第二章光源基礎(chǔ)知識

第二章光源基礎(chǔ)知識光電基礎(chǔ)知識CCD器件中光源的選擇和匹配CCD器件用到的光源半導(dǎo)體2/1/20230電磁波方式傳播的粒子，稱為光量子或者光子。光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時(shí)引起的光電效應(yīng)，物質(zhì)的光電效應(yīng)證明了光的量子性。

CCD器件的光譜響應(yīng)范圍寬于人眼的視覺范圍，一般在0.2～1.1μm的波長范圍內(nèi)。特種材料的紅外CCD的波長響應(yīng)可擴(kuò)展到幾個(gè)微米，即CCD的光譜響應(yīng)范圍從遠(yuǎn)紫外、近紫外、可見光到近紅外區(qū)，甚至到中紅外區(qū)。2/1/20231第一節(jié)光電基礎(chǔ)知識電磁波譜光是一種電磁波，X射線、射線也都是電磁波。它們的電磁特性相同，只是頻率或波長不同而已。將電磁波按其頻率或波長的次序排列成譜，則稱為電磁波譜。通常所說的光學(xué)區(qū)域或光學(xué)頻譜包括：紅外線、可見光和紫外線。由于光的頻率極高，一般采用波長表征，光譜區(qū)域的波長范圍約從1mm到10nm。2/1/20232波長/m無線電波微波紅外線紫外線可見光

X

射線

射線宇宙射線1m103m106mm10910-310-610-9nm波長/nm106102003904554925775976227605x1036x1034x104300極遠(yuǎn)遠(yuǎn)近極遠(yuǎn)遠(yuǎn)中近紅橙黃綠藍(lán)紫電磁波譜圖2/1/20233

遠(yuǎn)紅外 (1mm~20m)

紅外線(1mm~0.76m) 中紅外 (20m~1.5m)

近紅外 (1.5m~0.76m)

紅色 (760nm~630nm)

橙色 (630nm~600nm)

黃色 (600nm~570nm)

可見光

(760~380nm)

綠色 (570nm~490nm)

青色 (500nm~450nm)

藍(lán)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依照波長的長短以及波源的不同，電磁波譜可大致分為：(1)無線電波——波長從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波；(2)微波——波長從0.3米到10-3米，這些波多用在雷達(dá)或其它通訊系統(tǒng)；(3)紅外線——波長從10-3米到7.8×10-7米；紅外線的熱效應(yīng)特別顯著；(4)可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個(gè)波段。(5)紫外線——波長比可見光短的稱為紫外線，它的波長從3×10-7米到6×10-10米，它有顯著的化學(xué)效應(yīng)和熒光效應(yīng)。這種波產(chǎn)生的原因和光波類似，常常在放電時(shí)發(fā)出；(6)倫琴射線——這部分電磁波譜，波長從2×10-9米到6×10-12米。倫琴射線（X射線）是電原子的內(nèi)層電子由一個(gè)能態(tài)跳至另一個(gè)能態(tài)時(shí)或電子在原子核電場內(nèi)減速時(shí)所發(fā)出的；X射線，它是由原子中的內(nèi)層電子發(fā)射的，其波長范圍約在102～10-2米。(7)γ射線——是波長從10-10～10-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內(nèi)發(fā)出來的，放射性物質(zhì)或原子核反應(yīng)中常有這種輻射伴隨著發(fā)出。γ射線的穿透力很強(qiáng)，對生物的破壞力很大。2/1/20235為了對光輻射進(jìn)行定量描述，需要引入計(jì)量光輻射的物理量。而對于光輻射的探測和計(jì)量，存在著輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。

在輻射度單位體系中，輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。

光度單位體系是一套反映視覺明暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見光波段。2/1/20236

立體角的單位叫球面度（Sr），1球面度是半徑為1m的球面上，1m2的球面對球心所張的立體角。AsA＇r(b)oΩΩ=

平面角的單位叫弧度，1弧度是半徑為1m的圓上，1m長的圓弧對圓心所張的角。α=

lαoB(a)Ar幾個(gè)基本概念先介紹一些基本概念:平面角和立體角。2/1/20237立體角Ω是描述輻射能向空間發(fā)射、傳輸或被某一表面接收時(shí)的發(fā)散或會聚的角度(如圖所示)，定義為：以錐體的基點(diǎn)為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比。式中，θ為天頂角；?為方位角；dθ,d?分別為其增量。立體角的單位是球面度(sr)。2/1/20238對于半徑為r的球，其表面積等于4πr2，所以一個(gè)光源向整個(gè)空間發(fā)出輻射能或者一個(gè)物體從整個(gè)空間接收輻射能時(shí)，其對應(yīng)的立體角為4π球面度，而半球空間所張的立體角為2π球面度。在θ，?角度范圍內(nèi)的立體角

求空間一任意表面s對空間某一點(diǎn)o所張的立體角，可由o點(diǎn)向空間表面s的外邊緣作一系列射線,由射線所圍成的空間角即為表面s對o點(diǎn)所張的立體角。因而不管空間表面的凹凸如何，只要對同一o點(diǎn)所作射線束圍成的空間角是相同的，那么它們就有相同的立體角。2/1/20239光輻射的度量一、與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)1.輻射能(Radiantenergy)和光能以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能，用符號Qe表示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對時(shí)間的積分，以Qv表示，其計(jì)量單位為流明?秒（lm·s）。輻能密度w：單位體積元內(nèi)的輻射能，即：w=dQ/dV2/1/2023102.輻射通量(Radiantflux)和光通量(luminousflux)輻(射)通量或輻(射)功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻(射)能稱為輻(射)通量，以符號Φe表示，其計(jì)量單位為瓦(W)，即對可見光，光源表面在無窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜，光能除以無窮小時(shí)間間隔dt，其商定義為光通量Φv，即Φv的計(jì)量單位為流(明)（lm）。2/1/2023113.輻(射)出(射)度(RadiantExistance)和光出(射)度對有限大小面積A的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W/m2]面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為2/1/202312對于可見光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dΦv與面元面積dA之比稱為光出(射)度Mv，即其計(jì)量單位為勒(克斯)[lx]或[lm/m2]2/1/202313點(diǎn)光源在給定方向的立體角元dΩ內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe，與該方向立體角元dΩ之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即4.輻(射)強(qiáng)度(RadiantIntensity)和發(fā)光強(qiáng)度輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度[W/sr]發(fā)光強(qiáng)度2/1/202314發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd]。1979年第十六屆國際計(jì)量大會通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉[cd]。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（lm）。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。2/1/2023155.輻(射)亮度(Radiantluminance)和亮度光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即式中，q為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度平方米[W／(sr·m2)]。AddAd輻射亮度示意圖2/1/202316對可見光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即Lv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米[cd/m2]2/1/2023176.輻射效率(Radiantefficiency)與發(fā)光效率光源所發(fā)射的總輻射通量Φe與外界提供給光源的功率P之比稱為光源的輻(射)效率ηe；光源發(fā)射的總光通量Φv與提供的功率P之比稱為發(fā)光效率ηv。它們分別為對限定在波長λ1～λ2范圍內(nèi)的輻效率2/1/202318二、與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)

1.輻照度與照度輻照度Ee是照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，即Ee的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W/m2]2/1/202319對可見光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA稱為光照度Ev，即Ev的計(jì)量單位是勒（克斯）[lx]。

2/1/2023202.輻照量和曝光量

輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時(shí)間t內(nèi)的積分稱為輻照量He，即輻照量He的計(jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫譡J/m2]。

2/1/202321與輻照量He對應(yīng)的光度量是曝光量Hv，它定義為物體表面某一面元接收的光照度Ev在時(shí)間t內(nèi)的積分，即Hv的計(jì)量單位是勒（克斯）秒[lx.s]。

