光辐射与发光源

光辐射与发光源第一页，共六十页，2022年，8月28日任何光电系统都离不开光辐射源，所以光辐射原理是光电子技术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射的基本概念和原理典型的光辐射源第二页，共六十页，2022年，8月28日光子的基本概念光是以电磁波方式辐射的物质,具有波粒二象性麦克斯韦电磁场理论：若在空间某区域有变化的电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化的磁场(或变化电场)。这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。电磁波波谱范围很广，从无线电波到光波，从X射线到γ射线都属于电磁波的范畴只是波长不同而已。第三页，共六十页，2022年，8月28日波段（nm）名称用途10-5~30γ射线金属探伤、研究核结构10-4~100X射线医用、探伤、分析晶体结构100~380紫外线医用、照相制版380~780可见光780~106红外线雷达、光纤通信、导航106~109微波电视、雷达、无线电导航109~1010米波（分米波厘米波）调频广播、电视、导航等1010~5×1010短波无线电广播、电报通讯5×1010~2×1011中短波电报通讯2×1011~3×1012中波无线电广播3×1012~3×1013长波越洋长距离通讯和导航电磁波波段划分及用途光辐射仅占电磁波谱的一小部分第四页，共六十页，2022年，8月28日

度量长度用长度物理量——米、厘米等度量时间用时间物理量——秒、分、时怎样对光辐射进行度量呢？第五页，共六十页，2022年，8月28日

§1-1辐射的基本概念光辐射的探测和计量有两套体系辐射度学量光度学量基本量辐射通量(又称辐射功率)或者辐射能与辐射客体有关的量——客观量。基本单位是瓦特(W)或者焦耳(J)。辐射度学适用于整个电磁波段。基本量发光强度不是光通量视觉亮暗特性的光辐射计量——主观量基本单位是坎德拉(cd)光度学只适用于可见光波段。第六页，共六十页，2022年，8月28日虽然辐射度学体系和光度学体系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。辐射度物理量用角标“e”表示(emission)光度物理量用角标“ν”表示（vision）下面学习这两套光辐射单位体系物理量。第七页，共六十页，2022年，8月28日一、辐射度的基本物理量辐射能Qe——

焦耳(J)

辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波(主要指紫外、可见光和红外辐射)能量第八页，共六十页，2022年，8月28日辐射通量

Φe（辐射功率）

瓦特(W)焦耳/秒(J／s)

单位时间内发射、传播或接收的辐射能量第九页，共六十页，2022年，8月28日辐射强度

Ie——单位：瓦特·球面度-1(W·sr

-1)点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是Φe，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有第十页，共六十页，2022年，8月28日辐射照度

Ee——单位：W／m2受体的辐射照度Ee定义为照射在面元上的辐射通量dΦe与该面元的面积dA之比，即第十一页，共六十页，2022年，8月28日辐射出射度Me——单位是W／m2

反映物体辐射能力的物理量。

定义为扩展辐射源单位面积向半球空间发射的辐射通量。第十二页，共六十页，2022年，8月28日辐射出射度Me和辐射照度Ee区别辐射出射度Me和辐射照度Ee区别：Me描述面辐射源向外发射的辐射特性Ee描述辐射接收面所接收的辐射特性第十三页，共六十页，2022年，8月28日辐射亮度Le

单位：瓦特/球面度·米2(w／sr·m2)

定义：扩展源(面辐射源)表面一点处的面元在某一给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量，如图l-2所示。

