第2章光电检测中的常用光源

下午太阳仰角24度
太阳是黑体辐射, 所以太阳光谱主要 是连续谱, 但是上面有黑线, 即著名 的夫琅和费线(Fraunhofer lines).
傍晚太阳仰角0.5度
光线通过太阳表面大气和地球大气被 选择性吸收而形成的.
照片里看见数条黑线: 深红色里的 C(氢H-alpha, 656nm), 桔黄色里的 D(钠,589nm), 绿色里的E(铁,527nm) 和1,b2(镁,518nm), 天蓝色里的F(氢 H-beta, 86nm), 紫色里的G(铁和钙,
蜡烛发出连续谱. 用铅丝蘸食盐燃烧则黄色钠线很明显
金属卤化物灯是高压 水银灯的变种. 谱线 十分复杂.
蓝色霓虹灯是氩和水 银, 还是有荧光粉在 里面. 红色霓虹灯光 谱明显的是氖(neon)
常用ห้องสมุดไป่ตู้光强度矢量和发光强度曲线来 描述光源的这种空间光强分布特性
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，称其为发光强度矢量。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分布曲线，也称 配光曲线。下图是气体发光光源光强分布。
是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测
试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显 色性越好。（红色、黑色、黄色、粉红色、 绿色、蓝色、 紫色、棕色 ）
黑体的温度与它的辐射特性是一一对应的。从光源的颜色与温度的这种关系， 引出了颜色温度的概念，简称色温。一般光源的色温，经常用色温、相关色温 和分布温度表示。
桔黄色的高压钠灯被广泛用于晚间照明. 有趣的是它的光谱也会变化!
计算机CRT显示器白色屏 幕的光谱. 红色是离散谱 线, 但绿,蓝则是连续光谱.
红色发光二极管在 红色部分发出连续光谱.
接线板红色指示灯是氖气(neon)发光. 发出许多条红色, 桔红色的离散亮谱线.
绿色夜灯就是一层荧光粉, 电致发光发出连续光谱.

e P

2 1

e
(
)d
P
2、发光效率： 某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功
率之比，就是该光源的发光效率
单位为lm／W(流明每瓦)。
780
v

