光辐射与发光器件

光辐射与发光器件第一页，共一百一十一页，2022年，8月28日第一章光辐射与光源§1-1光谱与光子能量§1-2辐射的基本概念§1-3光源的基本特性参数和选择§1-4常用光源简介第二页，共一百一十一页，2022年，8月28日§1-1光谱与光子能量光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论；1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论；1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。

麦克斯韦（1831-1879）

普朗克（1858-1947）

爱因斯坦（1879-1955）

（一）光波的基本性质第三页，共一百一十一页，2022年，8月28日光子就是“光子”圆柱就是“圆柱”测量测量圆矩形如何理解波粒二象性？测量测量粒子性波动性我们所看到的宇宙或许就是一个简单的投影！微观粒子的行为取决于我们的观察方式！！第四页，共一百一十一页，2022年，8月28日§1-1光谱与光子能量光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振。

光与物质作用时表现出粒子性，如光的反射、折射、吸收、发射、色散、散射、光电效应等。第五页，共一百一十一页，2022年，8月28日

电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电技术只涉及光学谱区。在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。使用光学透镜来接收辐射或聚焦成像。

第六页，共一百一十一页，2022年，8月28日电磁波谱及光谱图第七页，共一百一十一页，2022年，8月28日光色波长(nm)

频率(Hz)中心波长(nm)

红760~622660

橙622~597610

黄597~577570

绿577~492540

青492~470480

兰470~455460

紫455~400430可见光七彩颜色的波长和频率范围注意：光波的常用单位还有埃Å，1Å＝10-10m人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。第八页，共一百一十一页，2022年，8月28日

光子能量公式：ε=hν

光子动量公式：p=hν/c=h/λ（二）光子能量h=6.624×10-34焦耳·秒

光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来说，从0.1ev到几个ev能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。1ev（电子伏特）=1.602×10-19焦耳第九页，共一百一十一页，2022年，8月28日§1-2辐射的基本概念光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。辐射能的强弱可由辐射度学量和光度学量来描述。第十页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.2.1辐射度学(Radiometry)

热辐射是物体以电磁波形式向外发射能量的过程，这个物体即辐射源。任何物体的温度超过绝对零度时都能产生辐射，即热辐射或温度辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能

。（一）热辐射现象（二）辐射源

太阳辐射波长主要为0.15-4微米，其中最大辐射波长平均为0.5微米；地面和大气辐射波长主要为3-120微米，其中最大辐射波长平均为10微米。习惯上称前者为短波辐射，后者为长波辐射。第十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.2.1辐射度学(Radiometry)

用能量单位描述光辐射能的客观物理量；辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算。主要用于X光、紫外光、红外光以及其它非可见的电磁辐射。第十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日

1.

辐射能Qe：

以电磁波形式发射、传播或接收的能量。单位为焦[耳](J)2.辐射通量Φe（辐射功率Pe）：

单位时间内发射、传播或接收的辐射能，是辐射能的时间变化率，单位为瓦[特](W)

描述辐射场的物理量第十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日

3.辐射强度Ie：辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量。单位为瓦每球面度()

定义：RA第十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角内发射的辐射通量：各向同性点光源，在空间所有方向（）上发射的辐射通量：注意：Ie是有方向的量。第十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日某个方向上的发光强度点辐射源整个空间辐射能量实际上，一般辐射源多为方向性的辐射源，其辐射強度随方向而变化，可用极坐标辐射强度表示。第十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日

4.辐射照度Εe：

dA是投射辐通量dΦe的接收面面积元

描述辐射接收面所接收的辐射特性

单位受光面积上所接收的辐射通量，单位为瓦每平方米()第十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.辐射出射度Μe：

描述扩展辐射源向外发射的辐射特性，也称为发射本领或辐射通量密度。

dΦe是扩展源表面dS（通常为半空间2立体角）在各方向上所发出总的辐射通量扩展辐射源单位面积所辐射的通量，单位为瓦每平方米()

