光电检测技术第二章讲稿.ppt

光电检测技术第二章第一页，讲稿共七十四页哦第二章第二章主要内容主要内容2.1光的产生光的产生2.2光电仪器中的常用光源光电仪器中的常用光源2.32.3发光二极管发光二极管2.42.4激光光源激光光源2.52.5其他光源其他光源第二页，讲稿共七十四页哦2.1光的产生光的产生一、光的辐射一、光的辐射l光光是是从从实实物物中中发发射射出出来来的的，是是以以电电磁磁波波传传播播的的物物质质l l粒粒子子在在不不断断地地运运动动：原原子子内内有有若若干干电电子子围围绕绕原原子子核核不断运动不断运动l l运动有多种可能状态运动有多种可能状态l l不同运动状态的电子具有不同能量不同运动状态的电子具有不同能量l l当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。第三页，讲稿共七十四页哦假假设设E E0 0、E E1 1为为电电子子的的两两个个运运动动状状态态，E E0 0为为基基态态，电电子子受受激激获获得得一一定定能能量量而而跃跃迁迁到到激激发发态态E E1 1，当当电电子子从从激激发发态态回回到到基基态态时时，能能量量从从E E1 1变变到到E E0 0，此此时时发发射光子的频率为：射光子的频率为：式中：式中：h h为为普普朗朗克克常常数数，h=6h=662106210-27-27尔尔格格秒秒=4.13l0=4.13l0-15 e15 eV VS S第四页，讲稿共七十四页哦应应用用：由由于于原原子子中中有有很很多多可可能能的的能能级级，而而原原子子受受激激后后可可发发射射出出多多种种频频率率的的光光。因因此此，利利用用光光的的频频率率分分立立特特性性，用用适适当当的的仪仪器器可以把它们分辩出来。可以把它们分辩出来。（分立的线光谱称为原子光谱，其中每一条谱线代表一个频率的光。（分立的线光谱称为原子光谱，其中每一条谱线代表一个频率的光。）（一）热辐射（一）热辐射l l温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度l l任何高于绝对温度任何高于绝对温度0K0K的物体都具有热辐射。的物体都具有热辐射。l l自然界中的任何物体都是热辐射体。自然界中的任何物体都是热辐射体。温温度度低低的的物物体体发发红红外外辐辐射射，500500。C C左左右右时时物物体体的的温温度度辐辐射射开开始始发发部部分分暗暗红红色色的的可可见见光光。温温度度越越高高，发发出出的的辐辐射射波波长长越越短短；大大约约在在15001500。C C时时的的温温度度辐辐射射体体开开始始发发白白光光。热热辐辐射射光光谱谱是是连续光谱。连续光谱。应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据。应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据。（二）发光辐射（二）发光辐射第五页，讲稿共七十四页哦二、光的产生方法二、光的产生方法激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发光、光致发光、化学发光、热发光和场致发光。热发光和场致发光。1电致发光电致发光物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。这一过程称为电致发光。就会发出辐射。这一过程称为电致发光。例如：例如：发光二极管所产生的光就是电致发光。发光二极管所产生的光就是电致发光。第六页，讲稿共七十四页哦2光致发光光致发光物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。称为光致发光。例如：例如：l l荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射称为共振辐射)；l l 短短波波长长的的紫紫外外光光照照射射到到杂杂质质(油油污污)上上发发出出波波长长较较长长的的可可见荧光。见荧光。光致发光原理光致发光原理当当光光投投射射到到物物质质上上时时，光光子子直直接接与与物物质质中中的的电电子子起起作作用用(吸吸收收、动动量量传传递递等等)，引引起起电电子子能能态态的的改改变变，电电子子由由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。第七页，讲稿共七十四页哦3化学发光化学发光由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。4热发光热发光物体被加热到一定温度而发光，称热发光。