2/1/2023222.如果一個(gè)表面元能反射入射到其表面的全部輻射通量，那么該面元可看作是一個(gè)輻射源表面，即其輻射出射度在數(shù)值上等于照射輻照度。地球表面的輻照度是其各個(gè)部分(面元)接收太陽直射以及天空向下散射產(chǎn)生的輻照度之和；而地球表面的輻射出射度則是其單位表面積向宇宙空間發(fā)射的輻射通量。

說明：1.不要把輻照度Ee與輻出度Me混淆起來。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。2/1/2023233.本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當(dāng)作輻射體，則光譜輻出度Mer(l)(r

代表反射)與輻射體接收的光譜輻照度Ee(l)的關(guān)系為式中，ρe(l)為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。對上式的波長積分，得到反射體的輻出度

2/1/202324朗伯輻射體及其輻射特性對于磨得很光或鍍得很亮的反射鏡，當(dāng)一束光入射到它上面時(shí)，反射光具有很好的方向性，即當(dāng)恰好逆著反射光線的方向觀察時(shí)，感到十分耀眼，而在偏離不大的角度觀察時(shí)，就看不到反射光。對于一個(gè)表面粗糙的反射體或漫射體，就觀察不到上述現(xiàn)象。除了漫反射體以外，對于某些自身發(fā)射輻射的輻射源，其輻亮度與方向無關(guān)，即輻射源各方向的輻亮度不變，這類輻射源稱為朗伯輻射體。絕對黑體和理想漫反射體是兩種典型的朗伯體。在實(shí)際問題的分析中，常采用朗伯體作為理想的模型。

2/1/202325朗伯余弦定律

朗伯體反射或發(fā)射輻射的空間分布可表示為按照朗伯輻射體亮度不隨角度θ變化的定義，得即即在理想情況下，朗伯體單位表面積向空間規(guī)定方向單位立體角內(nèi)發(fā)射(或反射)的輻射通量和該方向與表面法線方向的夾角θ的余弦成正比——朗伯余弦定律。朗伯體的輻射強(qiáng)度按余弦規(guī)律變化，因此，朗伯輻射體又稱為余弦輻射體。

2/1/202326朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系

極坐標(biāo)對應(yīng)球面上微面元dA的立體角dΩ

設(shè)朗伯微面元dS亮度為L，則輻射到dA上的輻射通量為

在半球內(nèi)發(fā)射的總通量Ф為

按照出射度的定義得或朗伯體輻射空間坐標(biāo)2/1/202327對于處在輻射場中反射率為ρ的朗伯漫反射體(ρ=1為理想漫反射體)，不論輻射從何方向入射，它除吸收(1-ρ)的入射輻射通量外，其它全部按朗伯余弦定律反射出去。因此，反射表面單位面積發(fā)射的輻射通量等于入射到表面單位面積上輻射通量的ρ倍。即M=ρE，故2/1/202328舉例：已知太陽輻亮度L0等于2×107Ｗ/m2/sr，太陽的半徑r0等于6.957×108m，地球的半徑re為6.374×106m，太陽到地球的年平均距離l為1.496×1011m，求太陽的輻射出射度M0、輻射強(qiáng)度I0、輻射通量Φ0以及地球接收的輻射通量Φe、地球大氣層邊沿的輻照度Ee。解:太陽可假定為朗伯光源，則太陽的輻射出射度M0=πL0=6.2832×107(W/m2)若認(rèn)為太陽是一均勻發(fā)光體，則太陽的輻射通量Φ0=4πr02M0=3.821×1026(W)太陽的輻射強(qiáng)度:I0=Φ0/4π=3.041×1025(W/sr)地球?qū)μ柕牧Ⅲw角：Ω=πre2/l2=5.703×10-9(sr)也就是說，地球只接收了太陽總輻射能的5.7×10-9/4π=4.54×10-10。地球接收到的太陽的輻射通量:Φe=I0Ω=1.734×1017(W)地球大氣層邊沿的輻照度:Ee=I0/l2=1358.79(W/m2)2/1/202329幾種典型光輻射量的計(jì)算公式1.點(diǎn)源對微面元的照度

如圖,設(shè)O為點(diǎn)源，受照微面元dA距點(diǎn)源的距離為l，其平面法線n與輻射方向夾角為α，dA對點(diǎn)源O所張立體角為若點(diǎn)源在該方向的輻射強(qiáng)度為I，則向立體角dω發(fā)射的通量dФ為

如果不考慮傳播中的能量損失，則微面元的照度為即點(diǎn)源對微面元的照度與點(diǎn)源的發(fā)光強(qiáng)度成正比，與距離平方成反比，并與面元對輻射方向的傾角有關(guān)。當(dāng)點(diǎn)源在微面元法線上時(shí)，上式變?yōu)?/p>

這就是距離平方反比定律。點(diǎn)源對微面元的照度2/1/202330應(yīng)該指出，點(diǎn)源實(shí)際尺寸不一定很小，甚至成為一個(gè)點(diǎn)，而是按輻射源線度尺寸與接收面距離的比例來區(qū)分是點(diǎn)源或面源。距地面遙遠(yuǎn)的一顆星，實(shí)際尺寸很大，但觀察者看到的卻是一個(gè)“點(diǎn)”。同一輻射源在不同場合，既可是點(diǎn)源，又可是面源，例如飛機(jī)的尾噴管，在1km以上的距離測量時(shí)是點(diǎn)源，而在3m的距離測量時(shí)，則表現(xiàn)為一個(gè)面源。通常認(rèn)為，當(dāng)距離比輻射源線度尺寸大10倍以上時(shí)，就可以看成點(diǎn)源。

2/1/2023312.點(diǎn)源向圓盤發(fā)射的輻射通量分析點(diǎn)源向圓盤發(fā)射的輻射通量可用于計(jì)算距點(diǎn)源一定距離的光學(xué)系統(tǒng)或接收器接收的輻射通量。如圖，點(diǎn)源O發(fā)出光輻射，距點(diǎn)源l0處有一與輻射方向垂直半徑為R的圓盤。由于圓盤有一定大小,由點(diǎn)源至圓盤上各點(diǎn)的距離不等，故圓盤輻照度不均勻。圓盤上微面元dA接收的輻射通量為由于，代入上式，并對ρ和θ積分，得到半徑R的圓盤接收的全部輻射通量點(diǎn)源對圓盤的輻射2/1/202332當(dāng)圓盤距點(diǎn)源足夠遠(yuǎn)時(shí)，即l0>>R，l≈l0，cosα≈1，則圓盤接收的通量為即圓盤可認(rèn)為是微面元，圓盤上各點(diǎn)輻照度相等。

2/1/2023333.面輻射在微面元上的輻照度如圖,設(shè)A為面輻射源，Q為受照面，n1為微面元dA的法線，與輻射方向夾角為β，n2為Q平面O點(diǎn)處的法線，與入射輻射方向的夾角為α，dA到O點(diǎn)的距離為l。對面源A上微面元dA，運(yùn)用距離平方反比定律得O點(diǎn)形成的輻照度dE。

式中，Iβ為面元dA在β方向上的發(fā)光強(qiáng)度，與該方向上發(fā)光亮度Lβ間有如下關(guān)系代入上式得面輻射源A對O點(diǎn)處微面元所形成的照度值E，得

面源的輻照度2/1/202334一般情況下，面輻射源在各個(gè)方向上的亮度是不等的。但對各方向亮度相等的朗伯輻射源，上式可簡化為式中，是立體角dω在Q平面的投影,故稱上式為立體角投影定律。2/1/2023354.朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度如圖，朗伯?dāng)U展源為半徑R的圓盤A，取圓環(huán)狀面元dA1=rdrd?，由前面式子可知，由于β=α，則環(huán)狀面元上發(fā)射的輻射在距圓盤為l0的某點(diǎn)Ad處的輻照度為由圖的幾何關(guān)系得朗伯圓盤輻射體的輻照度則圓盤擴(kuò)展源在軸上點(diǎn)產(chǎn)生的輻照度為2/1/202336進(jìn)一步討論擴(kuò)展源近似為點(diǎn)源的條件。由圖可得因?yàn)閳A盤的面積A為πR2，故上式可改寫為若圓盤可近似作為點(diǎn)源，則其在同一點(diǎn)產(chǎn)生的輻照度為于是,由上上式精確計(jì)算的輻照度與上式點(diǎn)源近似計(jì)算的輻照度的相對誤差為顯然，如果R/l0≤1/10，即當(dāng)l0>10R或β0≤5.7°時(shí)，相對誤差<1%。物理意義：目標(biāo)點(diǎn)與圓盤朗伯輻射體的距離大于10倍圓盤半徑時(shí)，按點(diǎn)源測量的輻照度相對誤差小于1%。2/1/2023375.成像系統(tǒng)像平面的輻照度