第十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日

辐射出射度Μe与辐射照度Ee的比较第十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日面辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量。单位：瓦每球面度平方米()6.辐射亮度Le:注意：Le也具有方向性。第二十页，共一百一十一页，2022年，8月28日辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。

以上物理量均未涉及辐射的频谱分布，但辐射场实际上是有不同频谱的电磁波组成。第二十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日0辐通量的光谱分布曲线第二十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日即辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。单位为瓦每微米或者瓦每纳米(或)给定波长λ处极小波长间隔dλ内的辐通量dΦe称为单色辐通量。

——辐射量的光谱密度7.光谱辐射量:第二十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日

单色辐通量的积分为全色辐通量

多色辐通量第二十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日光谱辐射出射度光谱辐射亮度辐射源的总辐射通量对其它辐射量也有类似的关系。用一般的函數表示：光谱辐照度8.其它辐射量与光谱辐射量的对应关系:第二十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.2.2光度学(Photometry)以人的视觉习惯为基础建立的主观物理量；光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量；光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。为了区别这两种量，规定用下标e和v表示。第二十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.

光量Qv:

光通量对时间的积分。流[明]秒(lm·s)

光度的基本物理量

2.

光通量Φv:

发光强度为Iv的光源，在立体角元dΩ内的辐通量，dΦv=Iv·dΩ。流[明](lm)。是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。第二十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为的单色辐射在给定方向上的辐射强度

时，规定为1cd。七个国际基本单位之一。3.

发光强度Iv:第二十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日4.

光出射度Μv:

离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。流[明]每平方米(lm·m-2)

5.

[光]照度Εv:

照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。勒[克斯](lx)第二十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日6.

[光]亮度Lv:

表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。坎[德拉]每平方米(cd·m-2)7.

曝光量H:

光照度对时间的积分。勒[克斯]秒(lx·s)第三十页，共一百一十一页，2022年，8月28日

两种度量单位的转换

1.光谱光视效能K(λ)

许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K(λ)来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K(λ)为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比:

第三十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日2.光谱光视效率（视见函数）V(λ)

由于人眼在频率为(λm=555nm，该波长称为峰值波长)的辐射下，K(λ)最大，记以，即光功当量。定义光谱光视效率V(λ)为某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能Km之比：V(λ)又称为视见函数。根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。第三十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日光谱光视效率V(λ)曲线光谱光视效率曲线第三十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.00.80.60.40.20380460540620700波长为555nm的光和任意波长的光产生同样亮暗感觉所需的辐射通量之比

第三十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日第三十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日第三十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日

光度量与辐射量的关系光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。由于人眼对不同波长的光的感光灵敏度不一样，能量相同而波长不同的光，在人眼中引起的视觉强度不相同。第三十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日辐射度量和光度量对照表

第三十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日必须注意，不要把照度跟亮度的概念混淆起来。它们是两个完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关。亮度与照度区别第三十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日几种辐射源的光亮度辐射源亮度（坎德拉/平方厘米(cd·cm-2)）太阳表面2×105碳弧灯1×10460瓦除去光泽的白炽灯9阴极射线管540瓦白炽灯0.5白色发光漆3×10-6He-Ne激光器（10mW，d=1mm）7×107第四十页，共一百一十一页，2022年，8月28日两款摄影用测光表，可以测量亮度第四十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日几种辐射源产生的光照度辐射源照度（流明/平方米(lm·m-2)）He-Ne激光器（10nW，d=1mm）10米外5×105太阳（处于天顶位置）1.2×105晴朗天空1×104阴天1×103全月（处于天顶位置）0.27无月的阴暗天空1×10-4距60瓦白炽灯1米处1×102第四十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日常见照度计第四十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日LED的光参数第四十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日了解知识热辐射的基本物理量：辐射本领吸收率发射率绝对黑体热辐射的基本定律：基尔霍夫定律兰伯特定律距离平方反比定律亮度守恒定律

