第三章光电检测中常用的光源、光学系统与设备

光电检测技术Ch3光电检测中常用的光源、光学系统与设备吕勇lvyong222@163.com基尔霍夫定律普朗克定律维恩位移定律斯特藩－波尔茨曼定律热辐射的基本定律热辐射的分类热辐射基本上可分为两类：黑体辐射：一些不透明的物体或炽热稠密的气体接近于黑体，辐射为连续光谱；线状、带状辐射源：一些被激励的气体发光则为线状或带状光谱。可以用基尔霍夫定律、兰伯特定律等若干个基本定律对热辐射进行比较完善地描述。基尔霍夫定律任何物体在同一温度下的辐射本领与吸收本领成正比，辐射出射度M与吸收率α的比值与物质的特性无关，是只与温度和波长有关的普适函数，且恒等于同温度下绝对黑体的辐射本领。基尔霍夫定律自然界中并不存在绝对黑体，但可以根据对黑体的要求制造出一定波长范围的实际黑体；基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射，而且对波长为λ的任何单色辐射都正确。它是一切物体热辐射的普遍定律，表明吸收本领大的物体，其发射本领也大，如物体不能发射某波长的辐射能，则也不能吸收该波长的辐射能，反之亦然。显然，黑体对于任何波长在单位时间单位面积上发射或吸收的辐射能都比同一温度下的其它物体高。辐射发射率（比辐射率）ελ

：在相同温度下，辐射体的光谱辐射出射度与黑体的光谱辐射出射度之比。黑体辐射谱吸收发射

辐射本领随着温度单调增加；每一温度对应一最大辐射峰值；温度增高时，光谱中能量的分布随温度升高向短波移动。关于基尔霍夫定律的说明：基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关；吸收和辐射的多少应在同温度下比较，温度不同则没有意义；任何强烈的吸收必发出强烈的辐射；基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，与人眼的视觉特性和光度量无关；基尔霍夫定律只适用于温度辐射，对其它发光不成立。有参考书曰：“基尔霍夫定律表征温度辐射到如此程度，以至于用它来当作辨别发光性质的最可靠的判据，凡不遵从基尔霍夫定律的发光，就一定不是温度辐射的发光”。自然界中的辐射体黑体，ελ

＝1；灰体，ελ

＝ε

<1，与波长无关；选择体，ελ

<1，且随着波长和温度变化。普朗克定律(M.Planck,1900)

普朗克定律表明了黑体的光谱辐射出射度与波长及温度之间的关系：维恩位移定律(W.Wien,1893)任何温度下，黑体的辐出度曲线都有一极大值，令这极大值所对应的波长为，则与T成反比:普适常数b称为维恩常数，且T(K)50010002000300040005000600070008000nm576028801440960720580480410360Wien'sLaw:Blackbodypeakwavelengthscalesas1/Temperature.WritingtheBlackbodyspectrumvs.wavelength:Jetenginesemitinfraredlightfrom3to5.5µmThislightiseasilydistinguishedfromtheambientinfrared,whichpeaksnear10mmandisrelativelyweakinthisrange斯特藩－波尔兹曼定律黑体辐射的辐射本领与绝对温度的四次方成正比。实验测得上式中的比例常数为它是个普适常数，叫做斯特藩-波尔兹曼常数。J.Stefan,1879;L.Boltzmann,1884。光源的基本特性参数

辐射效率和发光效率光谱分布空间分布光源的色温标准光源光源的颜色辐射效率在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量Φ与产生该光通量所需要的功率P之比，称为该光源的辐射效率，表示为：1~2为该光电测量系统的光谱范围。

发光效率在可见光范围内的发光效率为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)钨丝灯8-18高压汞灯30-40卤钨灯14-30高压纳灯90-100荧光灯35-60球形氙灯30-40三基色荧光灯55-90金属卤化物灯60-80光谱功率分布

光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长λ有关，称为光谱的功率分布。P(λ)λλP(λ)a)b)P(λ)λλP(λ)c)d)典型光源功率谱分布a）为线状光谱，如低压汞灯光谱；c）为连续光谱，如白炽灯、卤素灯光谱；b）为带状光谱，如高压汞灯光谱，d）为复合光谱，它由连续光谱与线状、带状光谱组合而成，如荧光灯光谱。光源选择的考虑光谱范围（光谱功率分布的峰值波长与光电元件的灵敏波长相一致）；发光强度；稳定性；4.结构形状、发光面积、发光均匀性和空间分布等。光源的空间光强分布特性

由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同的；若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线。HG500型发光二极管的配光曲线为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦点应位于光源的发光中心。90˚90˚80˚80˚0˚HG500发光二极管的配光曲线光源的色温黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般的光源，它的某些特性常用黑体辐射特性近似地表示，其温度常用色温或相关色温表示。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时，对应的黑体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。标准照明体和标准光源标准照明体和标准光源是为使光辐射测量标准化而引入的概念。标准照明体规定的是光源的光谱能量分布。一种标准照明体有可能只用一种光源就可实现，也有可能要用一种光源的若干标准滤光器的组合才能实现，甚至只能近似地实现。标准照明体应当有良好的现实代表性，即是现有大量光源辐照特性的典型代表。标准光源是一种实在的光源，只是规定了这种光源的基本特性以及光源的光谱能量分布与什么标准照明体相匹配。(1)CIE推荐的标准光源A、B、C标准光源A：分布温度2856K的充气钨丝灯。如果要求更准确地实现标准照明体的紫外辐射的相对光谱分布，推荐使用熔融石英壳或玻璃壳带石英窗口的灯；标准光源B：A光源加一组特定的戴维斯－吉伯逊(DavisGibson)流体滤光器(又称DG滤光器)，以产生相关色温4874K的辐射，代表中午直射阳光的光谱能量分布特性；标准光源C：A光源加另一组特定的戴维斯－吉伯逊流体滤光器，以产生分布温度为6774K的辐射，代表平均阴天天空光的光谱能量分布特性。标准照明体和标准光源

(1)CIE推荐的标准照明体A、B、C和E标准照明体A：代表绝对温度2856K(1968年国际实用温标)的完全辐射体的辐射。它的色品坐标落在CIE1931色品图的黑体轨迹上。标准照明体B：代表相关色温大约4874K的直射日光，它的光色相当中午的日光，其色品坐标紧靠黑体轨迹。

