光电检测用光源.doc

第2章 光 源
1.光源的基本特性参数
1)辐射效率和发光效率
(1)辐射效率:在给定λ1~λ2波长范围内，某光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，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率：

(2)发光效率: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

2)光谱功率分布
(1)定义: 描述光源在不同频率上辐射出的光谱功率的大小不同。若使其最大值为1，将其进行归一化，则经过归一化的光谱功率分布成为相对光谱功率分布。
(2)典型的光谱功率分布情况：

3）光强空间分布
v 对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不同的。
v 若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。
v 连接各矢量的端点，即得光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。

4）光源的色温
(1)色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度成为该辐射源的色温。（由于一种颜色可由多种光谱分布产生，故色温相同的光源，其相对光谱分布功率分布不一定相同）
(2)相关色温：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最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。
5）光源的颜色
(1)光源颜色的含义：
a 色表：即用眼睛直接观察光源时所看到的颜色，称为光源的颜色。
b 显色性：当用此光源照射物体时，物体呈现的颜色与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。
(2)国际照明委员会（CIE）规定了14种特殊物体作为检验光源显色性的“试验色”，我国为15种。白炽灯、卤钨灯显色性较好。
2.光源选择的基本要求
1)对光源发光光谱特性的要求
光谱匹配系数：

Wλ
WλSλ

Sλ
A1
A2
λ
Wλ Sλ

描述光源与探测器两光谱特性间的重合程度和一致性。以便增大光电检测系统的信号和信噪比。Wλ为波长λ时光源光辐射通量的相对值，Sλ为波长λ时光电探测器灵敏度的相对值。
A1和A2的物理意义如图所示：
它们分别表示WλSλ和Wλ两曲线与横轴所围城的面积，即匹配参数 是光源与探测器配合工作时产生的光电信号与光源总通量的比值。
实际选择时，应兼顾二者的特性，使匹配系数尽可能大些。

2)对光源发光强度，稳定性及其它的要求
(1)对光源发光强度的要求
光源强度过低，系统获得的信号过小，以致无法正常检测。光源强度过高，又会导致系统工作的非线性。有时可能损坏系统，待测物或光电探测器等，同时也导致不必要的能源消耗。
因此, 系统设计时，必须对探测器所需获得的最大，最小光通量进行正常估计，按估计选择光源。
(2)对光源稳定性的要求
包括对光源波长稳定性及功率稳定性的要求，可采用的方法有：温控或功率控制电路。
(3)对光源其它方面的要求
如：灯丝的结构和形状，发光面积的大小和构成，灯泡玻壳的形状和均匀性，光源发光率及空间分布等
3.光电技术中的常用光源
1) 热辐射光源
(1)太阳
太阳可视为直径很大的光球,由地球看太阳,太阳的张角为0.533°,大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射,太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占百分比不同:紫外区(﹤0.384μm)为6.46；可见区(0.38~0.78 μm)占46.25；红外区(﹥0.78μm)占47.29。
(2)黑体模拟器
黑体辐射器:在铜或不锈钢内有圆锥腔作为光源,筒外加石棉或硅酸盐水泥作为绝缘层,筒的外层绕以电阻作为加热器,另外可用温度计测量温度信号,再用自动控温仪控温。
目前黑体模拟器的温度最高为3000k,而实际应用的大约在2000k以下,过高的温度不仅耗损大量的电功率,且腔内表面材料的氧化会加剧。
黑体模拟器图
(3)白炽灯
白炽灯在可见光谱中段和黑体辐射曲线相差0.5%,而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%
白炽灯有真空钨丝白炽灯,充气钨丝白炽灯,卤钨灯等
白炽灯的光参数（光通量φ ，光效η ）,电参数（灯电压V，电流I，功率P，电阻R）和寿命之间的关系曲线如图：
对一定的白炽灯,当灯的工作电压升高时会导致灯的工作电流和功率p增大,灯丝工作温度升高,发光效率η和光通量Φ增加,而灯的寿命下降,实际应用中可适当降低灯电压,从而有效延长寿命。
2）气体放电光源
利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。
气体放电原理：灯管内的气体在电场的作用下电离出电子和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射。
灯管中充入气体:氦,氖,氙等,或金属蒸气:汞,钠,铊等.
(1) 分类及特点
a.分类
v 按气体放电类型分;辉光放电灯,弧光放电灯,高频放电灯等
v 按放电时灯内气体压强分:低压放电灯,高压放电灯,超高压放电灯等
v 按放电发光物质分;汞灯,钠灯,各种金属卤化物灯和惰性气体灯
v 按灯的电极分:冷阴极气体放电灯,热冷阴极气体放电灯,无极气体放电灯
b.特点
发光效率高：比同瓦数的白炽灯发光率高2—10倍，具有节能特点。
结构紧凑：因不靠灯丝本身发光，电极可做得牢固紧凑，耐震，抗冲击。
寿命长：一般比白炽灯长2—10倍.
光色适应性强：可在较大光谱范围内变化。
(2) 汞灯
v 低压汞灯: 工作气压范围在10-1~10-2乇，放电时主要辐射线为：253.7μm和185.0 μm,主要是汞元素原子的特征谱线.
v 高压汞灯: 灯内的汞蒸气压约为l~5个大气压，由于在高气压时相邻原子接近，原子之间的相互作用增强，产生了谱线的压力加宽和多普勒加宽，辐射的光谱中有很强的连续成份，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加.
v 超高压汞灯:灯内的汞蒸气体大于10~20个大气压。随着汞蒸气压的提高，原子激发到高能级的几率增大,共振辐射几乎全被吸收,紫外辐射减弱,可见光谱线加宽,红外辐射增强.
汞灯光谱能量分布图

