第二章光源基础知识

第二章光源基础知识光电基础知识CCD器件中光源的选择和匹配CCD器件用到的光源半导体2/1/20230电磁波方式传播的粒子，称为光量子或者光子。光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，物质的光电效应证明了光的量子性。

CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在0.2～1.1µm的波长范围内。特种材料的红外CCD的波长响应可扩展到几个微米，即CCD的光谱响应范围从远紫外、近紫外、可见光到近红外区，甚至到中红外区。2/1/20231第一节光电基础知识电磁波谱光是一种电磁波，X射线、射线也都是电磁波。它们的电磁特性相同，只是频率或波长不同而已。将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。通常所说的光学区域或光学频谱包括：红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高，一般采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1mm到10nm。2/1/20232波长/m无线电波微波红外线紫外线可见光

X

射线

射线宇宙射线1m103m106mm10910-310-610-9nm波长/nm106102003904554925775976227605x1036x1034x104300极远远近极远远中近红橙黄绿蓝紫电磁波谱图2/1/20233

远红外 (1mm~20m)

红外线(1mm~0.76m) 中红外 (20m~1.5m)

近红外 (1.5m~0.76m)

红色 (760nm~630nm)

橙色 (630nm~600nm)

黄色 (600nm~570nm)

可见光

(760~380nm)

绿色 (570nm~490nm)

青色 (500nm~450nm)

蓝色 (450nm~430nm)

紫色 (430nm~380nm)

近紫外 (380nm~300nm)

紫外光(380~10nm)

中紫外 (300nm~200nm)

真空紫外(200nm~10nm)2/1/20234依照波长的长短以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：(1)无线电波——波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；(2)微波——波长从0.3米到10-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；(3)红外线——波长从10-3米到7.8×10-7米；红外线的热效应特别显著；(4)可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。(5)紫外线——波长比可见光短的称为紫外线，它的波长从3×10-7米到6×10-10米，它有显著的化学效应和荧光效应。这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出；(6)伦琴射线——这部分电磁波谱，波长从2×10-9米到6×10-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；X射线，它是由原子中的内层电子发射的，其波长范围约在102～10-2米。(7)γ射线——是波长从10-10～10-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。2/1/20235为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。

在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。

光度单位体系是一套反映视觉明暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。2/1/20236

立体角的单位叫球面度（Sr），1球面度是半径为1m的球面上，1m2的球面对球心所张的立体角。AsA＇r(b)oΩΩ=

平面角的单位叫弧度，1弧度是半径为1m的圆上，1m长的圆弧对圆心所张的角。α=

lαoB(a)Ar几个基本概念先介绍一些基本概念:平面角和立体角。2/1/20237立体角Ω是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度(如图所示)，定义为：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比。式中，θ为天顶角；ϕ为方位角；dθ,dϕ分别为其增量。立体角的单位是球面度(sr)。2/1/20238对于半径为r的球，其表面积等于4πr2，所以一个光源向整个空间发出辐射能或者一个物体从整个空间接收辐射能时，其对应的立体角为4π球面度，而半球空间所张的立体角为2π球面度。在θ，ϕ角度范围内的立体角

求空间一任意表面s对空间某一点o所张的立体角，可由o点向空间表面s的外边缘作一系列射线,由射线所围成的空间角即为表面s对o点所张的立体角。因而不管空间表面的凹凸如何，只要对同一o点所作射线束围成的空间角是相同的，那么它们就有相同的立体角。2/1/20239光辐射的度量一、与光源有关的辐射度参数与光度参数1.辐射能(Radiantenergy)和光能以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳（J）。光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其计量单位为流明•秒（lm·s）。辐能密度w：单位体积元内的辐射能，即：w=dQ/dV2/1/2023102.辐射通量(Radiantflux)和光通量(luminousflux)辐(射)通量或辐(射)功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐(射)能称为辐(射)通量，以符号Φe表示，其计量单位为瓦(W)，即对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能除以无穷小时间间隔dt，其商定义为光通量Φv，即Φv的计量单位为流(明)（lm）。2/1/2023113.辐(射)出(射)度(RadiantExistance)和光出(射)度对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐(射)出(射)度Me，即Me的计量单位是瓦（特）每平方米[W/m2]面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为2/1/202312对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dΦv与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，即其计量单位为勒(克斯)[lx]或[lm/m2]2/1/202313点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，即4.辐(射)强度(RadiantIntensity)和发光强度辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度[W/sr]发光强度2/1/202314发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIＶ＝12.566lm。2/1/2023155.辐(射)亮度(Radiantluminance)和亮度光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即式中，q为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦（特）每球面度平方米[W／(sr·m2)]。AddAd辐射亮度示意图2/1/202316对可见光，亮度Lv定义为光源表面某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给定方向平面上的正投影面积，即Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]2/1/2023176.辐射效率(Radiantefficiency)与发光效率光源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给光源的功率P之比称为光源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与提供的功率P之比称为发光效率ηv。它们分别为对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率2/1/202318二、与接收器有关的辐射度参数与光度参数

1.辐照度与照度辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe除以该面元的面积dA的商，即Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W/m2]2/1/202319对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即Ev的计量单位是勒（克斯）[lx]。

2/1/2023202.辐照量和曝光量

辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积分称为辐照量He，即辐照量He的计量单位是焦尔每平方米[J/m2]。

2/1/202321与辐照量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即Hv的计量单位是勒（克斯）秒[lx.s]。

2/1/2023222.如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，那么该面元可看作是一个辐射源表面，即其辐射出射度在数值上等于照射辐照度。地球表面的辐照度是其各个部分(面元)接收太阳直射以及天空向下散射产生的辐照度之和；而地球表面的辐射出射度则是其单位表面积向宇宙空间发射的辐射通量。

说明：1.不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。2/1/2023233.本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当作辐射体，则光谱辐出度Mer(l)(r

代表反射)与辐射体接收的光谱辐照度Ee(l)的关系为式中，ρe(l)为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对上式的波长积分，得到反射体的辐出度