标准照明体C：代表相关色温大约6774K的平均昼光。它的光色近似于阴天的天空光，其色品位于黑体轨迹的下方。标准照明体E：将在可见光波段内光谱辐射功率为恒定值的光刺激定义为标准照明体E，亦称为等能光谱或等能白光。这是一种人为规定的光谱分布，实际中不存在这种光谱分布的光源。

标准照明体和标准光源

(2)CIE标准照明体D

代表各时相日光的相对光谱功率分布，也叫做典型日光或重组日光。对实际光谱分布测量结果进行的特征矢量分统计析得出了一个数学模型，可用来计算已知相关色温标准照明体D的相对光谱功率分布,这就是“重组日光”的含意。

标准照明体和标准光源

典型日光的色品轨迹典型D照明体的光谱分布高压氙灯的D65光源光谱分布白炽灯的D65光源光谱分布标准照明体和标准光源

色温变换及光谱能量分布特性的改变

在光辐射测量中，常常需要改变光源的色温或者其光谱能量分布，以满足实际测量的要求。除了用液体滤光器来精确改变A光源的光谱能量分布特性外，还可用其它配方的溶液或者玻璃滤光片来实现。(1)光源近似黑体分布时的色温变换(2)光源偏离黑体分布时的色温变换(1)光源近似黑体分布时的色温变换

几种色温变换滤光片的光谱透射比曲线

色温变换及光谱能量分布特性的改变

近似黑体光源所需滤光片的利用麦尔德值表示的变换滤光片的透射比2.4.5色温变换及光谱能量分布特性的改变

(1)光源近似黑体分布时的色温变换高色温变换时用维恩公式的修正曲线

(2)光源偏离黑体分布时的色温变换

①产品目录所给滤光片光谱透射比曲线只是典型值，应对滤光片的光谱透射特性进行实测；②滤光片在吸收光辐射能时会发热，一些滤光片的光谱透射特性与温度有关。此外，滤光片过热会使有胶合的玻璃层之间开胶，形成条纹，甚至损坏，故滤光片的使用温度一般不应超过60C；③在使用一段时间后，滤光片光谱透射比会发生一些变化。滤去不必要的短波辐射，定期测量滤光片的光谱透射特性，在精确光辐射测量中十分必要。色温变换及光谱能量分布特性的改变

光源的颜色相关色温是指光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温；光源的颜色与发光波长有关，复色光源如太阳光、白炽灯、卤素灯等发光一般为白色，其显色性较好，适合于辨色要求较高的场合，如彩色摄像、彩色印刷等。单色光源，如He–Ne激光为红色，氪灯与钠灯发光为黄色，氘光为紫色……；光的颜色对人眼的工作效率有影响，绿色比较柔和而红色则使人容易疲劳。用颜色来进行测量也是一门专门的技术。在光电测量中为了减少光源温度对测量的影响，应采用冷光源或者设法减少热辐射的影响。光电系统中的常用光源32光的产生方法

激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发光、热发光。

1．电致发光/场致发光物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。这一过程称为电致发光。例如：发光二极管（LED,OLED）所产生的光就是电致发光。（1）注入式电致发光由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子和空穴在晶体内再复合时发光的现象。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（LED）。（2）本征电致发光又分高场电致发光与低能电致发光。其中高场电致发光是荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在回复基态时辐射发光。而低能电致发光是指某些高电导荧光粉在低能电子注入时的激励发光现象。低能电致发光的典型代表是荧光显示，具有亮度高、发光颜色鲜明、工作电压低、功耗小、响应速度快、能用普通LSI直接驱动、寿命长，品种多等有点，主要用于数字、文字、简单图形显示等方面，而高场电致发光与LED被认为是大屏幕显示最有前途的发展方向。2．光致发光物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。例如：荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射)；短波长的紫外光照射到杂质(油污)上发出波长较长的可见荧光。光致发光原理当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用(吸收、动量传递等)，引起电子能态的改变，电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。3．化学发光由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。

4．热发光物体被加热到一定温度而发光，称热发光。例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。热发光的原理是特定的材料在特定的温度下才可能发光。火焰中的原子、离子或电子具有足够的动能去碰撞达到一定温度的钠原子，使钠原子受激而发光，其光谱为线光谱。

实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同属几种受激过程。例如：l

白炽灯中钨丝通以电流会发光，本质是电流通过电阻丝产生的热发光；l

物质加热后燃烧发的光通常是氧化化学反应发光；平衡和非平衡辐射：l

激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱。l

温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。

分类：自然辐射源/人工辐射源按照发光机理，光源可以分成如下几类：

太阳、星光等

热辐射光源

白炽灯、卤钨灯

黑体辐射器

汞灯

荧光灯

钠灯

气体放电光源

氙灯光源

金属卤化物灯

空心阴极灯

场致发光固体发光光源

发光二极管

气体激光器

固体激光器

激光器

染料激光器

半导体激光器

自然辐射源(1)太阳：大气层外的太阳辐射的光谱分布大致与5900K绝对黑体的光谱分布相似。太阳向地球辐射热我们称之为阳光。阳光是复色光，太阳光源是很好的平行光源。太阳光的照度值在不同光谱区所占百分比是不同的，紫外区约占6.46%；可见光区占46.25%；红外光区占47.29%。热辐射源自然辐射源(2)地球：地球辐射主要处于波长8~14m大气窗口，该波段大气吸收很小，成为热成像系统的主要工作波段。地球水面辐射取决于温度和表面状态。无波浪时的水面，反射良好，辐射很小；只有当出现波浪时，海面才成为良好的辐射体。热辐射源(3)月球：(4)星球：(5)夜天光：星光及其散射光 30%银河光 5%黄道光 15%大气辉光 40%后三项的散射光 10%自然辐射源

热辐射源太阳对地球表面的照度太阳中心的实际高度角(º)地球表面的照度(103lx)阴影处和太阳下之比阴天和太阳下之比无云太阳下无云阴影处密云阴天54320.750.50109430.440.331515640.400.272023760.300.263039990.220.23405812120.210.21507614150.180.20558515160.180.1960102____70113____80120____90124____不同自然条件下地面景物照度天气条件景物照度(lx)天气条件景物照度(lx)无月浓云无月中等云无月晴朗(星光)1/4月晴朗半月晴朗满月浓云满月薄云2×10-45×10-41×10-31×10-21×10-12~8×10-29~15×10-2满月晴朗微明黎明黄昏阴天晴天2×10-11101×1021×1031×104热辐射源人工辐射源标准黑体白炽灯气体放电光源固体发光光源激光器人工标准黑体辐射源自然界中并不存在能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的绝对黑体，但用人工方法可制成尽可能接近绝对黑体的辐射源。(1)腔型黑体辐射源腔型黑体辐射源是一种黑体模型器，其辐射发射率非常接近1。通常按使用要求分为高温、中温和低温黑体源。腔式黑体L2RLLL2R2R2R(a)(b)(c)(d)其中,0和S分别为腔内壁的材料发射率和面积(包括开孔面积)；S为开孔面积；

