《光源光电检测》PPT课件.ppt
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1、第二章第二章 光光电检测电检测系系统统的的发发光光光光源源 要内容要内容2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性光源的特性参数参数2.2 非相非相光源光源2.3 相相光源光源2.4 宽带宽带相相光源光源2.1.1光源的分光源的分类类随随2.1光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数按照光波在时间空间的相特征一般将光源分成相光源非 相光源有相光源如 2-1所示非相光源光 源相光源激光非线性光学器照明光源显示光源信息处理用光源相光源发光二极管LED 超辐射发光二极管 掺杂光纤超荧光宽带光源气体激光器 固体激光器 料激光器 半导体激光器 等离子激光器太 气体放电灯荧光灯 炽灯 全辐射体
2、黑体极射线管 等离子体管 荧光显示器 液晶显示器 场致发光显示器 2-1 光源的分类随随2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数按照发光机理光源以分成热辐热辐射光源射光源气体气体发发光光源光光源固体固体发发光光源和激光器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辐射光能的光源包括炽灯和卤钨灯种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光放电和辉光放电种3固体发光光源电场作用使固体物质发光的光源电能直 接转光能包括场致发光光源和发光二极管LED种4激光器按作物质分类分气体激光器固体激光器燃料激光器和半导体激光器 光源的特性参数光源
3、的特性参数随随2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数1.辐辐射效率和射效率和发发光效率光效率 在定还1还2波长范围内某一辐射发的辐射通量产生辐射通量所需的电功率之比该辐射源在规定光谱范围内的辐射效率即PP e()dKm ee212-1式中光通量K光谱光视效能K(还)的大值一常数em683 lm/W在定还1还2波长范围内某一辐射体光源所发射的光通 量产生光通量所需的电功率之比就是该光源的发射效率 即 随随2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数表2-1中所列的一常用光源的发光效率表2-1 常用光源的发光效率21e()V()dmvvKPP2-2单Im/W流
4、明每瓦式中光谱光视效率V()K()/Km光源种类发光效率Im/W光源种类发光效率Im/W普通钨丝灯818高压汞灯3040卤钨灯1430高压灯90100普通荧光灯3536球形灯3040基色荧光灯5590金属卤化物灯6080随随2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数2.光光谱谱功率分功率分光源发的大都是单色光组成的复色光而且在同频率辐 射的光功率大小同常用光谱功率分来述光功率和频率 的种关系经过一化后的光功率分相对光谱功率分 如果被考虑的光源是一个黑体它的光谱功率分以用普朗克 公式计算来光源光谱功率分有4种情况如 2-2所示 2-2a 线状光谱由若条明显分隔的细线组成 2-2
5、b带状光谱它由一分开的谱带组成每一谱带中包含许多连续的 细谱线 2-2c连续谱线光源发的谱线连成一片 2-2d是混合谱线它由连续光谱线带光谱混合而成随随2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数 2-2 型的光谱功率分形式在选择光源时它的光谱功率分由测量对象的要求来定 在目视光学系统中一般采用光谱辐射比较丰富的光源对于彩 色摄影用光源了获得较好的色彩原采用类似于日光色的光 源如卤钨灯灯等在紫外光光计中通常使用灯汞灯 等紫外辐射较强的光源3.空空间间光光强强分分随随2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数常用发光强矢量和发光强曲线来述光源的种特性在空 间某一