物体被加热到一定温度而发光，称热发光。例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。热热发发光光的的原原理理是是特特定定的的材材料料在在特特定定的的温温度度下下才才可可能发光。能发光。火火焰焰中中的的原原子子、离离子子或或电电子子具具有有足足够够的的动动能能去去碰碰撞撞达达到到一一定定温温度度的的钠钠原原子子，使使钠钠原原子子受受激激而而发发光光，其其光谱为线光谱。光谱为线光谱。第八页，讲稿共七十四页哦实实际际上上，物物质质受受激激而而发发光光是是很很复复杂杂的的，有有些些同属几种受激过程。例如：同属几种受激过程。例如：l l白白炽炽灯灯中中钨钨丝丝通通以以电电流流会会发发光光，本本质质是是电电流通过电阻丝产生的流通过电阻丝产生的热热发光；发光；l l物物质质加加热热后后燃燃烧烧发发的的光光通通常常是是氧氧化化化化学学反反应应发光；发光；平衡和非平衡辐射：平衡和非平衡辐射：l l激激发发发发光光是是一一种种非非平平衡衡辐辐射射，即即以以一一种种外外加加能能量量转转换换成成光光能能的的过过程程。其其光光谱谱包包括括线线光光谱谱、带光谱和连续光谱。带光谱和连续光谱。l l温温度度辐辐射射是是一一种种能能达达到到平平衡衡状状态态的的辐辐射射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。第九页，讲稿共七十四页哦三、光源分类三、光源分类定定义义：一一切切能能产产生生光光辐辐射射的的辐辐射射源源，无无论论是是天天然然的，还是人造的，都称为光源。的，还是人造的，都称为光源。l l天天然然光光源源：是是自自然然界界中中存存在在的的：如如太太阳阳、恒恒星星等等，在在天天文文光光电电探探测测中中，常常常常会会遇遇到到这这些些光光辐射的测量。辐射的测量。l l人人造造光光源源：人人为为将将各各种种形形式式的的能能量量(热热能能、电电能能、化化学学能能)转转化化成成光光辐辐射射能能的的器器件件。其其中中利利用用电电能能产产生生光光的的器器件件称称为为电电光光源源，在在一一般般光光电电测测量系统中，电光源是最常见的光源。量系统中，电光源是最常见的光源。第十页，讲稿共七十四页哦分类：分类：按照发光机理，光源可以分成如下几类：按照发光机理，光源可以分成如下几类：太阳太阳 热辐射光源热辐射光源 白炽灯、卤钨灯白炽灯、卤钨灯 黑体辐射器黑体辐射器 汞灯汞灯 荧光灯荧光灯 钠灯钠灯 气体放电光源气体放电光源 氙灯氙灯光源光源 金属卤化物灯金属卤化物灯 空心阴极灯空心阴极灯 场致发光场致发光固体发光光源，固体发光光源，发光二极管发光二极管 气体激光器气体激光器 固体激光器固体激光器 激光器激光器 染料激光器染料激光器 半导体激光器半导体激光器第十一页，讲稿共七十四页哦2 2.2 2 光源的基本特性参数光源的基本特性参数一、辐射效率和发光效率一、辐射效率和发光效率 定定义义1 1：在在给给定定1 12 2波波长长范范围围内内，某某一一光光源源发发出出的的辐辐射射通通量量与与产产生生这这些些辐辐射射通通量量所所需需的的电电功功率率之之比比，称称为为该该光源在规定光谱范围内的辐射效率。光源在规定光谱范围内的辐射效率。第十二页，讲稿共七十四页哦第十三页，讲稿共七十四页哦（1）从）从e、可以看出，如果光电测量系统的可以看出，如果光电测量系统的光谱范围为光谱范围为12，那么应尽可能选用，那么应尽可能选用较高的较高的光源。光源。（2）Km称为明视觉最大光谱光视效能，它表示称为明视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为人眼对波长为555nmV（=555）=1光辐射产光辐射产生光感觉的效能，且生光感觉的效能，且1=380nm，2=780nm。实际上是光度参量对辐射度参量的转换常数。实际上是光度参量对辐射度参量的转换常数。（3）V（）称为）称为“标准光度观察者标准光度观察者”光谱光视光谱光视效率，或称视见函数。效率，或称视见函数。第十四页，讲稿共七十四页哦二、光谱功率分布二、光谱功率分布定定义义：自自然然光光源源和和人人造造光光源源大大都都是是由由单单色色光光组组成成的的复复色色光光。不不同同光光源源在在不不同同光光谱谱上上辐辐射射出出不不同同的的光光谱谱功功率率，常常用用光光谱谱功功率率分分布布来来描描述述。若若令令其其最最大大值值为为l l，将将光光谱谱功功率率分分布布进进行行规规一一化化处处理理，那那么么经经过过归归一一化化后后的的光光谱谱功功率率分分布布称称为为相相对对光光谱谱功功率率分布。分布。