为黑体开孔面积所对应腔底的立体角。人工标准黑体辐射源热成像系统的校准和红外辐射计量需要采用大面积的面型黑体辐射源。面型黑体源主要用于均匀性和系统响应等的测量或标定，常采用差分黑体源(DifferentialBlackbody)方式作为热成像系统信号响应和性能测量的辐射源。靶标靶标支撑架黑体源靶标温度传感器面型温差黑体源人工标准黑体辐射源离轴抛物面黑体源及靶标轮折反镜红外平行光管离轴抛物面黑体源及靶标轮折反镜黑体源人工标准黑体辐射源光辐射测量中所使用的光源种类繁多，除了黑体辐射源外，常用的有白炽灯、气体放电灯、发光二极管LED、激光等辐射源。它们除用作光源外，也作为辐射度量测量和量值传递的标准，用来测量或标定测量系统的性能参数。发射已知光谱的线谱光源，常常用作波长标定的标准源，因而，光源在光辐射测量中占有很重要的地位。人工辐射源(1)白炽灯

白炽灯是光辐射测量中最普遍的光源之一。白炽灯发射连续光谱,在可见光谱段中部与黑体辐射分布相差约0.5%，而在整个可见谱段内与黑体辐射分布平均相差2%。白炽灯在使用和量值传递上十分方便，且其发射特性稳定，寿命长，因而被广泛用作各种辐射度量的标准光源。常用作光源和标准光源的白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和各种卤钨灯，白炽灯实用只用作0.25~2.6m的紫外、可见和近红外的光谱辐照度、光谱辐亮度的标准灯以及光度标准灯。

白炽灯

白炽灯靠灯泡中的钨丝被加热而发光。白炽灯具有显色性好，结构简单，使用灵活，能瞬时点燃，无频闪现象，可调光，可在任意位置点燃，价格便宜等特点。它发出连续光谱。发光特性稳定、简单、可靠、寿命比较长，得到广泛的应用。因其极大部分辐射为红外线，故光效最低。真空钨丝灯是将玻璃灯泡抽成真空，钨丝被加热到2300~2800K时发出复色光，发光效率约为10lm/W。若灯泡内充氩、氮等惰性气体称为充气灯泡，当灯丝蒸发出来的钨原子与惰性气体原子相碰撞时，部分钨原子会返回灯丝表面而延长灯的寿命，工作温度提高到2700~3000K，发光效率约为17lm/W。若灯泡内充有卤族元素（氯化碘、溴化硼等）时，称为卤素灯。钨丝被加热后，蒸发出来的钨原子在玻璃壳附近与卤素化合成卤钨化合物，如WI2,WBr等，然后卤钨化合物又扩散到温度较高的灯丝周围且又被分解成卤素和钨，而钨原子又沉积到灯丝上，祢补钨原子的蒸发，以此循环而延长灯的寿命，卤钨灯的工作温度达3000~3200K，发光效率约为30lm/W。白炽灯的灯压决定了灯丝的长度，供电电流决定灯丝的直径，100W的钨灯发出的光通量大约200lm。白炽灯的供电电压对灯的参数（电流、功率、寿命和光通量）有很大的影响。其关系如下式所示：式中V0

、I0、ηV0、ΦV0、τ0分别为灯泡额定电压、电流、发光效率、光通量和寿命。V、I、ηV、ΦV、τ分别为使用值。例如额定电压为220V的灯泡降压到180V使用，其发光的光通量降低到62%，但其寿命延长13.6倍。降压使用对光电测量用的白炽灯光源十分重要，因为灯泡寿命的延长将使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。如光栅莫尔条纹法测量常用6V5W的白炽灯照明，若降压至4.5V使用，灯的寿命延长20倍左右。白炽灯的种类很多，有普通型

、磨砂型、

漫射型、反射型、装饰型、局部照明灯泡、水下灯泡等。卤钨灯：白炽灯的钨丝在热辐射过程中蒸发并附着在灯泡内壁，使灯泡射出伪光通愈来愈低。为了减缓这种进程，通常在灯泡内充以惰性气体以抑制钨丝的蒸发。卤钨灯与白炽灯比较，光效提高30％，寿命增长50%。卤钨灯具有体积小、功率大、能够瞬时点燃、可调光、无频闪效应、显色性好和光通维持性好等特点。这种灯多用于较大空间、要求高照度的场所，其色温特别适用于电视转播摄象照明。灯管所充的卤素为碘或溴。溴比磺的化学性活泼，所以清洁管壁的效果更好。溴乃无色透明，故溴钨灯较碘钨灯的光效高，色温也有所提高。(2)气体放电灯气体放电灯是一种用途十分广泛的光源，尤其是近二三十年里，各种新型气体放电灯相继问世，且发展很快。根据工作气压不同，可把气体放电分成低压、高压和超高压三大类。低压放电工作气压大致在10-2~102Pa之间，高压放电在102~10Pa之间，而超高压灯工作气压则在10Pa以上。在光辐射测量中，由于低压气体放电灯属于原子发光，发射线光谱，故主要用作波长标准灯和单色灯。按照充气和金属蒸汽压的不同，有发射出各种单色谱线的灯，如低压汞灯、低压钠灯、氦灯、镉灯等。人工辐射源常用气体放电灯的种类、性能及应用种类工作原理及性能应用1.汞灯

(1)低压汞灯①冷阴阴弧光放电灯在一定电压下，汞菡气放电而发光在紫外有大量辐射。主要是253.7nm的线光谱。管内加不同种类的萤光粉后，呈不同色。紫光杀菌、霓红灯②热阴极弧光放电灯照明、日光模拟(2)高压汞灯0.5~8大气压。除紫外辐射外，在404.7、4.538、546.1、577.0~577.9nm有五根亮谱线照明、晒蓝图、日光浴、萤光分析、化学合成(3)超高压汞灯①球形②毛细管形紫外辐射强，亮度高10～50大气压50～200大气压投影灯、萤光显微镜2.纳灯(1)低压钠灯589.0～589.6nm谱线最强，818.3～819.5nm谱线占总辐射13％左右光谱灯(2)高压钠灯照明3.金属卤化物灯(1)碘化钠(铊铟灯)高压汞灯中加入金属卤化物，以提高光效，改善光色。其中金属卤化物在一定温度下蒸发，在高温下分解出金属原子，参与放电，并产生光辐射。卤原子作为循环剂。照明、投影灯(2)镝灯照明、照相制板(3)超高压铟灯电影放映、投影仪常用线光谱灯的波长值

