张永爱物理与信息工程学院第1章 光源与光电探测器光源应用光源应用科学研究 共用应用物质物质 成分分析成分分析材料材料 结构研究结构研究光电检测光电检测照明工程照明工程能把光辐射量转换为另一种便于测量的物理量的器件光辐射量光电探测器电信号光探测器光子探测器光电探测器的物理效应光子效应光热效应热探测器4.1 光电信息技术中常用的光源一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光源是人为将各种形式能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。4.1.1 光源的基本特性参数1. 辐射效率和发光效率 在给定波长范围内，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之比，称为该光源在规定光谱 范围内的辐射效率相应地，对于可见光范围，某一光源的发光效率v为所 发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就 是该光源的光效率，即2. 光谱功率分布 4.1.1 光源的基本特性参数自然光源和人造光源大都是由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 来描述。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析。光源种类发光效率(lm.W-1)光源种类发光效率(lm.W-1)普通钨丝灯8-18高压汞灯30-40卤钨灯14-30高压钠灯90-100普通荧光灯35-60球形氙灯30-40三基色荧光灯55-90金属卤化物灯60-80表1 常用光源的发光效率4.1.1 光源的基本特性参数图中（a）称为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低 压汞灯。图（b）称为带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每 一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯、高压钠灯就属于这 种分布。图（c）为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续 光谱，图（d）是混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成 ，一般荧光灯的光谱就属于这种分布。典型的光谱功率分布4.1.1 光源的基本特性参数在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要 求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐 射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得 较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤 钨灯、氙灯等。在紫外分光光度计中，通常使用氚灯 、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源，在光纤技术中 ，通常使用发光二极管和半导体激光器等光源 4.1.1 光源的基本特性参数3. 空间光强分布 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 ，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与 该方向的发光强度成正比。将各矢量的端 点连起来，就得到光源在该截面上的发光 强度曲线，即配光曲线。超高压球形氙灯的光强分布在有的情况下，为了提高光的利用率，一般选择发光 强度高的方向作为照明方向。为了进一步利用背面方 向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光 罩的焦点位于光源的发光中心上。4.1.1 光源的基本特性参数4. 光源的色温 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来近似地表示。对于 一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。 （1）分布温度辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱分布，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。这种辐射体的光 谱辐亮度可表示为（2）色温4.1.1 光源的基本特性参数若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。辐射 源发射光的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（3）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，在均匀色度 图中，如果光源的色坐标点与某一温度下黑体辐射的色 坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温 。4.1.1 光源的基本特性参数5. 光源的颜色 光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。 比如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物 体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐 射体照射下所呈现颜色的 一致性，称为该光源的显色性 。4.1.2 热辐射源（1）它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确 的估算，即可以精确掌握和控制它们的发光或辐射性质 ；（2）它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围 很宽，因此使用的适应性强。但在通常情况下，紫外辐 射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；（3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光 获得很高的稳定度。任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能 量，其辐射特性与温度有关。物体靠加热保持一定温度 ，使其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。 （3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光 获得很高的稳定度。4.1.2 热辐射源热辐射源应用热辐射源应用科学研究 共用应用照明照明光学系统光学系统 -光源光源光电探测光电探测 -光源光源光度或辐射度光度或辐射度 标准光源标准光源4.1.2 热辐射源1. 太阳 太阳可看成是一个直径为1.392 109 m的光球。它到地球的年平 均距离是1.491011m因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只 有0.5330。大气层外的太阳光 谱能量分布相当于 5900K左右的黑体 辐射。其平均辐亮 度为2.01l07Wm- 2sr-1平均亮度为 1.95109cdm-2。