如圖，物空間亮度L0的微面元ds0經(jīng)過成像物鏡成像在像空間ds1微面元上，確定ds1上的照度。微面元向透鏡口徑D所張立體角發(fā)射的輻射通量為成像系統(tǒng)像平面照度其中，u0為物點(diǎn)對成像系統(tǒng)的張角。dΦ經(jīng)過透過率τ的成像物鏡后照射在微面元ds1上的照度為利用光學(xué)拉-赫不變式可將上式改寫為2/1/202338在一般光電成像系統(tǒng)中，由于n0=n1≈1，且光瞳放大率βp=D′/D=1，其中D和D′為物鏡物方和像方孔徑。于是其中，l和l′分別為物距和像距。對于大多數(shù)攝像系統(tǒng)的應(yīng)用，基本滿足l>>f′，即物距遠(yuǎn)大于光學(xué)系統(tǒng)的焦距，則需要指出：在一般應(yīng)用中，光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑D/f′較小，因此，常采用如下簡化式2/1/202339對于夜視系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，由于屬于低信噪比系統(tǒng)，往往需要加大光學(xué)系統(tǒng)的孔徑，通常要求光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)(FN=f′/D)盡量小，F(xiàn)N→1,則采用上式導(dǎo)致的相對誤差為顯然，當(dāng)FN→1時(shí)，相對誤差將達(dá)到25%。2/1/202340三、光譜輻射分布與量子流速率

1.光源的光譜輻射分布參量光源發(fā)射的輻射能在輻射光譜范圍內(nèi)是按波長分布的。光源在單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度Xe,λ，簡稱為光譜輻射量，即式中，通用符號Xe,λ是波長的函數(shù)，代表所有的光譜輻射量，如光譜輻射通量Φe,λ、光譜輻射出度Me,λ、光譜輻射強(qiáng)度Ie,λ、光譜輻射亮度Le,λ、光譜輻照度Ee,λ等。2/1/202341同樣，以符號Xv,λ表示光源在可見光區(qū)單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的光度量稱為光度量的光譜密度，簡稱為光譜光度量，即式中，Xv,λ代表光譜光通量Φv,λ、光譜光出射度Mv,λ、光譜發(fā)光強(qiáng)度Iv,λ和光譜光照度Ev,λ等。光源的輻射度參量Xe,λ隨波長λ的分布曲線稱為該光源的絕對光譜輻射分布曲線。2/1/202342該曲線任一波長l處的Xe,λ除以峰值波長lmax處的光譜輻射量最大值Xe,λmax的商Xe,λr，稱為光源的相對光譜輻射量，即相對光譜輻射量Xe,λr與波長l的關(guān)系稱為光源相對光譜輻射分布。光源在波長l1～l2

范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量2/1/202343若積分區(qū)間從l1=0到l2→∞，得到光源發(fā)出的所有波長的總輻射通量光源在波長l1~l2之間的輻通量Δfe與總輻通量fe之比稱為該光源的比輻射qe，即式中，qe沒有量綱。2/1/2023442.量子流速率

光源發(fā)射的輻射功率是每秒鐘發(fā)射光子能量的總和。光源在給定波長l處,由l到l+dl波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量dfe除以該波長l的光子能量hv，得到光源在該波長l處每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜量子流速率dNe,l，即光源在波長l為0→∞范圍內(nèi)發(fā)射的總量子流速率2/1/202345對可見光區(qū)域，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)量子流速率Ne或Nv的計(jì)量單位為光子數(shù)每秒[1/s]。2/1/2023462/1/202347輻射度參數(shù)和光度參數(shù)的關(guān)系380nm——760nm光度參數(shù)輻射度參數(shù)2/1/202348光度量只在可見光區(qū)（380-760nm)才有意義。輻射度量和光度量都是波長的函數(shù)。由于人眼的視覺細(xì)胞對不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反應(yīng)人的亮暗感覺。2/1/202349人眼的視覺靈敏度明視覺光譜光視效率用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長l=555nm處的光譜輻射亮度小于其他波長的光譜輻射亮度。把波長l=555nm的光譜輻射亮度被其他波長的光譜輻射亮度除得的商，定義為正常人眼的V(l)，即2/1/202350對正常人眼的柱狀細(xì)胞，以微弱的各色單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長為507nm處的光譜輻射亮度Le,507nm小于其他波長的光譜輻射亮度Le,λ

。把Le,507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率。

V/(λ)也是一個(gè)無量綱的相對值，它與波長的關(guān)系如圖中的虛線所示。暗視覺光譜光視效率2/1/202351圖為人眼的明視覺光譜光視效率V(λ)和暗視覺光譜光視效率V/(λ)。光譜光視效率曲線2/1/202352光譜光視效能

光譜光視效能描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量。即光視效能K定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比值，即

單位：流明/瓦特(lm/W)通過測定，在輻射頻率5401012Hz(波長555nm)處，K有最大值，其數(shù)值為Km=683lm/W。單色光譜光視效率是K用Km歸一化的結(jié)果，其定義為2/1/202353人眼的光譜光視效能無論是錐狀細(xì)胞還是柱狀細(xì)胞，單色輻射對其刺激的程度與V(λ)Le,λ成正比。對于明視覺，刺激程度平衡的條件為式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量XV,λ對輻射度參量Xe,λ的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。2/1/202354對于暗視覺，刺激程度平衡的條件為式中，K/m為人眼的暗視覺最靈敏波長的光度參量X/V,λ對輻射度參量Xe,λ的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。2/1/202355引入K(λ)，并令在人眼最敏感的波長lm=555nm，lm/=507nm處，分別有V(lm)=1，V/(lm/)=1，這時(shí)K(lm)=Km，K/(lm/)=K/m。因此，Km，K/m分別稱為正常人眼的明視覺最大光譜光視效能和暗視覺最大光譜光視效能。可以將任何光譜輻射量轉(zhuǎn)換成光譜光度量。2/1/202356常見光源的光視效能2/1/202357例：已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？解：He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)2/1/202358標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜分布如圖1-7所示，圖中的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對光譜輻射分布Xe,λr、光譜光視效率V(λ)和光譜光視效率與相對光譜輻射分布之積V(λ)Xe,λr，積分為V(λ)Xe,λr曲線所圍的面積A1，而積分

為面積A2。因此，可得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的光視效能Kw為lm/W2/1/202359例如，對于色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈，其光視效能為17.1lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe=100W時(shí)，其光通量為Φv=1710lm。白熾鎢絲燈的供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計(jì)檢測光照度時(shí)，照度將顯著下降。2/1/202360任何0K以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要取決于物體的溫度。下面介紹熱輻射的一些基本定律。熱輻射基本定律2/1/2023611.單色吸收比和單色反射比。任何物體向周圍發(fā)射電磁波的同時(shí)，也吸收周圍物體發(fā)射的輻射能。當(dāng)輻射從外界入射到不透明的物體表面上時(shí)，一部分能量被吸收，另一部分能量從表面反射（如果物體是透明的，則還有一部分能量透射）。吸收比。被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比。在波長到+d范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比，用表示。反射比。反射的能量與入射的能量之比稱為該物體的反射比。在波長到+d范圍內(nèi)相應(yīng)的反射比稱為單色反射比，用表示。對于不透明的物體，單色吸收比和單色反射比之和等于1，即