2/1/202324朗伯辐射体及其辐射特性对于磨得很光或镀得很亮的反射镜，当一束光入射到它上面时，反射光具有很好的方向性，即当恰好逆着反射光线的方向观察时，感到十分耀眼，而在偏离不大的角度观察时，就看不到反射光。对于一个表面粗糙的反射体或漫射体，就观察不到上述现象。除了漫反射体以外，对于某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯辐射体。绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。在实际问题的分析中，常采用朗伯体作为理想的模型。

2/1/202325朗伯余弦定律

朗伯体反射或发射辐射的空间分布可表示为按照朗伯辐射体亮度不随角度θ变化的定义，得即即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立体角内发射(或反射)的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角θ的余弦成正比——朗伯余弦定律。朗伯体的辐射强度按余弦规律变化，因此，朗伯辐射体又称为余弦辐射体。

2/1/202326朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系

极坐标对应球面上微面元dA的立体角dΩ

设朗伯微面元dS亮度为L，则辐射到dA上的辐射通量为

在半球内发射的总通量Ф为

按照出射度的定义得或朗伯体辐射空间坐标2/1/202327对于处在辐射场中反射率为ρ的朗伯漫反射体(ρ=1为理想漫反射体)，不论辐射从何方向入射，它除吸收(1-ρ)的入射辐射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。因此，反射表面单位面积发射的辐射通量等于入射到表面单位面积上辐射通量的ρ倍。即M=ρE，故2/1/202328举例：已知太阳辐亮度L0等于2×107Ｗ/m2/sr，太阳的半径r0等于6.957×108m，地球的半径re为6.374×106m，太阳到地球的年平均距离l为1.496×1011m，求太阳的辐射出射度M0、辐射强度I0、辐射通量Φ0以及地球接收的辐射通量Φe、地球大气层边沿的辐照度Ee。解:太阳可假定为朗伯光源，则太阳的辐射出射度M0=πL0=6.2832×107(W/m2)若认为太阳是一均匀发光体，则太阳的辐射通量Φ0=4πr02M0=3.821×1026(W)太阳的辐射强度:I0=Φ0/4π=3.041×1025(W/sr)地球对太阳的立体角：Ω=πre2/l2=5.703×10-9(sr)也就是说，地球只接收了太阳总辐射能的5.7×10-9/4π=4.54×10-10。地球接收到的太阳的辐射通量:Φe=I0Ω=1.734×1017(W)地球大气层边沿的辐照度:Ee=I0/l2=1358.79(W/m2)2/1/202329几种典型光辐射量的计算公式1.点源对微面元的照度

如图,设O为点源，受照微面元dA距点源的距离为l，其平面法线n与辐射方向夹角为α，dA对点源O所张立体角为若点源在该方向的辐射强度为I，则向立体角dω发射的通量dФ为

如果不考虑传播中的能量损失，则微面元的照度为即点源对微面元的照度与点源的发光强度成正比，与距离平方成反比，并与面元对辐射方向的倾角有关。当点源在微面元法线上时，上式变为

这就是距离平方反比定律。点源对微面元的照度2/1/202330应该指出，点源实际尺寸不一定很小，甚至成为一个点，而是按辐射源线度尺寸与接收面距离的比例来区分是点源或面源。距地面遥远的一颗星，实际尺寸很大，但观察者看到的却是一个“点”。同一辐射源在不同场合，既可是点源，又可是面源，例如飞机的尾喷管，在1km以上的距离测量时是点源，而在3m的距离测量时，则表现为一个面源。通常认为，当距离比辐射源线度尺寸大10倍以上时，就可以看成点源。

2/1/2023312.点源向圆盘发射的辐射通量分析点源向圆盘发射的辐射通量可用于计算距点源一定距离的光学系统或接收器接收的辐射通量。如图，点源O发出光辐射，距点源l0处有一与辐射方向垂直半径为R的圆盘。由于圆盘有一定大小,由点源至圆盘上各点的距离不等，故圆盘辐照度不均匀。圆盘上微面元dA接收的辐射通量为由于，代入上式，并对ρ和θ积分，得到半径R的圆盘接收的全部辐射通量点源对圆盘的辐射2/1/202332当圆盘距点源足够远时，即l0>>R，l≈l0，cosα≈1，则圆盘接收的通量为即圆盘可认为是微面元，圆盘上各点辐照度相等。

2/1/2023333.面辐射在微面元上的辐照度如图,设A为面辐射源，Q为受照面，n1为微面元dA的法线，与辐射方向夹角为β，n2为Q平面O点处的法线，与入射辐射方向的夹角为α，dA到O点的距离为l。对面源A上微面元dA，运用距离平方反比定律得O点形成的辐照度dE。

式中，Iβ为面元dA在β方向上的发光强度，与该方向上发光亮度Lβ间有如下关系代入上式得面辐射源A对O点处微面元所形成的照度值E，得

面源的辐照度2/1/202334一般情况下，面辐射源在各个方向上的亮度是不等的。但对各方向亮度相等的朗伯辐射源，上式可简化为式中，是立体角dω在Q平面的投影,故称上式为立体角投影定律。2/1/2023354.朗伯辐射体产生的辐照度如图，朗伯扩展源为半径R的圆盘A，取圆环状面元dA1=rdrdϕ，由前面式子可知，由于β=α，则环状面元上发射的辐射在距圆盘为l0的某点Ad处的辐照度为由图的几何关系得朗伯圆盘辐射体的辐照度则圆盘扩展源在轴上点产生的辐照度为2/1/202336进一步讨论扩展源近似为点源的条件。由图可得因为圆盘的面积A为πR2，故上式可改写为若圆盘可近似作为点源，则其在同一点产生的辐照度为于是,由上上式精确计算的辐照度与上式点源近似计算的辐照度的相对误差为显然，如果R/l0≤1/10，即当l0>10R或β0≤5.7°时，相对误差<1%。物理意义：目标点与圆盘朗伯辐射体的距离大于10倍圆盘半径时，按点源测量的辐照度相对误差小于1%。2/1/2023375.成像系统像平面的辐照度

