輻射度量與光度量了解輻射度量和光度量的基本概念及其在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中的重要性。通過(guò)對(duì)比兩者的異同,學(xué)習(xí)如何選擇合適的測(cè)量方法。課程目標(biāo)1掌握電磁輻射基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)電磁波的基本特性及其在生活中的應(yīng)用。2理解輻射度量與光度量概念了解輻射和光的基本物理量及其測(cè)量方法。3熟悉光電探測(cè)技術(shù)原理掌握光電探測(cè)器的工作機(jī)理及其在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。4學(xué)習(xí)LED和激光技術(shù)基礎(chǔ)了解LED和激光的發(fā)光機(jī)理及其在照明和顯示中的應(yīng)用。電磁輻射簡(jiǎn)介電磁輻射是一種能量形式,由電磁波所構(gòu)成。它包括從低頻無(wú)線電波到高頻伽馬射線的廣泛光譜。這些輻射會(huì)以光子的形式,以光速在空間傳播并攜帶能量。電磁輻射無(wú)處不在,無(wú)論是日常生活還是科學(xué)研究,它都發(fā)揮著重要作用。了解電磁輻射的性質(zhì)和特點(diǎn),有助于我們更好地應(yīng)用和控制這種能量形式。電磁頻譜可見(jiàn)光頻帶可見(jiàn)光頻帶包括了人類肉眼能感受到的電磁輻射,波長(zhǎng)范圍在380納米至780納米之間。這是色彩的起源,決定了我們對(duì)世界的視覺(jué)認(rèn)知。頻帶劃分整個(gè)電磁頻譜被劃分為多個(gè)頻帶,包括無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線和伽馬射線等。每個(gè)頻帶都有其特有的性質(zhì)和應(yīng)用。頻帶應(yīng)用無(wú)線電波:廣播通訊微波:雷達(dá)、衛(wèi)星通訊紅外線:夜視儀、熱成像紫外線:殺菌消毒、光化學(xué)過(guò)程電磁波的傳播1發(fā)射電磁波從發(fā)射源產(chǎn)生,通過(guò)振蕩電流產(chǎn)生,能量沿著電磁場(chǎng)向四周輻射傳播。2傳播電磁波能以光速在真空或介質(zhì)中傳播,不需要物質(zhì)載體,能穿透各種物質(zhì)。3接收電磁波到達(dá)接收端時(shí),會(huì)與接收天線產(chǎn)生相互作用,產(chǎn)生感應(yīng)電流供接收系統(tǒng)使用。輻射的基本量輻射通量輻射通量描述了從一個(gè)表面發(fā)出或通過(guò)一個(gè)表面的全部輻射功率。它是輻射量的基本參數(shù)。輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度描述了某一方向上的輻射通量。它反映了輻射在空間的分布情況。輻射照度輻射照度描述了某一表面接受的輻射通量密度。它是評(píng)估輻射水平的重要參數(shù)。輻射亮度輻射亮度描述了某一發(fā)光表面單位面積的輻射強(qiáng)度。它反映了發(fā)光體的發(fā)光效率。輻射的能流密度1J/s·m2能流密度的量度單位15Watt/m2太陽(yáng)輻射的典型能流密度100KWatt/m2熱輻射的能流密度可達(dá)到的極限輻射能流密度是單位面積上單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)該面的輻射能量。它是描述輻射強(qiáng)度的重要參數(shù)。輻射能流密度的量度單位為J/s·m2，也常用Watt/m2表示。在自然環(huán)境中,太陽(yáng)輻射的能流密度通常為15Watt/m2左右,而高溫物體的熱輻射可達(dá)100,000Watt/m2的極限。立體角與流明立體角立體角是用來(lái)描述三維空間中的角度大小的量度單位。它表示從某一點(diǎn)出發(fā)的光線掃過(guò)的面積與該點(diǎn)到該面積之間的距離平方成正比。流明流明是光通量的單位,定義為每秒射出1個(gè)光度的單一光源所發(fā)出的光通量。它用于描述光源的發(fā)光功率,反映了人眼對(duì)光通量的感受。視覺(jué)感光器人類視覺(jué)系統(tǒng)是一種高度復(fù)雜的感光器,能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),再經(jīng)過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)的處理,產(chǎn)生視覺(jué)感受。視網(wǎng)膜上的桿體細(xì)胞和錐體細(xì)胞是視覺(jué)的主要感光單元,它們能感受從紫外到紅外的電磁波輻射。視覺(jué)感光器的工作效率高達(dá)幾十個(gè)百分點(diǎn),遠(yuǎn)高于普通照相機(jī)。視覺(jué)系統(tǒng)還具有自動(dòng)曝光、自動(dòng)聚焦等功能,使得人類的視覺(jué)體驗(yàn)更加出色。色度圖與色度坐標(biāo)色度圖是一個(gè)二維平面坐標(biāo)系,用來(lái)表示光源的色彩屬性。縱坐標(biāo)表示亮度,橫坐標(biāo)表示色度。色度坐標(biāo)系中可以定位任何顏色,是描述和測(cè)量顏色的重要工具。