太阳的光谱能量分布曲线4.1.2 热辐射源射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射在光谱和空间分布、能量大小、偏振状 态等都发生了变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中 氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧 化碳(CO)和其它碳氢化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了大阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收 介质，在标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线，其 中的阴影部分表示大气的光谱吸收带4.1.2 热辐射源2. 黑体模拟器 在许多军用红外光电信息技术和光电系统中，往往需 要这样一种辐射源，它的角度特性和光谱特性酷似理 想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。黑体模拟器的结构4.1.2 热辐射源3. 白炽灯 白炽灯是照明工程和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射 的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体射曲线相差约0.5%，而 在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%。此外，白炽灯使用和量值复现方便，它的发光特性稳定，寿命长，因而也广泛用作 各种辐射度量和光度量的标准光源。4.1.2 热辐射源图(a)所示为BDQ型发光强度 标准灯，用来传递和复现发光 强度单位(cd)的量值。发光强 度标准灯是通过精确控制流过 灯丝的直流电流，复现在规定 的色温下和在灯丝平面中心的 法线方向上的光强度。图(b)是BDT型光通量标准 灯，用来传递和复现光通 量值光通量标准灯的灯 丝是旋转对称的，这样使 电压与灯参数的变化曲线 其光分布在各旋转方向尽 可能一致。 图(c)为BW型温度标准灯，它的发光体是一条狭 长的钨带，当通以电流时，钨带炽热发光。主要 工作在80025000C 范围内，复现和验定光学高 温计及某些以光学高温计作标准的温度源，也可 以代替能量标准灯使用。4.1.3 气体放电光源4.2 光电探测器的性能参数与噪声4.2.1 光电探测器的性能参数响应度是光电探测器输出信号与输入辐射功率之间关系 的度量。描述的是光电探测器的光电转换效能。定义 为光电探测器的输出均方根电压或电流与入射到光电探 测器上的平均光功率之比 1. 响应度 -灵敏度R V和R I分别称为光电探测器的电压响应度和电流响应度，由于光电探测器的响应度随入射辐射的波长变化而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度 光电探测器本质是一个外电压偏置的电流输出器件，通过负载电阻可改变为电压输出器件。4.2.1 光电探测器的性能参数2. 光谱响应度 光谱响应度又叫单色响应度，它表示不同波长的单位辐 射功率，辐射入射到一个探测器的敏感元上，探测器输 出强弱的不同。光谱响应度用R表示，是光电探测器的 输出电压或者输出电流与入射到探测器上单色辐射通量 （光通量）之比R是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。4.2.1 光电探测器的性能参数3.积分响应度积分响应度表示探测器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各 种波长的辐射光源，总光通量为光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应 度。由于光电探测器输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的 ，所以输出光电流为可得积分响应度为4.2.1 光电探测器的性能参数4. 响应时间 响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个 参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后 ，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值 所需时间称为响应时间。上升时间和下降时间4.2.1 光电探测器的性能参数由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入 射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。光电探 测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关 系，其表达式为5频率响应 一般规定，R f下降到可得到放大器的上限截止频率光电探测器的频率响应曲线4.2.1 光电探测器的性能参数信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载 电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即6信噪比（S/N） 若用分贝（dB）表示，则为信号功率 相同方可比较单个光电探测器，其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积 有关，若入射辐射强，接收面积大，S/N就大，但性能不一定好- -局限性4.2.1 光电探测器的性能参数它定义为器件在特定带宽内（1Hz）产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入 通量，此时，其他参数，如频率、温度等应加以 规定。这个参数是在确定光电探测器件的探测极 限（以输入能量为瓦或流明表示）时使用。7等效噪声输入（ENI） 4.2.1 光电探测器的性能参数或称最小可探测功率Pmin。它定义为探测器输出的信号 功率与噪声功率之比为1时所需的入射到探测器上的辐 射通量（单位为瓦），即8噪声等效功率（NEP） 一个良好的探测器NEP约为1011W，NEP越小，噪声越小，器件的性能越好 。 NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。信号辐射功率小于噪 声等效功率，则探测器信号输出小于噪声，意味着探测器将无 法感知目标辐射。噪声等效功率实际上就是探测器能够探知的 最小目标辐射，标志着一个探测器的灵敏度、噪声等效功率越 小，探测器灵敏度越高。4.2.1 光电探测器的性能参数9探测率D与比探测率D* 只用NEP无法比较两个不同来源的光探器的优劣。为此，引入两 个新的性参数探测率D和比探测率D*探测率D又称探测度，是探测器接收单位功率辐射所能获得的信 噪比，是NEP的倒数，作为探测器探测最小辐射信号能力的指标。D愈大，光电探测器的性能愈好。所描述的特性是：光电探测器在它的电平之上产生一个可观测的电信号的本领。即光电探测器 能响应的入射光功率越小，其探测能力越高4.2.1 光电探测器的性能参数“D值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。主要是探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响甚大。通常情况下 为了比较比较各种探测器的性能，需除去A、