如图，物空间亮度L0的微面元ds0经过成像物镜成像在像空间ds1微面元上，确定ds1上的照度。微面元向透镜口径D所张立体角发射的辐射通量为成像系统像平面照度其中，u0为物点对成像系统的张角。dΦ经过透过率τ的成像物镜后照射在微面元ds1上的照度为利用光学拉-赫不变式可将上式改写为2/1/202338在一般光电成像系统中，由于n0=n1≈1，且光瞳放大率βp=D′/D=1，其中D和D′为物镜物方和像方孔径。于是其中，l和l′分别为物距和像距。对于大多数摄像系统的应用，基本满足l>>f′，即物距远大于光学系统的焦距，则需要指出：在一般应用中，光学系统的相对孔径D/f′较小，因此，常采用如下简化式2/1/202339对于夜视系统的光学系统，由于属于低信噪比系统，往往需要加大光学系统的孔径，通常要求光学系统的F数(FN=f′/D)尽量小，FN→1,则采用上式导致的相对误差为显然，当FN→1时，相对误差将达到25%。2/1/202340三、光谱辐射分布与量子流速率

1.光源的光谱辐射分布参量光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度Xe,λ，简称为光谱辐射量，即式中，通用符号Xe,λ是波长的函数，代表所有的光谱辐射量，如光谱辐射通量Φe,λ、光谱辐射出度Me,λ、光谱辐射强度Ie,λ、光谱辐射亮度Le,λ、光谱辐照度Ee,λ等。2/1/202341同样，以符号Xv,λ表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为光度量的光谱密度，简称为光谱光度量，即式中，Xv,λ代表光谱光通量Φv,λ、光谱光出射度Mv,λ、光谱发光强度Iv,λ和光谱光照度Ev,λ等。光源的辐射度参量Xe,λ随波长λ的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。2/1/202342该曲线任一波长l处的Xe,λ除以峰值波长lmax处的光谱辐射量最大值Xe,λmax的商Xe,λr，称为光源的相对光谱辐射量，即相对光谱辐射量Xe,λr与波长l的关系称为光源相对光谱辐射分布。光源在波长l1～l2

范围内发射的辐射通量2/1/202343若积分区间从l1=0到l2→∞，得到光源发出的所有波长的总辐射通量光源在波长l1~l2之间的辐通量Δfe与总辐通量fe之比称为该光源的比辐射qe，即式中，qe没有量纲。2/1/2023442.量子流速率

光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长l处,由l到l+dl波长范围内发射的辐射通量dfe除以该波长l的光子能量hv，得到光源在该波长l处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,l，即光源在波长l为0→∞范围内发射的总量子流速率2/1/202345对可见光区域，光源每秒发射的总光子数量子流速率Ne或Nv的计量单位为光子数每秒[1/s]。2/1/2023462/1/202347辐射度参数和光度参数的关系380nm——760nm光度参数辐射度参数2/1/202348光度量只在可见光区（380-760nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。2/1/202349人眼的视觉灵敏度明视觉光谱光视效率用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长l=555nm处的光谱辐射亮度小于其他波长的光谱辐射亮度。把波长l=555nm的光谱辐射亮度被其他波长的光谱辐射亮度除得的商，定义为正常人眼的V(l)，即2/1/202350对正常人眼的柱状细胞，以微弱的各色单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为507nm处的光谱辐射亮度Le,507nm小于其他波长的光谱辐射亮度Le,λ

。把Le,507nm与Le,λ的比值定义为正常人眼的暗视觉光谱光视效率。

V/(λ)也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如图中的虚线所示。暗视觉光谱光视效率2/1/202351图为人眼的明视觉光谱光视效率V(λ)和暗视觉光谱光视效率V/(λ)。光谱光视效率曲线2/1/202352光谱光视效能

光谱光视效能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。即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值，即

单位：流明/瓦特(lm/W)通过测定，在辐射频率5401012Hz(波长555nm)处，K有最大值，其数值为Km=683lm/W。单色光谱光视效率是K用Km归一化的结果，其定义为2/1/202353人眼的光谱光视效能无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其刺激的程度与V(λ)Le,λ成正比。对于明视觉，刺激程度平衡的条件为式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量XV,λ对辐射度参量Xe,λ的转换常数，其值为683lm/W。2/1/202354对于暗视觉，刺激程度平衡的条件为式中，K/m为人眼的暗视觉最灵敏波长的光度参量X/V,λ对辐射度参量Xe,λ的转换常数，其值为1725lm/W。2/1/202355引入K(λ)，并令在人眼最敏感的波长lm=555nm，lm/=507nm处，分别有V(lm)=1，V/(lm/)=1，这时K(lm)=Km，K/(lm/)=K/m。因此，Km，K/m分别称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能和暗视觉最大光谱光视效能。可以将任何光谱辐射量转换成光谱光度量。2/1/202356常见光源的光视效能2/1/202357例：已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？解：He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，可以计算出它发出的光通量为=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)2/1/202358标准钨丝灯发光光谱分布如图1-7所示，图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射分布Xe,λr、光谱光视效率V(λ)和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积V(λ)Xe,λr，积分为V(λ)Xe,λr曲线所围的面积A1，而积分

为面积A2。因此，可得标准钨丝灯的光视效能Kw为lm/W2/1/202359例如，对于色温为2856K的标准钨丝灯，其光视效能为17.1lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为Φe=100W时，其光通量为Φv=1710lm。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。2/1/202360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称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要取决于物体的温度。下面介绍热辐射的一些基本定律。热辐射基本定律2/1/2023611.单色吸收比和单色反射比。任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。吸收比。被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用表示。反射比。反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用表示。对于不透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即

若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。2/1/2023622.基尔霍夫辐射定律在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即

