第四章光源和光的调制优秀课件
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大气衰减
大气中存在的多种气体分子、尘埃、烟雾、湿气等使部分辐射能 量被吸收、转换、辐射，使辐射能衰减或改变原来的传播方向。 结果：导致测量精度降低或者无法进行测量。
大气分子吸收：不同分子的结构不同，其光谱吸收特性不
同。
大气分子散射
空气湍流效应：湍流状态使光辐射在传播过程中随机 地改变其光波参量，出现光束截面内的光强闪烁、光 束弯曲和漂移、光束弥散、畸变以及相干性退化等现 象。
4.3 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，在任何光电测试系统中，都离不开一定形 式的光源。光源的质量对光电测量起着非常重要的作用。
光源分类：自然光源和人造光源。
一、光的产生和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
源自文库
光的产生和光源选择的基本要求
光的产生方式: 温度辐射和发光
第四章光源和光的调制
定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应。
辐射的基本物理量：
辐射能：一种传播电磁波的能量，当辐射能被物质吸
收时，可以转化成其它形式的能量。符号表示：Qe,单
位辐：射焦通耳量(：J)单位时间内e流 d过dQte面积元dA的辐射能量，单
位为瓦特。
Ie
d e d
辐射强度: 点辐射源在给定方向上单位时间单位立体
量。单位：坎德拉(cd)
Iv
d v d
发光效率： 光源发射的总光通量与提供的功率之比为
发光效率。
v
Qv P
100%
热辐射基本定律
物体热辐射：靠加热保持一定温度使内能不变而持续辐射的辐射 形式，凡能发射连续光谱，且辐射是温度的函数的物体叫热辐射体。
普朗克辐射定律：黑体表面向半球面空间发射波长为λ的光 谱辐射度是黑体温度和波长的函数。
dd
光通量：光源表面在无穷小时间内发射、传播或接收 所有可见光谱光能定义为光通量。单位：流明(lm)
v
dQv dt
光出度 M v：面光源表面某点处的面元向半球面空间发 射的光通量与面元面积之比。单位：勒克斯(lx,lm/m2)
光度学的基本物理量：
发光强度：点光源在给定方向的立体角内发射的光通
（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。
（1）平衡辐射：炽热物体－热辐射 物体温度高于绝对零度（-273°C） 温度低时：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
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 。 （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 。 （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。如黄磷因氧化而自然发光 。
M' (,T)
de
ddA
吸收本领：吸收本领是在波长 到 d间隔内被物体吸收
的通量与入射通量之比，与物体的温度及波长有关。
(,T
)
d'e() de()
4.2 光辐射在空气中的传播
光电测量中的光波多在空气中和光学玻璃中传播。由于在光电检 测中通常以空气为信道，大气构成成分的复杂和不稳定性影响光束 的特性，影响测量效果。
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；变色发光二极管（随通过的
电流大小而改变颜色）。 （4）可用于显示、照明、信号光源等。
特点 －发光亮度与正向电流成正比例关系 －响应速度极快 －正向电压低，耗电少 －体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿
Meb(T)5(e2hc/hkBc2T 1)
斯忒藩-玻尔兹曼定律
M e(b T )0 M e b(T )d0 5(e2 h/h ckB 2 T c 1 )dT 4
黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其它性质无关。
光辐射的度量
辐射本领：辐射表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的通量。
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
外形和结构
外形
结构
外壳材料：金属、陶瓷、全树脂
LED发光机理
LED发光机理是电致发光。 P型半导体与N型半导体接触时， 载流子的扩散运动和由此产生内电 场作用下的漂移运动达到平衡状态 形 成 P-N 结 。 如 果 在 P-N 结 上 施 加 正向电压，则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。
Le
Ie
dAcos
辐射效率：光源所发出的辐射通量和外界提供给光源
的功率之比。
e
Qe P
100%
光度学中的各物理量在光谱的可见波段才有意义。人眼对 各种波长光线的视觉灵敏度不同，相同光能量的各种波长 光线所产生的视觉效果不同。
光度学的基本物理量：
光谱辐射度：辐射源所辐射的某一波长的单色光的辐 射能量 。
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。
（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。
光源选择的基本要求
角内所辐射的能量为该方向上的辐射强度。单位：
W/sr
对各向同性的点光源，所有方向发射的总辐射通量为：
e 4Ie
辐射的基本物理量：
辐出度：面辐射源单位面积发射出的辐射通量。单位：
W/m2
Me