色度坐標(biāo)可以幫助我們確定光源的性質(zhì)和色溫,并根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的光源。它在LED照明、顯示屏等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。色溫與顯色指數(shù)色溫色溫反映了光源發(fā)出的光在暖色和冷色之間的位置。單位為開(kāi)爾文(K)，一般范圍為2000K-6500K。顯色指數(shù)顯色指數(shù)反映了光源在顯示物體顏色方面的能力。取值在0-100之間，100表示完美顯色。光源選擇根據(jù)不同場(chǎng)合需求選擇合適的色溫和顯色指數(shù)是照明設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。黑體輻射黑體輻射定義黑體是一種理想的輻射體,它能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的入射輻射,并完全地發(fā)射該波長(zhǎng)的輻射。黑體輻射是指這種理想輻射體所發(fā)出的輻射。普朗克輻射公式黑體輻射的特性由普朗克輻射公式描述,該公式給出了黑體在不同波長(zhǎng)和溫度下的輻射強(qiáng)度分布。黑體輻射光譜黑體輻射光譜隨溫度變化呈現(xiàn)出不同的特征,體現(xiàn)了能量在不同波長(zhǎng)之間的分配。這一特性在許多領(lǐng)域有重要應(yīng)用。色度圖應(yīng)用1燈光色彩設(shè)計(jì)色度圖可用于設(shè)計(jì)和選擇不同類型燈具的色溫和色渲染指數(shù)，以滿足特定照明環(huán)境的需求。2色彩管理色度圖是色彩管理系統(tǒng)的基礎(chǔ),用于校準(zhǔn)和匹配不同顯示設(shè)備和打印機(jī)的色彩輸出。3工藝控制色度圖可幫助評(píng)估和控制照明系統(tǒng)、顯示設(shè)備和印刷工藝的色彩一致性和品質(zhì)。4研究分析色度圖在光源測(cè)試、顯色性評(píng)估、視覺(jué)舒適性研究等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。發(fā)光二極管原理1電子躍遷當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶時(shí)會(huì)釋放能量2注入電流通過(guò)正反向偏壓注入電流到PN結(jié)3光子發(fā)射電子-空穴復(fù)合過(guò)程釋放的能量以光子形式發(fā)射發(fā)光二極管(LED)是一種基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)的光電器件。當(dāng)正向偏壓加到PN結(jié)上時(shí)，注入電流會(huì)使電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶,釋放能量以光子的形式發(fā)射出來(lái),從而產(chǎn)生可見(jiàn)光。通過(guò)控制PN結(jié)的材料組成,可以制造出不同波長(zhǎng)的LED。LED發(fā)光機(jī)制1電子躍遷電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)釋放光子2P-N結(jié)構(gòu)PN結(jié)構(gòu)有利于光子的發(fā)射和收集3摻雜材料利用摻雜材料控制發(fā)光波長(zhǎng)和顏色LED發(fā)光的基本機(jī)制是利用電子在半導(dǎo)體材料中的能級(jí)躍遷過(guò)程來(lái)產(chǎn)生光子。通過(guò)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和摻雜進(jìn)行精心設(shè)計(jì),可以控制發(fā)光的波長(zhǎng)和顏色,從而實(shí)現(xiàn)各種用途的LED器件。LED發(fā)光性能LED作為新型光源,具有高光效、長(zhǎng)壽命、高功率效率和出色的顯色指數(shù)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于照明、顯示等領(lǐng)域。以上數(shù)據(jù)展示了LED的主要性能參數(shù),為L(zhǎng)ED技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。白光LED發(fā)光原理白光LED通過(guò)紅綠藍(lán)三基色LED或者藍(lán)光LED和熒光粉的組合來(lái)發(fā)出白光。這種方式可以產(chǎn)生高顯色指數(shù)的白光。發(fā)光效率白光LED的發(fā)光效率可以達(dá)到每瓦200流明以上,在固態(tài)照明領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用潛力。色溫調(diào)整可以通過(guò)調(diào)整熒光粉的配比來(lái)實(shí)現(xiàn)不同色溫的白光LED,滿足不同的照明需求。白光照明效率白光LED照明與傳統(tǒng)白熱燈和熒光燈相比具有更高的能源利用效率。