、原子光谱灯主要特点：主要特点： 发光效率高，结构紧凑，耐震，耐冲击；寿命长；光色范围大，气体放电发光效率高，结构紧凑，耐震，耐冲击；寿命长；光色范围大，气体放电 光源通常被用于工程照明和光电测量中。光源通常被用于工程照明和光电测量中。41l 气体放电光源类型表气体放电光源类型表424.4 光的调制光的调制调制：调制：将信息加载到介质载体的过程称

35、为调制。将信息加载到介质载体的过程称为调制。光调制：光调制：将信息加载到光载波上，并使光的参量发生变化的将信息加载到光载波上，并使光的参量发生变化的过程称为光调制。光载波所具有的特征参量：光功率，振过程称为光调制。光载波所具有的特征参量：光功率，振幅，频率、相位、脉冲和偏振方向，传播方向等幅，频率、相位、脉冲和偏振方向，传播方向等 光调制分类：光调制分类： 基于光的特征参量分为振幅调制，频率调制，相位调制，基于光的特征参量分为振幅调制，频率调制，相位调制，光强调制等。光强调制等。 l 概述概述43光的振幅调制光的振幅调制 载波的振幅随调制信号的规律而有规律的振荡，简称为调幅载波的振幅随调制信号

36、的规律而有规律的振荡，简称为调幅 )cos()(0000tAtEtAtBmmcos)(44光的振幅调制光的振幅调制 )cos()()cos()()(00000ttKBAttAtE0min000max0AAAAAAAAh)cos()cos()(000ttKAAtEmm调制度：最大振幅增量与振幅平均值之比调制度：最大振幅增量与振幅平均值之比 45光强度调制光强度调制 )(cos2)(00220tAtI)(cos)(1 2)(00220ttBKAtIm原理：利用外界因素改变光的强原理：利用外界因素改变光的强 度，通过测量度，通过测量光强的变化来测量外界物理量。光强的变化来测量外界物理量。 特点：技术

37、简单，可靠特点：技术简单，可靠46光强度调制光强度调制 l辐射式辐射式 利用光电探测器探测待测物体利用光电探测器探测待测物体所辐射出的功率，光谱分布以所辐射出的功率，光谱分布以及温度等参数。及温度等参数。 4TMe4TMVes测量输出电压来测量辐射物体的温度测量输出电压来测量辐射物体的温度 全辐射出射度全辐射出射度待测物待测物透镜透镜光电探测器光电探测器比辐射率比辐射率47l 反射式反射式利用光电探测器件接收待测物利用光电探测器件接收待测物反射的光线，根据反射形式的反射的光线，根据反射形式的不同可以测量转动物体的转速，不同可以测量转动物体的转速，以及物体表面的外观质量。以及物体表面的外观质量。

38、 l 遮挡式遮挡式 被测物体部分或全部地遮挡或扫被测物体部分或全部地遮挡或扫过入射到光电探测器的光栅，引过入射到光电探测器的光栅，引起光电探测器输出电信号的变化起光电探测器输出电信号的变化 lbA2lbEAEVvvs2测出物体的位移量和物体的尺寸测出物体的位移量和物体的尺寸利用光通量的变化进行光电计数利用光通量的变化进行光电计数和光电自动开关。和光电自动开关。 48l 透射式透射式 光通过待测物体，一部分光通量被待检测物体吸收或散射，另一部光通过待测物体，一部分光通量被待检测物体吸收或散射，另一部分透过待测物体由光电探测器接收，被吸收或散射的光通量的数值分透过待测物体由光电探测器接收，被吸收或

39、散射的光通量的数值取决于待检物的性质。取决于待检物的性质。 用途用途：检测液体或气体的浓度，透明度等。：检测液体或气体的浓度，透明度等。利用光学变化装置将长度或角度变为条纹信息，再由光电探测器接利用光学变化装置将长度或角度变为条纹信息，再由光电探测器接收为数字信息输出，如精密测长，工件尺寸检测等。收为数字信息输出，如精密测长，工件尺寸检测等。deII0介质吸收系数介质吸收系数49光相位调制光相位调制 利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量。光波的相位由光传播的物理长度，传播介质和折物理量。光波的相位由光传播的物理长度，传播介质