若物體在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即，則稱該物體為絕對黑體（簡稱黑體）。2/1/2023622.基爾霍夫輻射定律在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。即

為黑體的單色輻射出射度。2/1/2023633.普朗克公式黑體處于溫度T時(shí)，在波長

處的單色輻射出射度由普朗克公式給出式中h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，kB為波爾茲曼常數(shù)。令，，則：第一輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)。2/1/202364下圖為不同溫度條件下黑體的單色輻射出射度（輻射亮度）隨波長的變化曲線。可見：⑴對應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值，對應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下的面積）。⑵單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。⑶單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動。黑體輻射單色輻射出射度的波長分布01234560102030401000K1200K1400K1600K1800K2000Kl

(mm)單色輻射出射度Mvlb(W/cm2mm)2/1/2023654.瑞利-瓊斯公式當(dāng)很大時(shí)，，可得到適合于長波長區(qū)的瑞利-瓊

斯公式在時(shí)，瑞利-瓊斯公式與普朗克公式的誤差小于1%。2/1/2023665.維恩公式當(dāng)很小時(shí)，，可得到適合于短波長區(qū)的維恩

公式在區(qū)域時(shí)，維恩公式與普朗克公式的誤差小于1%。2/1/2023676.維恩位移定律普朗克公式對波長求微分后令其等于0，則單色輻射出射度最大值對應(yīng)的波長與絕對溫度滿足7.斯忒藩-玻爾茲曼定律

為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)。斯忒藩-玻爾茲曼定律表明黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無關(guān)。2/1/2023688.色溫當(dāng)熱輻射體發(fā)射的可見光區(qū)域的光譜輻射分布具有與某黑體的可見光部分的光譜輻射分布相同的形狀時(shí)，以黑體的溫度來標(biāo)志該熱輻時(shí)體的溫度稱為熱輻射體的色溫。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個(gè)光源光色的大概情況，一般來說，色溫高代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。色溫越高的輻射體，可見光的成分越多，光視效能越高，光度量也越大。2/1/202369第二節(jié)CCD器件中光源的選擇和匹配光源選擇的基本要求1.波長（光譜）特性2.發(fā)光強(qiáng)度（光功率）3.光源穩(wěn)定性（強(qiáng)度、波長）2/1/2023701.對光源發(fā)光光譜特性的要求一般的光電檢測系統(tǒng)都要求光源特性滿足檢測需要，光源發(fā)光光譜與探測器的光譜響應(yīng)要匹配。例如：紅外探測器必須配套紅外光源通常的硅探測器（如CCD相機(jī)）必須匹配0.4-1.1微米范圍內(nèi)光譜的光源。2/1/2023712.對光源發(fā)光強(qiáng)度的要求為確保光電檢測系統(tǒng)的正常工作，通常對系統(tǒng)所采用的光源或輻射源的強(qiáng)度有一定的要求。3.對光源穩(wěn)定性的要求穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時(shí)，可采用穩(wěn)壓電源供電或穩(wěn)流電源供電，所用光源應(yīng)預(yù)先進(jìn)行老化處理。當(dāng)有更高要求時(shí)，可對發(fā)出光進(jìn)行采樣，然后反饋控制光源的輸出。計(jì)量用標(biāo)準(zhǔn)光源通常采用高精度儀器控制下的穩(wěn)流源供電。2/1/2023724.對光源其它方面的要求燈絲結(jié)構(gòu)和形狀發(fā)光面積大小和構(gòu)成燈泡玻殼的形狀和均勻性光源的發(fā)光效率和空間分布2/1/202373攝像是為了真實(shí)地記錄物體的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和顏色。而從色度學(xué)知道，物體的顏色和照明光源的光譜功率分布有關(guān)。人們對物體的觀察一般是在日光照射下形成的。所以攝像要在日光和近似日光的環(huán)境中可以進(jìn)行。由于氙氣發(fā)光的光譜功率分布接近于日光的光譜功率分布，所以攝像時(shí)可以采用大功率的氙燈作為照明光源。CCD器件中光源的選擇2/1/202374檢測系統(tǒng)一般分為兩種：一種是通過測量被檢測物體的像來測量被檢測物體的某些特征參數(shù)；另一種是通過測量被檢測物體的空間頻譜分布確定被檢測物體的某些特征參數(shù)。對于第一種，選用白熾燈或鹵鎢燈作為照明光源；對于第二種，選用激光作為光源，因?yàn)榧す饽軡M足單色性好、相干性好和光束準(zhǔn)直精度高等要求。CCD器件的光譜響應(yīng)范圍為0.2～1.1μm，峰值響應(yīng)波長多為0.55μm，氦氖氣體激光器的波長為0.6328μm，光譜響應(yīng)靈敏度接近于其峰值的響應(yīng)波長的光譜靈敏度，與其他激光器相比，用相同功率光束照明，可以得到較大的輸出信號。而且，這種激光器制造技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格便宜，所以經(jīng)常用它作為光源。2/1/202375照明的匹配CCD器件是積分型器件，輸出電流信號既和CCD器件光敏面上的照度有關(guān)，也和兩次取樣的間隔時(shí)間，即積分時(shí)間有關(guān)。若以I代表其輸出電流信號，E代表光敏面的照度，t代表兩次取樣的間隔時(shí)間，則在正常工作范圍內(nèi)有K是比例系數(shù)；，稱為曝光量，單位lx*s。2/1/202376對于既定元件，曝光量應(yīng)限定在一定的范圍之內(nèi)，其上限為飽和曝光量。對于攝像和以光度測量為基礎(chǔ)的CCD應(yīng)用系統(tǒng)，光敏面上任何光敏單元上的曝光量均應(yīng)低于，否則將產(chǎn)生畫面亮度失真，或產(chǎn)生大的測量誤差。2/1/202377因?yàn)?，所以可通過適當(dāng)選擇CCD器件光敏面上照度E和兩次采樣間隔時(shí)間t兩個(gè)參數(shù)來達(dá)到。但是，采樣間隔時(shí)間t一般由驅(qū)動器的轉(zhuǎn)移脈沖周期確定，常為一確定值。所以調(diào)節(jié)曝光量通常是通過調(diào)節(jié)CCD光敏面上的光照度來實(shí)現(xiàn)。要求光敏面上任何點(diǎn)的照度應(yīng)滿足。光敏面的照度也不能太低。如果某些點(diǎn)的照度低于CCD器件的靈敏閾，這些較暗部便無法測出，從而降低畫面亮度的層次或產(chǎn)生測量誤差。最好是把光敏面上的最大照度調(diào)節(jié)為略低于，以充分利用器件的動態(tài)范圍。2/1/202378式中，和分別為光學(xué)系統(tǒng)的像方和物方介質(zhì)的折射率；為光學(xué)系統(tǒng)的透過率；為物體的亮度；為像方孔徑角；為所考慮點(diǎn)對應(yīng)的視場角。對于CCD應(yīng)用系統(tǒng)，CCD器件光敏面的照度就是經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像的像面照度或者是經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行傅里葉變換后的譜面照度。發(fā)光特性接近余弦輻射體的物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，其軸上像點(diǎn)的照度和軸外像點(diǎn)照度可分別用下列兩式表示2/1/202379對于觀察或測量自然景物，由于景物的亮度不易改變，一般靠選取角取得合適的像面照度。對于觀察無限遠(yuǎn)景物，應(yīng)使用望遠(yuǎn)鏡，這時(shí)，為光束直徑，表示焦距，軸上像點(diǎn)的照度為可見，這種情況下像面照度與相對孔徑的平方成正比，主要靠選擇望遠(yuǎn)鏡的相對孔徑來達(dá)到像面照度與CCD光敏特性相匹配。對于觀測人工照明目標(biāo)，則可用合理選擇照明光源的功率及照明系統(tǒng)的參數(shù)來調(diào)節(jié)被觀測對象的亮度值，并配以合適的觀測光學(xué)系統(tǒng)來保持所需的像面照度。2/1/202380有些測量系統(tǒng)像面或譜面照度分布不均勻，最大和最小照度之差遠(yuǎn)超過CCD器件響應(yīng)的范圍，這時(shí)，單靠調(diào)節(jié)照明和光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)不能達(dá)到目的。例如，調(diào)節(jié)光源或光學(xué)系統(tǒng)孔徑角使像面照度最大值，則暗區(qū)照度過低無法檢測，如調(diào)節(jié)使暗區(qū)照度達(dá)可測值，則。為了使在這種情況下能夠完成測量，可采用濾光補(bǔ)償法。這種方法適合于像面或譜面照度分布有一定的規(guī)律、明暗差較大的情況。2/1/202381濾光補(bǔ)償法就是在CCD器件光敏面前放置一塊透過率按一定規(guī)律分布的濾光鏡，使高照度區(qū)的照度降下來，達(dá)到，而低照度區(qū)的照度不受影響或者少受影響。這樣，就可以使整個(gè)像面或者譜面測量值均在可測量范圍之內(nèi)。而各點(diǎn)的實(shí)際照度可由實(shí)測照度和濾光鏡相應(yīng)點(diǎn)的透過率求得