名称强谱线波长值(nm)汞灯(石英泡壳)253.7275.3296.7302.2312.6313.2334.1365.0366.3404.7407.8435.8546.1577.0579.1623.4671.6690.71014.01128.7氦灯(玻璃泡壳)318.8361.4363.4370.5382.0388.9396.5402.6412.1414.4438.8443.8447.2471.3492.2501.6504.8587.6667.8706.5728.11083.0镉灯(玻璃泡壳)298.1313.3326.1340.4346.6361.1467.8480.0508.6643.8

钠灯(玻璃泡壳)589.0818.3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。由于以上特点气体放电光源经常被用于工程照明和光电测量之中。高压汞灯（1）原理（2）特点高压汞灯具有光效高、耐震、耐热、寿命长等特点。但启动时间较长，不宜于作室内照明光源，也不能单独做为事故照明光源。多用于车间、礼堂、展览馆等室内照明，或道路、广场的室外照明。高压汞灯的寿命通常是按每启动一次点燃5小时计算的，如果开关频繁则寿命缩短。高压钠灯

（1）原理（2）特点高压钠灯具有光效高、紫外线辐射小、透雾性能好、光通维持性好、可任意位置点燃、耐震等特点，但显色性差，平均显色指数为21。它广泛用于道路照明，当与其它光源混光后，可用于照度要求高的高大空间场所。

半导体中的电子状态与能带-补充知识原子的能级、共有化运动及能带半导体器件多为单晶体。单晶体由靠的很紧密的原子周期性重复排列而成，相邻原子间的只有零点几个纳米。如Si为0.235nm，Ge为0.245nm。根据前面晶体组成的知识可知，晶体中电子的状态肯定不同于单原子的情况，但又与单原子情况下的电子状态有关。H原子波函数的重叠情况H原子与氢分子能级的变化情况共有化运动与能带理论原子能级的分裂电子的共有化运动一般而言，内壳层的电子原来处于低能级，共有化运动很弱，其能级分裂得很小，形成的能带较窄。反之，外壳层的电子原来就处于高能级，特别是价电子，共有化运动很明显，如同自由运动的电子，常称之为“准自由电子”，其能级分裂得很厉害，形成的能带很宽。半导体晶体每立方厘米体积内约有1022～1023个原子，因此，n值非常之大，且能级之间又靠得很近，故每一个能带中的能级基本上可视为连续的，称之为“准连续”。能带的宽窄与壳层有关；共有化状态的数量与能级的简并度有关。在实际情况中，能带与能级之间的对应关系并非前面那样简单，一个能带不一定能区分s能级与p能级的过渡能带。例如，Si、Ge等的原子有四个价电子，两个s电子，两个p电子，组成晶体后，由于轨道杂化的结果，价电子形成的能带分为上下两个能带，中间隔以禁带。两个能带中各包含2n个共有化状态，根据泡利不相容原理，各可容纳4n个电子。n个原子形成的晶体有4n个价电子，按照最低能级填充原理，下面的能带填满了电子，对应于共价键中的电子，该能带通常称之为满带或价带；上面的能带是空的，没有电子，通常称之为导带；中间为禁带。价带顶的能级记为Ev，导带底的能级记为Ec，禁带记为Eg。半导体的能带图半导体的能带通常用左面这样的能带图表示，当半导体中的电子受激（吸收能量，如光或者热等）后，将跃迁到高能级上去，成为自由电子参与半导体的导电。跨越Eg的跃迁称为“本征激发”。电子受激跃迁后在价带留下一个正的空间电荷，半导体物理学中称之为“空穴”，因此，半导体价带的电子受激将产生“电子－空穴对”，空穴也参与半导体的导电。导体、半导体、绝缘体的能带室温下，金刚石Eg为6～7eV,是绝缘体；Si为1.12eV,Ge为0.67eV，GaAs为1.43eV，它们都是半导体。n型半导体-施主杂质施主能级在硅中掺磷(P)的V族杂质的作用：一个磷原子占据了硅原子的位置。磷原子有5个价电子，其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余1个价电子。同时，磷原子所在处也多余出一个正电荷十q(硅原子去掉价电子有正电荷4q，磷原子去掉价电子有正电荷5q），该正电荷称为正电中心磷离子(P+)。所以磷原子替代硅原子后，其效果是形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。这个多余的价电子被束缚在正电中心P+的周围。这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很少的能量就可以使它挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动，此时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子(P+)，它是一个不能移动的正电中心。

电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为施主电离，使该多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为施主电离能（ΔED）。

V族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心．在半导体物理学中称这种杂质为施主杂质或n型杂质。它释放电子的过程叫做施主电离。施主杂质未电离时是中性的．称之为束缚态或者中性态，电离后成为正电中心，称之为离化态。施主杂质的电离过程，可以用能带图表示。当电子得到能量ΔED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底Ec低ΔED。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED

。因为ΔED

远小于Eg，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。一般情况下，施主杂质是比较少的，杂质原子间的相互作用可以忽略。在纯净的半导体中掺入施主杂质，杂质电离以后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。通常把主要依靠导带电子导电的半导体称为电子型或n型半导体。p型半导体

-受主杂质受主能级在硅中掺Ⅲ族杂质硼(B)：一个硼原子占据了硅原子的位置。硼原子有3个价电子，在与周围的四个硅原子形成共价键，还缺少1个价电子，必须从别处的Si原子中夺取一个价电子，于是，在Si晶体中产生了一个空穴。而B原子在接受了一个电子后成为带负电的B离子(B-)。所以B原子替代硅原子后、其效果是形成一个不能移动的负电中心B-

和一个多余的空穴。这个空穴被束缚在负电中心的周围，在B离子的附近运动。B离子对空穴的束缚作用很弱，只要很少的能量就可以使它挣脱束缚，成为在晶体的共价键中运动的导电空穴。由于Ⅲ族杂质在Si、Ge中接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，所以称这种杂质为受主杂质或p型杂质。