先進(jìn)的LED芯片設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路可將電能轉(zhuǎn)換為光能的效率提高至50%以上。同時(shí),LED燈具有低功耗、小體積、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn),有助于降低整體能耗和維護(hù)成本。照明技術(shù)能效應(yīng)用優(yōu)勢(shì)白熱燈5-15lm/W成本低、熱量大熒光燈50-100lm/W效率高、體積小LED照明80-150lm/W高效、壽命長(zhǎng)、調(diào)光性好LED顯示技術(shù)LED顯示成像原理LED顯示通過(guò)密集排布的發(fā)光二極管像素實(shí)現(xiàn)各種圖像和視頻的顯示。每個(gè)LED像素可以獨(dú)立控制亮度和顏色,從而組合出豐富多彩的畫(huà)面。LED顯示優(yōu)勢(shì)LED顯示亮度高、響應(yīng)速度快、節(jié)能環(huán)保,并且可以實(shí)現(xiàn)大尺寸高清顯示,廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外大屏幕顯示、廣告、數(shù)字標(biāo)牌等領(lǐng)域。LED顯示類型常見(jiàn)的LED顯示技術(shù)包括SMDLED、COBLED和MicroLED等,各有特點(diǎn)適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。未來(lái)MicroLED有望成為主流顯示技術(shù)。LED顯示應(yīng)用LED顯示廣泛應(yīng)用于戶外大型廣告屏、體育場(chǎng)館大屏幕、會(huì)議室及商業(yè)空間等,為視覺(jué)體驗(yàn)帶來(lái)更出色的效果。激光原理光激發(fā)激光的工作原理是利用受激輻射的原理,通過(guò)對(duì)物質(zhì)(通常為氣體、固體或液體)的光激發(fā),使原子或分子處于高能級(jí)。反饋共振高能級(jí)的原子或分子會(huì)通過(guò)在光學(xué)諧振腔內(nèi)的反復(fù)反射產(chǎn)生受激發(fā)射,產(chǎn)生高度單色、定向的光束。增益放大光學(xué)放大器可以進(jìn)一步增強(qiáng)受激發(fā)射的光強(qiáng),實(shí)現(xiàn)高功率激光的輸出。激光分類及應(yīng)用固體激光器利用固體介質(zhì)如晶體或玻璃為增益介質(zhì)的激光器，應(yīng)用廣泛，如紅寶石激光器和釹玻璃激光器。氣體激光器利用氣體介質(zhì)為增益介質(zhì)的激光器，如二氧化碳激光器和氦-氖激光器，常用于切割、焊接等加工。半導(dǎo)體激光器利用半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)的激光器，體積小、功耗低、可靠性高，廣泛應(yīng)用于光通信和光存儲(chǔ)。染料激光器利用有機(jī)染料作為增益介質(zhì)的激光器，能輸出可調(diào)諧的連續(xù)波或脈沖光，應(yīng)用于光譜分析和醫(yī)療。太陽(yáng)能電池原理1光電效應(yīng)光照射到半導(dǎo)體材料表面時(shí),電子可被激發(fā)而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。2pn結(jié)構(gòu)通過(guò)引進(jìn)雜質(zhì)形成pn結(jié),形成電勢(shì)差并產(chǎn)生電流。3電極集電在電極上收集導(dǎo)致的光伏電流,實(shí)現(xiàn)電能輸出。太陽(yáng)能電池的工作原理主要包括三個(gè)步驟:首先,光子激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電子-空穴對(duì);其次,pn結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電勢(shì)差并分離電荷載流子;最后,通過(guò)電極集電輸出電能。這種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程就是光伏效應(yīng),是太陽(yáng)能電池的基本工作機(jī)制。太陽(yáng)能電池效率不同類型的太陽(yáng)能電池具有不同的轉(zhuǎn)換效率。其中,III-V族化合物電池具有最高的轉(zhuǎn)換效率,達(dá)到30%左右。而有機(jī)太陽(yáng)能電池雖然成本較低,但轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低,一般在5-10%。光電探測(cè)器1原理概述光電探測(cè)器能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件,廣泛應(yīng)用于光電子設(shè)備中。2主要類型包括光電管、光敏二極管、光敏三極管、光電池等,各有特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。3性能指標(biāo)主要有光電轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)時(shí)間、噪聲水平等,需根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。