40、和折射率等决定。射率等决定。)()(sin)()(0tXttXtXtm)sin()(cmtkttt)sin(sin)()(sin)(00cmmmtkttXttXt光的干涉和衍射现象都是利用光的相位调制光的干涉和衍射现象都是利用光的相位调制 50光的频率调制光的频率调制 利用外界因素改变光波的频率，通过检测光的频率变化来测量物理量利用外界因素改变光波的频率，通过检测光的频率变化来测量物理量 )(cos()(000ttBKAtEftAtBmmcos)()sincos()(000thtAtEmf51光的频率调制光的频率调制 多普勒频移：由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接多普勒频移：由于观测者

41、和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率产生变化。收到的光波频率产生变化。 cos)(1 )cos1/(1 012/12201cvcvcv)cos1/(1 22/12212cvcv)cos(cos1 2102cv测得多普勒频移量测得多普勒频移量即可求出物体运动速度即可求出物体运动速度 。02D52波长调制波长调制l 热色物质的颜色变化进行波长调制：热色物质的颜色变化进行波长调制：钨丝光源经过光纤进入钨丝光源经过光纤进入热变色溶液，其反射光被另一光纤吸收，分两束分别经过波长为热变色溶液，其反射光被另一光纤吸收，分两束分别经过波长为650nm和和800nm的滤光片，最后由光电探测器接收，利用

42、热变的滤光片，最后由光电探测器接收，利用热变色溶液的吸收光强与温度的关系选择特定波长检测溶液浓度色溶液的吸收光强与温度的关系选择特定波长检测溶液浓度 。l利用磷光光谱的变化进行波长调制利用磷光光谱的变化进行波长调制：稀土磷光体做的探头被频稀土磷光体做的探头被频率为率为 的紫外光照射后，发出一个与温度有关的光谱，光谱中的紫外光照射后，发出一个与温度有关的光谱，光谱中红色谱线的强度随温度而增加，而绿谱线则降低，其强度的比值红色谱线的强度随温度而增加，而绿谱线则降低，其强度的比值是温度的函数。是温度的函数。 053光的脉冲调制光的脉冲调制 脉冲调制是用周期性脉冲序列作为载波，并使光载波的某脉冲调制是

43、用周期性脉冲序列作为载波，并使光载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。一参量按调制信号规律变化的调制方法。 E(t)(d)tE(t)(e)tE(t)(f)tE(t)(a)tE(t)(b)tE(t)(c)t脉幅调制脉幅调制脉宽调制脉宽调制脉位调制脉位调制脉幅调制脉幅调制脉冲调频脉冲调频54光弹效应光弹效应 光弹效应：光弹效应：某些非晶体材料通常情况下是各向同性的，不某些非晶体材料通常情况下是各向同性的，不产生双折射现象，当受到外力作用时，就会产生双折射现产生双折射现象，当受到外力作用时，就会产生双折射现象，当外力除去时，双折射随之消失。象，当外力除去时，双折射随之消失。kPnneokPll

44、nneo)(55光弹效应光弹效应440022212IAII202212AAA/2)(2kPllnneo附加相位差附加相位差)(sin)2cos(1 2)cos1 (2cos2200022122212kPlIkPlIIIIIII利用弹光效应可测量机械零件的受力分布以及光学元件受力产生的应力分布状况利用弹光效应可测量机械零件的受力分布以及光学元件受力产生的应力分布状况 56磁光调制磁光调制磁光调制首先将电信号先转换成与之对应的交变磁场，然后利用磁光调制首先将电信号先转换成与之对应的交变磁场，然后利用磁光效应改变介质中传输的光的偏振态，进而改变光强度等参量。磁光效应改变介质中传输的光的偏振态，进而改

