光电检测技术 第二章

白炽灯、卤钨灯、镝灯等几种光源的显色性 较好，适用于辨色要求较高的场合，如彩色电影、彩 色电视的拍摄和放映、染料、彩色印刷等行业。高压 汞灯、高压钠灯等光源
§2.3光电检测常用光源
激光和发光二极管是检测技术中应用广泛的光源。本 节还另外介绍几种光源：热辐射光源、气体放电光源和 场致发光光源。
一、热辐射光源
白炽灯的性能
此外，白炽灯的性能与电压有显著关系，在额定电 压下工作正常，升高电压将会缩短灯的使用寿命，甚至烧毁。如 欲延长白炽灯的使用寿命，工作电压应比额定电压低，但光适量 及发光效能也随之减少。
充气白炽灯 在灯泡中充入不和钨发生化学反应的惰性气体氩、氮或氩和
氮的混和气体。当灯丝在高温下蒸发的钨原子与气体分子发生频 繁的碰撞时，部分钨原子返回灯丝表面，抑制钨的蒸发。因此， 在与真空型灯泡同样寿命的条件下，充气钨丝白炽灯的工作温度 可以提高到2600～3000 K左右，相应的光效提高到17 lm/W。
第二章
光电检测用光源
❖ 掌握内容 发光二极管和激光光源的产生机理及基本特性，为正确使用打下一定基础。
❖ 理解内容 光产生的基本原理及方法
❖ 了解内容 气体光源和部分固体光源的机理和基本特性。
第二章
§2.1光的产生 §2.2光电仪器中的常用光源 §2.3发光二极管 §2.4激光光源 §2.5其他光源
场致发光
固体发光光源， 发光二极管
气体激光器
固体激光器
激光器
染料激光器
半导体激光器
§2.2 光源的基本特性参数
一、辐射效率和发光效率
定义1： 在给定λ1—λ2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。
e
e
p
2
1
(
p
)d
p
汞氙灯等紫外辐射较强的光源。
l
在光学仪器中，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。
l
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。
三、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。
l任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。 l自然界中的任何物体都是热辐射体。
温度低的物体发红外辐射，500。C左右时物体的 温度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出 的辐射波长越短；大约在1500。C时的温度辐射体开始 发白光。热辐射光谱是连续光谱。 应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据。 （二）发光辐射
五、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。
• 例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的颜色的一致性，称为 该光源的显色性。
例如： 发光二极管所产生的光就是电致发光。
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
称为光致发光。 例如：
l 荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；
钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射) ；
l 短波长的紫外光照射到杂质(油污)上发出波长较长的可 见荧光。
光致发光原理
布。
P（λ）
P（λ）
o
o λ
λ
P（λ）
P（λ）
o
o λ
λ
图2—1 四种典型的光谱功率分布
应用：在选择光源时，光谱功率分布应由测量对象的要 求来决定。
l
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。
l
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。
l
在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外
射的测量。 l 人造光源：人为将各种形式的能量(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。
分类：按照发光机理，光源可以分成如下几类：
太阳
热辐射光源
白炽灯、卤钨灯
黑体辐射器
汞灯
荧光灯
钠灯
气体放电光源
氙灯
光源
金属卤化物灯
空心阴极灯
热发光的原理是特定的材料在特定的温度 下才可能发光。
火焰中的原子、离子或电子具有足够的动 能去碰撞达到一定温度的钠原子，使钠原子受激而 发光，其光谱为线光谱。
实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同属几种受激过程。例如：
l
白炽灯中钨丝通以电流会发光，本质是电流通过电阻丝产生的热发光；
l
物质加热后燃烧发的光通常是氧化化学反应发光；
卤钨白炽灯 在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），在
一定温度下可以形成卤钨循环。
图2－4 卤钨循环工作原理图
卤钨灯的特点
卤钨灯也是利用电能使灯丝发热到白炽状态而发光的 电光源。但它具有较高的发光效率和较长的使用寿命，得到了
方泛应用。与白炽灯相比，它有许多优点：
(1) 体积小，是同功率白炽灯的0.5%~3%，因而可使光学系 统小型化；
二、光的产生方法
激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能 的形 式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、 光致发光、化学发光、 热发光和场致发光。
1． 电致发光
物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击 ， 使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能 态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时， 就会发出辐射。这一过程称为电致发光。
2． 色温
定义： 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。
由于一种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
定义： 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的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。
主要内容
§2.1 光的产生
一、光的辐射
l光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物 质 l粒子在不断地运动：原子内有若干电子围绕原子 核不断运动 l 运动有多种可能状态 l不同运动状态的电子具有不同能量 l当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。
假设E0 、 E1为电子的两个运动状态，E0为基态， 电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当 电子从激发态回到基态时，能量从E1变到E0， 此时发射光子的频率为：
（3）V（ λ）称为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称视见函数。
二、光谱功率分布
定义：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l，将光谱功率分布进行规一化处 理，那么经过归一化后的光谱功率分 布称为相对光谱功率分布。
6.46 %
o 可见区(0.38—0.78um) 46.25 %
o 红外区(>0.78um)
47.29 %
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 辐射的光谱和空间分布、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(02)、水汽(H20)、臭氧(03)、 二氧化碳(C02)、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太阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收 介质。
③对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光辐射； ④其他要求，如加工性能、机械性能等。
分类
真空白炽灯 玻壳内真空条件的作用是保护钨丝，使其不被氧化。它的功
率不太大，其灯丝温度常在2300～2800 K之间，发光效率约为10 lm/W，进一步增加钨的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从 而缩短寿命。
定义：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 。
例如：炉上的一块铁，刚开始加热时，温度较低呈暗 红色。若继续加热，随着温度的升高，铁块的颜色会由 暗红色逐渐变为炽白，而且发光也更明亮。
热辐射源遵循有关黑体的定律。
3、白炽灯
定义
白炽灯发射的是可见光连续光谱，它是在电源供电下，依靠电 能加热金属丝使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光的 器件，因此称为白炽灯。
灯丝要求
①熔点高，可适用于较高的工作温度，从而使光源发光光谱 向短波方向移动；
②蒸发率小，要求在高温炽热条件下蒸发愈小愈好，以提高 白炽灯的使用寿命；
2
Km•
1
()V
p
(
)d
（1）从ηe 、 ην可以看出，如果光电测量系统的光谱范围为λ1~ λ2，那么应尽可能选用η 较高的光源。
（2）Km称为明视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为555nm[V（ λ =555）=1]光辐射产 生光感觉的效能，且λ1 = 380nm， λ2 = 780nm。实际上是光度参量对辐射度参量的转换常数 。
当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子 起作用(吸收、动量传递等)，引起电子能态的改变， 电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。，称化学发 光。
例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。
4． 热发光
物体被加热到一定温度而发光，称热发光。 例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。