式中θ是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。第十四页，共六十页，2022年，8月28日辐射出射度Me和辐射亮度Le区别辐射出射度Me和辐射亮度Le区别：Me描述面源的辐射通量的表面密度。（单位面积向半球间发射的辐射功率）Le描述面源辐射强度的表面密度。面源在该方向上的单位投影面积（dAcosθ）向单位立体角内发射的辐射功率。第十五页，共六十页，2022年，8月28日光谱辐射量度量名称符号定义式单位名称单位符号单色辐射通量Φe,λ

dΦe/dλ瓦特／微米W／μm单色辐射出射度Me,λdMe/dλ瓦特／米2·微米W／(m2·μm)单色辐射强度Ie,λ

dIe/dλ瓦特／球面度·微米W／(sr·μm)单色辐射亮度Le,λdLe/dλ瓦特／球面度·米2·微米w／(sr·m2·μm)单色辐射照度Ee,λdEe/dλ瓦特／米2·微米W／(m2·μm)第十六页，共六十页，2022年，8月28日二、光度的基本物理量光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位。（人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）辐射度学的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee光频区光度基本物理量Qv、Φv、Iv、Mv、Lv、Ev定义完全一一对应，其关系如表l—2所示。第十七页，共六十页，2022年，8月28日表1-2辐射度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量光度量物理量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能QehνJ光量QvQv=∫Φvdtlm·s辐射通量ΦeΦe=dQe/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm辐射出射度MeMe＝dΦe／dSW／m2光出射度MvMv＝dΦv／dSlm／m2辐射强度IeIe＝dΦe／dΩW／sr发光强度Iv基本量cd辐射亮度LeLe＝dIe／(dScosθ)W／(m2·sr)(光)亮度LvLv＝dIv／(dScosθ)cd／m2辐射照度EeEe＝dΦe／dAW／m2(光)照度EvEv＝dΦv／dAlx第十八页，共六十页，2022年，8月28日光度量与辐射度量关系用光视效能与光视效率表示。光视效能Kλ——单位是流明/瓦特(lm／W)。光视效能Kλ定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。

第十九页，共六十页，2022年，8月28日光视效率V(λ)——单位是坎德拉每平方米通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率540×1012Hz(波长555nm黄光)处，Kλ有最大值，其数值为Km=683lm／w。第二十页，共六十页，2022年，8月28日光通量与辐射通量之间的关系光度量与辐射度量的关系式的一般函数式在光度学体系中，基本单位是发光强度Iv，其单位是坎德拉cd。坎德拉cd定义：当单色辐射光源频率为540×1012Hz，

若给定方向的辐射强度为1／683（W／sr）

则该光源在该方向上的发光强度为1cd。第二十一页，共六十页，2022年，8月28日三、热辐射的基本物理量热辐射——任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波,这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区延伸到紫外区（光谱区）辐射能按波长的分布取决于物体的温度。第二十二页，共六十页，2022年，8月28日辐射本领M’λ(λ,T)—单位是瓦每微米平方米(W／um·m2)定义:热辐射体表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的辐射通量,即光谱辐射出射度、单色辐射出射度吸收率α(λ,T)定义:在波长λ到λ+dλ间隔内被物体吸收的通量与入射通量之比第二十三页，共六十页，2022年，8月28日绝对黑体(简称黑体)：在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收率等于l，即αλ（T）≡l黑体的辐射本领M’λb(λ,T)Meλb(λ,T)发射率ε(λ,T)定义:物体的辐射本领M’λ(λ,T)与绝对黑体辐射本领

M’λb(λ,T)的比值黑体:ε(λ,T)=α(λ,T)=1

第二十四页，共六十页，2022年，8月28日§1-2热辐射的基本定律一、基尔霍夫辐射定律辐射本领与吸收率内在联系的重要定律：在给定的温度下,对某一波长来说,物体的辐射本领与单色吸收率之比值与物体本身的性质无关，对于一切物体都是恒量。等于该温度下黑体对同一波长的辐射本领(单色辐射出射度)。即式中为黑体的单色辐射出射度。第二十五页，共六十页，2022年，8月28日总结:基尔霍夫定律是平衡辐射定律,与物体本身的性质无关吸收和辐射的多少应在同一温度下比较任何强烈的吸收必发出强烈的辐射,无论吸收是由物体表面性质决定的,还是由系统的构造决定的基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关,不与人眼的视觉特性和光度量有关基尔霍夫定律只适用于温度辐射,对其它发光不成立第二十六页，共六十页，2022年，8月28日二、兰伯特定律---朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化