空穴脱离受主杂质束缚的过程称为受主电离，使该多余的空穴挣脱束缚参与导电所需要的能量称为受主电离能（ΔEA）。

受主掺杂电离的过程可以用下能带图给出（见图）。综上所述，Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗晶体中分别是受主和施主杂质，它们在禁带中引入能级；受主能级比价带顶高ΔEA，施主能级则比导带底低ΔED。当杂质处于离化态时．受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心，施主杂质向导带提供电子而成为正电中心。实验证明，Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带底。通常将这些杂质能级称为浅能级，将产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。在室温下，晶格原子热振动的能量会传递给电子，可使硅、锗中的Ⅲ、Ⅴ族杂质几乎全部离化。当然、受主电离过程实际上是电子的运动，是价带中的电子得到能量ΔEA后，跃迁到受主能级上，与束缚在受主能级上的空穴复合，同时在价带中产生了一个可以自由运动的导电空穴．同时也就形成一个不可移动的受主离子。纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增加了半导体的导电能力，通常把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或p型半导体。p-n结-空间电荷区

单独的n型和p型半导体是电中性的,当两块半导体结合形成p-n结时，由于它们之间存在将载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区，电子从n区到p区的扩散运动。p区留下了不可动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性。因此，在p-n结附近p区一侧出现了一个负电荷区。同理，在p-n结附近n区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常就把在p-n结附近的这些电离施主相电离受主所带电荷称为空间电荷，如图所示。空间电荷区的电荷产生了从n区指向p区，即从正电荷指向负电荷的电场，称为内建电场。内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用，随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区也逐渐扩展，同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动也逐渐加强。在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，即从n区向p区扩散过去多少电子，同时就将有同样的多电子在内建电场作用下返回n区。p-n结的能带两种不同型的半导体形成p-n结后，电子将从费米能级较高的n区流向p区，p区的空穴流向n区，因而，各区的费米能级将移动，直至两种费米能级统一（如图）。能带相对移动的原因是p-n结空间电荷区中存在内建电场的结果。随着从n区指向p区的内建电场的不断增强，空间电荷区内电势V(x)由n区向p区不断降低，而电子的电势能-qV(x)则由n区向p区不断升高，所以p区的能带相对n区上移，而n区能带相对p区下移，直至费米能级处处相等时，能带才停止相对移动，p-n结达到平衡状态。半导体发光器件在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件称为半导体发光器件。又称为注入式场致发光光源，通常称为LED。c)+-NPSiO2电极a)电极p-n结塑料b)LED原理图、外观图和器件符号

人工辐射源半导体发光器件的工作原理LED由半导体pn结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体pn结中，p区的空穴由于扩散移动到n区，n区的电子则扩散到n区，在pn结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当pn结上加有正向电压时，势垒降低，电子由n区注入到p区，空穴则由p区注入到n区，称为少数载流子注入。所注入到p区里的电子和p区里的空穴复合，注入到n区里的空穴和n区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。辐射光的波长电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于pn结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则辐射光的波长决定于半导体材料的禁带宽度Eg不同材料的禁带宽度Eg不同，所以不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外有些材料由于成分和掺杂不同，有各种各样的发光二极管。发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。

注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(红)GaAsP(绿)LED的伏安特性击穿反向死区正向死区工作区开启电压abIU通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使λ在550～900nm间变化，它已经进入红外区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料材料光色峰值波长/nm光谱光视效能/lm.W-1GaAs0.6P0.4红65070GaAs0.15P0.85黄589450GaP:N绿565610GaAs红外910GaAs:Si红外940

发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长λp

。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的宽度（用Δλ描述）决定光的色彩纯度，Δλ越小，其光色越纯。0.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性λ/nm相对灵敏度激光光源人工辐射源从爱因斯坦受激辐射原理到激光物理模型1860年，麦克斯韦建立光的电磁场理论。1900年，普朗克提出量子假说。1917年，爱因斯坦于发表了著名的受激辐射理论，暗示有可能通过“激励”产生光子辐射，并有可能放大。这构成了激光最根本的理论基础，此后约四十年，受激光辐射和放大领域却异常地沉寂。构建激光的技术手段早年就已具备，但激光的物理模型尚未建立。爱因斯坦“自然界最不可理解的就是它竟然可以理解！(Themostincomprehensiblethingabouttheworldisthatitiscomprehensible.)”激光的前奏曲：微波激射（梅塞）“山重水覆疑无路，柳暗花明又一村”，1952－1953年，韦伯（F.Weber）、汤斯（C.Townes）等采用非相干泵浦（抽运）机构，形成原子系统两个能级间的粒子数反转。他们使用一个长柱形介质腔内一对反射镜间的反射，运用爱因斯坦的受激跃迁原理对于共振频率的辐射进行放大，发明微波激射。C.汤斯“求解疑难问题，探索新的效应，我们将乐此不疲……（solveapuzzle,understandsomethingnew,andit’sexhilarating.）”梅曼发明激光梅曼终于在1960年5月16日在休斯实验室用1cm红宝石晶体成功地制造出红宝石激光器，产生红色脉冲激光。人们立刻就发现激光具有很好的相干性、单色性，并且有良好的指向性。1960年7月7日，《纽约时报》报道了红宝石激光器的成果。但PhysicalReviewLetters居然拒绝接收梅曼有关激光的论文。该论文于1960年8月6日在Nature发表。1961年，PhysicalReview发表了他的详细论文。T.H.梅曼“尽管你的目标未必一定实现，但你的不暇追求必将有丰厚回报。（…evenifyourgoalisnotachieved,thereisstillarichrewardforyouyourchoice…）”1961年9月，中国科学院长春光机所在王大珩领导下，用国产红宝石制造出中国第一台红宝石激光器。《科学通报》上发表了第一篇有关激光的文章。这台激光器比美国在1960年5月问世的世界第一台激光器仅晚了一年。王大珩院士“创新是我们的天职。”中国研制成功红宝石激光器1964年诺贝尔物理学奖1964年诺贝尔物理学奖授予N.G.Basov、A.Prokhorov和C.Townes：“他们在实验物理学领域的研究最终导致了微波激射器和激光的发明，这项发明不仅开创了本领域的基础研究领域，而且大大开拓了宏观和微观物理学的视界。”