第十五页，讲稿共七十四页哦 光光源源的的光光谱谱功功率率分分布布通通常常可可分分成成四四种种情情况况：l l图图a a为为线线状状光光谱谱，由由若若干干条条明明显显分分隔隔的的细细线组成。如低压汞灯。线组成。如低压汞灯。l l图图b b称称为为带带状状光光谱谱，由由一一些些分分开开的的谱谱带带组组成成，每每一一谱谱带带中中又又包包含含许许多多细细谱谱线线。如如高高压压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。汞灯、高压钠灯就属于这种分布。l l图图c c为为连连续续光光谱谱，所所有有热热辐辐射射光光源源的的光光谱都是连续光谱。谱都是连续光谱。l l图图d d为为混混合合光光谱谱，它它由由连连续续光光谱谱与与线线、带带谱谱混混合合而而成成。一一般般荧荧光光灯灯的的光光谱谱就就属属于于这这种种分布。分布。第十六页，讲稿共七十四页哦P（）oP（）oP（）oP（）o图图21四种典型的光谱功率分布四种典型的光谱功率分布第十七页，讲稿共七十四页哦应应用用：在在选选择择光光源源时时，光光谱谱功功率率分分布布应应由由测测量量对对象象的的要要求求来来决决定。定。l l在在目目视视光光学学系系统统中中，一一般般采采用用可可见见区区光光谱谱辐辐射射比比较较丰丰富富的的光源。光源。l l彩彩色色摄摄影影用用光光源源，为为了了获获得得较较好好的的色色彩彩还还原原，应应采采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。l l在在紫紫外外分分光光光光度度计计中中，通通常常使使用用氘氘灯灯、紫紫外外汞汞氙氙灯灯等等紫紫外辐射较强的光源。外辐射较强的光源。l l在在光光学学仪仪器器中中，为为了了提提高高光光的的利利用用率率，一一般般选选择择发发光光强强度度高的方向作为照明方向。高的方向作为照明方向。l l为为了了进进一一步步利利用用背背面面方方向向的的光光辐辐射射，还还可可以以在在光光源源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。第十八页，讲稿共七十四页哦 三、空间光强分布三、空间光强分布 对对于于各各向向异异性性光光源源，其其发发光光强强度度在在空空间间各各方方向向上上是是不不相相同同的的。若若在在空空间间某某一一截截面面上上，自自原原点点向向各各径径向向取取矢矢量量，矢矢量量的的长长度度与与该该方方向向的的发发光光强强度度成成正正比比。将将各各矢矢量量的的端端点点连连起起来来，就就得得到到光光源源在在该该截截面面上上的的发发光光强强度度曲曲线线，即即配配光光曲曲线。线。第十九页，讲稿共七十四页哦四、光源的色温四、光源的色温l l黑体的温度决定了它的光辐射特性。黑体的温度决定了它的光辐射特性。（在任何温度下可以全部吸收任何波长辐射的物体称为绝对黑体（在任何温度下可以全部吸收任何波长辐射的物体称为绝对黑体,简称黑体）简称黑体）l l对对非非黑黑体体辐辐射射，它它的的某某些些特特性性常常可可用用黑黑体辐射的特性来近似地表示。体辐射的特性来近似地表示。l l对对于于一一般般光光源源，经经常常用用分分布布温温度度、色色温温或或相关色温表示。相关色温表示。第二十页，讲稿共七十四页哦1 1 分布温度分布温度 定定义义：辐辐射射源源在在某某一一波波长长范范围围内内辐辐射射的的相相对对光光谱谱功功率率分分布布，与与黑黑体体在在某某一一温温度度下下辐辐射射的的相相对对光光谱谱功功率率分分布布一一致致，那那么么该该黑黑体体的的温温度度就就称称为为该该辐辐射射源源的的分分布布温度。温度。2 2 色温色温 定定义义：辐辐射射源源发发射射光光的的颜颜色色与与黑黑体体在在某某一一温温度度下下辐辐射射光光的的颜颜色色相相同同，则则黑黑体体的的这一温度称为该辐射源的色温。这一温度称为该辐射源的色温。由由于于一一种种颜颜色色可可以以由由多多种种光光谱谱分分布布产产生生，所所以以色色温温相相同同的的光光源源，它它们的相对光谱功率分布不一定相同。们的相对光谱功率分布不一定相同。3 3 相关色温相关色温 定义：定义：对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相对于一般光源，它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最接近，则该黑体的温度称为该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。光源的相关色温。第二十一页，讲稿共七十四页哦五、光源的颜色五、光源的颜色 光光源源的的颜颜色色包包含含了了两两方方面面的的含含义义，即即色色表表和和显显色色性性。