为黑体的单色辐射出射度。2/1/2023633.普朗克公式黑体处于温度T时，在波长

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，kB为波尔兹曼常数。令，，则：第一辐射常数，第二辐射常数。2/1/202364下图为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。可见：⑴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。因而温度能唯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）。⑵单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。⑶单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。黑体辐射单色辐射出射度的波长分布01234560102030401000K1200K1400K1600K1800K2000Kl

(mm)单色辐射出射度Mvlb(W/cm2mm)2/1/2023654.瑞利-琼斯公式当很大时，，可得到适合于长波长区的瑞利-琼

斯公式在时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。2/1/2023665.维恩公式当很小时，，可得到适合于短波长区的维恩

公式在区域时，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。2/1/2023676.维恩位移定律普朗克公式对波长求微分后令其等于0，则单色辐射出射度最大值对应的波长与绝对温度满足7.斯忒藩-玻尔兹曼定律

为斯忒藩-玻尔兹曼常数。斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。2/1/2023688.色温当热辐射体发射的可见光区域的光谱辐射分布具有与某黑体的可见光部分的光谱辐射分布相同的形状时，以黑体的温度来标志该热辐时体的温度称为热辐射体的色温。色温度并非热辐射光源本身的温度。至于非热辐射光源，色温度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。色温越高的辐射体，可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越大。2/1/202369第二节CCD器件中光源的选择和匹配光源选择的基本要求1.波长（光谱）特性2.发光强度（光功率）3.光源稳定性（强度、波长）2/1/2023701.对光源发光光谱特性的要求一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要，光源发光光谱与探测器的光谱响应要匹配。例如：红外探测器必须配套红外光源通常的硅探测器（如CCD相机）必须匹配0.4-1.1微米范围内光谱的光源。2/1/2023712.对光源发光强度的要求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。3.对光源稳定性的要求稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电或稳流电源供电，所用光源应预先进行老化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。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。2/1/2023724.对光源其它方面的要求灯丝结构和形状发光面积大小和构成灯泡玻壳的形状和均匀性光源的发光效率和空间分布2/1/202373摄像是为了真实地记录物体的结构、状态和颜色。而从色度学知道，物体的颜色和照明光源的光谱功率分布有关。人们对物体的观察一般是在日光照射下形成的。所以摄像要在日光和近似日光的环境中可以进行。由于氙气发光的光谱功率分布接近于日光的光谱功率分布，所以摄像时可以采用大功率的氙灯作为照明光源。CCD器件中光源的选择2/1/202374检测系统一般分为两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布确定被检测物体的某些特征参数。对于第一种，选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源；对于第二种，选用激光作为光源，因为激光能满足单色性好、相干性好和光束准直精度高等要求。CCD器件的光谱响应范围为0.2～1.1µm，峰值响应波长多为0.55µm，氦氖气体激光器的波长为0.6328µm，光谱响应灵敏度接近于其峰值的响应波长的光谱灵敏度，与其他激光器相比，用相同功率光束照明，可以得到较大的输出信号。而且，这种激光器制造技术成熟，结构简单，使用方便，价格便宜，所以经常用它作为光源。2/1/202375照明的匹配CCD器件是积分型器件，输出电流信号既和CCD器件光敏面上的照度有关，也和两次取样的间隔时间，即积分时间有关。若以I代表其输出电流信号，E代表光敏面的照度，t代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有K是比例系数；，称为曝光量，单位lx*s。2/1/202376对于既定元件，曝光量应限定在一定的范围之内，其上限为饱和曝光量。对于摄像和以光度测量为基础的CCD应用系统，光敏面上任何光敏单元上的曝光量均应低于，否则将产生画面亮度失真，或产生大的测量误差。2/1/202377因为，所以可通过适当选择CCD器件光敏面上照度E和两次采样间隔时间t两个参数来达到。但是，采样间隔时间t一般由驱动器的转移脉冲周期确定，常为一确定值。所以调节曝光量通常是通过调节CCD光敏面上的光照度来实现。要求光敏面上任何点的照度应满足。光敏面的照度也不能太低。如果某些点的照度低于CCD器件的灵敏阈，这些较暗部便无法测出，从而降低画面亮度的层次或产生测量误差。最好是把光敏面上的最大照度调节为略低于，以充分利用器件的动态范围。2/1/202378式中，和分别为光学系统的像方和物方介质的折射率；为光学系统的透过率；为物体的亮度；为像方孔径角；为所考虑点对应的视场角。对于CCD应用系统，CCD器件光敏面的照度就是经光学系统成像的像面照度或者是经光学系统进行傅里叶变换后的谱面照度。发光特性接近余弦辐射体的物体经光学系统成像，其轴上像点的照度和轴外像点照度可分别用下列两式表示2/1/202379对于观察或测量自然景物，由于景物的亮度不易改变，一般靠选取角取得合适的像面照度。对于观察无限远景物，应使用望远镜，这时，为光束直径，表示焦距，轴上像点的照度为可见，这种情况下像面照度与相对孔径的平方成正比，主要靠选择望远镜的相对孔径来达到像面照度与CCD光敏特性相匹配。对于观测人工照明目标，则可用合理选择照明光源的功率及照明系统的参数来调节被观测对象的亮度值，并配以合适的观测光学系统来保持所需的像面照度。2/1/202380有些测量系统像面或谱面照度分布不均匀，最大和最小照度之差远超过CCD器件响应的范围，这时，单靠调节照明和光学系统的参数不能达到目的。例如，调节光源或光学系统孔径角使像面照度最大值，则暗区照度过低无法检测，如调节使暗区照度达可测值，则。为了使在这种情况下能够完成测量，可采用滤光补偿法。这种方法适合于像面或谱面照度分布有一定的规律、明暗差较大的情况。2/1/202381滤光补偿法就是在CCD器件光敏面前放置一块透过率按一定规律分布的滤光镜，使高照度区的照度降下来，达到，而低照度区的照度不受影响或者少受影响。这样，就可以使整个像面或者谱面测量值均在可测量范围之内。而各点的实际照度可由实测照度和滤光镜相应点的透过率求得

