光源光电检测

第二章光电检测系统的发光光源„2.1光源的分类以及光源的特性参数„2.2非相干光源„2.3相干光源„2.4宽带低相干光源主要内容2.1.1光源的分类§2.1光源的分类以及光源的特性参数按照光波在时间、空间上的相位特征，一般将光源分成相干光源、非相干光源还有低相干光源如图2-1所示：非相干光源光源相干光源激光非线性光学器件照明光源显示光源信息处理用光源低相干光源发光二极管（LED）超辐射发光二极管掺杂光纤超荧光宽带光源染料激光器气体激光器固体激光器半导体激光器等离子激光器太阳气体放电灯、荧光灯白炽灯全辐射体（黑体）阴极射线管等离子体管荧光显示器液晶显示器场致发光显示器图2-1光源的分类§2.1光源的分类以及光源的特性参数按照发光机理，光源又可以分成热辐射光源、气体发光光源、固体发光光源和激光器四种。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）气体发光光源：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。3）固体发光光源：电场作用下，使固体物质发光的光源，电能直接转变为光能。包括场致发光光源和发光二极管（LED）两种。4）激光器：按工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、燃料激光器和半导体激光器。2.1.2光源的特性参数§2.1光源的分类以及光源的特性参数1.辐射效率和发光效率在给定λ1~λ2波长范围内，某一辐射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，即PdKPemee∫Φ=Φ=21)(λλλλη（2-1）式中，为光通量，为光谱光视效能K(λ)的昀大值，为一常数683lm/W。eΦmK在给定λ1~λ2波长范围内，某一辐射体（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，就是该光源的发射效率，即§2.1光源的分类以及光源的特性参数表2-1常用光源的发光效率60~80金属卤化物灯55~90三基色荧光灯30~40球形氙灯35~36普通荧光灯90~100高压钠灯14~30卤钨灯30~40高压汞灯8~18普通钨丝灯发光效率（Im/W）光源种类发光效率（Im/W）光源种类21()()mevvKVdPPλλλλληΦΦ==∫（2-2）单位为Im/W（流明每瓦），式中为光谱光视效率。m()()/VKKλλ=表2-1中所列的为一些常用光源的发光效率。§2.1光源的分类以及光源的特性参数2.光谱功率分布光源发出的大都是单色光组成的复色光，而且在不同频率上辐射出的光功率大小不同。常用光谱功率分布来描述光功率和频率的这种关系，经过归一化后的光功率分布称为相对光谱功率分布。如果被考虑的光源是一个黑体，它的光谱功率分布可以用普朗克公式计算出来。光源光谱功率分布有4种情况，如图2-2所示。图2-2（a）称为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成；图2-2（b）称为带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多连续的细谱线；图2-2（c）为连续谱线，光源发出的谱线连成一片；图2-2（d）是混合谱线，它由连续光谱与线、带光谱混合而成。§2.1光源的分类以及光源的特性参数图2-2典型的光谱功率分布形式在选择光源时，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，一般采用可见光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，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，在紫外光光度计中，通常使用氙灯、汞氙灯等紫外辐射较强的光源。3.空间光强分布§2.1光源的分类以及光源的特性参数常用发光强度矢量和发光强度曲线来描述光源的这种特性。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。图2-3是气体发光光源光强分布。图2-3气体发光光源光强分布§2.1光源的分类以及光源的特性参数4.光源的颜色光源的颜色包含两方面的含义，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。白炽灯、卤钨灯等几种光源的显色性较好，使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、燃料、彩色印刷等行业。§2.1光源的分类以及光源的特性参数5.光源的色温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，经常用色温、相关色温和分布温度来表示。（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。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。（2）相关色温。若一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一温度下的黑体辐射的色坐标点昀接近，则该黑体的温度称为这个光源的相关色温。（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。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。2.2.1气体放电光源§2.2非相干光源利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。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和离子。在碰撞过程中有些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，这样的发光机制被称为气体放电原理。气体放电光源具有以下共同的特点：1）发光效率高，比同瓦数的白炽灯发光效率高2~10倍，因此具有节能的特点；2）由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；3）寿命长，一般比白炽灯寿命长2~10倍；4）光色适应性强，可在很大范围内变化。