6、截面自原点向各向矢量矢量的长该方向的发光强 成比发光强矢量将各矢量的端点连起来就得到光 源在该截面的发光强分曲线也配光曲配光曲线线 2-3是气体发光 光源光强分 2-3 气体发光光源光强分随随2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数4.光源的光源的颜颜色色光源的颜色包含方面的含即色表和色表和显显色性色性用眼睛直接察光源时所看到的颜色光光源源的的色色表表例如高压 灯的色表呈黄色荧光灯的色表呈色光源照射物体时物体呈的颜色也就是物体射光在人眼 内产生的颜色感觉该物体在完全辐射体照射所呈的颜色的一 致性该光光源源的的显显色色性性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
7、场合如彩色电影彩色电视的拍摄和放 映燃料彩色印刷等业随随2.1 光源的分光源的分类类以以光源的特性参数光源的特性参数5.光源的色温光源的颜色温的种关系引了颜色温的概念简色色 温温一般光源经常用色温色温相关色温和分相关色温和分温温来表示1色温如果辐射源发的光的颜色黑体在某一温辐射 的光的颜色相同则黑体的一温该辐射源的色温由于一种颜 色以由多种光谱分产生所以色温相同的光源它们的相对光谱功 率分一定相同2相关色温若一个光源的颜色任何温的黑体辐射的颜色 都相同时的光源用相关色温表示在均匀色 中如果光源的 色标点某一温的黑体辐射的色标点接则该黑体的温个光源的相关色温3分温辐射源在某一波长范围内辐射的相对
8、光谱功率分 黑体在某一温辐射的相对光谱功率分一致那该黑体的 温就个辐射源的分温选择光源时综合考虑光源的强强稳稳定性定性光光谱谱特性特性等性能 气体放气体放电电光源光源随随 2.2 非相非相光光源源利用气体放电原理制成的光源气气体体放放电电光光源源离子向极 电子向极动时电场中得到加它们气体原子或分子高 碰撞时会激励 的电子和离子在碰撞过程中有电子会跃迁到高能 引起原子的激发激原子回到能时会发射相的辐射 的发光机制被气体放气体放电电原理原理气体放电光源 有以共同的特点 1发光效率高比同瓦数的炽灯发光效率高210倍因 有节 能的特点2由于靠灯丝本身发光电极以做得牢固紧凑耐震3寿命长一般比炽灯寿命长2
9、10倍 4光色适性强在很大范围内化随随 2.2 非相非相光光源源1.灯灯特点特点在极短的时间内发很强的光辐射结结构和构和作作电电路原理路原理如 2-4所示直流电源电压Uo经充电电阻R使 储能电容C充电到作电压UcUc一般于灯的穿电压Us而 高于灯的着火电压Uz灯的灯管外绕有触发丝作时在触发丝 施加高的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中储着大量能量在极短的时间内通 过灯产生极强的闪光 2-4 灯作电路原理随随 2.2 非相非相光光源源照相用的万次闪光灯就是一种 灯灯 灯的辐射光谱是连续的日光的光谱能量分相接 2-5色温6000K右显 色指数90以因有“小太”
10、之 2-5 短灯光谱能量分灯分长长 灯灯短短 灯和灯和 灯灯长灯的发光效率 2530 Im/W发光时能量达几千焦耳闪光时间有几毫秒有 很大的瞬时功率随随 2.2 非相非相光光源源常的灯有 灯灯 2-6是灯的外形紫外光谱分 灯的紫外线辐射强高稳定性好寿命长常用作各种紫外 分光光计的连续紫外光源中 计量院用灯作200250nm的 标准辐射光源 2-6灯随随 2.2 非相非相光光源源2.原子光谱灯原子光谱灯空心极灯结构如 2-7所示极和圆筒极封在玻璃壳内玻壳部有一透明石英窗作时窗口透射 放电辉光中要是极金属的原子光 谱空心极放电的电流密比常辉光 高001倍以电流虽大但温高因 发光的谱线仅强大而且波长
11、宽小 2-7 原子光谱灯结构原理原子光谱灯的要作用引引标标准准谱谱线线 光光束束确确定定标标准准谱谱线线的的分分光光置置以以确确定定 吸吸收收光光谱谱中的特征波中的特征波长长 等要用于元 素特别是微量元素光谱分析的装置中 随随 2.2 非相非相光光源源3.汞灯汞灯汞灯分压压汞灯汞灯高高压压汞灯和超高汞灯和超高压压汞灯汞灯类它们的光谱能量 分如 2-8所示 2-8 汞灯光谱能量分随随 2.2 非相非相光光源源气体放电灯足之处冷态阻大起动后阻急剧小的特 点特性类似于电特性启动后内阻太小得采用限流 施即所谓用镇流器来限制电流使得灯 的接线较炽灯麻烦得多荧光灯要是由汞放电产生的紫外线辐射激发荧光粉层而
