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1、第2章 光电检测中的常用光源 在光电检测系统中，电光源是最常用的光源。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。 2.1 光源的特性参数 1.辐射效率和发光效率 在给定12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，表示为 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 单位为1mW(流明每瓦)。 下表所列的为一些常用光源的发光效率。 2.光谱功率分布 光源的光谱功率分布分成四种情况，如下图所示。 图中,(a)为线状光谱。 (b)称为带状光谱， (c)为连续光
2、谱， (d)是混合光谱， 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，一般采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影 用光源，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。在紫外分光光 度计中，通常使用氘灯、汞氙灯等紫外辐射较强的光源。 (a)(b)(c ) (d) 2.1.3 空间光强分布 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。下图是气体发光光源光 强分布。 2.1.4
3、 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致性， 称为该光源的显色性。 2.1.5 光源的色温 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。
4、 2)相关色温 若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 热辐射源 根据斯奇芬-玻尔兹曼定律知，物体只要其温度大于绝对零度，都会 向外界辐射能量，其辐射特性与温度的四次方有关。物体由于温度较高而 向周围温度较低环境发射能量的
5、形式称为热辐射，这种物体称为热辐射源 2.2.1 太阳 太阳直径约为1.392109m。它到地球的年平均距离是1.4961011m。 从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533o。 太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射,见下图。 其平均辐亮度为2.01107Wm-2sr-l 平均亮度为1.95109cdm-2。 在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为 紫外区(0.78 ) 47.29 2.黑体模拟器 在许多光电仪器中，往往需要辐射源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， 下图给出了几种工程黑体的典型结构。由图可见
6、，工程黑体的内腔呈简 单的几何形状球形、锥形、圆柱型，或者是这些形状的组合。 在实际应用中，基准辐射源称为黑体炉，由石墨制做，外壁包上较厚一 层可长时间承受工作高温的热绝缘材料，以利于保温。采用电加热线圈加热 ，其线圈绕制、排列保证均匀加热。此外，腔体内置有高精度的热电偶或热 电阻，用其检测辐射器空腔内的温度。为了使温度均匀稳定，全辐射器空腔 的几何尺寸中l/d1.5。内腔的长度为L,出口直径为d。黑体模拟器的结构 如上右图所示，目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而实际应用的大 多是在2000K以下。 3.白炽灯 白炽灯是光电测量中最常用的光源之。白炽灯发射的是连续光谱， 在可见光谱段
7、中部和黑体辐射曲线相差约0.5，而在整个光谱段内和黑体 辐射曲线平均相差2。 白炽灯有真空钨丝灯、充气钨丝灯和卤钨灯等， 如果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，即蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，而 该卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时，又分解成卤素和钨。这样， 钨就重新沉积在灯丝上，而卤素被扩散到温度较低的灯泡壁区域再继续与 钨化合。这一过程称为钨的再生循环，如下图。卤钨循环延长了灯的寿命 。灯的色温可达3200K，发光效率也相应提高到30lmW。 2.3 气体放电光源 也称气体灯。制作时在灯中充入发光用的气体，如氦、氖、氙、氪等， 或金
8、属蒸气，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就会发射出相应 的辐射，这样的发光机制被称为气体放电原理。 气体放电光源具有下述特点； 1.发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高210倍。 2.由于不靠灯丝发光，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210倍。 4.光色适应性强，可在较大范围内选择。 由于上述特点，气体放电光源具有很强的竞争力，在光电 测量和照