用用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。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。例如高压钠灯的色表呈黄色。荧光灯的色表呈白色。荧光灯的色表呈白色。当当用用这这种种光光源源照照射射物物体体时时，物物体体呈呈现现的的颜颜色色(也也就就是是物物体体反反射射光光在在人人眼眼内内产产生生的的颜颜色色感感觉觉)与与该该物物体体在在完完全全辐辐射射体体照照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。白白炽炽灯灯、卤卤钨钨灯灯、镝镝灯灯等等几几种种光光源源的的显显色色性性较较好好，适适用用于于辨辨色色要要求求较较高高的的场场合合，如如彩彩色色电电影影、彩彩色色电电视视的的拍拍摄摄和和放放映映、染料、彩色印刷等行业。高压汞灯、高压钠灯等光源染料、彩色印刷等行业。高压汞灯、高压钠灯等光源 第二十二页，讲稿共七十四页哦2.3光电检测常用光源光电检测常用光源激光和发光二极管是检测技术中应用广泛的光源。本节激光和发光二极管是检测技术中应用广泛的光源。本节还另外介绍几种光源：热辐射光源、气体放电光源和场致发还另外介绍几种光源：热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源。光光源。一、热辐射光源一、热辐射光源定定义义：任任何何物物体体只只要要其其温温度度大大于于绝绝对对零零度度，就就会会向向外外界界辐辐射射能能量量，其其辐辐射射特特性性与与温温度度有有关关。物物体体靠靠加加热热保保持持一一定定温温度度，使使其其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。例例如如：炉炉上上的的一一块块铁铁，刚刚开开始始加加热热时时，温温度度较较低低呈呈暗暗红红色色。若若继继续续加加热热，随随着着温温度度的的升升高高，铁铁块块的的颜颜色色会会由由暗暗红红色色逐逐渐渐变变为炽白，而且发光也更明亮。为炽白，而且发光也更明亮。热辐射源遵循有关黑体的定律。热辐射源遵循有关黑体的定律。第二十三页，讲稿共七十四页哦1、太阳、太阳太太阳阳可可看看成成是是一一个个直直径径为为1.392 1.392 10109 9m m的的光光球球。它它到到地地球球的的年年平平均均距距离离是是1.496 101.496 101111m m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.5330.5330 0。大气层外的太阳光谱能量分布相当于大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K5900K左右的黑体辐射。在大左右的黑体辐射。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：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：o紫外区紫外区(0.38um)6.46%(0.78um)47.29%(0.78um)47.29%射射到到地地球球上上的的太太阳阳辐辐射射，要要斜斜穿穿过过一一层层厚厚厚厚的的大大气气层层，使使太太阳阳辐辐射射的的光光谱谱和和空空间间分分布布、能能量量大大小小、偏偏振振状状态态等等都都发发生生了了变变化化。大大气气的的吸吸收收光光谱谱比比较较复复杂杂，其其中中氧氧(0(02 2)、水水汽汽(H(H2 20)0)、臭臭氧氧(0(03 3)、二二氧氧化化碳碳(C0(C02 2)、一一氧氧化化碳碳(CO)(CO)和和其其它它碳碳氢氢化化合合物物(如如CHCH4 4)等等，都都在在不不同同程程度度上上吸吸收收了了太太阳阳辐辐射射，而而且且它它们们都都是是光谱选择性的吸收介质。光谱选择性的吸收介质。第二十四页，讲稿共七十四页哦2、黑体模拟器、黑体模拟器在在许许多多光光电电仪仪器器或或系系统统中中，往往往往需需要要这这样样一一种种辐辐射射源源，它它的的角角度度特特性性和和光光谱谱特特性性酷酷似似理理想想黑黑体体的的特特性性。这这种种辐辐射射源源常称为黑体模拟器。常称为黑体模拟器。黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。实实际际工工作作温温度度的的精精确确测测量量和和控控制制是是黑黑体体辐辐射射能能（稳稳定定）产产生生的关键。的关键。