实际上，滤光镜的透过率不要求制作的很准确，准确值可在系统组装后通过实验标定。2/1/202382第三节CCD器件用到的光源光源分类自然光：日、月、星、闪电、萤火虫人工光：篝火、油灯、蜡烛、钨丝白炽灯、日光灯、氙灯、闪光灯、发光二极管、半导体激光、气体激光、节能灯….热光源：物体升温产生气体放电光源：电极间气体放电固体发光光源：电能直接转换为光能激光：受激辐射2/1/202383常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LED1.氙灯(摄像)2.检测系统(1)白炽灯或卤钨灯(2)氦氖气体激光器2/1/202384发光二极管（LED)节能灯白炽灯2/1/202385可调谐激光器氙灯闪光灯激光2/1/202386氙灯填充氙气的光电管或闪光电灯。氙气是天然的稀有气体中分子量最大、密度最高的，原子半径较大，化学性质不活泼，不能燃烧，也不助燃。汞灯钠灯氙灯气体放电灯2/1/202387氙灯是由一只用优质石英玻璃吹制成的泡壳，在其内封有一对电极(直流灯：一只为阳极，另一只为阴极。交流灯：两只均为具有电子发射性能的电极)并充入一定压力的惰性气体Xe而成，用高电压触发放电，是典型的弧光放电型气体放电灯。氙灯工作时要求外接专用电源（直流灯：专用的直流稳流电源。交流灯：交流电源和镇流器）和触发器。当接通电源时，电路中的触发器产生一个高频高压信号加于灯的两端，使灯管内的Xe气激发电离产生弧光放电，辐射出的光谱分布很近似于日光，故氙灯也俗称为小太阳。在弧光放电中，电子与气体发生弹性碰撞损失的能量同气体的原子量成反比，所以与其他惰性气体相比，氙气弧光放电时损失较小，发光效率高。同时，氙气的电离电势较低，放电时电极附近的电压较小，这样可以延长电极的寿命。另外，其色温在5500-6000K，具有良好的显色指数，现广泛的应用于电影放映、探照灯具、太阳模拟器，广场照明等领域。结构2/1/202388氙灯具有以下特点：①辐射光谱能量分布与日光相接近,色温约为6000K。②连续光谱部分的光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变。③灯的光、电参数一致性好，工作状态受外界条件变化的影响小。④灯一经点燃，几乎是瞬时即可达到稳定的光输出；灯灭后，可瞬时再点燃。⑤灯的电压较小。2/1/2023892/1/202390工作原理-气体放电气体放电原理电路及特性(a)气体放电管电路(b)气体放电的U-I特性2/1/202391在通常情况下，气体是不导电的，但在紫外线或在宇宙射线作用下，会有少量气体分子被电离成正、负离子和自由电子。在气压约为133.32Pa时，密封在玻璃管内的两个电极加上了一定电压(图

(a))。当电压较低时，玻璃管内的气体中少量正负离子和自由电子导电，形成极弱的电流，约为10-11A。这就是所谓的气体暗放电电流，这时电流与电压成线性关系，如图中OA段。随着电压增加，电流达到饱和．相当于曲线AB段。电压继续增加时，被加速的带电粒子数雪崩式地增加，相当于曲线的BCD段。在D点，当电压稍增加时，由于阴极附近存在很高的阴极电压和很大的离子浓度，这些离子中的正离子强烈轰击阴极表面。从阴极表面打出二次电子，使电流迅速增加，而极间电压反而迅速降低，形成辉光放电的过渡区，故D点称为着火点或破裂点。从E点开始为自持放电，无论增加电源电压或减少外电路电阻，玻璃管两电极间电压保持恒定，这就是正常辉光放电。再继续增加电压和减少外电路电阻，使中性气体原子遭受离子的撞击，形成强电离现象，从而电流增大，极间电压也随之增加，气体发光强度和气体温度也逐渐增加，形成异常辉光放电(FG段)。从G点开始，电流增加，而极间电压急剧降低，阴极强烈炽热，引起热电子发射和场致发射电子，形成弧光放电，放电电流约0.1A以上，再继续减少外电路电阻，可使电极熔化而损坏放电管。2/1/202392自持放电：不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电。当外加电压逐渐升高后，气体中的放电过程发生转变，此时若去掉外界激励因素，放电仍继续发展，称为自持放电。通常所研究的各种气体放电形式如辉光放电、电晕放电、火花放电、电弧放电等都属于自持放电。形成自持放电的条件可根据汤森理论来确定。当外加电压较低时，只有由外界电离因素所造成的带电粒子在电场中运动而形成气体放电电流，一旦外界电离作用停止，气体放电现象即随之中断，这种放电称为非自持放电。汤森理论：汤森在实验中发现，当两平板电极之间所加电压增大到一定值时，极板间隙的气体中出现连接两个电极的放电通道，使原来绝缘的气体变成电导很高的气体，有放电电流通过，间隙被击穿。汤森用气体电离的概念解释这一现象。他设想有n0个自由电子在电场作用下由阴极向阳极运动,只要电场足够强,电子在与气体分子碰撞时会引起后者电离，发展成电子崩。若每个电子在电场中移动单位距离时产生的电离次数为α(汤森电离系数),则可推知n0个自由电子在由阴极向阳极运动中经过距离d后将增加到n0ead,而每个电子产生的正离子－电子对数为ead-1。正离子在电场作用下向阴极运动，设每个正离子撞击阴极时引起的电子发射（称二次电子发射）的概率为r,则n0个自由电子引起电离后产生的二次电子数为rn0(ead-1)。要使放电持续不断，则需使rn0(ead-1)=n0或r(ead-1)=1，这就是汤森自持放电的条件，又称汤森判别式。