(3) 氙灯
v 氙灯是由充有惰性气体---氙的石英泡壳内两个钨电极之间的高温电弧放电而发出强光的光源。
v 高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近(色温为6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。分为长弧氙灯,短弧氙灯,脉冲氙灯.
v 由于脉冲氙灯的高亮度和瞬时功率大,常用作摄影光源,激光器的泵浦源,等.
(4) 氘灯
v 氘灯是一种热阴极弧光放电灯、泡壳内充有高纯度的氘气. (氘灯的阴极是直热式氧化物阴极,阳极是用0.5毫米厚的钽皮做成矩形,阳极矩形中心正对着灯的输出窗口,外壳由紫外透射比较好的石英玻璃制成.)工作时先加热灯丝,产生电子发射,当阳极加高压后,氘原子在灯内受高速电子碰撞而激发,从阳极小圆孔中辐射出连续的紫外光谱(185~500nm)
3）固体发光光源
按媒质和工作原理分有 液晶显示（LCD）、等离子体显示（PDP)、电致发光（ECD）和电泳发光显示（EPD）。
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，也称电致发光,其有三种形态
(1)粉末场致发光源
(2)薄膜场致发光源
(3)结型场致发光源（二极管）
发光二极管（LED)
a.定义:发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源.

b.特点:属于低电压小电流器件,在室温下即可得到足够的亮度.发光响应速度快,性能稳定,寿命长,单色性好,发光的半宽度一般为几十nm.

c.特性参数:量子效率;发光与电流的关系;光谱特性;响应时间;寿命
4) 激光器
（1）激光器的分类
a.气体激光器：工作物质由一种或几种气体组成，可发射多种波长的光，主要集中于可见和红外部分
b.固体激光器：工作物质为具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体里面掺入具有发射激发能力的金属离子。主要有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石激光器等。
c.染料激光器：工作物质为染料，有连续和脉冲两种工作方式，连续方式输出稳定，线宽小，功率大于1W，脉冲方式输出功率高，输出能量可达120mJ
d.半导体激光器：工作物质为半导体，输出波长为0.33~44µm，体积小，功率高，寿命长，用于光通信、光学测量等。
（2）激光器的特性
a.单色性：如氦氖激光器的谱线宽度只有9×10-2Hz
b.方向性:如氦氖激光器的发散角只有3×10-4rad
c.亮度高:由于发散角小，发光面小，因而有很强的光谱辐亮度
d.相干性：由于单色性好，发散角小，因此有很强的时间和空间相干性