v P

Km
380 e ()V ()d
P
3、下表所列的为一些常用光源的发光效率
光源的光谱功率分布分成四种情况，如下图所示
电光源机座
§ 2.1 光源的特性参数
1、辐射效率和发光效率 2、光谱功率分布 3、空间光强分布 4、光源的颜色 5、光源的色温
1、辐射效率： 在给定λ1～λ2 波长范围内，某一辐射源发出的辐射通量
与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该辐射源
在规定光谱范围内的辐射效率，表示为 其单位？
e
(a) (a)为线状光谱
(b) (b)称为带状光谱
(c) (c)为连续光谱
(d) (d)是混合光谱
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，一般采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影 用光源，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，通常使用氘灯、汞氙灯等紫外辐射较强的光源。
世界上的照明用电（照明光源的耗电量）约占总发电量的10 ％～20％。在中国，照明用电约占总发电量的10％。随着中国 现代化发展速度的加快，照明用电量逐年上升，而电力增长率 又不相适应，因此，研制、开发和推广应用节能型电光源已引 起人们的高度重视。
电光源
电光源一般可分为照明光源和辐射光源两大类。照明光源是以照明为目的，辐射出主要 为人眼视觉的可见光谱（波长380～780纳米）的电光源，其规格品种繁多，功率从0.1 瓦到20千瓦，产量占电光源总产量的 95％以上。辐射光源是不以照明为目的，能辐射 大量紫外光谱（1～380纳米）和红外光谱（ 780～1×106纳米）的电光源，它包括紫 外光源、红外光源和非照明用的可见光源。以上两大类光源均为非相干光源。此外还有
第2章 光电检测中的常用光源
§2.1 光源的特性参数 §2.2 热辐射源 §2.3 气体放电光源 §2.4 固体发光光源 §2.5 激光器
1、光源：一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然，还是人造 （人为将热能、电能、化学能转换为光辐射能）的，都称为光源。 2、电光源：将电能产生光辐射。光电检测中常用的光源。 3、分类： 利用光波在时间、空间上的相位特性：
的卤钨灯问世，改变了热辐射光源技术进展滞缓的状态，这是电光源技术的又一 重大突破。60年代开发了金属卤化物灯和高压钠灯，其发光效率远高于高压汞灯。 80年代出现了细管径紧凑型节能荧光灯、小功率高压钠灯和小功率金属卤化物灯， 使电光源进入了小型化、节能化和电子化的新时期。
电光源的发明促进了电力装置的建设。电光源的转换效率高， 电能供给稳定，控制和使用方便，安全可靠，并可方便地用仪 表计数耗能，故在其问世后一百多年中，很快得到了普及 。它 不仅成为人类日常生活 的必需品 ，而且在工业、农业、交通运 输以及国防和科学研究中，都发挥着重要作用。
431nm).
有趣的是中午的阳光和太阳落山时的 阳光光谱不同!
白炽灯是普通灯泡, 钨丝 加热发光, 按黑体辐射发 出连续光谱, 所以从红到 紫一片连续, 和太阳光谱 相比少了那些黑线.
日光灯发光分两步: 首先水银 蒸汽被激发主要发出紫外线, 然后管壁上的荧光粉将紫外线 转化为宽谱可见光. 所以日光 灯在连续背景上有亮水银谱线, 以绿色的546nm最显著.
为了使温度均匀稳定，全辐射器空腔的几何尺寸中l/d＞1.5。内腔的长度为L,出口 直径为d。黑体模拟器的结构如上右图所示
白炽灯光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱。发光特性稳定、寿命 长和量值复现方便，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。
真空钨丝灯： 2300-2800k，发光效率10lm/w。钨熔点3680k，进一步增加白炽
相干光源：光波的频率相同、振动方向相同和相位差恒定是能够 产生干涉的必要条件。满足干涉条件的光波称为相干光波，相应光 源称为相干光源。如激光、非线性光学器件等。
非相干光源：不满足以上条件的光源。如照明光源、显示光源、 信息处理用光源 发光机理：
热辐射光源、气体发光光源、固体发光光源、激光器
人类对电光源的研究始于 18世纪末。19 世纪初，英国的H.戴维发明碳弧灯。 1879年，美国的T.A.爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯 ，使人类从漫长 的火光照明进入电气照明时代。1907年采用拉制的钨丝作为白炽体。1912年， 美国的I.朗缪尔等人对充气白炽灯进行研究，提高了白炽灯的发光效率并延长了 寿命，扩大了白炽灯应用范围。20世纪30年代初，低压钠灯研制成功。1938年， 欧洲和美国研制出荧光灯 ，发光效率和寿命均为白炽灯的 3倍以上，这是电光源 技术的一大突破。40年代高压汞灯进入实用阶段。50年代末，体积和光衰极小
太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射,见下图。
其平均辐亮度为 2.01×107Wm-2sr-l
平均亮度为 1.95×109cdm-2。
辐射到地球上的阳光，穿 过大气层，在光谱、空间 分布、能量大小、偏振状 态等方面发生变化。大气 在不同程度上吸收太阳辐 射。
在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为
• 铁加热：暗红色-----炽白，发光也更明亮 • 物体由于温度较高而向周围温度较低环境发射能
量的形式称为热辐射，这种物体称为热辐射源。
热辐射源
1、太阳 2、黑体模拟器 3、白炽灯
