第四章+光源和光的调制
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光的产生方法 （4）热发光：物体加热到一定温度时的发光。热辐射是一
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 射（白炽灯）。 （5）生物发光：萤火虫、发光细菌等的生物发光。 （6）阴极射线发光：由电子束激发荧光物质发光，如电视
机的显像管。
6
4.3 发光二极管
概况
（1）实质是一个PN结，在PN结上加正向电压，流过一
定电流，就会发出光束。 （2）LED(Light Emiting Diode) 电致发光。 （3）发光的颜色取决于材料； （4）可用于显示、照明、信号光源等。
7
LED发光机理
如果在P-N结上施加正向电 压，促进了扩散运动的进 行。即从N区流向P区的电 子和从P区流向N区的空穴 同时增多，于是有大量的 电 子 和 空 穴 在 P-N 结 中 相 遇复合，并以光和热的形 式发出能量。
4
4.2 光的产生方法 （1）电致发光：电能－>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 态时就会发出辐射 。（LED） （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，光、紫外线、射线等激发而引起的发光 。 （日光灯） （3）化学发光：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。（黄磷氧化）
（1）发光效率 辐射功率： e IU e
热功率： P I 2R
I：注入器件的总电流 Ue：P-N结上的电压降
辐射效率：
e
e P e
Ue IR U e
发光二极管的辐射效率一般在百分之几到百分之十几，它受环境温度的影 响，并且与工作电流大小有一定关系。
11
（2）光谱特性 光谱分布曲线：描述发光的相对强度随波长变化的曲线，发射光谱是由 材料的种类、性质以及发光中心的结构决定。
1
4.1 光源选择的基本要求
（1）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 。 （2）发光强度要求：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 工作的非线性 （3）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，可采用稳流电源供电。 （4）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； 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：漂移、光斑大小、光形状等。
导带 Ec
ED Et EA
价带
电子和空穴的复合很复杂， 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 取决于半导体材料及其掺杂材料。
9
外形和结构
外形
结构
金属、陶瓷、全树脂
10
LED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，主要性能有发光
效率、光谱特性、伏安特性、发光亮度、时间响应、寿命等 。
14
（5） 响应时间
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 。
上升时间：10%-90%：发光二极管 的上升时间随电流的增加而近似呈 指数衰减。 下降时间：90%-10%
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 应时间所许可的范围内。
2
光电检测系统光源的选择讨论拓展 • 光谱特性要求 • 光强大小要求 • 光源稳定性要求 想想上述光源特性在什么测量系统中会用到？
3
4.2 光的产生方式: 温度辐射和发光
（1）平衡辐射：炽热物体－热辐射 物体温度高于绝对零度（-273） 温度低时辐射红外光 温度升高-可见光-白炽灯
（2）非平衡辐射：发光 外界作用的激发-物体偏离原来的热平衡态－发光
第四章 光电检测光源
光电测试是采用光电的方法对带有待测信息的光辐射 物体的测试，光是信息的载体，在任何光电测试系统中， 都离不开一定型式的光源。光源的质量对光电测量起着 非常重要的作用，了解光源的基本特性参数和光源特点， 对设计光电测试系统非常重要。
光源分类：自然光源和人造光源。
一、光源选择的基本要求 二、发光二极管 三、激光光源 四、其它光源
动、寿命长、单色性好 －缺点:发光效率低、发光面积小，
发出短波光的材料极少
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LED的应用
（1）数Байду номын сангаас、文字及图像显示 （2）指示、照明 （3）光源 （4）光电开关、报警、遥控、耦合
hc hc
Eg E1 E0
各种发光二极管发出光的峰值波长 主要分布在可见光和红外光区。
8
LED发光机理
本征复合：电子直接从导带跃迁到价带， 同空穴复合同时发射出光子，跃迁在两 个能带之间进行，发射光具有一定的谱 带， 非本征复合：半导体内电子与空穴的复 合是复杂的，并不只是本征复合，因为 半导体内存在微量杂质而发生导带与杂 质能级，杂质能级与价带，以及杂质能 级之间的跃迁等，这些跃迁的距离均小 于导带到价带的禁带宽度，并在禁带宽 度附近的能级区域。因此发光二极管发 射出来的光谱有一定宽度。
反向饱和电流：少数载流子所形成的电流
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（4） 发光亮度
发光亮度：单位面积发光强度的度量。
正法线方向的亮度： B0 I 0 / A
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。 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。
发光亮度和电流密度的关系
峰值波长
发光二极管光谱曲线
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。带宽是反映发光的单色性好坏的参数。
12
（3）伏安特性
流过发光二极管的电流随管子两端电压变化而变化的关系，是管子性能 优劣的重要标志。
发光二极管的伏安特性曲线 （1）正向死区；（2）正向工作区 （3）反向死区；（4）反向击穿区
15
（6） 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
的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于时1A/ cm，2
一般可达最长可达
。109 h
－发光亮度减弱的现象－老化，老化速度与电流密度有关
16
发光二级管小结 －发光亮度与正向电流的关系 －响应速度极快 －正向电压低，耗电少 －体积小、重量轻、抗冲击、耐振
光的产生方法 （4）热发光：物体加热到一定温度时的发光。热辐射是一
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 射（白炽灯）。 （5）生物发光：萤火虫、发光细菌等的生物发光。 （6）阴极射线发光：由电子束激发荧光物质发光，如电视
机的显像管。
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4.3 发光二极管
概况
（1）实质是一个PN结，在PN结上加正向电压，流过一
定电流，就会发出光束。 （2）LED(Light Emiting Diode) 电致发光。 （3）发光的颜色取决于材料； （4）可用于显示、照明、信号光源等。