§2.2非相干光源1.脉冲灯特点：在极短的时间内发出很强的光辐射。结构和工作电路原理如图2-4所示：直流电源电压Uo经充电电阻R，使储能电容C充电到工作电压Uc。Uc一般低于脉冲灯的击穿电压Us，而高于灯的着火电压Uz。脉冲灯的灯管外绕有触发丝。工作时在触发丝上施加高的脉冲电压，使灯管内产生电离火花线，火花线大大减小了灯的内阻，使灯“着火”。电容C中储存着大量能量可在极短的时间内通过脉冲灯，产生极强的闪光。图2-4脉冲灯工作电路原理图§2.2非相干光源照相用的万次闪光灯就是一种脉冲氙灯。氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近（见图2-5），色温6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。图2-5短弧氙灯光谱能量分布氙灯分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯。长弧氙灯的发光效率为25~30Im/W。发光时能量可达几千焦耳，闪光时间只有几毫秒，有很大的瞬时功率。§2.2非相干光源常见的脉冲灯还有氘灯。图2-6是氘灯的外形及其紫外光谱分布图。氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。中国计量院用氘灯作为200~250nm的标准辐射光源。图2-6氘灯§2.2非相干光源2.原子光谱灯原子光谱灯又称空心阴极灯，其结构如图2-7所示。阳极和圆筒阴极封在玻璃壳内，玻壳上部有一透明石英窗。工作时窗口透射出放电辉光，其中主要是阴极金属的原子光谱。空心阴极放电的电流密度可比正常辉光高出100倍以上，电流虽大但温度不高，因此发光的谱线不仅强度大，而且波长宽度小。图2-7原子光谱灯结构原理图原子光谱灯的主要作用：引出标准谱线光束，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。主要用于：元素，特别是微量元素光谱分析的装置中。§2.2非相干光源3.汞灯汞灯分低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三类，它们的光谱能量分布如图2-8所示。图2-8汞灯光谱能量分布图§2.2非相干光源气体放电灯不足之处：冷态阻抗大，起动后阻抗又急剧变小的特点，其特性类似于电弧特性。启动后内阻太小，不得不采用限流措施，即所谓用镇流器来限制电流，使得灯具的接线较白炽灯麻烦得多。荧光灯主要是由汞放电产生的紫外线辐射激发荧光粉层而发光的低气压放电灯，电源输入后，电流会流过电极，钨丝的温度上升，同时电子放射物质的温度也上升，大量的热电子被释放，这个热电子在两极间加压，由负极流向正极，造成管内电流的流动，在管内撞击水银原子，因而产生能量激发紫外线，再由紫外线照射玻璃管壁的荧光物质，产生可见光。具有灯光柔和、发光效率高、显色性能优良、寿命长等优点。2.2.2场致发光光源§2.2非相干光源场致发光光源是固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象，也称为电致发光，也是一种常见的非相干光源。下面介绍几种固体场致发光器件。1.交流粉末场致发光屏该发光屏的结构如图2-9所示。其中铝箔和透明导电膜作为两个电极，透明导电膜通常用氧化锡制成，高介电常数的反射层常用陶瓷或钛酸钡等制成，用以反射光束，将光集中到上方输出。玻璃板起支撑、保护和透光作用。为使发光屏发光均匀，每层的厚度都应十分均匀。§2.2非相干光源图2-9交流粉末场致发光屏1-玻璃板2-荧光粉层3-高介电常数反射层4-铝箔5-玻璃板6-透明导电层交流粉末场致发光屏的工作原理是：由于发光屏两电极间距离很小，所以在微小电压的作用下，就可得到足够高的电场强度。粉层中自由电子在强电场作用下加速而获得很高的能量，它们撞击发光中心，使其受激发而处于激发态。当激发态复原为基态时产生复合发光。由于荧光粉与电极之间有高介电常数的绝缘层，自由电子并不导走，而是被束缚在阳极附近，在交流电的负半周时，电极极性变换，自由电子在高电场作用下向新阳极的方向，也就是向正半周时相反的方向加速，这样重复上述过程，使之不断发光。交流发光屏的工作特性与所加电压U和频率f有关，如图2-10所示。当f一定时，发光亮度的经验公式为§2.2非相干光源])exp[(2/100UULL•=（2-3）式中，L0和U0是发光屏昀初的发光亮度与所加电压。00/1ttLL+=（2-4）式中，t0是与工作频率有关的时间常数。图2-10发光亮度与频率和电压的关系曲线发光屏随工作时间t增加而老化，使光亮度下降，老化过程可表示为交流粉末场致发光屏优点：光发射角大，光线柔和，寿命长，功耗小，发光响应速度快，不发热；缺点：发光亮度低，驱动电压高和老化快。§2.2非相干光源2.直流粉末场致发光屏这种发光屏结构与交流发光屏相似，它依靠传导电流产生激光发光。常用的发光材料是ZnS：Mn、Cu，发橙黄色的光。优点是：驱动电路简单、制造工艺简单和成本低。它适宜在脉冲激发下工作，主要用于数码、字符和矩阵的显示。§2.2非相干光源3.薄膜场致发光屏薄膜场致发光屏结构原理如图2-11所示，在薄膜的两电极间施加适当的电压就可发光。一般有交流和直流薄膜场致发光屏两种形式。图2-11薄膜发光屏1-防潮层2-第一电极3-硫化锌薄膜4-透明导电层5-玻璃基层直流薄膜发光屏主要有橙黄和绿两种颜色。工作电压为10~30V，电流密度为0.1mA/mm2，发光亮度为3cd/m2，发光效率为10-4lm/W，寿命大于1000小时，可直接用集成电路驱动。交流薄膜发光屏有橙和绿两种颜色。工作电压为100~300V，频率由几十到几千赫兹，发光亮度可达几百cd/m2，发光效率为10-3lm/W，寿命5000小时以上。§2.2非相干光源薄膜发光屏的主要特点：均匀致密，分辨力高，对比度好，驱动电压低，可用于隐蔽照明，固体雷达屏幕显示和数码显示灯。场致发光光源（发光屏）优点：1）固体化、平板化、因而可靠、安全、占地小，易于安装；2）面积、形状几乎不受限制，因此可以通过光刻、透明导电膜和金属电极掩蔽镀膜的方法，制成任意发光图形；3）属于无红外辐射的冷光源，因而隐蔽性好，对周围环境没有影响；4）视角大，光线柔和，易于观察；5）寿命长，可连续使用