45、变光强度等参量。 磁光调制器示意图磁光调制器示意图 00sinLHtHdcHs57光的调制方法光的调制方法l 调制盘调制：调制盘调制：是一种光强度调制器，是用光刻的方法在基板是一种光强度调制器，是用光刻的方法在基板上光刻出许多透光和不透光的栅格，也可在金属基体上通过机上光刻出许多透光和不透光的栅格，也可在金属基体上通过机械加工而获得一些透光或不透光的各种图形，通常调制盘位于械加工而获得一些透光或不透光的各种图形，通常调制盘位于光学系统的焦平面上，位于光电探测器之前。当目标像与调制光学系统的焦平面上，位于光电探测器之前。当目标像与调制盘之间有相对运动时，调制盘的透光与不透光栅格切割像点，盘之间有

46、相对运动时，调制盘的透光与不透光栅格切割像点，使得通过调制盘的辐射能量变成断续输出，光电探测器接收到使得通过调制盘的辐射能量变成断续输出，光电探测器接收到的是光辐射被调制的周期性的强度调制信号。的是光辐射被调制的周期性的强度调制信号。 作用：作用：将静止的目标像调制成交流信号以抑制噪声和光源波动将静止的目标像调制成交流信号以抑制噪声和光源波动的影响。提高系统的检测能力。可进行空间滤波，抑制背景噪的影响。提高系统的检测能力。可进行空间滤波，抑制背景噪声；可提供目标的方位空间等。声；可提供目标的方位空间等。 分类：分类：调幅式，调频式，调相式，调宽式和脉冲编码式调幅式，调频式，调相式，调宽式和脉冲

47、编码式 58l 光栅莫尔调制光栅莫尔调制 光栅是具有周期性空间结构或光学性能的光学元件，光栅光栅是具有周期性空间结构或光学性能的光学元件，光栅通常有长形和圆形两种。通常有长形和圆形两种。 光通量调制，将两块光栅叠合在一起，并使两条栅线交成光通量调制，将两块光栅叠合在一起，并使两条栅线交成很小的夹角。就可以得到莫尔条纹图案。其中黑条纹是由很小的夹角。就可以得到莫尔条纹图案。其中黑条纹是由一系列的交叉线构成的不透明部分，而白条纹是由一系列一系列的交叉线构成的不透明部分，而白条纹是由一系列的菱形构成的透光部分。的菱形构成的透光部分。 原理：原理：当光栅位移一个光栅距时，光通量变化一个周期，当光栅位移

48、一个光栅距时，光通量变化一个周期，因此通过光栅的调制作用，把位移量变换为光通量的变化。因此通过光栅的调制作用，把位移量变换为光通量的变化。 )2cos(0Pxm对于对于N个周期变化，位移量为：个周期变化，位移量为：NPx 5960l 频率调制频率调制 可用衍射光栅实现频率调制。衍射光栅在电动机带动下，透射光可用衍射光栅实现频率调制。衍射光栅在电动机带动下，透射光被光栅衍射时分为被光栅衍射时分为0级，级，1级和级和2级等衍射光，若光照射光栅刻级等衍射光，若光照射光栅刻线处的线速度为线处的线速度为V，光栅刻划间距为，光栅刻划间距为P，则，则1级衍射光发生的频移级衍射光发生的频移为：为： 若用光电接

49、收器件接收若用光电接收器件接收1级衍射光，则光频级衍射光，则光频被调制为。频率调制被调制为。频率调制的稳定性和光栅转速的稳定性有关系。的稳定性和光栅转速的稳定性有关系。 PVf 61第五章第五章 光电检测电路光电检测电路 光电器件都需要经过检测与转换电路才能实现光电信号光电器件都需要经过检测与转换电路才能实现光电信号的变换。的变换。l光电检测电路由光电检测器件，输入电路和前置光电检测电路由光电检测器件，输入电路和前置放大器组成。放大器组成。l光电检测器件是实现光电转换的核心器件，是沟光电检测器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子器件的接口环节。通光学量和电子器件的接口环节。l前置放大