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LED发光机理
如果在P-N结上施加正向电 压，促进了扩散运动的进 行。即从N区流向P区的电 子和从P区流向N区的空穴 同时增多，于是有大量的 电 子 和 空 穴 在 P-N 结 中 相 遇复合，并以光和热的形 式发出能量。
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4.2 光的产生方法 （1）电致发光：电能－>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 态时就会发出辐射 。（LED） （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，光、紫外线、射线等激发而引起的发光 。 （日光灯） （3）化学发光：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。（黄磷氧化）
（1）发光效率 辐射功率： e IU e
热功率： P I 2R
I：注入器件的总电流 Ue：P-N结上的电压降
辐射效率：
e
e P e
Ue IR U e
发光二极管的辐射效率一般在百分之几到百分之十几，它受环境温度的影 响，并且与工作电流大小有一定关系。
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（2）光谱特性 光谱分布曲线：描述发光的相对强度随波长变化的曲线，发射光谱是由 材料的种类、性质以及发光中心的结构决定。
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4.1 光源选择的基本要求
（1）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 。 （2）发光强度要求：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 工作的非线性 （3）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，可采用稳流电源供电。 （4）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； 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：漂移、光斑大小、光形状等。
导带 Ec
ED Et EA
价带
电子和空穴的复合很复杂， 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 取决于半导体材料及其掺杂材料。
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外形和结构
外形
结构
金属、陶瓷、全树脂
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LED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，主要性能有发光
效率、光谱特性、伏安特性、发光亮度、时间响应、寿命等 。
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（5） 响应时间
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 。
上升时间：10%-90%：发光二极管 的上升时间随电流的增加而近似呈 指数衰减。 下降时间：90%-10%
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 应时间所许可的范围内。
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光电检测系统光源的选择讨论拓展 • 光谱特性要求 • 光强大小要求 • 光源稳定性要求 想想上述光源特性在什么测量系统中会用到？
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4.2 光的产生方式: 温度辐射和发光
（1）平衡辐射：炽热物体－热辐射 物体温度高于绝对零度（-273） 温度低时辐射红外光 温度升高-可见光-白炽灯
（2）非平衡辐射：发光 外界作用的激发-物体偏离原来的热平衡态－发光
第四章 光电检测光源
光电测试是采用光电的方法对带有待测信息的光辐射 物体的测试，光是信息的载体，在任何光电测试系统中， 都离不开一定型式的光源。光源的质量对光电测量起着 非常重要的作用，了解光源的基本特性参数和光源特点， 对设计光电测试系统非常重要。
光源分类：自然光源和人造光源。
一、光源选择的基本要求 二、发光二极管 三、激光光源 四、其它光源
动、寿命长、单色性好 －缺点:发光效率低、发光面积小，
发出短波光的材料极少
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LED的应用
（1）数Байду номын сангаас、文字及图像显示 （2）指示、照明 （3）光源 （4）光电开关、报警、遥控、耦合
hc hc
Eg E1 E0
各种发光二极管发出光的峰值波长 主要分布在可见光和红外光区。
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LED发光机理
本征复合：电子直接从导带跃迁到价带， 同空穴复合同时发射出光子，跃迁在两 个能带之间进行，发射光具有一定的谱 带， 非本征复合：半导体内电子与空穴的复 合是复杂的，并不只是本征复合，因为 半导体内存在微量杂质而发生导带与杂 质能级，杂质能级与价带，以及杂质能 级之间的跃迁等，这些跃迁的距离均小 于导带到价带的禁带宽度，并在禁带宽 度附近的能级区域。因此发光二极管发 射出来的光谱有一定宽度。
反向饱和电流：少数载流子所形成的电流
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（4） 发光亮度
发光亮度：单位面积发光强度的度量。
正法线方向的亮度： B0 I 0 / A
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。 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。
发光亮度和电流密度的关系
峰值波长
发光二极管光谱曲线
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。带宽是反映发光的单色性好坏的参数。
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（3）伏安特性
流过发光二极管的电流随管子两端电压变化而变化的关系，是管子性能 优劣的重要标志。
发光二极管的伏安特性曲线 （1）正向死区；（2）正向工作区 （3）反向死区；（4）反向击穿区
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（6） 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
的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于时1A/ cm，2
一般可达最长可达
。109 h
－发光亮度减弱的现象－老化，老化速度与电流密度有关
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发光二级管小结 －发光亮度与正向电流的关系 －响应速度极快 －正向电压低，耗电少 －体积小、重量轻、抗冲击、耐振