實(shí)際上，濾光鏡的透過率不要求制作的很準(zhǔn)確，準(zhǔn)確值可在系統(tǒng)組裝后通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。2/1/202382第三節(jié)CCD器件用到的光源光源分類自然光：日、月、星、閃電、螢火蟲人工光：篝火、油燈、蠟燭、鎢絲白熾燈、日光燈、氙燈、閃光燈、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光、氣體激光、節(jié)能燈….熱光源：物體升溫產(chǎn)生氣體放電光源：電極間氣體放電固體發(fā)光光源：電能直接轉(zhuǎn)換為光能激光：受激輻射2/1/202383常用光源發(fā)光器件物體輻射光白熾光源氣體放電光源發(fā)光二極管激光器GaP、SiC可見光LEDGaAs紅外LED1.氙燈(攝像)2.檢測系統(tǒng)(1)白熾燈或鹵鎢燈(2)氦氖氣體激光器2/1/202384發(fā)光二極管（LED)節(jié)能燈白熾燈2/1/202385可調(diào)諧激光器氙燈閃光燈激光2/1/202386氙燈填充氙氣的光電管或閃光電燈。氙氣是天然的稀有氣體中分子量最大、密度最高的，原子半徑較大，化學(xué)性質(zhì)不活潑，不能燃燒，也不助燃。汞燈鈉燈氙燈氣體放電燈2/1/202387氙燈是由一只用優(yōu)質(zhì)石英玻璃吹制成的泡殼，在其內(nèi)封有一對電極(直流燈：一只為陽極，另一只為陰極。交流燈：兩只均為具有電子發(fā)射性能的電極)并充入一定壓力的惰性氣體Xe而成，用高電壓觸發(fā)放電，是典型的弧光放電型氣體放電燈。氙燈工作時(shí)要求外接專用電源（直流燈：專用的直流穩(wěn)流電源。交流燈：交流電源和鎮(zhèn)流器）和觸發(fā)器。當(dāng)接通電源時(shí)，電路中的觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)高頻高壓信號加于燈的兩端，使燈管內(nèi)的Xe氣激發(fā)電離產(chǎn)生弧光放電，輻射出的光譜分布很近似于日光，故氙燈也俗稱為小太陽。在弧光放電中，電子與氣體發(fā)生彈性碰撞損失的能量同氣體的原子量成反比，所以與其他惰性氣體相比，氙氣弧光放電時(shí)損失較小，發(fā)光效率高。同時(shí)，氙氣的電離電勢較低，放電時(shí)電極附近的電壓較小，這樣可以延長電極的壽命。另外，其色溫在5500-6000K，具有良好的顯色指數(shù)，現(xiàn)廣泛的應(yīng)用于電影放映、探照燈具、太陽模擬器，廣場照明等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)2/1/202388氙燈具有以下特點(diǎn)：①輻射光譜能量分布與日光相接近,色溫約為6000K。②連續(xù)光譜部分的光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關(guān)，在壽命期內(nèi)光譜能量分布也幾乎不變。③燈的光、電參數(shù)一致性好，工作狀態(tài)受外界條件變化的影響小。④燈一經(jīng)點(diǎn)燃，幾乎是瞬時(shí)即可達(dá)到穩(wěn)定的光輸出；燈滅后，可瞬時(shí)再點(diǎn)燃。⑤燈的電壓較小。2/1/2023892/1/202390工作原理-氣體放電氣體放電原理電路及特性(a)氣體放電管電路(b)氣體放電的U-I特性2/1/202391在通常情況下，氣體是不導(dǎo)電的，但在紫外線或在宇宙射線作用下，會有少量氣體分子被電離成正、負(fù)離子和自由電子。在氣壓約為133.32Pa時(shí)，密封在玻璃管內(nèi)的兩個(gè)電極加上了一定電壓(圖

(a))。當(dāng)電壓較低時(shí)，玻璃管內(nèi)的氣體中少量正負(fù)離子和自由電子導(dǎo)電，形成極弱的電流，約為10-11A。這就是所謂的氣體暗放電電流，這時(shí)電流與電壓成線性關(guān)系，如圖中OA段。隨著電壓增加，電流達(dá)到飽和．相當(dāng)于曲線AB段。電壓繼續(xù)增加時(shí)，被加速的帶電粒子數(shù)雪崩式地增加，相當(dāng)于曲線的BCD段。在D點(diǎn)，當(dāng)電壓稍增加時(shí)，由于陰極附近存在很高的陰極電壓和很大的離子濃度，這些離子中的正離子強(qiáng)烈轟擊陰極表面。從陰極表面打出二次電子，使電流迅速增加，而極間電壓反而迅速降低，形成輝光放電的過渡區(qū)，故D點(diǎn)稱為著火點(diǎn)或破裂點(diǎn)。從E點(diǎn)開始為自持放電，無論增加電源電壓或減少外電路電阻，玻璃管兩電極間電壓保持恒定，這就是正常輝光放電。再繼續(xù)增加電壓和減少外電路電阻，使中性氣體原子遭受離子的撞擊，形成強(qiáng)電離現(xiàn)象，從而電流增大，極間電壓也隨之增加，氣體發(fā)光強(qiáng)度和氣體溫度也逐漸增加，形成異常輝光放電(FG段)。從G點(diǎn)開始，電流增加，而極間電壓急劇降低，陰極強(qiáng)烈熾熱，引起熱電子發(fā)射和場致發(fā)射電子，形成弧光放電，放電電流約0.1A以上，再繼續(xù)減少外電路電阻，可使電極熔化而損壞放電管。2/1/202392自持放電：不依賴外界電離條件，僅由外施電壓作用即可維持的一種氣體放電。當(dāng)外加電壓逐漸升高后，氣體中的放電過程發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時(shí)若去掉外界激勵(lì)因素，放電仍繼續(xù)發(fā)展，稱為自持放電。通常所研究的各種氣體放電形式如輝光放電、電暈放電、火花放電、電弧放電等都屬于自持放電。形成自持放電的條件可根據(jù)湯森理論來確定。當(dāng)外加電壓較低時(shí)，只有由外界電離因素所造成的帶電粒子在電場中運(yùn)動而形成氣體放電電流，一旦外界電離作用停止，氣體放電現(xiàn)象即隨之中斷，這種放電稱為非自持放電。湯森理論：湯森在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩平板電極之間所加電壓增大到一定值時(shí)，極板間隙的氣體中出現(xiàn)連接兩個(gè)電極的放電通道，使原來絕緣的氣體變成電導(dǎo)很高的氣體，有放電電流通過，間隙被擊穿。湯森用氣體電離的概念解釋這一現(xiàn)象。他設(shè)想有n0個(gè)自由電子在電場作用下由陰極向陽極運(yùn)動,只要電場足夠強(qiáng),電子在與氣體分子碰撞時(shí)會引起后者電離，發(fā)展成電子崩。若每個(gè)電子在電場中移動單位距離時(shí)產(chǎn)生的電離次數(shù)為α(湯森電離系數(shù)),則可推知n0個(gè)自由電子在由陰極向陽極運(yùn)動中經(jīng)過距離d后將增加到n0ead,而每個(gè)電子產(chǎn)生的正離子－電子對數(shù)為ead-1。正離子在電場作用下向陰極運(yùn)動，設(shè)每個(gè)正離子撞擊陰極時(shí)引起的電子發(fā)射（稱二次電子發(fā)射）的概率為r,則n0個(gè)自由電子引起電離后產(chǎn)生的二次電子數(shù)為rn0(ead-1)。要使放電持續(xù)不斷，則需使rn0(ead-1)=n0或r(ead-1)=1，這就是湯森自持放電的條件，又稱湯森判別式。