50、电路和耦合电路实现对光电输出信号的前置放大电路和耦合电路实现对光电输出信号的精确检测。精确检测。l输入电路是连接光电器件和前置放大及耦合电路输入电路是连接光电器件和前置放大及耦合电路的中间环节。的中间环节。 625.1光电检测电路的设计要求光电检测电路的设计要求 保证光电检测系统处于最佳工作状态。保证光电检测系统处于最佳工作状态。l光电转换能力强：表示光电转换能力强弱的参数有光电光电转换能力强：表示光电转换能力强弱的参数有光电 灵敏度，即单位输入光信号的变化量所引起的输出电信灵敏度，即单位输入光信号的变化量所引起的输出电信号的变化量。号的变化量。l动态响应速度快：光电检测电路应满足信号通道所要

51、求动态响应速度快：光电检测电路应满足信号通道所要求 的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。l信号检测能力强：要求光电检测电路具有可靠检测所必信号检测能力强：要求光电检测电路具有可靠检测所必 需的信噪比或最小可检测信号功率。需的信噪比或最小可检测信号功率。l稳定性、可靠性好：光电检测电路在长期工作的情况下稳定性、可靠性好：光电检测电路在长期工作的情况下 应该稳定、可靠，特别是在一些特殊场合对稳定性可靠应该稳定、可靠，特别是在一些特殊场合对稳定性可靠性的要求会更高。性的要求会更高。635.2 光电探测器的偏置光电探测器的偏置l有些探测器不需要外加偏置电源，在光照下

52、产生的光电流（电压）经有些探测器不需要外加偏置电源，在光照下产生的光电流（电压）经过一定的耦合方式与前置放大器相连，以实现对光信号的有效放大。过一定的耦合方式与前置放大器相连，以实现对光信号的有效放大。这种类型的探测器无需偏置，只需确定合适的输入阻抗的前置放大器这种类型的探测器无需偏置，只需确定合适的输入阻抗的前置放大器与其耦合。与其耦合。l外加偏置：对于需要经过外加电场才能形成光电流（电压）的器件，外加偏置：对于需要经过外加电场才能形成光电流（电压）的器件，需加一定偏置才能正常工作，如光电导探测器和光电发射探测器等。需加一定偏置才能正常工作，如光电导探测器和光电发射探测器等。l偏置要求：供给

53、稳定的电流或电压，对探测系统尽可能引入小的噪声，偏置要求：供给稳定的电流或电压，对探测系统尽可能引入小的噪声，最好的发挥光探测器的性能。最好的发挥光探测器的性能。光探测器的输出信号一般很微弱，正确设置光探测器的偏置对于提高探测器光探测器的输出信号一般很微弱，正确设置光探测器的偏置对于提高探测器的灵敏度，降低噪声，提高响应频率，发挥光探测器的最佳性能非常重要。的灵敏度，降低噪声，提高响应频率，发挥光探测器的最佳性能非常重要。645.2 光电探测器的偏置光电探测器的偏置l直流偏置：直流偏置：一般用电池供电，一般用电池供电，避免工频干扰。偏置电路适用避免工频干扰。偏置电路适用于光电导探测器。于光电导

54、探测器。l匹配偏置：匹配偏置：偏置电阻等于偏置电阻等于探测器内阻时，如光敏电探测器内阻时，如光敏电阻阻值对温度变化敏感，阻阻值对温度变化敏感，偏置电路中通常不采用固偏置电路中通常不采用固定电阻，而是采用一个与定电阻，而是采用一个与所用探测器相同规格的光所用探测器相同规格的光敏电阻代替，使两个电阻敏电阻代替，使两个电阻随温度变化相同，以减小随温度变化相同，以减小环境温度变化对输出信号环境温度变化对输出信号的影响。的影响。 l 几种常用的偏置电路几种常用的偏置电路655.2 光电探测器的偏置光电探测器的偏置l恒流偏置：恒流偏置：如果探测器电阻远如果探测器电阻远远小于工作电阻，则流过探测远小于工作电