目目前前的的黑黑体体模模拟拟器器最最高高工工作作温温度度为为3000K3000K，而而实实际际应应用用的大多是在的大多是在2000K2000K以下。以下。第二十五页，讲稿共七十四页哦3、白炽灯、白炽灯 定义定义 白白炽炽灯灯发发射射的的是是可可见见光光连连续续光光谱谱，它它是是在在电电源源供供电电下下，依依靠靠电电能能加加热热金金属属丝丝使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光的器件，因此称为白炽灯。使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光的器件，因此称为白炽灯。灯丝要求灯丝要求熔熔点点高高，可可适适用用于于较较高高的的工工作作温温度度，从从而而使使光光源源发发光光光光谱谱向向短短波波方方向移动；向移动；蒸蒸发发率率小小，要要求求在在高高温温炽炽热热条条件件下下蒸蒸发发愈愈小小愈愈好好，以以提提高高白白炽炽灯灯的的使使用用寿寿命；命；对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光辐射；对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光辐射；其他要求，如加工性能、机械性能等。其他要求，如加工性能、机械性能等。第二十六页，讲稿共七十四页哦分类分类真空白炽灯真空白炽灯 玻壳内真空条件的作用是保护钨丝，使其不被氧化。它的功率不太大，其玻壳内真空条件的作用是保护钨丝，使其不被氧化。它的功率不太大，其灯丝温度常在灯丝温度常在230023002800 K2800 K之间，发光效率约为之间，发光效率约为10 lm/W10 lm/W，进一步增加钨的，进一步增加钨的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从而缩短寿命。工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从而缩短寿命。充气白炽灯充气白炽灯在灯泡中充入不和钨发生化学反应的惰性气体氩、氮或氩和氮的在灯泡中充入不和钨发生化学反应的惰性气体氩、氮或氩和氮的混和气体。当灯丝在高温下蒸发的钨原子与气体分子发生频繁的碰混和气体。当灯丝在高温下蒸发的钨原子与气体分子发生频繁的碰撞时，部分钨原子返回灯丝表面，抑制钨的蒸发。因此，在与真空撞时，部分钨原子返回灯丝表面，抑制钨的蒸发。因此，在与真空型灯泡同样寿命的条件下，充气钨丝白炽灯的工作温度可以提高到型灯泡同样寿命的条件下，充气钨丝白炽灯的工作温度可以提高到260026003000 K3000 K左右，相应的光效提高到左右，相应的光效提高到17 lm/W17 lm/W。卤钨白炽灯卤钨白炽灯 在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），在一定温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。度下可以形成卤钨循环。第二十七页，讲稿共七十四页哦 图图2 24 4 卤钨循环工作原理图卤钨循环工作原理图 第二十八页，讲稿共七十四页哦卤钨灯的特点卤钨灯的特点卤卤钨钨灯灯也也是是利利用用电电能能使使灯灯丝丝发发热热到到白白炽炽状状态态而而发发光光的的电电光光源源。但但它它具具有有较较高高的的发发光光效效率率和和较较长长的的使使用用寿寿命命，得得到到了了方方泛泛应应用用。与与白白炽炽灯灯相相比比，它它有有许多优点许多优点：(1)(1)体积小，是同功率白炽灯的体积小，是同功率白炽灯的0.5%3%0.5%3%，因而可使光学系统小型化；，因而可使光学系统小型化；(2)(2)光通量稳定，最终的光通量为开始的光通量稳定，最终的光通量为开始的95959898，而白炽灯为，而白炽灯为6060；(3)(3)紫紫外外线线较较丰丰富富，因因卤卤钨钨灯灯的的灯灯丝丝温温度度较较高高，而而且且它它的的泡泡壳壳也也能能通通过过紫紫外辐射，所以可作为紫外辐射源用于光谱辐射测量方面；外辐射，所以可作为紫外辐射源用于光谱辐射测量方面；(4)(4)发光效率比白炽灯高发光效率比白炽灯高2 23 3倍；倍；(5)(5)寿命长。寿命长。卤卤钨钨灯灯的的缺缺点点是是价价格格较较贵贵，另另外外它它的的管管壁壁温温度度高高，应应注注意意安安全全，以免烧毁其它物质。以免烧毁其它物质。第二十九页，讲稿共七十四页哦白炽灯的性能白炽灯的性能此此外外，白白炽炽灯灯的的性性能能与与电电压压有有显显著著关关系系，在在额额定定电电压压下下工工作作正正常常，升升高高电电压压将将会会缩缩短短灯灯的的使使用用寿寿命命，甚甚至至烧烧毁毁。