太阳直径约为1.392×109m。它到地球的年平均距离是1.496×1011m。 从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533o。
提高光的利用率，选择发 光强度高的方向作为照明 方向。进一步利用背面方 向的辐射，还可以在光源 的背面安装反光罩，焦点 位于光源的发光中心。
光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性
光源的色表： 用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源
的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯
的色表呈白色。
光源的显色性：
紫外区(<0.38 )
6.46
可见区(0.38～0.78 )
46.25
红外区(>0.78
)
47.29
• 黑体模拟器
• 吸收比等于1、能发射所有波长的辐射源叫绝对黑体，绝对黑体是一种理想 辐射源。
• 需要一种辐射源，它的温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，也称基准辐射源，其温度可以很精确地控制在设 定值上。
一类相干光源，它通过激发态粒子在受激辐射作用下发光，输出光波波长从短波紫外直 到远红外，这种光源称为激光光源。
照明光源品种很多，按发光形式分为热辐射光源、气体放电 光源和电致发光光源3类。① 热辐射光源。电流流经导电物 体，使之在高温下辐射光能的光源。包括白炽灯和卤钨灯两 种。②气体放电光源。电流流经气体或金属蒸气，使之产生 气体放电而发光的光源。气体放电有弧光放电和辉光放电两 种，放电电压有低气压、高气压和超高气压 3种。弧光放电 光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞 灯、高压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高压 汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些光谱光 源等放电气压跨度较大的气体放电灯。辉光放电光源包括利 用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利用正柱区辉光放电的 霓虹灯，二者均为低气压放电灯；此外还包括某些光谱光源。 ③电致发光光源。在电场作用下，使固体物质发光的光源。 它将电能直接转变为光能。包括场致发光光源和发光二极管 两种。
3、分布温度 ： 辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与 黑体在某—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这个辐射源的分布温度。
选择光源时，应综合考虑光源的强度、稳定性、光谱特性等性能。
• 根据斯奇芬-玻尔兹曼定律知物体只要大于绝对零 度，都会向外辐射能量，其辐射特性与温度的四 次方有关。
度较低的灯泡壁区域再继续与钨化和。提高效率，色温达到3200k，发
光效率30lm/w
气体放电光源（也称气体灯）
定义:利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。
灯的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升从而使寿命骤减
充气钨丝灯： 氩、氮等惰性气体 。钨蒸发原子，惰性原子与钨原子碰撞，返回一些
钨原子，提高工作温度2700-3000k，发光效率17lm/w
卤钨灯：
冲入卤钨剂。钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，扩散到温度较
高的钨丝边，分解成卤素和钨，钨又沉积在灯丝上，而卤素扩散到温
实际应用中，基准辐射源称为黑体炉，由 石磨制成，外壁包上较厚一层可长时间承 受工作高温的热绝缘材料，以利用保温。
采用电加热线圈加热，其线圈绕制、排列保证 均匀加热。此外，腔体内置有高精度的热电偶 或热电阻，用其检测辐射器空腔内的温度
目前的黑体模拟器最高工作温度3000k，实 际应用2000k
下图给出了几种工程黑体的典型结构。由下图可见，工程黑体的内腔呈简单的几何 形状——球形、锥形、圆柱型，或者是这些形状的组合。
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？照射下所呈现的颜色的—致性，称为该光 源的显色性。
1、光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常 叫做“显色指数”（Ra）,其值希望越大越好
2、显色性是指事物的真实颜色（其自身的色泽）与 某一标准光源下所显示的颜色的关系。Ra值的确定，
1、色温：
如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。
2、相关色温 ：若—个光源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—温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体 的温度称为这个光源的相关色温。
节能灯(又称紧凑型日光灯, compact fluorescent light)和普通日光灯(3)发光原理 类似, 但它采用新型三色荧光粉, 而非普通的宽 谱白色荧光粉. 光谱仪下连续谱不见了, 代之以 各种颜色的谱线.
这种绿,紫色霓虹灯光谱主要是荧光粉不同. 月光就是反射的太阳光, 所以光谱和太阳光谱类似: 连续背景上有黑色夫琅和费吸收线(1)