2/1/202393在輝光放電時(shí)，將產(chǎn)生明暗相隔的區(qū)域(如下圖)，各區(qū)域的電勢和電場分布也表示在圖中。弧光放電發(fā)出的光輝極其明亮，可用在電影放映和公共場所照明。無論輝光放電或弧光放電，都是氣體的場致發(fā)光現(xiàn)象。在氣體放電過程中，由于電場的作用使帶電粒子動能增加到足以能電離其他氣體分子時(shí)，氣體分子吸收帶電粒子的能量，使其電子處于激發(fā)狀態(tài)，這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，在10-8s內(nèi)從激發(fā)態(tài)回到低能態(tài)或基態(tài)，以發(fā)光的形式放出能量。如鈉蒸汽原子輻射出波長589.0nm和589.6nm的雙黃光。輝光放電的明暗區(qū)域及電場電勢分布(a)輝光放電區(qū)域分布；(b)輝光放電的電場電勢分布2/1/202394直流長弧氙燈高壓短弧氙燈脈沖氙燈被廣泛用于激光內(nèi)雕機(jī)、激光焊接機(jī)、激光美容機(jī)。氙燈是一種發(fā)光功率大，接近日光的燈，分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三類。2/1/202395長弧氙燈的工作原理

長弧氙燈都做成管狀，燈管采用耐高溫，熱膨脹系數(shù)小的全透明石英管，兩端封接有二個(gè)釷鎢（或鋇鎢）電極，電極間距離一般大于100mm，管內(nèi)充有高純度的氙氣。

由于燈本身的工作電壓太低，不足以使燈內(nèi)的氣體電離放電，所以長弧氙燈需要用觸發(fā)器來啟動。觸發(fā)器的作用就是產(chǎn)生一種高頻高壓脈沖加到燈的兩極上。在高壓脈沖作用下，起初燈管中形成火花放電的通道，由此產(chǎn)生的電子和離子在電場作用下使中性氣體分子和原子繼續(xù)電離，發(fā)生雪崩過程。同時(shí)在離子的撞擊下使電極加熱成為熱發(fā)射體，發(fā)射大量熱電子，而產(chǎn)生較大的電流，燈就馬上點(diǎn)亮了，燈點(diǎn)亮后觸發(fā)器停止工作，不用鎮(zhèn)流器，直接接入電網(wǎng)就可以形成穩(wěn)定的弧光放電。由于是高氣壓的氣體放電，其放電的電流通常是高溫等離子體。1963年，中國電光源專家蔡祖泉試制成功長弧氙燈。2/1/202396長弧氙燈的功率可以做得很大，伏安特性具有正阻特性，所以只需安裝啟動裝置，其規(guī)格有帶鎮(zhèn)流器的和不帶鎮(zhèn)流器的兩種。長弧氙燈的輻射光譜與日光接近，適于大面積照明，也可用作電影攝影、彩色照相制版、復(fù)印等方面的光源；同時(shí)，在棉織物的顏色檢驗(yàn)、藥物和塑料老化試驗(yàn)、植物栽培、光化反應(yīng)等方面，也可作模擬日光和人工老化光源。此外，大功率長弧氙燈還可作為連續(xù)激光光源。2/1/202397

氙燈的功率很大，小的幾千瓦，大的可達(dá)幾十萬瓦。發(fā)光效率也高。氙燈按其使用特點(diǎn)可分為自然冷卻、風(fēng)冷和水冷3種。自然冷卻氙燈一般充(2.66-26.6)×102Pa的氙氣，水冷氙燈充(1.33-5.32)×104Pa的氙氣，色溫為5500-6000K，功率可從102-2×106kW，發(fā)光效率為24-37lm/W。水冷式長弧氙燈的發(fā)光效率可達(dá)60lm/W，一般壽命達(dá)3000h。小功率燈采用自然冷卻，功率在3000～5000W的燈采用風(fēng)冷，更大功率的燈采用水冷。功率越大,管壁溫度越高,都要高到好幾百度。這時(shí)光靠自然冷卻是不夠了，需要強(qiáng)制冷卻，如水冷。水冷就是用循環(huán)水冷卻管壁，沿著水套流動的水把燈放出的熱量帶走。燈管和水套，供電和給水，水冷是挺費(fèi)事的。但是，水冷大大降低了燈管的溫度，可以增加燈的功率，縮小燈的體積，延長燈的使用壽命，提高燈的發(fā)光效率，總的來說仍然非常合算。這就是說，功率大，亮度強(qiáng)，光色好，光效高，這些都是長弧氙燈的優(yōu)點(diǎn)。2/1/202398超高壓短弧氙燈

超高壓短弧氙燈是一種在橢球形石英泡殼內(nèi)充有0.019～0.0266MPa高壓氙氣、極間距離小于10mm的氙燈。超高壓短弧氙燈發(fā)光效率約40lm/W。直流燈點(diǎn)燃時(shí)，在離開陰極0.07lc(lc為極距)處，有一個(gè)稱之為陰極光斑的最亮點(diǎn)，該點(diǎn)的輻射光達(dá)到燈的總輻射光通量的70％以上，這使超高壓短弧氙燈成為近乎理想的點(diǎn)光源，尤其有利于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用。功率為75-5000W的燈，其峰值亮度為(50-650)×106cd/m2；2500W的大功率燈，峰值亮度可達(dá)2×109cd/m2。