辐射表面

法线方向辐射亮度

与法线成角方向辐射亮度

理想漫反射表面第二十七页，共六十页，2022年，8月28日---均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方成反比

三、距离平方反比定律dA---球心点光源o发出的光所张的立体角d所截的表面积---与球的半径平方成正比

dA上的照度：---照度E与距离的平方R2成反比半径R---表面dA到点光源的距离点光源o向空间任一锥立体角d内辐射通量Φ---不变

第二十八页，共六十页，2022年，8月28日实际光源：有一定的几何尺寸光能叠加原理---所求表面的照度实际上是该光源上各点贡献照度之和

照度条件:面辐射源是亮度均匀的发光表面,即漫辐射源r<<R

L---光源的发光亮度

第二十九页，共六十页，2022年，8月28日

四、亮度守恒定律辐射亮度几何关系1)同一种介质中---光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能传输的任一表面亮度相等第三十页，共六十页，2022年，8月28日2）不同介质中在不同介质中传播的光束，在无能量损耗的情况下其基本幅亮度是守恒的。---

基本幅亮度折射定律

---

光在介质表面无反射和吸收损失

结论：

第三十一页，共六十页，2022年，8月28日五、普朗克定律黑体处于温度T时，在波长λ处的单色辐射出射度由普朗克公式给出式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，k为波尔兹曼常数。第三十二页，共六十页，2022年，8月28日(1)对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值；对应不同温度的曲线不相交。因而温度能惟一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度(即曲线下的面积)。(2)单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。(3)单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。第三十三页，共六十页，2022年，8月28日六、维恩位移定律单色辐射出射度最大值对应的波长λm应由

这就是著名的维恩位移定律。根据这一定律，只要知道了黑体的温度，就能直接得到黑体最大辐射出射度对应的峰值波长λm。第三十四页，共六十页，2022年，8月28日七、斯忒藩·玻尔兹曼定律普朗克公式积分可得到黑体的辐射出射度为此为单位面积辐射总功率.表明黑体辐射出射度只与黑体温度有关。温度决定了黑体的辐射特性。第三十五页，共六十页，2022年，8月28日§1-3光源的基本特性参数和光源的选择在光电技术系统中，光源的选择起着关键的作用。根据光源的基本特性参数，按实际需要选择光源。

第三十六页，共六十页，2022年，8月28日1、辐射效率（辐射度学）和发光效率（光度学）在给定波长范围（λ1～λ2）内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比。光源在规定光谱范围内的辐射效率为：相应对于光度学，对于可见光，某一光源的发光效率为：V(λ)为明视觉光谱光视效率，Km为明视觉最大光谱光视效能。在照明和光度测量系统中，一般选用发光效率ηv较高的光源。一、发光源的基本特性参数第三十七页，共六十页，2022年，8月28日常用光源的发光效率

光源种类发光效率(lm/W)光源种类发光效率(lm/W)普通钨丝灯8~18高压汞灯30~40卤钨灯14~30高压钠灯90~100普通荧光灯35~60球形氙灯xiandeng30~40三基色荧光灯55~90金属卤化物灯60~80第三十八页，共六十页，2022年，8月28日2、光谱功率分布光源输出的功率与光谱（光的波长）有关典型分布线状光谱低压汞灯带状光谱高压汞灯连续光谱白炽灯、卤素灯复合光谱荧光灯第三十九页，共六十页，2022年，8月28日选择：光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致目视测量---可见光谱辐射比较丰富的光源目视瞄准---绿光光源（减轻人眼的疲劳）彩色摄影---白炽灯、卤素灯作光源紫外、红外测量---紫外灯（氙灯、紫外汞灯）、红外灯第四十页，共六十页，2022年，8月28日光源发光各向异性---发光强度在各个方向不同3、空间光强分布特性发光强度曲线（配光曲线）---在光源辐射光的空间某一截面上，将与发光强度成正比的矢量的端点连线选择发光强度高的方向作为照明方向