普朗克定律

维恩位移定律斯忒藩－玻耳兹曼定律第四十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日光源分为自然光源和人工光源；自然光源是自然界中存在的光源，如太阳、恒星等。人工光源是人为将各种形式的能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能量的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。§1-3光源的基本特性参数和光源的选择1.3.1基本概念第四十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日光源----自然螢火蟲陽光螢光水母第四十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日光源—非自然第四十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日光源—非自然斑马鱼第四十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日激光第五十页，共一百一十一页，2022年，8月28日第五十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日第五十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.辐射效率1.3.2光源的基本特性参数在给定的λ1~λ2波长范围内，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比称为在规定光谱范围内的辐射效率。

第五十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日2.发光效率1.3.2光源的基本特性参数某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比称为该光源的发光效率。第五十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日

若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。3.光谱功率分布

自然光源和人造光源大都是由多单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来进行描述。决定光源颜色的客观因素就是它的光谱功率分布；典型白光LED相对光谱分布曲线第五十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日峰值波长λ2－λ

1：谱线带宽，即半峰值宽度。第五十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日3.光谱功率分布0(a)线状光谱0(b)带状光谱0(c)连续光谱0(d)混合光谱

低压汞灯激光

高压汞灯高压钠灯热辐射光源钨灯日常荧光灯第五十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日典型光谱功率分布曲线第五十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日常见的几种光谱分布第五十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日

几种标准光源的光谱功率分布第六十页，共一百一十一页，2022年，8月28日4.空间光强分布

利用配光曲线，提高光的利用率对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的，若在空间某一截面上自原点向各个径向取矢量，就得到了光源在该截面的发光强度曲线，即配光曲线。配光曲线表示一个灯具或光源发射出的光强在空间中的分布情况。第六十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.光源的分布温度

辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。

用黑体辐射特性近似表示一般非黑体辐射光源的辐射特性黑体的温度决定了它的光辐射特性，对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性近似的表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。第六十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.光源的色温

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该辐射源的色温。

由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。

请注意，光源的色温与光源本身的温度是两回事，通常两者是不相同的。例如白炽灯光源本身温度为2800K，但其色温是2845K。第六十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日几种标准光源

A光源：色温为2845K，相当于白炽灯在2800K时辐射出的光。

B光源：相关色温为4800K，相当于中午直射的日光。

C光源：相关色温为6700K，相当于白天的自然光，它的蓝色成分较多。

D65光源：相关色温为6500K，相当于白天平均光照。

标准光源和色温

第六十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日4.光源的色温

当绝对黑体的温度增高时，最大的发射本领向短波方向移动,所以色温较高的光源，其发出的辐射能较多地分布在波长较短的绿光和蓝光之中；而色温较低的光源，其辐射能较多地分布在波长较长的红光中。因此，在上述几种标准白光中，色温较低者，偏红；色温较高时，偏蓝。第六十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日绝对黑体温度与辐射峰值波长对应值绝对黑体温度（K）1000200030004000500060007000辐射峰值波长（um）2.8981.4490.9660.7250.5800.4830.415第六十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日不同色温的光源在色度图中的位置，可见不同色温的光，其颜色也不同。第六十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日6.光源的相关色温

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，这时的光源用相关色温表示。在均匀色温度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。平时我们所说的色温大多是指相关色温。

人工光源中，只有白炽灯与黑体加热发光相似，其色温为2856K，呈现的昏黄色与黑体在2856K时发出的颜色一样，而灯丝也接近此温度。其它人工光源的光色，不是黑体辐射，只能比照黑体辐射同颜色时的温度。

第六十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日色表：眼睛直接观察光源时看到的颜色，即色表，是衡量光源色的指标。