1954年，在聯(lián)邦德國科隆世界照明和電影博覽會上，蔡司－依康公司展出了第一只作為電影放映光源的氙燈。2/1/202399超高壓短弧氙燈具有幾乎瞬態(tài)的光學(xué)啟動特性——啟動時(shí)輻射出燈的總光通量的80％，1分鐘后達(dá)90％，2.5分鐘后達(dá)到100％。它需配備專用的啟動器和直流電源，壽命約為500～1500h。燈可水平或垂直點(diǎn)燃。1000W以上的氙燈，水平點(diǎn)燃時(shí)需附加磁場穩(wěn)弧裝置。超高壓短弧氙燈因充有高壓氙氣，貯運(yùn)、保存均應(yīng)放在專用盒內(nèi)，以防爆炸。使用時(shí)應(yīng)采取必要的防爆及防紫外輻射措施。超高壓短弧氙燈亮度高、發(fā)光區(qū)域小、顯色性好，光色接近日光且光色穩(wěn)定，廣泛用于電影放映、太陽模擬器、電弧成像爐、D65模擬光源聚光器、印刷制版、復(fù)印機(jī)、光學(xué)儀器、人工氣候模擬等。2/1/2023100脈沖氙燈脈沖氙燈由燈管和兩端結(jié)構(gòu)完全相同的燈頭所構(gòu)成。燈頭內(nèi)部構(gòu)件中心軸線上的電極通過電極密封區(qū)、內(nèi)密封區(qū)、過渡玻璃封接區(qū)和外密封區(qū)與燈管的尾管封接。脈沖氙燈是利用貯存的電能或化學(xué)能，在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生高強(qiáng)度閃光的氙燈。脈沖光源的閃光持續(xù)是指1/3峰值光強(qiáng)所對應(yīng)的時(shí)間間隔，稱為脈沖寬度，它主要由光源的結(jié)構(gòu)和點(diǎn)燈電路決定?，F(xiàn)有脈沖光源的脈沖寬度一般為10-9～10-2s，瞬時(shí)亮度可達(dá)1010cd/m2，是除激光外亮度最高的人造光源，它的瞬時(shí)光通量可達(dá)109lm，閃光重復(fù)頻率為1～106次/分，工作壽命達(dá)106次以上，發(fā)光效率為40lm/W。19世紀(jì)中葉，F(xiàn).塔爾博特首次應(yīng)用火花隙放電作為高速攝影的曝光光源，這是最早的人造脈沖光源，以后出現(xiàn)了惰性氣體脈沖放電光源。2/1/2023101脈沖氙燈是一種時(shí)間很短的脈沖閃光光源，可分為單次閃光和重復(fù)閃光兩種，電路如圖2-8所示。對單次閃光電路，電源對電容C1充電至幾千伏，同時(shí)對電容C2也充電。當(dāng)開關(guān)K閉合后，C2通達(dá)初級脈沖線圈放電，在次級產(chǎn)生很高的脈沖電壓。此脈沖電壓加到閃光管電極上，使閃光管被觸發(fā)電離，貯存于電容C1的電能通過閃光管形成強(qiáng)烈的弧光放電。C1上的電能放電完畢，閃光完成一次。充電電阻R1除對電容C1充電外，還限制充電電流的數(shù)值，以便當(dāng)電容C1迅速放電時(shí)，閃光管能消除電離并熄滅，不致于連續(xù)閃光。因此，R1的選擇必須滿足條件其中，f為閃光頻率。對于重復(fù)閃光電路，觸發(fā)開關(guān)K通常用一個(gè)多諧振蕩器所驅(qū)動的冷陰極電子管代替，其振蕩頻率范圍為幾個(gè)HZ到300HZ。2/1/2023102脈沖光源有以下5種用途：①各種管狀脈沖氙燈。管狀脈沖氙燈的峰值閃光能量可從用于醫(yī)學(xué)和照明攝影的幾個(gè)焦到用于彈道空中觀察和激光光源的上百萬焦。除管狀外還有U形、螺旋形和圓盤形等多種形狀。②頻閃觀察儀用脈沖氙燈。頻率幾千HZ，功率幾萬瓦。③信號脈沖光源。頻率1-3Hz，功率10-500W，壽命達(dá)106次。④光化學(xué)反應(yīng)和電子儀器用微秒脈沖光源。⑤計(jì)算機(jī)或其他自動裝置用的頻閃指示儀。頻率102Hz，功率數(shù)瓦。2/1/2023103除激光光源外，脈沖氙燈亮度最高，光譜分布范圍也寬(圖2-10)，脈沖光與CCD的轉(zhuǎn)移脈沖同號后可以獲得高速運(yùn)動物體的瞬態(tài)圖像。這在高速攝影技術(shù)中獲得廣泛的應(yīng)用。但脈沖氙燈的電源系統(tǒng)復(fù)雜，需要一個(gè)近萬伏的引燃脈沖電壓，如果線路布置不當(dāng)，會引進(jìn)干擾信號，又因閃光頻率高，壽命也不太長。如單次閃光管約5千次到5萬次，重復(fù)閃光管的平均使用壽命約為100-200h。2/1/2023104白熾燈普通白熾燈是由熔點(diǎn)高達(dá)3600K的鎢絲制成的燈絲、實(shí)芯玻璃、燈頭、玻璃殼組成的。燈絲是白熾燈的關(guān)鍵部分，幾乎都是由鎢絲繞制成單螺旋形或雙螺旋形。白熾燈的供電電壓決定鎢絲的長度，供電電流決定鎢絲的直徑。為使白熾燈產(chǎn)生的光通量按預(yù)期的空間分布，可將鎢絲制成直射狀、環(huán)狀或鋸齒狀。鋸齒狀可布置成平面、圓柱形或圓錐形。也有用鎢片制成帶狀的鎢帶燈，形成射狀光源。早在18世紀(jì)末，伏特就發(fā)現(xiàn)了電流發(fā)熱和發(fā)光現(xiàn)象。到19世紀(jì)60年代．俄國的謝爾蓋耶夫(Ceprreeb)制作成鉑絲蜷狀的白熾燈，后經(jīng)改進(jìn)，制成了當(dāng)今使用的鎢絲白熾燈。2/1/2023105由實(shí)芯玻璃和鉬絲鉤做成的架用于支撐鎢絲，再通過金屬導(dǎo)絲與外電源連接。玻璃殼采用透明的普通玻璃，形狀和尺寸由采用的冷卻條件或特殊要求決定。有時(shí)把透明的玻璃殼表面加以腐蝕(磨砂)，或采用具有散光性強(qiáng)的乳白玻璃制作，以得到均勻發(fā)射的亮度較低的白光。為防止高溫時(shí)鎢絲的氧化，必須把玻璃殼抽成真空。對功率大于40W的白熾燈，玻璃殼內(nèi)充入惰性氣體，以減少鎢絲蒸發(fā)，延長燈的壽命。因?yàn)檫@些惰性氣體分子與蒸發(fā)出來的鎢分子碰撞，使一部分鎢分子又返回去，從而延長鎢絲的壽命。但惰性氣體分子也散失部分熱量，使燈絲溫度降低。為了減少由于氣體熱傳導(dǎo)的損失，就要減少燈絲和氣體接觸的面積，所以采用螺旋狀或雙螺旋狀的燈絲，而且最好充入分子量大的氙或氡。2/1/2023106發(fā)光光譜鎢絲白熾燈在電流作用下維持鎢絲的溫度而發(fā)生輻射，屬于熱輻射體。在低溫時(shí)，熱輻射體的發(fā)射系數(shù)較小，且隨波長的增長而減少。當(dāng)溫度升高時(shí)，光譜發(fā)射系數(shù)隨波長的變化而減少，最后在溫度很高時(shí)趨向于1，服從黑體輻射定律式中，為溫度系數(shù)，，其中；為斯尼藩-波爾茲曼常數(shù)；為燈絲的絕對溫度。鎢絲白熾燈的溫度越高，它所發(fā)出的輻射出射度越強(qiáng)。同時(shí)，由維恩位移定律得到，鎢絲燈的溫度越高，短波長光譜輻射的含量越多。國際照明委員會規(guī)定，2856K燈絲溫度下的白熾鎢絲燈為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈。標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的峰值輻射波長在1.0mm時(shí)，和維恩定律計(jì)算出來的相符合。它的發(fā)光光譜范圍涵蓋了整個(gè)可見光譜譜區(qū)，并延長至中紅外區(qū)。它在可見光譜區(qū)的輻射功率只占全部輻射功率的一小部分，不足10%。標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈相對光譜輻射功率隨波長的分布2/1/2023107鎢絲白熾燈的功率、光通量和發(fā)光效率鎢絲白熾燈的功率由所需要的光通量(或光照度)和燈的發(fā)光效率確定。燈的發(fā)光效率取決于燈絲的溫度。如果要求光通量大，燈絲的直徑要粗，這樣流過的電流大，電功率就大，燈絲溫度高，發(fā)光效率就高。對于小功率指示燈，燈絲細(xì)，溫度低，發(fā)光效率也低。100W以下的鎢絲白熾燈的發(fā)光效率一般在6％-12％。鎢絲白熾燈的功函數(shù)和溫度關(guān)系曲線如圖2-3。發(fā)光效率就是指：從物體表面出來的可見光（380-760nm）的量（也就是多少lm）除以供應(yīng)物體的電能。也就是用物體的光視效能乘以物體的輻射效率。