de dA
辐射亮度：扩展辐射源在给定方向上单位立体角、单 位投影面积内发出的辐射通量。单位：W/(sr.m2)
大气中存在的多种气体分子、尘埃、烟雾、湿气等使部分辐射能 量被吸收、转换、辐射，使辐射能衰减或改变原来的传播方向。 结果：导致测量精度降低或者无法进行测量。
大气分子吸收：不同分子的结构不同，其光谱吸收特性不
同。
大气分子散射
空气湍流效应：湍流状态使光辐射在传播过程中随机 地改变其光波参量，出现光束截面内的光强闪烁、光 束弯曲和漂移、光束弥散、畸变以及相干性退化等现 象。
4.3 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，在任何光电测试系统中，都离不开一定形 式的光源。光源的质量对光电测量起着非常重要的作用。
光源分类：自然光源和人造光源。
一、光的产生和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
源自文库
光的产生和光源选择的基本要求
光的产生方式: 温度辐射和发光
第四章光源和光的调制
定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应。
辐射的基本物理量：
辐射能：一种传播电磁波的能量，当辐射能被物质吸
收时，可以转化成其它形式的能量。符号表示：Qe,单
位辐：射焦通耳量(：J)单位时间内e流 d过dQte面积元dA的辐射能量，单
位为瓦特。
Ie
d e d
辐射强度: 点辐射源在给定方向上单位时间单位立体
量。单位：坎德拉(cd)
Iv
d v d
发光效率： 光源发射的总光通量与提供的功率之比为
发光效率。
v
Qv P
100%
热辐射基本定律
物体热辐射：靠加热保持一定温度使内能不变而持续辐射的辐射 形式，凡能发射连续光谱，且辐射是温度的函数的物体叫热辐射体。
普朗克辐射定律：黑体表面向半球面空间发射波长为λ的光 谱辐射度是黑体温度和波长的函数。
dd
光通量：光源表面在无穷小时间内发射、传播或接收 所有可见光谱光能定义为光通量。单位：流明(lm)
v
dQv dt
光出度 M v：面光源表面某点处的面元向半球面空间发 射的光通量与面元面积之比。单位：勒克斯(lx,lm/m2)
光度学的基本物理量：
发光强度：点光源在给定方向的立体角内发射的光通
（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。
（1）平衡辐射：炽热物体－热辐射 物体温度高于绝对零度（-273°C） 温度低时：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
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 。 （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 。 （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。如黄磷因氧化而自然发光 。
M' (,T)
de
ddA
吸收本领：吸收本领是在波长 到 d间隔内被物体吸收
的通量与入射通量之比，与物体的温度及波长有关。
(,T
)
d'e() de()
4.2 光辐射在空气中的传播
光电测量中的光波多在空气中和光学玻璃中传播。由于在光电检 测中通常以空气为信道，大气构成成分的复杂和不稳定性影响光束 的特性，影响测量效果。
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；变色发光二极管（随通过的
电流大小而改变颜色）。 （4）可用于显示、照明、信号光源等。
特点 －发光亮度与正向电流成正比例关系 －响应速度极快 －正向电压低，耗电少 －体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿
Meb(T)5(e2hc/hkBc2T 1)
斯忒藩-玻尔兹曼定律
M e(b T )0 M e b(T )d0 5(e2 h/h ckB 2 T c 1 )dT 4
黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其它性质无关。
光辐射的度量
辐射本领：辐射表面在单位波长间隔单位面积内所辐射的通量。
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
外形和结构
外形
结构
外壳材料：金属、陶瓷、全树脂
LED发光机理
LED发光机理是电致发光。 P型半导体与N型半导体接触时， 载流子的扩散运动和由此产生内电 场作用下的漂移运动达到平衡状态 形 成 P-N 结 。 如 果 在 P-N 结 上 施 加 正向电压，则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。
Le
Ie
dAcos
辐射效率：光源所发出的辐射通量和外界提供给光源
的功率之比。
e
Qe P
100%
光度学中的各物理量在光谱的可见波段才有意义。人眼对 各种波长光线的视觉灵敏度不同，相同光能量的各种波长 光线所产生的视觉效果不同。
光度学的基本物理量：
光谱辐射度：辐射源所辐射的某一波长的单色光的辐 射能量 。
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。
（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。
光源选择的基本要求
角内所辐射的能量为该方向上的辐射强度。单位：
W/sr
对各向同性的点光源，所有方向发射的总辐射通量为：
e 4Ie
辐射的基本物理量：
辐出度：面辐射源单位面积发射出的辐射通量。单位：
W/m2
Me
de dA
辐射亮度：扩展辐射源在给定方向上单位立体角、单 位投影面积内发出的辐射通量。单位：W/(sr.m2)