N.G.Basov和A.Prokhorov

A.Prokhorov“……大家都说我们的探索近似疯狂，都说这根本不可能。然而，我们却看到了一个几乎全新的学科——光学

(Manybelievedthatwehadgonecrazy,thatwasimpossible.Thenitbecameanew,independentscience:optics.)”三激光器激光器的组成激光器要实现光的受激发射，必须具有激光工作物质、激励能源和光学谐振腔三大要素。激光器分为固体激光器（工作物质为固体，如红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等）、气体激光器（工作物质为He-Ne、CO2、Ar+等）和半导体激光器（工作物质为GaAs、GaSe、CaS、PbS等）。

激光具有：单色性，方向性，高亮度，相干性。激发源激活介质激光器的特性参数功率（平均／峰值），能量波长，频率，线宽脉冲宽度，重复频率光斑直径，发散角，Ｍ－平方因子模式，波长可调谐性稳定性（波长／频率／功率／能量／方向等），寿命，光电效率激光器的激励方式激励系统有光激励，电激励，核激励和化学反应激励等。光学谐振腔用以提供光的反馈，以实现光的自激振荡，对弱光进行放大，并对振荡光束方向和频率进行限制，实现选频，保证光的单色性和方向性。激光器的类型气体、固体、半导体激光器紫外、可见和红外激光器连续、准连续和脉冲激光器单频、单模激光器可调谐激光器超短脉冲激光器三种常用激光器气体激光器中的CO2激光器输出功率大，能量转换效率高，输出波长为10.6m的红外光。因此它广泛用于激光加工、医疗、大气通信和军事上。在光电测量中应用最多的是He-Ne气体激光器，因为He-Ne激光器发出的激光单色性和方向性好;固体激光器一般用光泵激励形成受激辐射，辐射能量大，一般比气体激光器高出三个量级。激光输出的波长范围宽，从紫外到红外都得到了稳定的激光输出。可以输出脉冲光、重复脉冲光和连续光输出。常用于打孔、焊接、测距、雷达等;半导体激光器体积小、效率高、寿命长、携带与使用方便，尤其是可以直接进行电流调制而获得高内调制输出，广泛用于光电测量、激光打印、光存储、光通信、光雷达等。He-Ne激光器的基本结构形式气体激光器光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。效率低，能耗高，寿命较短，体积大。原子（氦－氖）激光器;离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器;分子（CO2,CO,准分子)激光器。选择和使用He-Ne激光器时应注意以下几点：

激光的模态功率稳功率和稳频激光束的漂移

固体激光器运行方式多样：连续，脉冲，调Ｑ，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；Ｎd：ＹＡＧ，红宝石，钕玻璃激光器。半导体激光器体积小，效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠；线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频调制；可批量生产，单片集成；发散角大，温度特性差，容易产生噪声。半导体激光器在使用半导体激光器时应注意以下几点：LD发出的光束不是高斯光束，光束截面近似矩形，发散角又较大，因此用LD作为平行光照明时应该用柱面镜将光束整形，再用准直镜准直;频率稳定性。前面已经提到LD光的单色性远逊于He-Ne激光，因而其相干性也较差，故用LD作相干光源且测量距离又较大时，必须对LD稳频。激光器在光电检测中的应用激光大气污染检测激光测距，测长，测平面度等激光ＤＮＡ检测激光海洋探测激光制导激光雷达激光干涉测量（探伤）激光全息测量作业:（自己）

1、飞机尾喷口的温度为1000℃，坦克后盖的温度300℃，人体的体表温度为27℃，如果认为它们均为黑体，试计算它们各自的最大辐射波长和总辐射出射度为多少。

光电测量中的光学系统与基本仪器光学系统光度导轨与平行光管积分球单色仪滤光片与中性衰减片狭缝、光阑与分划板在光辐射测量中，必须通过光学系统进行变换、能量收集、观察、位置确定和成像，因此，各类光学系统是光电检测系统不可缺少的环节。常用的光学系统有：显微光学系统望远光学系统摄像光学系统照明系统辅助光学元件光学系统

显微光学系统显微光学系统的主要作用：目标物的放大，观察读数以及测量等。显微镜的主要光学性能：1、分辨本领：瑞利准则（两个相邻点中央暗处的光强为最大值的80%）和道威准则（两个相邻点的间隔为0.85r/β）2、有效放大率：（1）目视有效放大率：通常的人眼分辨角为2′～4′，则明视距离上对应的线距离为r为爱里斑半径；β为显微物镜放大倍率。

如果取可见光平均波长为0.555μm，可知（2）显微物镜的有效放大率：目前，人们常常采用CCD等成像系统代替人眼作为图像采集系统，因此显微系统的放大率就是显微物镜的放大率，因而，可以根据道威判据选择显微物镜和CCD等成像系统的参数。即满足该式的视觉放大率即为显微系统的有效放大率。低于左端将不能充分利用显微系统的分辨力，超出右端将没有意义。

望远光学系统望远光学系统的主要作用是对观察的物体进行视角放大，以便更利于人眼观察。望远光学系统的主要光学性能：1、视角放大率：物体的像对人眼的张角与人眼直接观察物体时物体对人眼的张角之比，即2、分辨力与工作放大倍率：亦分为瑞利准则和道威准则由公式可见望远系统的入瞳直径越大，分辨力越高。人眼的极限分辨率为60″，故要分辨空间的两个物点，需要望远系统的视觉放大率一般取上式的2～3倍，称之为工作放大率。望远光学系统3、景深：（1）调节景深：望远镜因人眼的调节而能够看清楚的物空间范围称之为调节景深。根据成像关系

（2）几何景深：望远镜光学系统散斑直径对人眼的张角不大于人眼的分辨本领时的成像范围，即由公式可知，望远系统成清晰图像的范围为从望远镜前l处至无穷远。式中，x为物体至物方焦点的距离；x′为像至目镜像方焦点的距离。常见的望远光学系统伽利略望远系统开普勒望远系统反射式伽利略望远系统反射式天文望远系统摄像光学系统显微系统和望远光学系统都是典型的成像系统，但在实际生活中，更多的是将空间的物体缩小成像在CCD等光电成像器件上，这样的光学系统我们统称为摄像光学系统。摄像光学系统的主要光学性能：1、视场：成像系统的观察范围或成像范围统称为视场。成像系统的视场有物镜的焦距和成像器件的尺寸（亦称为视场光阑）决定。即半视场为成像系统ωhl成像系统的成像关系d/2f′2、相对孔径：成像系统入瞳直径与物镜焦距之比，即D/f′，其影响物镜的分辨力和像面照度。相对孔径的倒数称之为光圈，即F=f′/