55、阻，则流过探测器的电流值近似由偏置电阻决器的电流值近似由偏置电阻决定，和探测器电阻值无关。适定，和探测器电阻值无关。适用于光电导探测器用于光电导探测器。 l恒压偏置：恒压偏置：当工作电阻远远小当工作电阻远远小于探测器电阻时，则加在探测于探测器电阻时，则加在探测器上的电压值近似为于探测器器上的电压值近似为于探测器阻值无关，适用于对响应要求阻值无关，适用于对响应要求不是太高，而探测器本身噪声不是太高，而探测器本身噪声又比较大的场合又比较大的场合。665.2 光电探测器的偏置光电探测器的偏置l反偏偏置：反偏偏置：对于对于PN结型光伏探测器，其用法有两种，一种是不外结型光伏探测器，其用法有两种，一种是

56、不外加电压，直接与负载相接，另一种是加反向电压，形成反偏偏置。加电压，直接与负载相接，另一种是加反向电压，形成反偏偏置。反偏偏置可以减小结电容，从而有最小的电路时间常数，适合于脉反偏偏置可以减小结电容，从而有最小的电路时间常数，适合于脉冲和高频调制光的探测器。冲和高频调制光的探测器。675.3 光电直接探测方法光电直接探测方法l基本原理：基本原理：强待测光信号直接入射到光探测器光敏面，光强待测光信号直接入射到光探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压。探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压。l基本特性基本特性n 光探测器的平方律特性光探测器的平方律特性 tAtEcos

57、)(2/)(22AtEP222)(2AhetEhePIpLLppRPheRIS222)(解释：解释： 光电流正比于光场振幅的平方；光电流正比于光场振幅的平方； 电输出功率正比于入射光功率的平方。电输出功率正比于入射光功率的平方。 68n 直接探测系统的信噪比：直接探测系统的信噪比： 5.3 光电直接探测方法光电直接探测方法输出功率信号噪声比：输出功率信号噪声比：)2()/()()/(22222nnssLnsLPpPPPPRhePPRheNS)/(21)/()(2nsnsPPPPPPNSNS1/nsPP2)()(nsPPNS1/nsPPnsPPNS21)(若：若：若：若：总的信号功率为：总的信号

58、功率为：695.4 弱信号检测电路弱信号检测电路 光信号测量当背景噪声或干扰很大而待测信号十分微弱时，光信号测量当背景噪声或干扰很大而待测信号十分微弱时，通过光电探测器转换后得到的光电信号的信噪比很小，因通过光电探测器转换后得到的光电信号的信噪比很小，因此需要采取一些特殊的技术设法将淹没信号的噪声尽量地此需要采取一些特殊的技术设法将淹没信号的噪声尽量地减小，以便从噪声中提取、恢复和增强被测信号。减小，以便从噪声中提取、恢复和增强被测信号。l弱光信号处理技术：弱光信号处理技术：锁相放大器，取样积分器和光子计数锁相放大器，取样积分器和光子计数器。器。l 锁相放大器：锁相放大器：一种通用的对交变信号

59、进行相敏检波的放一种通用的对交变信号进行相敏检波的放大器，利用与被测信号有相同频率的锁相关系的参考信号大器，利用与被测信号有相同频率的锁相关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应。同相的噪声分量有响应。 70l 锁相放大器锁相放大器n通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内，通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内，使探测系统变为交流系统。使探测系统变为交流系统。n用低噪声光电探测器将被测光信号转换成电信号，用锁相放大器在调用低噪声光电探测器将被测光信号转换成电

60、信号，用锁相放大器在调制频率上对有用电信号进行选频放大。制频率上对有用电信号进行选频放大。n 在相敏检波器中对信号进行解调，同步解调截断了非同步噪声信号，在相敏检波器中对信号进行解调，同步解调截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内。使输出信号的带宽限制在极窄的范围内。n通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波，获得被放大的光电信号。通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波，获得被放大的光电信号。)2cos()cos(210ttUUUUUrmsmrso71l 锁相放大器锁相放大器n 锁相放大器的特点：锁相放大器的特点：（1）要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光）要求对入射光束