光电检测原理与技术第3章光源及辐射源

4.对光源其它方面的要求 除上述的要求外，还有一些要求。例如：
灯丝结构和形状，发光面积的大小和构成，发光效率与间分布等。 广义来说，任何发出光辐射的物体都可以叫作光辐射源。这里所 指的光辐射包括紫外光、可见光和红外光的辐射。通常把发出可见 光为主的物体叫作光源，而把发以非可见光为主的物体叫做辐射源。 有时把它们统称为光源，有时也统称为辐射源。
二、白炽灯 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白
炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任 何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但 对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。 分类：真空白炽灯，充气白炽灯，卤钨白炽灯。 充气白炽灯内充入氩，氮，或者氩气氮气的混合气体。 卤钨灯：溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿 命也较长。
白炽灯中包含的大量红外辐射在近红外波段，红 外辐射能量损耗高，因而灯的光效低。白炽灯的紫 外线含量很少。
400
500
600
700
(nm)
3.3 气体放电光源
定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的光源。 制作时在灯中冲入发光用的气体，如氦、氖、氙、氪等，或 金属蒸汽，如汞，钠，铊，镝等，这些元素的原子在电场作用 下电离出电子和离子。当离子向阴极，电子向阳极运动时，从 电场中得到加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会激励 出新的电子离子。在碰撞过程中电子会跃迁到高能级，引起原 子的激发。受激原子回到低能级时会发射出相应的辐射，这样 的发光机制称为气体放电原理。 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。 分为：开放式气体放电光源，封闭式电弧放电光源。
为 。 m
T m b
b 2.897 103 m K
热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。
（3） 黑体最大辐射波长处的辐射出射度
Mm BT 5
黑体辐射光谱特性曲线
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 为方便实际能量的估算，给出有关部分能量的分布，如表3-5所示。
2、腔型黑体辐射源
• 在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一种辐射源，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 称为基准辐射源。
2.对光源发光强度的要求
为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的 强度有一定的要求。
光强太小，可能会使信号太小，无法检测；光强太大，可能会导致系统 工作的非线性，可能损坏探测器。
3.对光源稳定性的要求 波长，脉冲频率，发光强度等稳定性。
稳定光源发光的方法： 稳压电源供电；（一般要求） 稳流电源供电；（较高要求） 对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。（更高要求）
1、黑体辐射公式
热力学稳度T时，黑体的光谱辐射出射度：
M
2 hc2
hc
(W / m3)
5 (ekT 1)
这一公式称为普朗克公式。
式中 Mλ——波长λ处的单色辐射出射度； ——波长(m)； h——普朗克常数，其值为6.626×10-34 (J·s)； c——真空中光速，其值为2.998×108(m／s)； k——波尔兹曼常数，其值为1.38×10-23 (J/K)； T——绝对温度(K)；
• 按照物理学的原理可知，等温密闭空腔中的辐射是黑体辐射。典型的 腔型黑体辐射源的基本结构原理如图3-3所示，它主要由黑体芯子、 加温绕组、测温计和温度控制器等部分组成。
常用的黑体芯子有四种基本结构，其断面如图3-4所示。 它们分别是锥形腔、柱形腔、球形腔和倒置锥形腔。
图3-4
理想黑体的比辐射率为1，对于实际工作中的标准黑 体应该做到：(1)比辐射率接近1并已知；(2)腔体内温度 均匀；(3)温度可调，并可知调定的温度；(4)限制光阑 的面积可调并可知调定的面积。黑体源的标准类别及特 征如表3-6所示。
谱匹配系数的概念，以此描述两光谱特性间的重合程度或一致性。光谱匹
配系数α定义为：
A1A2 0WSd/ 0Wd
Wλ——波长λ时．光源光辐射通量的相对值；Sλ——波长λ时，光电探测
器灵敏度的相对值；A1和A2的物理意义如图3-1所示，它们分别表示
Wλ•Sλ和Wλ两曲线与横轴所围成的面积。
实际选择时，应使匹配系数尽可能大些。
根据普朗克公式可以导出以下公式
（1） 斯特藩-玻耳兹曼公式
黑体的全辐射出射度与黑体的绝对温度四次方成正比：
M 0 (T ) T 4
斯特藩常数
5 .6 7 1 8 0 W2 /K (4 )m
热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。 （2） 维恩位移定律
对于给定温度T ，黑体的单色辐出度 有M一0 最大值,其对应波长
三、光源的特性参数
辐射效率和发光效率（人工光源）
在给定λl～ 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。
e
e
P
2 1
e()d
P
• 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。
二、光源的分类
• 按照辐射来源不同，光源分为： 自然光源与人工光源。
• 按照光波在时间空间上的相位特征，一般将光源分成 相干光源和非相干光源。
• 按照发光机理，光源又可分成： 热辐射光源，气体发光光源，固体发光光源和激光器四种。
表3-1列出了不同天空条件下地面景物的自然照度；表3-2列出了不 同天空条件下近地天空的亮度。表3-3列出了各自然辐射源的星等和对地 面产生的照度。
• 白炽灯对灯丝的要求 灯丝是白炽灯的主要部分，灯丝断了灯也就坏了。
白炽灯的灯丝材料应满足以下要求： 1、熔点高 2、蒸发率小 3、可见辐射的选择性好 4、机械性好
综合考虑上述4个方面的要求，钨是比较合适的材 料。目前，几乎所有的白炽灯泡都用钨做灯丝。
•白炽灯—发光光谱
白炽灯的光谱能量分布是连续光谱。白炽灯泡的 显色性好，根本原因在于此。
第3章 光源与辐射源
光源与辐射源
3.1 光源选择的基本要求与光源分类 3.2 热光源 3.3 气体放电光源 3.4 固体发光光源 3.5 激光光源
3.1 光源选择的基本要求和光源的分类
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。
一、对光源的要求
1.对光源发光光谱特性的要求
为增大光电检测系统的信号和信噪比，这里引入光源和光电探测器之间光
e
e
P
378800e()V()d
P
3.2 热光源
• 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源叫做热光源。 例如黑体源，白炽灯。
一、黑体及黑体光强标准器
绝对黑体:若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸 收比都等于1,则称该物体为绝对黑体,简称黑体。
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。