2/1/202393在辉光放电时，将产生明暗相隔的区域(如下图)，各区域的电势和电场分布也表示在图中。弧光放电发出的光辉极其明亮，可用在电影放映和公共场所照明。无论辉光放电或弧光放电，都是气体的场致发光现象。在气体放电过程中，由于电场的作用使带电粒子动能增加到足以能电离其他气体分子时，气体分子吸收带电粒子的能量，使其电子处于激发状态，这种激发态是不稳定的，在10-8s内从激发态回到低能态或基态，以发光的形式放出能量。如钠蒸汽原子辐射出波长589.0nm和589.6nm的双黄光。辉光放电的明暗区域及电场电势分布(a)辉光放电区域分布；(b)辉光放电的电场电势分布2/1/202394直流长弧氙灯高压短弧氙灯脉冲氙灯被广泛用于激光内雕机、激光焊接机、激光美容机。氙灯是一种发光功率大，接近日光的灯，分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三类。2/1/202395长弧氙灯的工作原理

长弧氙灯都做成管状，灯管采用耐高温，热膨胀系数小的全透明石英管，两端封接有二个钍钨（或钡钨）电极，电极间距离一般大于100mm，管内充有高纯度的氙气。

由于灯本身的工作电压太低，不足以使灯内的气体电离放电，所以长弧氙灯需要用触发器来启动。触发器的作用就是产生一种高频高压脉冲加到灯的两极上。在高压脉冲作用下，起初灯管中形成火花放电的通道，由此产生的电子和离子在电场作用下使中性气体分子和原子继续电离，发生雪崩过程。同时在离子的撞击下使电极加热成为热发射体，发射大量热电子，而产生较大的电流，灯就马上点亮了，灯点亮后触发器停止工作，不用镇流器，直接接入电网就可以形成稳定的弧光放电。由于是高气压的气体放电，其放电的电流通常是高温等离子体。1963年，中国电光源专家蔡祖泉试制成功长弧氙灯。2/1/202396长弧氙灯的功率可以做得很大，伏安特性具有正阻特性，所以只需安装启动装置，其规格有带镇流器的和不带镇流器的两种。长弧氙灯的辐射光谱与日光接近，适于大面积照明，也可用作电影摄影、彩色照相制版、复印等方面的光源；同时，在棉织物的颜色检验、药物和塑料老化试验、植物栽培、光化反应等方面，也可作模拟日光和人工老化光源。此外，大功率长弧氙灯还可作为连续激光光源。2/1/202397

氙灯的功率很大，小的几千瓦，大的可达几十万瓦。发光效率也高。氙灯按其使用特点可分为自然冷却、风冷和水冷3种。自然冷却氙灯一般充(2.66-26.6)×102Pa的氙气，水冷氙灯充(1.33-5.32)×104Pa的氙气，色温为5500-6000K，功率可从102-2×106kW，发光效率为24-37lm/W。水冷式长弧氙灯的发光效率可达60lm/W，一般寿命达3000h。小功率灯采用自然冷却，功率在3000～5000W的灯采用风冷，更大功率的灯采用水冷。功率越大,管壁温度越高,都要高到好几百度。这时光靠自然冷却是不够了，需要强制冷却，如水冷。水冷就是用循环水冷却管壁，沿着水套流动的水把灯放出的热量带走。灯管和水套，供电和给水，水冷是挺费事的。但是，水冷大大降低了灯管的温度，可以增加灯的功率，缩小灯的体积，延长灯的使用寿命，提高灯的发光效率，总的来说仍然非常合算。这就是说，功率大，亮度强，光色好，光效高，这些都是长弧氙灯的优点。2/1/202398超高压短弧氙灯

超高压短弧氙灯是一种在椭球形石英泡壳内充有0.019～0.0266MPa高压氙气、极间距离小于10mm的氙灯。超高压短弧氙灯发光效率约40lm/W。直流灯点燃时，在离开阴极0.07lc(lc为极距)处，有一个称之为阴极光斑的最亮点，该点的辐射光达到灯的总辐射光通量的70％以上，这使超高压短弧氙灯成为近乎理想的点光源，尤其有利于光学系统的设计和使用。功率为75-5000W的灯，其峰值亮度为(50-650)×106cd/m2；2500W的大功率灯，峰值亮度可达2×109cd/m2。