高压钠灯：黄色；荧光灯：白色7.光源的颜色

显色性：光源照射到物体后，人眼所看到的物体外观呈现的色彩客观效果。用显色指数Ra表示，是衡量光源视觉质量的指标。第六十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日显色性好（Ra>70）显色性差(Ra<65)发光体（太阳光）的显色性Ra=100。即任何物体在太阳光的照射下，该物体具有最真实的颜色或质感第七十页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.3.3光源的选择基本要求1.发光光谱特性2.发光强度3.稳定性4.其它要求光谱范围光谱功率分布提高系统的信噪比光谱匹配系数灯丝结构和形状发光面积大小和构成光源发光效率和空间分布灯泡玻壳形状及均匀性第七十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日§1-4发光器件（光源）光的发生一般有两种方式，即温度辐射与发光。温度辐射就是指物体在高温加热时的辐射，例如电灯变亮就是钨丝加热的结果。在温度引起的辐射之外的物体固有的有选择性的辐射现象统称为发光。发光又因激发方式和物质而有所不同，因此又分为光致发光，阴极射线发光，放射线发光，电致发光，注入式电发光等。第七十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日光源的分類

第七十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日电光源种类第七十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.4.1发光的机制和方法原子的能级

第七十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日辐射跃迁的三种基本过程1.4.1发光的机制和方法自发辐射受激吸收受激辐射第七十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.4.1发光的机制和方法第七十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日

人造黑体辐射源1.4.2热辐射光源第七十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.4.2热辐射光源

白炽灯第七十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.4.2气体放电光源

特点：发光效率高、寿命长、光色适应性好、结构紧凑。在适当的条件下，例如强电场、光辐射、粒子轰击和高温加热等，组成气体的分子可能发生电离，产生可自由移动的带电粒子，并在电场作用下形成电流。因此，把电流通过气体的现象称为气体放电，利用该原理发光的光源称为气体放电光源。如荧光灯、低压钠灯、高压钠灯、汞灯、金属卤化物灯、霓虹灯、激光等。第八十页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.4.2气体放电光源荧光灯第八十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.4.2气体放电光源氙灯第八十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日辉光放电弧光放电气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低气压、高气压和超高气压3种。弧光放电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高压汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些光谱光源等放电气压跨度较大的气体放电灯。辉光放电光源包括辉光指示光源和霓虹灯，二者均为低气压放电灯；此外还包括某些光谱光源。第八十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日氙灯近光第八十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日第八十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日汽车高压氙气灯与卤素灯的区别第八十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日气体放电灯第八十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.4.3固体发光光源1.

粉末场致发光光源2.

薄膜场致发光光源3.

结型场致发光光源（发光二极管）第八十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日

半导体发光二极管是少数载流子在PN结区注入与复合而产生的一种半导体光源，是利用外电源向PN结注入电子来发光的。与激光器相比，它的结构公差不需那么严格，而且无粒子数反转、谐振腔等条件要求。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。发光二极管第八十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日第九十页，共一百一十一页，2022年，8月28日发光原理第九十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日

半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分裂，离散的能级形成能带。分为价带、导带和禁带。半导体的能带结构价带：晶体中原子的内层电子能级相对应的能带被电子所填满，这种能带称为价带；

导带：价带以上未被电子填满或者是空的能带称为导带；

禁带：导带和价带之间的能隙称为禁带。导带底和价带顶的能级间隙就是禁带宽度Eg。Eg价带导带禁带费米能级EF纯净（本征）半导体在绝对零度的理想状态下有一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的导带，二者之间是禁带。这是半导体是一个不导电的绝缘体。但是本征半导体的禁带宽度Eg较小，在热运动活其它外界激发的作用下，价带的电子激发跃迁至导带，这时导带有了电子，价带有了空穴，使本征半导体形成导电特性。电子和空穴都是电流的载流者，统称为“载流子”第九十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。半导体类型杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。第九十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日

N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。N型半导体

N型半导体：由于杂质原子的最外层有5个价电子，所以除了与周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子。在常温下，由于热激发，就可使它们成为自由电子，显负电性。这N是从“Negative（负）”中取的第一个字母。第九十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日结论：N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。少子：空穴为少数载流子，简称少子。施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。第九十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。空穴的产生：由于杂质原子的最外层有3个价电子，当它们与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位”（空位电中性），当硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为不可移动的负离子，同时，在硅原子的共价键中产生一个空穴，由于少一电子，所以带正电。P型取“Positve（正）”一词的第一个字母。P型半导体第九十六页，共一百一十一页，2022年，