D。3、分辨力：成像物镜的分辨力通常用lp/mm（线对/毫米）或cyc/mrad（周/毫弧度）描述。理论上，成像物镜的分辨力由瑞利判据决定，即可见，相对孔径越大，分辨力越高，且像面的照度越大。由成像系统像面照度公式有4、景深与焦深：

景深：不同距离上的物点，在成像面上形成不同大小的弥散圆斑，当弥散圆直径足够小时，弥散圆仍可视为一个点像，其直径的允许值取决于摄像器件的分辨力。由弥散圆直径允许值所决定的物空间深度范围成为景深。

焦深：同理，当物距固定时，在焦平面前后能得到清晰图像的范围称为焦深。5、长焦、短焦与变焦：为了对不同距离、不同范围的物体成像，通常要选择不同焦距的物镜：长焦距镜头：f′>x,y（可以看清景物细节）——摄远物镜短焦距镜头：f′<x,y（用于环境照明差，但拍摄场面大的场合）——广角物镜中焦距镜头：f′与成像尺寸相当变焦镜头：焦距连续可调照明光学系统照明光学系统是高质量成像与检测的重要保证。对照明系统的要求：（1）保证足够的能量；（2）保证足够的照明范围且照明均匀；（3）照明光束充满物镜的入瞳；（4）减少杂散光，保证像面的对比度；（5）合理布局，避免高温有害影响。照明系统的设计原则：（1）光孔转接原则：照明系统的出瞳与成像系统的入瞳重合；（2）照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量。照明的种类繁多照明的种类繁多，主要包括：1、直接照明：透射光亮场照明；透射光暗场照明；反射光亮场照明；反射光暗场照明。2、临界照明：光源发出的光通过会聚镜成像在物面或者其附近的照明方式称之为临界照明。3、远心柯勒照明：聚光镜将光源成像在会聚镜前焦面上，孔径光阑位于会聚镜物方焦平面上，而视场光阑成像在物面上的照明方式称之为远心柯勒照明。4、光纤照明：p415、同轴反射照明：p41

辅助光学元件为了提高光电探测器件的光能利用率和合理安排光路系统，在光电检测系统中还常常附加一些具有集光作用的光学元件，如场镜、光锥和浸没透镜等。1、场镜安放在焦平面后用于将边缘光束会聚后再送到探测器上的正透镜，由此可用较小的探测器接收通过视场光阑的全部辐射能。场镜的另一个作用是使会聚到探测器的辐照度均匀化。

辅助光学元件

2、光锥光锥通常是一种空腔圆锥或具有合适折射率材料的实心圆锥。光锥内壁具有高反射比，其大端放在物镜焦面附近，收集物镜所会聚的光辐射，然后依靠内壁的连续反射把光引导到小端，通常在小端放置探测器。因此，光锥也是一种聚光元件，可以缩小探测器的尺寸。但光锥不是成像元件。

辅助光学元件3、浸没透镜浸没透镜和场镜、光锥一样，也是一种二次聚光元件。浸没透镜是由一个单折射球面与平面构成的球冠体，探测器光敏面用胶合剂粘接在透镜的平面上，使像面浸没在折射率较高的介质中，如图所示。使用浸没透镜可以缩小探测器的光敏面面积，提高探测器的信噪比。光辐射测量中，在光度导轨上用标准光源来标定待测光源、探测器和光辐射测量系统，仍是最常用而且精确、可靠的装置之一。光度导轨和一般导轨的主要区别在于：光度导轨与平行光管有精确的轴向距离刻度和标尺光度导轨的主要功能：保持轴向对准精确确定轴向距离获得近似朗伯源使两个或多个部件之间轴向的相对位置对准，并在其相对移动时保持对准关系。精确地确定测量部件之间的轴向距离，以便用辐照度平方反比定律连续、精确地改变某一平面处的辐照度(照度)。

用光源加上相距一定距离的透射漫射屏，可得到透射、漫射特性近似朗伯的均匀辐亮度源。改变光源至屏的距离，光源的辐亮度值可连续、精确地变化。光度导轨的特点是其它方法(如加中性密度滤光片改变光阑孔径等)不能或不能精确实现的。由于在光度导轨上调节的参数是距离，不会改变光源的光谱分布(不考虑中间大气的影响)，而一般加入光阑等很难同时做到精确又连续可调。光度导轨导轨上装有数个带距离精细刻度的滑动架或滑动车，以便和导轨上的距离刻尺对准，提高距离读数的精度。为了增加垂直测量平面上辐照度等的变化范围，减少距离误差对测量的影响，光度导轨应尽可能长。例如，有效工作长度为3m的光度导轨，若其最近工作距离为0.3m，则辐照度可连续变化100倍；6m有效工作长度的光度导轨则可使辐照度等连续变化400倍。由于辐照度和距离的平方成反比例，所以距离精度将直接影响辐照度的测量精度。

在光度导轨上测量时，光源至待测平面的最近工作距离取决于用平方反比定律计算辐照度的允许误差，可根据允许的相对距离误差和光源的尺寸确定最近工作距离。

要使距离引起的辐照度测量误差小于0.2%，由辐照度和距离的平方关系，则理论上距离测量误差就应小于0.1%，实际距离测量精度就应好于0.05％，即1m测量距离的距离误差小于0.5mm。更近的测量距离要求距离精度更高，故建议实际使用上测量距离至少应大于0.5m。

相对距离误差能提供一无穷远目标或平行光束的光学仪器，通过将一被光源照明的针孔或分划板置于物镜的焦面上构成。平行光管可作为测试基准，广泛地用于测试工作和对其他仪器的校准工作。从平行光管物镜射出的平行光束，遇到平面反射镜反射后，将循原路返回而被物镜聚焦于针孔上。

平行光管129积分球1积分球及其应用在色度与光度测量装置中广泛使用积分球部件。结构特点积分球是一个中空的金属球体；球壁上开有一个或几个窗孔，用于进光和放置光接收器件；球内壁上应涂以理想的漫反射材料，也就是漫反射系数接近1的材料。常用的材料是氧化镁（或硫酸钡）。性能特点与要求可以证明，进入积分球的光经过吸收很小的内壁涂层的多次反射，最后可达到内壁上具有均匀分布的照度。并且该照度较入射光通量除以球内壁面积的照度值大得多（可提高信噪比）。积分球上的总开孔面积应尽可能小，把积分球的直径做得比较大。积分球