1954年，在联邦德国科隆世界照明和电影博览会上，蔡司－依康公司展出了第一只作为电影放映光源的氙灯。2/1/202399超高压短弧氙灯具有几乎瞬态的光学启动特性——启动时辐射出灯的总光通量的80％，1分钟后达90％，2.5分钟后达到100％。它需配备专用的启动器和直流电源，寿命约为500～1500h。灯可水平或垂直点燃。1000W以上的氙灯，水平点燃时需附加磁场稳弧装置。超高压短弧氙灯因充有高压氙气，贮运、保存均应放在专用盒内，以防爆炸。使用时应采取必要的防爆及防紫外辐射措施。超高压短弧氙灯亮度高、发光区域小、显色性好，光色接近日光且光色稳定，广泛用于电影放映、太阳模拟器、电弧成像炉、D65模拟光源聚光器、印刷制版、复印机、光学仪器、人工气候模拟等。2/1/2023100脉冲氙灯脉冲氙灯由灯管和两端结构完全相同的灯头所构成。灯头内部构件中心轴线上的电极通过电极密封区、内密封区、过渡玻璃封接区和外密封区与灯管的尾管封接。脉冲氙灯是利用贮存的电能或化学能，在极短时间内发生高强度闪光的氙灯。脉冲光源的闪光持续是指1/3峰值光强所对应的时间间隔，称为脉冲宽度，它主要由光源的结构和点灯电路决定。现有脉冲光源的脉冲宽度一般为10-9～10-2s，瞬时亮度可达1010cd/m2，是除激光外亮度最高的人造光源，它的瞬时光通量可达109lm，闪光重复频率为1～106次/分，工作寿命达106次以上，发光效率为40lm/W。19世纪中叶，F.塔尔博特首次应用火花隙放电作为高速摄影的曝光光源，这是最早的人造脉冲光源，以后出现了惰性气体脉冲放电光源。2/1/2023101脉冲氙灯是一种时间很短的脉冲闪光光源，可分为单次闪光和重复闪光两种，电路如图2-8所示。对单次闪光电路，电源对电容C1充电至几千伏，同时对电容C2也充电。当开关K闭合后，C2通达初级脉冲线圈放电，在次级产生很高的脉冲电压。此脉冲电压加到闪光管电极上，使闪光管被触发电离，贮存于电容C1的电能通过闪光管形成强烈的弧光放电。C1上的电能放电完毕，闪光完成一次。充电电阻R1除对电容C1充电外，还限制充电电流的数值，以便当电容C1迅速放电时，闪光管能消除电离并熄灭，不致于连续闪光。因此，R1的选择必须满足条件其中，f为闪光频率。对于重复闪光电路，触发开关K通常用一个多谐振荡器所驱动的冷阴极电子管代替，其振荡频率范围为几个HZ到300HZ。2/1/2023102脉冲光源有以下5种用途：①各种管状脉冲氙灯。管状脉冲氙灯的峰值闪光能量可从用于医学和照明摄影的几个焦到用于弹道空中观察和激光光源的上百万焦。除管状外还有U形、螺旋形和圆盘形等多种形状。②频闪观察仪用脉冲氙灯。频率几千HZ，功率几万瓦。③信号脉冲光源。频率1-3Hz，功率10-500W，寿命达106次。④光化学反应和电子仪器用微秒脉冲光源。⑤计算机或其他自动装置用的频闪指示仪。频率102Hz，功率数瓦。2/1/2023103除激光光源外，脉冲氙灯亮度最高，光谱分布范围也宽(图2-10)，脉冲光与CCD的转移脉冲同号后可以获得高速运动物体的瞬态图像。这在高速摄影技术中获得广泛的应用。但脉冲氙灯的电源系统复杂，需要一个近万伏的引燃脉冲电压，如果线路布置不当，会引进干扰信号，又因闪光频率高，寿命也不太长。如单次闪光管约5千次到5万次，重复闪光管的平均使用寿命约为100-200h。2/1/2023104白炽灯普通白炽灯是由熔点高达3600K的钨丝制成的灯丝、实芯玻璃、灯头、玻璃壳组成的。灯丝是白炽灯的关键部分，几乎都是由钨丝绕制成单螺旋形或双螺旋形。白炽灯的供电电压决定钨丝的长度，供电电流决定钨丝的直径。为使白炽灯产生的光通量按预期的空间分布，可将钨丝制成直射状、环状或锯齿状。锯齿状可布置成平面、圆柱形或圆锥形。也有用钨片制成带状的钨带灯，形成射状光源。早在18世纪末，伏特就发现了电流发热和发光现象。到19世纪60年代．俄国的谢尔盖耶夫(Ceprreeb)制作成铂丝蜷状的白炽灯，后经改进，制成了当今使用的钨丝白炽灯。2/1/2023105由实芯玻璃和钼丝钩做成的架用于支撑钨丝，再通过金属导丝与外电源连接。玻璃壳采用透明的普通玻璃，形状和尺寸由采用的冷却条件或特殊要求决定。有时把透明的玻璃壳表面加以腐蚀(磨砂)，或采用具有散光性强的乳白玻璃制作，以得到均匀发射的亮度较低的白光。为防止高温时钨丝的氧化，必须把玻璃壳抽成真空。对功率大于40W的白炽灯，玻璃壳内充入惰性气体，以减少钨丝蒸发，延长灯的寿命。因为这些惰性气体分子与蒸发出来的钨分子碰撞，使一部分钨分子又返回去，从而延长钨丝的寿命。但惰性气体分子也散失部分热量，使灯丝温度降低。为了减少由于气体热传导的损失，就要减少灯丝和气体接触的面积，所以采用螺旋状或双螺旋状的灯丝，而且最好充入分子量大的氙或氡。2/1/2023106发光光谱钨丝白炽灯在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射体。在低温时，热辐射体的发射系数较小，且随波长的增长而减少。当温度升高时，光谱发射系数随波长的变化而减少，最后在温度很高时趋向于1，服从黑体辐射定律式中，为温度系数，，其中；为斯尼藩-波尔兹曼常数；为灯丝的绝对温度。钨丝白炽灯的温度越高，它所发出的辐射出射度越强。同时，由维恩位移定律得到，钨丝灯的温度越高，短波长光谱辐射的含量越多。国际照明委员会规定，2856K灯丝温度下的白炽钨丝灯为标准钨丝灯。标准钨丝灯的峰值辐射波长在1.0mm时，和维恩定律计算出来的相符合。它的发光光谱范围涵盖了整个可见光谱谱区，并延长至中红外区。它在可见光谱区的辐射功率只占全部辐射功率的一小部分，不足10%。标准钨丝灯相对光谱辐射功率随波长的分布2/1/2023107钨丝白炽灯的功率、光通量和发光效率钨丝白炽灯的功率由所需要的光通量(或光照度)和灯的发光效率确定。灯的发光效率取决于灯丝的温度。如果要求光通量大，灯丝的直径要粗，这样流过的电流大，电功率就大，灯丝温度高，发光效率就高。对于小功率指示灯，灯丝细，温度低，发光效率也低。100W以下的钨丝白炽灯的发光效率一般在6％-12％。钨丝白炽灯的功函数和温度关系曲线如图2-3。发光效率就是指：从物体表面出来的可见光（380-760nm）的量（也就是多少lm）除以供应物体的电能。也就是用物体的光视效能乘以物体的辐射效率。

2/1/2023108白炽灯A的光视效能8lm/W；白炽灯B的发光效率8(lm/W)。1.两者单位一样，有何区别？2.哪一个更耗电？3.哪一个更亮？2/1/2023109供电电压变化对钨丝白炽灯参量的影响