如如欲欲延延长长白白炽炽灯灯的的使使用用寿寿命命，工作电压应比额定电压低，但光适量及发光效能也随之减少。工作电压应比额定电压低，但光适量及发光效能也随之减少。白白炽炽灯灯的的光光参参数数(光光通通量量、光光效效率率)、电电参参数数 (灯灯电电压压、电电流流、功功率率、电阻电阻)和寿命之间有着密切的关系。和寿命之间有着密切的关系。图图2-3 2-3 电压与灯参数的变化曲线电压与灯参数的变化曲线第三十页，讲稿共七十四页哦二、气体放电光源二、气体放电光源定义：定义：利用气体放电原理制成的光源称为气体放电利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。光源。l l 电流通过气体媒质时的放电现象称气体放电。电流通过气体媒质时的放电现象称气体放电。利用气体放电而发光的原理制成的灯，称为利用气体放电而发光的原理制成的灯，称为气体放电灯。气体放电灯。气体放电灯的光谱是不连续的（白炽灯的光气体放电灯的光谱是不连续的（白炽灯的光谱是连续的）谱是连续的）l l 气体光源发光颜色由其光辐射谱决定气体光源发光颜色由其光辐射谱决定第三十一页，讲稿共七十四页哦特点：特点：气体光源发光效率高，比同瓦数的白炽气体光源发光效率高，比同瓦数的白炽灯发光效率高灯发光效率高210倍，因此具有节能的特点。倍，因此具有节能的特点。l l 气体放电灯发出的热量小，气体光对电气体放电灯发出的热量小，气体光对电器和检测对象的温度影响小。器和检测对象的温度影响小。l l 对电压稳定性的要求也比白炽灯低。对电压稳定性的要求也比白炽灯低。l l 结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电结构紧凑。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。极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击。l l 寿命长。一般比白炽灯寿命长寿命长。一般比白炽灯寿命长510倍。倍。l l 光色适应性强，可在很大范围内变化。光色适应性强，可在很大范围内变化。第三十二页，讲稿共七十四页哦原理：原理：l l气气体体放放电电光光源源制制作作时时，在在灯灯中中充充入入发发光光用用的的气气体体，如如氢氢、氦氦、氘氘、氙氙、氪氪等等，或或金金属属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。l l在电场作用下激励出电子和离子气体变成导电体。在电场作用下激励出电子和离子气体变成导电体。l l 当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量。l l 当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。部分内层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部分内层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可见辐射或紫外、红外辐射。射出可见辐射或紫外、红外辐射。气体放电光源的种类很多，主要按下列方法分类：气体放电光源的种类很多，主要按下列方法分类：l l按气体放电类型分：有辉光放电灯、弧光放电灯和高频放电灯等。按气体放电类型分：有辉光放电灯、弧光放电灯和高频放电灯等。l l按放电时灯内气体压强分：有低压放电灯、高压放电灯和超高压放电灯等。按放电时灯内气体压强分：有低压放电灯、高压放电灯和超高压放电灯等。按放电发光物质的种类分：有汞灯、钠灯、各种金属卤化物灯和稀有气体灯按放电发光物质的种类分：有汞灯、钠灯、各种金属卤化物灯和稀有气体灯(如氙如氙灯、氖灯、氪灯等灯、氖灯、氪灯等)。按灯的电极形式分：有冷阴极气体放电灯、热阴极气体放电灯和无极气体放电灯。按灯的电极形式分：有冷阴极气体放电灯、热阴极气体放电灯和无极气体放电灯。第三十三页，讲稿共七十四页哦气气体体光光源源发发光光颜颜色色由由其其光光辐辐射射谱谱决决定定。辉辉光光放放电电的的正正柱柱光光辉辉在在空空气气中中略略带带红红色色，在在汞汞汽汽中中为为绿绿色色，在在氖氖气气中中为为红红紫紫色色，在在钠钠蒸蒸汽汽中中为为黄黄色色等等。改改变变气气体体或或蒸蒸汽汽的的成成份份、气气体体压压力力及及放放电电电电流流的的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。根根据据充充气气压压力力的的不不同同，可可分分为为低低气气压压放放电电灯灯和和高高气气压压放放电电灯灯。