12、发光 的气压放电灯电源输入后电流会流过电极钨丝的温 升同时电子放射物质的温也升大量的热电子被释放个 热电子在极间加压由负极流向极成管内电流的流动在 管内撞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光 有灯光和发光效率高显色性能优良寿命长等优点 场致发光光源随随 2.2 非相非相光光源源场致发光光源是固体在电场的作用将电能直接转换光能的发 光象也电致发光也是一种常的非相光源面介绍几 种固体场致发光器1.交流粉交流粉 场场致致发发光屏光屏该发光屏的结构如 2-9所示中铝箔和透明导电膜作个 电极透明导电膜通常用化锡制成高介电常数的射层常用陶瓷 或钛酸等制成用以射光束将光集中
13、到方输玻璃板起支 撑保护和透光作用使发光屏发光均匀每层的厚都十分均 匀随随 2.2 非相非相光光源源 2-9 交流粉 场致发光屏1-玻璃板 2-荧光粉层 3-高介电常数射层 4-铝箔 5-玻璃板 6-透明导电层交流粉 场致发光屏的作原理作原理是由于发光屏电极间距离很 小所以在微小电压的作用就得到足够高的电场强粉层中自 由电子在强电场作用加而获得很高的能量它们撞发光中心使激发而处于激发态激发态复原基态时产生复合发光由于荧 光粉电极之间有高介电常数的缘层自由电子并导走而是被束 缚在极在交流电的负半周时电极极性换自由电子在高电 场作用向 极的方向也就是向半周时相的方向加 复述过程使之断发光交流发光屏
14、的作特性所加电压U和频率f有关如 2-10所示 f一定时发光亮的经验公式 随随 2.2 非相非相光光源源0 )1/2 L L exp(0UU2-3式中L0和U0是发光屏初的发光 亮所加电压1 t/t0L0L 2-4式中t0是作频率有关的时间常数交流粉 场致发光屏优点光光发发射角大射角大光光线线和和寿命寿命长长功耗小功耗小 发发光响光响快快发热发热缺点发光亮驱动电压高和化快 2-10 发光亮频率和电压的关系曲线发光屏作时间t增加而化使光亮降化过程表示随随 2.2 非相非相光光源源2.直流粉 场致发光屏种发光屏结构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ZnSMnCu发橙黄色的光
15、优点是驱动电路简单制艺简单和成本 它适宜在激发作要用于数码符和矩的显示随随 2.2 非相非相光光源源3.薄膜场致发光屏薄膜场致发光屏结构原理如 2-11所示在薄膜的电极间施加 适的电压就发光一般有交流交流和直流薄膜直流薄膜场场致致发发光光屏种形式 2-11 薄膜发光屏1-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要有橙黄和绿种颜色作电压1030V电流 密0.1mA/mm2发光亮3 cd/m2发光效率10-4 lm/W 寿命大于1000小时直接用集成电路驱动 交流薄膜发光屏有橙和绿种颜色作电压100300V频率由 几十到几千赫发光亮达几cd/m2发光效率10
16、-3 lm/W 寿命5000小时以随随 2.2 非相非相光光源源薄膜发光屏的要特点均匀致密分辨力高对比好驱动电压用于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固体化板化因而靠安全占地小易于安装2面形状几乎限制因以通过光刻透明导电膜和金属 电极 蔽镀膜的方法制成任意发光 形3属于无红外辐射的冷光源因而蔽性好对周围境没有影响4视角大光线和易于察5寿命长连续使用几千小时而发光会突然全部熄灭6功耗几毫瓦/厘米27发光易于通过电压控制 场致发光光源缺点亮较一般使用亮50 cd/m2 右驱动电压高通常需伏化快等 随随 2.2 非相非相光光源源场致发光光源要用于述几个方面1特殊照明如仪表表
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