当钨丝白炽灯的供电电压变化时，对白炽灯的电流、光通量、灯的功率损耗、灯的寿命等都有很大影响。如果电压增加，则灯丝温度上升，光通量增加，发光效率提高。但是，灯丝温度太高时，则钨丝的蒸发加快、加剧，使灯丝的某些局部迅速变细、从而电阻值增大，局部功耗加大，并很快被烧断。表2-3列出不同温度下钨丝在真空中的蒸发率和钨丝寿命随温度变化的关系。由表可知，蒸发率和寿命的乘积为常数。

--额定电压--所加电压2/1/2023110卤钨灯卤钨灯是一种改进的白炽灯。钨丝在高温下蒸发使灯泡变黑，如限定白炽灯的灯丝温度不能太高，从而使白炽灯的发光效率降低。在灯泡中充入碘或溴等卤族元素，使它们与蒸发在玻壳上的钨形成化合物。当这些化合物回到灯丝附近时，遇高温而分解，钨又回到钨丝上。这样，灯丝的温度可以大大提高，而玻壳并不发黑。因此灯丝亮度高、发光效率高、形体小、成本低是卤钨灯的特点。目前常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。2/1/2023111激光激光作为一种新型光源，与其他光源相比有单色性好、方向性强、光亮度极高的优点，因而在国防、科研、工农业生产和医疗等方面得到广泛的应用。在诸多种类的激光器中，氦氖气体激光器和半导体激光器在精密检测、光信息处理，全息摄影、准直导向、大地测量等技术中有着极为广泛的应用。2/1/2023112氦氖激光器氦氖激光器具有连续输出激光的能力。输出激光功率不高，只有几毫瓦。激光波长=632.8nm，波长的稳定性度高达10-10量级。氦氖激光器输出的光束的相干性及方向性均很强，居各类激光器首位。对632.8nm的谱线，相干长度可达几十公里以上，光束发散角为1mrad。2/1/2023113MOS管半导体的光吸收第四节半导体2/1/2023114MOS管（场效应管）结型场效应管1.结构及符号结型场效应管也是具有PN结的半导体器件，图1.3.1(a)绘出了N沟道结型场效应管的结构(平面)示意图。它是一块N型半导体材料作衬底，在其两侧作出两个杂质浓度很高的P+型区，形成两个PN结。从两边的P型区引出两个电极并联在一起，成为栅极(G)；在N型衬底材料的两端各引出一个电极，分别称为漏极(D)和源极(S)。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道，它是漏、源极之间电子流通的途径。这种结构的管子被称为N型沟道结型场效应管，它的代表符号如图1.3.1(b)所示。2/1/20231152/1/2023116如果用P型半导体材料作衬底，则可构成P沟道结型场效应管，其代表符号如图1.3.1(c)所示。N沟道和P沟道结型场效应管符号上的区别，在于栅极的箭头方向不同，但都要由P区指向N区。2.基本工作原理上述两种结构的结型场效应管工作原理完全相同，下面我们以N沟道结型场效应管为例进行分析。研究场效应管的工作原理，主要是输入电压对输出电流的控制作用。在图1.3.2中，绘出了当漏源电压UDS=0时，栅源电压UGS大小对导电沟道影响的示意图。2/1/20231172/1/2023118（1）当UGS=0时，PN结的耗尽层如图1.3.2(a)中阴影部分所示。耗尽层只占N型半导体体积的很小一部分，导电沟道比较宽，沟道电阻较小。（2）当在栅极和源极之间加上一个可变直流负电源UGG时，此时栅源电压UGS为负值，两个PN结都处于反向偏置，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻加大，如图1.3.2(b)所示。而且栅源电压UGS愈负，导电沟道愈窄，沟道电阻愈大。（3）当栅源电压UGS负到某一值时，两边的耗尽层近于碰上，仿佛沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大，如图1.3.2(c)所示。此时的栅源电压称为栅源截止电压(或夹断电压)，并以UGS(off)表示。2/1/2023119由以上的分析可知，改变栅源电压UGS的大小，就能改变导电沟道的宽窄，也就能改变沟道电阻的大小。如果在漏极和源极之间接入一个适当大小的正电源UDD，则N型导电沟道中的多数载流子(电子)便从源极通过导电沟道向漏极作漂移运动，从而形成漏极电流ID。显然，在漏源电压UDS一定时，ID的大小是由导电沟道的宽窄(即电阻的大小)决定的，当UGS=UGS(off)时，ID≈0。于是我们得出结论：栅源电压UGS对漏极电流ID有控制作用。这种利用电压所产生的电场控制半导体中电流的效应，称为“场效应”。场效应管因此得名。

2/1/2023120ID=f(UGS)|UDS=常数图1.3.3给出了某N沟道结型场效应管的转移特性。从图中可以看出UGS对ID的控制作用。UGS=0时的ID，称为栅源短路时漏极电流，记为IDSS。使ID≈0时的栅源电压就是栅源截止电压UGS(off)。

从图中还可看出，对应不同的UDS，转移特性不同。但是，当UDS大于一定数值后，不同的UDS,转移特性是很靠近的，这时可以认为转移特性重合为一条曲线，使分析得到简化。此外，图1.3.3中的转移特性，可以用一个近似公式来表示：1)转移特性2/1/20231212/1/2023122

ID≈IDSS(1-)0≥UGS≥UGS(off)

这样，只要给出IDSS和UGS(off)就可以把转移特性中其它点估算出来。

2)输出特性曲线输出特性曲线(也叫漏极特性)是指在栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间关系。函数表示为

ID=f(UDS)|UGS=常数图1.3.4给出了某N沟道结型场效应管的的输出特性。从图中可以看出，管子的工作状态可分为可变电阻区、恒流区和击穿区这三个区域。2/1/20231232/1/2023124(1)可变电阻区：特性曲线上升的部分称为可变电阻区。在此区内，UDS较小，ID随UDS的增加而近于直线上升，管子的工作状态相当于一个电阻，而且这个电阻的大小又随栅源电压UGS的大小变化而变(不同UGS的输出特性的切斜率不同)，所以把这个区域称为可变电阻区。(2)恒流区：