低低压压汞汞灯灯、氢氢灯灯、镉镉灯灯、氦氦灯灯是是光光谱谱仪仪器器中中常常用用的的光光源源，统统称称为为光光谱谱灯灯。而而利利用用高高压压或或超超高高压压氙氙气气放放电电发发光光而而制制成成的的氙氙灯灯适适合合于于码码头头、车车站站等等大大面面积积照照明明，有有时时也也作作为为布布匹匹的的颜色检验，塑料、橡胶的老化试验等的光源。颜色检验，塑料、橡胶的老化试验等的光源。第三十四页，讲稿共七十四页哦除除上上述述热热辐辐射射光光源源和和气气体体放放电电光光源源外外，根根据据特特定定的的用用途途还还可可以以采采用用其其它它辐辐射射能能源源。例例如如测测量量钢钢板板厚厚度度、管管壁壁差、不透明介质的水平面等。一般利用硬射线光差、不透明介质的水平面等。一般利用硬射线光X射线、丫射线或射线、丫射线或射线。射线。另另外外，直直接接利利用用自自然然照照度度作作为为光光源源，例例如如照照明明灯灯的的自自动动控控制制。检检测测有有辐辐射射性性质质的的对对象象，其其本本身身可可作作为为辐辐射射能源，光电高温计测量发热体的温度都属于这一类。能源，光电高温计测量发热体的温度都属于这一类。由由于于上上述述特特点点，气气体体放放电电灯灯具具有有很很强强的的竞竞争争力力，因因而而发发展很快，并在光电测量和照明工程中得到广泛使用。展很快，并在光电测量和照明工程中得到广泛使用。表表1列列出出了了常常用用的的气气体体放放电电灯灯的的种种类类、性性能能以以及及它它们们的的主主要要应应用用领领域域。（气气体体放放电电光光源源种种类类较较多多，这这里里就就光光学仪器中常用的几种光源作简要介绍）学仪器中常用的几种光源作简要介绍）第三十五页，讲稿共七十四页哦表表22常用气体放电灯的种类、性能和主要应用领域常用气体放电灯的种类、性能和主要应用领域序号序号种种类类主要性能主要性能应应用用1汞灯：汞灯：(1)低压汞灯低压汞灯冷阴极辉光放电灯冷阴极辉光放电灯辐射强的辐射强的2537nm远紫外线远紫外线杀菌、荧光分析、光谱仪波长基准杀菌、荧光分析、光谱仪波长基准热阴极弧光放电灯热阴极弧光放电灯荧光灯荧光灯2537nm激发荧光粉发光激发荧光粉发光室内照明室内照明(2)高压汞灯高压汞灯紫外线高压汞灯紫外线高压汞灯主要辐射波长主要辐射波长365.0nm的近紫外线的近紫外线保健理疗、塑料和橡胶试验、荧光保健理疗、塑料和橡胶试验、荧光 分析、紫外探伤分析、紫外探伤仪器高压汞灯仪器高压汞灯主要辐射波长主要辐射波长365.0nm的近紫外线的近紫外线光刻机、光学仪器光刻机、光学仪器普通高压汞灯普通高压汞灯辐射辐射404.7nm、435.8nm、546.1nm、大面积照明大面积照明577nm等光谱等光谱荧光高压汞灯荧光高压汞灯 汞的可见光谱，汞的可见光谱，365nm激发的荧光辐射激发的荧光辐射厂矿照明厂矿照明(3)超高压汞灯超高压汞灯紫外可见辐射丰富，亮度高紫外可见辐射丰富，亮度高荧光分析、光刻、光学仪器荧光分析、光刻、光学仪器2钠灯钠灯（1)低压钠灯低压钠灯辐射辐射589.0nm和和589.6nm黄色谱线黄色谱线偏偏振振仪仪，旋旋光光仪仪，波波长长基基准准(2)高压钠灯高压钠灯光效高达光效高达90-100ImW，寿命长，光色金白，寿命长，光色金白大面积照明大面积照明第三十六页，讲稿共七十四页哦种类种类 主要性能主要性能应用应用3、金属卤化物灯、金属卤化物灯(1)镝灯镝灯光效高达光效高达70ImW，光色好，光色好，Ra为为80电影、电视摄影、照电影、电视摄影、照 相制版、投影仪、相制版、投影仪、植物温室照明植物温室照明(2)铊铟灯铊铟灯发兰绿色光，光效高发兰绿色光，光效高灯光诱鱼、水下照明灯光诱鱼、水下照明(3)碘化铊灯碘化铊灯发绿色光，光效高发绿色光，光效高水下照明、飞机着落信号灯水下照明、飞机着落信号灯4、氙灯、氙灯(1)长弧氙灯长弧氙灯紫外可见连续光谱，光色接近日光紫外可见连续光谱，光色接近日光大面积照明、材料老化试验大面积照明、材料老化试验(2)短弧氙灯短弧氙灯高亮度点光源，光色接近日电影放映、光学仪器、摄影制版高亮度点光源，光色接近日电影放映、光学仪器、摄影制版(3)脉冲氙灯脉冲氙灯连续光谱，脉冲闪光连续光谱，脉冲闪光0.2一一1ms激光器光泵、测速、激光器光泵、测速、照相、光信号照相、光信号5、空心阴极、空心阴极辐射阴极金属辐射阴极金属(合金合金)的原子光谱线的原子光谱线原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计6、氘灯、氘灯辐射辐射190400nm连续紫外光谱连续紫外光谱紫外分光光度计紫外分光光度计7、氢灯、氢灯辐射辐射434.1nm、486.1nm和和656.3nm谱线谱线干涉仪、分光计、偏振仪干涉仪、分光计、偏振仪8、氦灯、氦灯辐射辐射587.6nm和和706.5nm谱线谱线9、真空紫外灯、真空紫外灯HeI和和HeI谱线谱线58.4nm、30.4nm单能光子源、真空紫外单能光子源、真空紫外波长基准波长基准10、无极放电灯、无极放电灯(汞汞)气体发光、荧光；无电极，寿命长气体发光、荧光；无电极，寿命长长寿命特殊照明、印刷制版长寿命特殊照明、印刷制版第三十七页，讲稿共七十四页哦三、场致发光光源三、场致发光光源l l 场致发光源是固体发光源。