2/1/2023108白熾燈A的光視效能8lm/W；白熾燈B的發(fā)光效率8(lm/W)。1.兩者單位一樣，有何區(qū)別？2.哪一個(gè)更耗電？3.哪一個(gè)更亮？2/1/2023109供電電壓變化對鎢絲白熾燈參量的影響

當(dāng)鎢絲白熾燈的供電電壓變化時(shí)，對白熾燈的電流、光通量、燈的功率損耗、燈的壽命等都有很大影響。如果電壓增加，則燈絲溫度上升，光通量增加，發(fā)光效率提高。但是，燈絲溫度太高時(shí)，則鎢絲的蒸發(fā)加快、加劇，使燈絲的某些局部迅速變細(xì)、從而電阻值增大，局部功耗加大，并很快被燒斷。表2-3列出不同溫度下鎢絲在真空中的蒸發(fā)率和鎢絲壽命隨溫度變化的關(guān)系。由表可知，蒸發(fā)率和壽命的乘積為常數(shù)。

--額定電壓--所加電壓2/1/2023110鹵鎢燈鹵鎢燈是一種改進(jìn)的白熾燈。鎢絲在高溫下蒸發(fā)使燈泡變黑，如限定白熾燈的燈絲溫度不能太高，從而使白熾燈的發(fā)光效率降低。在燈泡中充入碘或溴等鹵族元素，使它們與蒸發(fā)在玻殼上的鎢形成化合物。當(dāng)這些化合物回到燈絲附近時(shí)，遇高溫而分解，鎢又回到鎢絲上。這樣，燈絲的溫度可以大大提高，而玻殼并不發(fā)黑。因此燈絲亮度高、發(fā)光效率高、形體小、成本低是鹵鎢燈的特點(diǎn)。目前常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和溴鎢燈。2/1/2023111激光激光作為一種新型光源，與其他光源相比有單色性好、方向性強(qiáng)、光亮度極高的優(yōu)點(diǎn)，因而在國防、科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療等方面得到廣泛的應(yīng)用。在諸多種類的激光器中，氦氖氣體激光器和半導(dǎo)體激光器在精密檢測、光信息處理，全息攝影、準(zhǔn)直導(dǎo)向、大地測量等技術(shù)中有著極為廣泛的應(yīng)用。2/1/2023112氦氖激光器氦氖激光器具有連續(xù)輸出激光的能力。輸出激光功率不高，只有幾毫瓦。激光波長=632.8nm，波長的穩(wěn)定性度高達(dá)10-10量級。氦氖激光器輸出的光束的相干性及方向性均很強(qiáng)，居各類激光器首位。對632.8nm的譜線，相干長度可達(dá)幾十公里以上，光束發(fā)散角為1mrad。2/1/2023113MOS管半導(dǎo)體的光吸收第四節(jié)半導(dǎo)體2/1/2023114MOS管（場效應(yīng)管）結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)及符號結(jié)型場效應(yīng)管也是具有PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，圖1.3.1(a)繪出了N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)(平面)示意圖。它是一塊N型半導(dǎo)體材料作襯底，在其兩側(cè)作出兩個(gè)雜質(zhì)濃度很高的P+型區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)。從兩邊的P型區(qū)引出兩個(gè)電極并聯(lián)在一起，成為柵極(G)；在N型襯底材料的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為漏極(D)和源極(S)。兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道，它是漏、源極之間電子流通的途徑。這種結(jié)構(gòu)的管子被稱為N型溝道結(jié)型場效應(yīng)管，它的代表符號如圖1.3.1(b)所示。2/1/20231152/1/2023116如果用P型半導(dǎo)體材料作襯底，則可構(gòu)成P溝道結(jié)型場效應(yīng)管，其代表符號如圖1.3.1(c)所示。N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管符號上的區(qū)別，在于柵極的箭頭方向不同，但都要由P區(qū)指向N區(qū)。2.基本工作原理上述兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)型場效應(yīng)管工作原理完全相同，下面我們以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例進(jìn)行分析。研究場效應(yīng)管的工作原理，主要是輸入電壓對輸出電流的控制作用。在圖1.3.2中，繪出了當(dāng)漏源電壓UDS=0時(shí)，柵源電壓UGS大小對導(dǎo)電溝道影響的示意圖。2/1/20231172/1/2023118（1）當(dāng)UGS=0時(shí)，PN結(jié)的耗盡層如圖1.3.2(a)中陰影部分所示。耗盡層只占N型半導(dǎo)體體積的很小一部分，導(dǎo)電溝道比較寬，溝道電阻較小。（2）當(dāng)在柵極和源極之間加上一個(gè)可變直流負(fù)電源UGG時(shí)，此時(shí)柵源電壓UGS為負(fù)值，兩個(gè)PN結(jié)都處于反向偏置，耗盡層加寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻加大，如圖1.3.2(b)所示。而且柵源電壓UGS愈負(fù)，導(dǎo)電溝道愈窄，溝道電阻愈大。（3）當(dāng)柵源電壓UGS負(fù)到某一值時(shí)，兩邊的耗盡層近于碰上，仿佛溝道被夾斷，溝道電阻趨于無窮大，如圖1.3.2(c)所示。此時(shí)的柵源電壓稱為柵源截止電壓(或夾斷電壓)，并以UGS(off)表示。2/1/2023119由以上的分析可知，改變柵源電壓UGS的大小，就能改變導(dǎo)電溝道的寬窄，也就能改變溝道電阻的大小。如果在漏極和源極之間接入一個(gè)適當(dāng)大小的正電源UDD，則N型導(dǎo)電溝道中的多數(shù)載流子(電子)便從源極通過導(dǎo)電溝道向漏極作漂移運(yùn)動，從而形成漏極電流ID。顯然，在漏源電壓UDS一定時(shí)，ID的大小是由導(dǎo)電溝道的寬窄(即電阻的大小)決定的，當(dāng)UGS=UGS(off)時(shí)，ID≈0。于是我們得出結(jié)論：柵源電壓UGS對漏極電流ID有控制作用。這種利用電壓所產(chǎn)生的電場控制半導(dǎo)體中電流的效應(yīng)，稱為“場效應(yīng)”。場效應(yīng)管因此得名。

2/1/2023120ID=f(UGS)|UDS=常數(shù)圖1.3.3給出了某N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性。從圖中可以看出UGS對ID的控制作用。UGS=0時(shí)的ID，稱為柵源短路時(shí)漏極電流，記為IDSS。使ID≈0時(shí)的柵源電壓就是柵源截止電壓UGS(off)。

從圖中還可看出，對應(yīng)不同的UDS，轉(zhuǎn)移特性不同。但是，當(dāng)UDS大于一定數(shù)值后，不同的UDS,轉(zhuǎn)移特性是很靠近的，這時(shí)可以認(rèn)為轉(zhuǎn)移特性重合為一條曲線，使分析得到簡化。此外，圖1.3.3中的轉(zhuǎn)移特性，可以用一個(gè)近似公式來表示：1)轉(zhuǎn)移特性2/1/20231212/1/2023122

ID≈IDSS(1-)0≥UGS≥UGS(off)

這樣，只要給出IDSS和UGS(off)就可以把轉(zhuǎn)移特性中其它點(diǎn)估算出來。

2)輸出特性曲線輸出特性曲線(也叫漏極特性)是指在柵源電壓UGS一定時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓UDS之間關(guān)系。函數(shù)表示為

ID=f(UDS)|UGS=常數(shù)圖1.3.4給出了某N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的的輸出特性。從圖中可以看出，管子的工作狀態(tài)可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)這三個(gè)區(qū)域。2/1/20231232/1/2023124(1)可變電阻區(qū)：特性曲線上升的部分稱為可變電阻區(qū)。在此區(qū)內(nèi)，UDS較小，ID隨UDS的增加而近于直線上升，管子的工作狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)電阻，而且這個(gè)電阻的大小又隨柵源電壓UGS的大小變化而變(不同UGS的輸出特性的切斜率不同)，所以把這個(gè)區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。(2)恒流區(qū)：