具有高反射性内表面的空心球体。积分球的基本原理是光通过采样口进入积分球，经过多次反射后非常均匀地散射在积分球内部。积分球的主要功能是光收集器，被收集的光可以用作漫反射光源或被测源。用来对处于球内或放在球外并靠近某个窗口处的试样对光的散射或发射进行收集的一种高效率器件。

积分球利用积分球的光纤面板测试装置。单色仪

单色仪用来将具有宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光，因而它既可作为一个可调波长的单色光源，也可作为分光器。单色仪是利用色散元件(棱镜、光栅等)对不同波长的光具有不同色散角的原理，将光辐射能的光谱在空间分开，并由入射狭缝和出射狭缝的配合，在出射狭缝处得到所要求的窄谱段光谱辐射。棱镜单色仪单色仪是常用的光学仪器之一，反射式单色仪其主要结构可分成三部分：(一)入射准直系统：包括限制入射光束的入射狭缝和使入射的发散光束变成平行光束的第二物镜；(二)色散系统：主要是棱镜，它可以是水晶棱镜(用于紫外区和可见区)。玻璃棱镜(用于可见区)和NaCl2、KCl2等晶体棱镜(用于红外区)；(三)出射准直系统：包括出射狭缝和使平行的单色光会聚成象于出射狭缝处的第二物镜。三部分组成如图所示：反射式单色仪棱镜单色仪折射式单色仪单色仪可以制作色散曲线，如常用的汞灯的主要谱线波长值如下：颜色波长(Å)相对强度深紫4046.77紫4077.85蓝紫4358.310绿紫4916.08绿5460.710黄5769.610红6234.47深红6907.27单色仪工作的谱段范围主要取决于棱镜所用材料及其色散值，棱镜的色散值应尽可能大。光栅单色仪由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。光栅单色仪平面光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可把紫外，可见及红外三个光谱区的复合光分解为单色光。可进行光谱分析、测定接收元件的灵敏特性、滤光片吸收特性、光源的能谱分析和光栅的集光效率等。如配备电子束激发器，X射线激发器，光子激发器和高频等离子，辉光放电等稳定光源相配套，可进行光谱的化学分析。与棱镜相比，光栅具有色散本领大，均匀性好，分辨率高等特点。因而在光谱学，计量学，光通讯等方面有着广泛的应用。光的衍射现象是指光遇到障碍物时偏离直线传播方向的现象。而光栅是指任何能起周期性地分割波阵面作用的衍射屏。作为色散元件的衍射光栅最早是由夫琅和费用细金属丝制成的，夫琅和费用它测出了太阳光谱中的暗线波长。后来他又用金刚石刻划贴金箔的玻璃板，得到了性能更好的光栅。常用的衍射光栅分透射式与反射式两种。透射式光栅是用金刚石刀在平面透明玻璃板上刻划平行，等间距又等宽的直痕而制成的。反射式光栅是在坚硬的合金板或高反射率平面镜上刻划而成的。平面光栅单色仪的工作原理是光源（钨灯）发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦面上。光经过M1平行照射到光栅上，并经过光栅的衍射回到M1，经M1反射的光经过M2会聚到S2出射狭缝上，最后照到光电接受元件上。由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。当光栅转动时，从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。这种光学系统称为李特洛式光学系统，见上图。理想的反射式平面光栅，可视作是相互平行，等宽，等间距，均匀排列的许多狭缝。如设光栅的缝宽为d，则d称为光栅常数，本实验中刻线密度为1200条/mm。根据夫琅和费理论，一束平行光垂直地入射到平面反射光栅上，经各缝衍射后向各方向传播。衍射角适合如下条件：

dsinθ=kλ

k=0，±1，±2，±3…使用单色仪的几个问题波长的标定单色仪经过一段时间的使用，由于温度影响、机械结构松动、固有的结构间隙等，使得单色仪的波长刻度往往与实际出射光的波长不能准确地吻合，定期进行波长标定十分必要；红外单色仪波长标定的过程大致相同，常用已知波长的线光谱灯或一些吸收谱线作为标定源。在近红外、中红外、远红外还用氧化钬等玻璃、聚乙烯或大气水气、二氧化碳等吸收谱线作为标定波长，激光光源也是很好的标定光源；标定可见谱段的波长时，由于一般谱线较亮，狭缝应尽可能窄(如0.1mm)。温度对测量的影响温度使材料的折射率发生变化，故仪器工作所在环境温度的变化应控制在±10C以内。尤其是红外分光棱镜，色散小，光谱分辨率低，温度变化引起的波长装定误差就更大。

滤光片与中性衰减片滤光片与中性衰减片也是光电检测系统中常用的分光元件和光衰减元件，主要用于对某些单一波段的光的照明或检测以及照度的调整等。紫外窄带滤光片可见窄带滤光片近红外滤光片200～399nm400～740nm750～2500nm常见的滤光片：滤光片与中性衰减片典型滤光片的透光波段范围

名

称材

料透光范围（nm）深紫色滤光片

ZWB1270—390紫色滤光片

EB1310—460青色滤光片

QB12360—600黄色滤光片

JBβ

750橙色滤光片

CB6

756红色滤光片

HB13

762深红色滤光片

HB15770

中性衰减片：

利用物质对光的吸收特性，制成片状放在光路上，可以衰减光强，这种片状元件叫光学衰减片。

光通过衰减片的多少与材料种类有关，也与材料的厚度有关。如衰减片上标准的透过率为0.02，表明光通过该衰减片后，只透过去原来光强的百分之二。

一束光中含有不同的波长的光，中性衰减片的含义是，光通过这种衰减片后，不同波长均按同一比例衰减。

中性密度滤光片（灰镜，中灰镜，固定中性密度片，渐变中性密度片）广泛应用于各种光学系统如医疗设备光探测器，临床生化分析设备，化学检测设备，及电子学显像系统等光学仪器。狭缝、光阑与分划板狭缝（slit）是一条宽度可调、狭窄细长的缝孔，在光电检测系统中用来作为目标或者遮光元件。狭缝有固定狭缝，单边可调的非对称式狭缝和双边可调的对称狭缝。光辐射经光谱仪色散分光后的每条谱线，都是入射狭缝的像。进入单色器或从单色器出射的辐射能量，均由狭缝宽度调节。现代光谱仪中狭缝与光栅的转动耦合在一起，可自动调节。狭缝宽度的单位为