第二章光电检测中的常用光源

• 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。
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。
• 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。
e
e P
1
2 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
v Pv Km
21eUd
P
• 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.
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
• 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。
• 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）.
•
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
• 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 • 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
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
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
特点：
• 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
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)
常用光源的发光效率
光源种类 发光效率 光源种类 发光效率
(lm/w)
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.
源自文库
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)
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
• 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。
• 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。
• 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
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.
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
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.
（lm/w)
普通钨丝灯 8-18
高压汞灯 30-40
卤钨灯
14-30 高压钠灯 90-100
普通荧光灯 35-60 球形氙灯 30-40
三基色荧光 55-90 灯
金属卤化 60-80 物灯
• 2.1.2 光谱功率分布 线状光谱：若干条明显分隔的细线 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
• 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
• 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。
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,
• 薄膜场致发光层是用真空薄膜技术制成的， 厚度约 1µm。
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
• 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。
• 原子光谱灯的主要作用是引出标准谱线的光束，确定标准 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。
• 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。
• 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。
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
• 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
• 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。
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。
• 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，
现象，也称电致发光。 • 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。
•
• 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 合时，高速电子释放出能量而发光。