9、明中得到广泛使用。 2.3.1 2.3.1 脉冲灯脉冲灯 这种灯的特点是在极短的时间内发出很强的光辐射，其结构和工作电 路原理如下图所示 氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近(见左 下图)，色温约6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。氙灯 分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种。长弧氙灯的发光效率为25 30lmW 右下图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，因 此常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。 2.3.2原子光谱灯 原子光潜灯又称空心阴极灯，其结构如下图所示。阳极和圆筒形阴极 封在玻壳内，玻壳上部有透明石英窗。工作
10、时窗口透射出放电辉光，其 中主要是阴极金属的原子光谱阴极金属的原子光谱. 2.3.3 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 下图所示。 2.4 固体发光光源 固体发光光源又称平板发光器件或平板显示器。平板显示器的厚度较薄 ，看上去就像一块平板。平板显示(FPD) 按发光类型分主动发光型和被动发 光型两种。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)、等离子体显示(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 场致发光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
11、称电致发光。 1交流粉末场致发光屏 该发光屏的结构如下图所示。 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-透明导电膜。 交流发光屏的工作特性与所加 电压U和频率f有关，如下图所示。 当f一定时，发光亮度的经验公式为 2.4.2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发发光。常用 的发光材料是ZnS:Mn、Cu，发橙黄色的光。 直流发光屏亮度较高，而且亮度随传导电流的增大而迅速上升。其优点是 驱动电路简单、制造工艺简单和成本低。 2.4.3薄膜场致发光屏 薄膜发光屏与粉末发光屏在形式上很相似，但是很薄（约1微米左右）， 其结构原
12、理如下图所示，在薄膜的两电极间施加适当的电压就可发光。一般 有交流和直流薄膜电致发光屏两种形式。 薄膜发光屏的主要特点是均匀致密、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等。 与其它光源相比，场致发光光源（发光屏）有以下优点： (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,可连续使用几千小时，而发光不会突然全部熄灭； (6)功耗
13、低，约几毫瓦厘米2； (7)发光易于通过电压控制。 场致发光光源缺点， 主要是亮度较低(一般使用亮度为50cdm2左右)； 驱动电压高(通常需上百伏)； 老化快等等。 场致发光光源主要应用于以下几个方面： (1)特殊照明。 (2)数字、符号显示。 (3)模拟显示。 (4)矩阵显示，又叫交叉电极场致发光显示。 (5)图象转换及图象增强。 2.4.2 其他平板显示器件 1 液晶显示 2.等离子体显示(PDP) 等离子体显示板(Plasma Display Panel，PDP)是利用惰性气体在一定 电压作用下产生气体放电，形成等离子体，而直接发射可见光，或者发射 紫外线（VUV）进而激发荧光粉发光的
14、一种主动发光型平板显示器件。 3.真空荧光显示(VFD) 真空荧光显示是利用氧化锌系列荧光粉在数十伏低能电子轰击下发光而 制成的显示器件。 4.电致变色显示(ECD) 自然界中的一些物质在热、光、电的刺激下其颜色会发生变化。所谓 电致变色是指在电的作用下，物质发生氧化还原反应，使物质的颜色发生 可逆性变化的现象。利用这一现象制作的显示器件就叫作电致变色显示。 5. 电泳显示(EPD) 电泳是指悬浮在液体中的带电粒子在外电场作用下定向移动并附着在 电极上的现象。如果带电粒子有一定颜色，就可利用电泳实现信息显示， 这就是电泳显示。 。 2.4.3 结型发光光源-发光二极管和激光二极管 发光二极管是
15、少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种结型 发光器件，也称作注入式场致发光光源。 1.发光二极管工作原理 实际上发光二极管就是一个由P型和N型 半导体组合成的二极管，如下图所示。 以GaAs发光二极管为例说明它的工作原理。如果把受主材料掺杂到GaAs中 ，就可形成P型半导体。把施主材料掺杂到GaAs中，就可形成N型半导体。当把 它们结合时，P型和N型区域间就形成PN结。我们知道，PN结未加偏压时，在PN 结内形成内电场，内电场阻碍电子从N区进入P区，空穴从P区进入N区。在外电 场作用下，电子和孔穴就会克服内电场作用，电子从N区横越结区进入P区，空 穴从P区横越结区进入N区。在耗尽层里，电子能够自发地与空穴复合而放出能 量-产生光子，光子朝各个方向运动，这就形成了结型发光，这就是LED。 在LED中，向各个方向发出的光是自发发射的。 为了使发光二极