4廣泛應(yīng)用光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于光通信、光檢測(cè)、光測(cè)量等各類光電子系統(tǒng)中。光電探測(cè)器應(yīng)用安全監(jiān)控光電探測(cè)器可用于安全監(jiān)控系統(tǒng),檢測(cè)入侵者并觸發(fā)報(bào)警。它們快速響應(yīng)且精準(zhǔn)定位,保護(hù)家庭和商業(yè)場(chǎng)所的安全。醫(yī)療診斷光電探測(cè)器在醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,如血氧監(jiān)測(cè)、內(nèi)窺鏡檢查和CT掃描等。它們能精確采集生理數(shù)據(jù),提高診斷準(zhǔn)確性。環(huán)境監(jiān)測(cè)光電探測(cè)器可檢測(cè)有害氣體、輻射水平等環(huán)境數(shù)據(jù),為環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供關(guān)鍵信息,保護(hù)生態(tài)環(huán)境。工業(yè)自動(dòng)化光電探測(cè)器在工業(yè)自動(dòng)化中用于檢測(cè)產(chǎn)品缺陷、測(cè)量尺寸等,提高質(zhì)量控制和生產(chǎn)效率。它們穩(wěn)定可靠,運(yùn)行精準(zhǔn)。光纖通信原理光信號(hào)傳輸光纖利用全內(nèi)反射將光信號(hào)沿著光纖傳輸,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的高速通信。光源調(diào)制利用激光器或LED器件將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光檢測(cè)接收在接收端利用光電二極管等光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào),完成通信過(guò)程。光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)采用高質(zhì)量的光導(dǎo)波管傳輸數(shù)據(jù),能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。利用光纖作為信道將信號(hào)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一。光纖通信系統(tǒng)包括發(fā)送端、光纖傳輸線路和接收端三大部分。發(fā)送端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),通過(guò)光纖傳輸線路傳輸?shù)浇邮斩?再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)精良,能保證穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。探測(cè)器與電路探測(cè)器類型光電探測(cè)器包括光電池、光二極管和光電管等多種類型,各具有不同的特性和適用場(chǎng)景。電路設(shè)計(jì)探測(cè)器需要配合相應(yīng)的電路,如放大電路、濾波電路和信號(hào)處理電路,以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的有效檢測(cè)和處理。性能指標(biāo)探測(cè)器和電路性能的關(guān)鍵指標(biāo)包括響應(yīng)度、靈敏度、噪聲等,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)1需求分析充分了解用戶需求,確定系統(tǒng)功能和性能目標(biāo)2方案設(shè)計(jì)根據(jù)需求選擇合適的光電元件和電路架構(gòu)3系統(tǒng)集成協(xié)調(diào)各子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)功能和性能的最佳匹配4性能驗(yàn)證通過(guò)測(cè)試和調(diào)試,確保系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的過(guò)程,需要充分了解用戶需求,選擇合適的光電元件,設(shè)計(jì)最佳的電路架構(gòu),協(xié)調(diào)各子系統(tǒng),并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)性能。這需要系統(tǒng)工程師具有光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)等多方面的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。案例分享我們以毛坦廠工業(yè)園區(qū)為例,展示了如何利用光電技術(shù)進(jìn)行智能照明和監(jiān)控。該園區(qū)采用了集成LED