场致发光源是固体发光源。l l场致发光是固体在电场的作用下将电能直接转换为光能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，也称为电致发光。的发光现象，也称为电致发光。场场致致发发光光最最早早发发现现于于19231923年年，但但当当时时并并没没有有引引起起人人们们的的普普遍遍注注意意。随随着着近近代代技技术术的的发发展展，对对发发光光光光源源和和器器件件提提出出了了新新的的要要求求。例例如如，电电子子仪仪器器的的固固体体化化和和小小型型化化，要要求求显显示示的的固固体体化化，新新的的照照明明技技术术和和显显象象技技术术的的发发展展，要要求求对对新新的的发发光光材材料料作作深深入入的的研研究究。场场致致发发光光不不但但能能使使人人们们得得到到全全固固体体化化的的光光源源，而而且且为为全全固固体体化化显显示示开辟了途径。开辟了途径。第三十八页，讲稿共七十四页哦 目目前前常常见见的的场场致致发发光光有有三三种种形形态态，即即粉粉末末、薄薄膜膜和和结结型型。有有场场致致发发光光本本领领的的固固体体材材料料很很多多，但但达达到到实实际际应应用用水水平平的的主主要要是是族族和和V V族族化化合合物物半半导导体体。族族化化合合物物既既是是发发光光效效率率很很高高的的光光致致发发光光和和阴阴极极射射线线发发光光材材料料，亦亦是是目目前前用用于于实实际际的的唯唯一一的的粉粉末末和和薄薄膜膜场场致致发发光光材材料料。V V族族发发光光材材料料则则在在发发光光二二极极管管方方面面得得到到广泛应用。广泛应用。1 1、粉末场致发光光源、粉末场致发光光源 按按激激发发方方式式不不同同，场场致致发发光光光光源源有有交交流流电电场场激发和直流电场激发两种。激发和直流电场激发两种。第三十九页，讲稿共七十四页哦1玻璃基板 2透明导电膜（SnO2）3发光材料 4Ti2O反射层 5背电极（金属）6防潮树脂7防潮盖板 图26 交流粉末场致发光光源 1）交流粉末场致发光光源）交流粉末场致发光光源第四十页，讲稿共七十四页哦交交流流粉粉末末场场致致发发光光光光源源采采用用的的发发光光材材料料(通通常常为为ZnSZnS：Cu)Cu)悬悬浮浮在在介介电电系系数数很很高高、透透明明而而又又绝绝缘缘的的胶胶合合介介质质中中，并被两电极所挟持。并被两电极所挟持。l l高介电系数的反射层不仅能有效地反射光，而且还防止击穿。高介电系数的反射层不仅能有效地反射光，而且还防止击穿。l l 当在两电极间加上交变电场时，粉末就会产生场致发光。当在两电极间加上交变电场时，粉末就会产生场致发光。l l场致发光光源的亮度场致发光光源的亮度L L与所加的交流电压幅度与所加的交流电压幅度V V和频率和频率f f有关。有关。l l场致发光的颜色随基质和激活剂的不同，可以有兰、绿、黄、场致发光的颜色随基质和激活剂的不同，可以有兰、绿、黄、红等各种颜色。红等各种颜色。l l 外加电压的频率对发光的颜色也有影响外加电压的频率对发光的颜色也有影响第四十一页，讲稿共七十四页哦l外外加加电电压压的的频频率率对对亮亮度度的的影影响响：在在较较低低频频率率下下，亮亮度度随随频频率率线线性性增增加加。频频率率高高到到一一定定范范围围，亮亮度度就就出出现现饱饱和和趋趋势势。饱饱和和频频率率的的高高低低随随具具体体发发光光材材料料的的种种类类而而变变。对对同同一一种种发发光材料，电压越高，饱和频率也越高。光材料，电压越高，饱和频率也越高。l外外加加电电压压的的频频率率对对发发光光颜颜色色的的影影响响：常常用用的的场场致致发发光光光光源源的的光光谱谱能能量量分分布布通通常常包包含含两两个个谱谱带带，一一个个绿绿带带，一一个个兰兰带带。随随着着频频率的增高，兰带相对增强，而发光颜色由黄绿向兰改变。率的增高，兰带相对增强，而发光颜色由黄绿向兰改变。l如如果果交交流流场场致致发发光光的的外外加加激激发发电电压压是是随随时时间间变变化化的的，相相应应的的发发光光亮亮度度也也随随时时间间而而变变化化，这这种种变变化化的的图图形形称