---提高光的利用率利用反光罩（焦点位于光源的发光中心）---充分利用其他方向的光第四十一页，共六十页，2022年，8月28日4、光源的色温色温——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该辐射源的色温。一种颜色可以由多种光谱分布产生。色温相同，相对光谱功率分布不一定相同。色温只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。第四十二页，共六十页，2022年，8月28日二、光源选择的基本要求光谱特性必须满足检测系统的要求，光源和光电探测器之间光谱匹配系数尽可能大。发光强度必须满足检测系统的要求。光源的稳定性必须满足检测系统的要求。对光源的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；以及光源的空间分布等也有一些具体要求。第四十三页，共六十页，2022年，8月28日光谱特性目视光学系统：选用可见光谱较丰富的光源。紫外、红外测量:紫外灯、红外灯彩色摄影系统：选用类似日光色的光源，如卤钨灯、氙灯。返回第四十四页，共六十页，2022年，8月28日发光强度

光源强度过低，系统获得信号过小，可能无法正常监测因此，系统设计应对探测器所需获得的最大、最小光通量进行正确的估计，并按估计选择光源光源强度过高，将导致系统工作的非线性，可能损坏系统、待测物、光电探测器等返回第四十五页，共六十页，2022年，8月28日发光源的稳定性脉冲量的检测系统对光源的稳定性要求较低。光量或辐射量——强度、亮度、照度或通量检测系统，对光源的稳定性有较严格的要求。返回第四十六页，共六十页，2022年，8月28日§1-4光电技术中常用光源简介

常用光源种类

热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器第四十七页，共六十页，2022年，8月28日一、热辐射光源发光特性可用普朗克公式精确计算光通量为连续光谱，光谱宽，紫外和可见光少采用稳定的供电（稳压或稳流），可使输出的光辐射有较高的稳定度

2、白炽灯1、人造黑体辐射源种类第四十八页，共六十页，2022年，8月28日二、气体放电光源---利用气体放电原理来发光的光源如：将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸汽（汞、钠、硫等）充入灯中运动：电子阳极，离子阴极

原子跃迁高能级低能级（发光）气体放电电源的特点：

①发光效率高，比白炽灯高2~10倍，可节省能源；②结构紧凑，耐震、耐冲击；③寿命长，大约是白炽灯的2~10倍；④光色范围大，如普通高压汞灯发光波长大约为400~500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色（589nm），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。---常用于工程照明和光电测量之中。第四十九页，共六十页，2022年，8月28日三、固体发光光源粉末场致发光光源薄膜场致发光光源注入式场致发光光源---发光二极管发光二极管(LED---Light-EmittingDiode):由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在P-N结区的注入与复合而产生的发光的器件第五十页，共六十页，2022年，8月28日面光源---专用线光源点光源第五十一页，共六十页，2022年，8月28日N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—

多子电子—

少子载流子数

空穴数施主离子受主离子1、工作原理第五十二页，共六十页，2022年，8月28日PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽区、势垒区)

空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，

总电流

I=0。内建电场PN结形成第五十三页，共六十页，2022年，8月28日外加正向电压(正向偏置)P区N区内电场+

UR外电场外电场使P区的空穴和N区的电子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻N区电子越过P-N结进入P区,与P区空穴相复合。N区电子扩散进入P区,对于P区称为少数载流子的注入。P区空穴越过P-N结进入N区,与N区电子相复合。

P区空穴扩散进入N区,对于N区称为少数载流子的注入。扩散运动加强形成正向电流

IF

。高能电子与空穴复合---释放能量---光子---半导体发光第五十四页，共六十页，2022年，8月28日P-N结发光原理第五十五页，共六十页，2022年，8月28日