第二章 光电检测中的常用光源
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• 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
v K m 2 e U d v P P
1
• 光谱 • 光谱哪里来? • 1. 稠密物质, 包括高压气体和等离子体, 按 黑体辐射发出连续光谱. • 2. 低压气体发出离散亮谱线, 亮度随气体温 度升高而增加. • 3. 具有连续光谱的光线通过低压气体, 对应 图2)中位置出现离散黑线.
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)
蜡烛发出连续谱.
用铅丝蘸食盐燃烧则黄色钠线很明显,
来源自然是氯化钠里的钠. 钠应该是双线,
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)
下午太阳仰角24度
傍晚太阳仰角0.5度
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.
• 两电极之间的固体发光材料在电场激发下发光的 电光源。又称本征电致发光光源。
• 1936年,法国学者G.德斯垂发现,掺有铜杂质的ZnS荧光 粉具有场致发光的功能。1950年,E.C.佩恩等解决了 SnOx透明导电膜电极和ZnS荧光粉发光层之间的有机粘结 问题,制成第一只实用的平面状交流粉末场致发光源。但 是其光效低,寿命短。
• 发光效率高,比同瓦数的白炽灯发光效率高2-10倍
• 不靠灯丝发光,无电丝可以做的牢固紧凑,耐震,抗冲击 • 寿命长,一般比白炽灯寿命长2-10倍
• 光色适应性强,可以在很大范围内变化。
• 2.3.1 脉冲灯 • 极短的时间内发出很强的光辐射。 • 工作时,高的脉冲电压使灯内产生电离火花线,火花线大大减 小灯的内阻,使灯“着火”。电容C中储存的大量能量可在极 短的时间内通过脉冲灯,产生极强的闪光。除激光外,脉冲灯 是最亮的光源。 • 由于高亮度,可以广泛用作摄影光源、激光器的光泵和印刷制 版的光源。 • 如照像用的万次闪光灯,脉冲氙灯,光谱连续,与日光的光谱 能量分布接近。色温6000可左右,显色指数90以上。“小太阳” 之称
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). 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, 431nm). 有趣的是中午的阳光和太阳落山时的 阳光光谱不同!
• 2.1.5
• 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 度关系,引出颜色温度的概念,简称色温。 • 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 的光颜色相同,则黑体的这一温度成为该辐射源的色温。色温 相同的光源,它们的相对光谱功率分布不一定相同。
• 相关色温:若与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同,但与 某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近。则称该黑体的温度 为这个光源的相关色温。
• 2.2.3 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
第二章 光电检测中的常用光源
• 一切能产生光辐射的辐射源,无论是天然,还是人造的, 都称为光源。 • 电光源:电能产生光辐射。光电检测中常用的光源 • 利用光波在时间、空间上的相位特性:
•
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、非线形光学 器件等
• 分布温度:辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱分布,与 黑体在某一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。
2.2 热辐射源
• 物体只要大于绝对零度,都会向外辐射能
量ຫໍສະໝຸດ Baidu其辐射特性与温度的四次方有关。 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
• 按发光类型分:主动发光型和被动发光型,前者 媒质自己发光,后者则靠媒质调制外部光源实现 信息显示。
• 按媒质和工作原理分:液晶显示(LCD),等离子显 示(PDP),电致发光显示(ELD)和场致发光显示 (FED)等。
• 2.4.1 场致发光光源
• 固体在电场作用下将电能直接转换为光能的发光 现象,也称电致发光。
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.
笔记本电脑液晶显示屏
和CRT显示器发光原理显 然不同.
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.
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.
带状光谱:每一谱带中又包含许多连续的细谱线 连续光谱:光源谱线连成一片 混合光谱:由连续光谱与线、带光谱混合而成。 目视光学系统:可见光谱辐射比较丰富的光源。
•
如果摄影用的光源光谱成分的变化会引起人所观察的物体的
颜色发生变化,具有连续光谱的光源显色性好。由于汞灯等 新光源的光谱不是连续的,光谱中缺少某些单色光的成分, 在它们下面观察物体时,某些颜 色就会发生变色。
• 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关系。色差越小则表明被测光源颜色 的显色性越好。
•
• 通过光源的混合可以提高光源的显色性。例如白 炽灯跟高压汞灯的混光、高压钠灯跟高压汞灯的 混光 等。混光光源都具有较高的光效,同时,能 使其显色性有一定程度的提高 • 由几个特定颜色光组成的混合光源也具有很好的 显色效果。如光谱 450 nm(蓝),540nm(绿), 610nm(橘红)波长区的辐射,对提高 光源的显 色性具有特殊效果。
谱线的分光位置,以及确定吸收光谱中的特征波长等。用
于元素,特别是微量元素光谱分析的装置中。
• 汞灯
• 低压汞灯 235.7nm的紫外线,高压汞灯的发光效 率约64lm/w,高压汞灯内的气压有1-5Pa,超高 压汞灯内的气压有10-200Pa。
• 2.4 固体发光光源 • 平板发光器件,也称平板显示器。厚度较薄
• 图2-9
• 另外还有氘灯
• 2.3.2 原子光谱灯
• 又称空心阴极灯,工作时窗口投射出放电辉光,主要是阴 极金属的原子光谱。空心阴极放电的电流密度比正常辉光 高出100倍以上,电流大,温度不高,因此发光谱线强度 大,波长宽度小。
• 金属钙的原子光谱波长为42267nm,带宽33mm左右,
输出的光稳定。 • 原子光谱灯的主要作用是引出标准谱线的光束,确定标准
常用光源的发光效率
光源种类
发光效率 (lm/w) 普通钨丝灯 8-18
光源种类 发光效率 (lm/w) 高压汞灯 30-40
卤钨灯
14-30
高压钠灯 90-100
球形氙灯 30-40 金属卤化 60-80 物灯
普通荧光灯 35-60 三基色荧光 55-90 灯
• 2.1.2 光谱功率分布
线状光谱:若干条明显分隔的细线
•
• 80年代研制成采用薄膜场致发光材料的光源,它有 着亮度高、寿命长的优点,因此得到迅速发展。
• 场致发光光源的结构象一个平板电容。在两个紧靠
的平板电极中,有一个是透明的导电膜电极。 • 两电极之间夹有荧光粉发光层和介质层。电极间施 加工作电压约为100~250V。 • 在外加强电场的作用下,荧光粉发光层晶体中的电 子被加速,达到较高能量,并与发光中心碰撞离化。 当受激的发光中心退回到基态,或者电子与空穴复
发射能量的形式称为热辐射,这种物体称
为热辐射源。
• 2.2.1 太阳
太阳光能量能量分布相当于 5900k左右的黑体辐射。
• 紫外区:
• 可见光:
• 红外区: • 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。
• 2.2.2 黑体辐射器
• 2.3 气体发光电源
• 利用气体放电原理制成的光源成为气体放电光源。如,氦 氖氙氪或金属蒸汽,如汞、钠等,在电场作用下电离出电 子和离子,奔向阳极和阴极,电场中加速,与气体原子或 分子高速碰撞时会激励出新的电子和离子。在碰撞过程中 有些电子会越迁到高能级,引起原子的激发。受激原子回 到低能级时就会发射出相应的辐射。 特点:
• 2.1.4 光源的颜色
• 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。 • 显色性:当用这种光源照射物体时,物体呈现的颜色(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。
• 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).
• 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。
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。 最高工作温度3000k,实际应用 2000k
光电技术及光电器件基础复习总结
• 了解光电检测技术的基本概念,如光电传感器、 光电系统基本模型、光电检测系统主要框图等等 • 了解辐射度学和光度学基本物理量,并注意其单 位表示 • 掌握半导体基础知识,如电子共有化、能带、禁 带、 N型半导体、 P型半导体、本征吸收、杂质 吸收、长波限等等 • 了解相关的黑体辐射定律,能根据公式进行计算 • 掌握光电效应的概念,如光电发射效应、光电导 效应、光伏效应 • 掌握光电器件的分类及其特点 • 了解光电器件特性参数,能根据公式进行计算
非相干光源: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
2.1 光源的特性参数
• 2.1.1 辐射效率和发光效率
• 在给定波长范围内,某一辐射源发出的辐通量 与产生这些辐射通量的电功率之比
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• 2.1.3 空间光强分布
一般光源(灯具)在空间各方向上的发光强度都不一样,我
们可以用数据或图形把光源发光强度在空间的分布状况记 录下来,通常我们用纵坐标来表示光源的光强分布,以坐标
原点为中心,把各方向上的发光强度用矢量标注出来,连接
矢量的端点,即形成光强分布曲线,也叫配光曲线。 • 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。