光電檢測(cè)技術(shù)第二章

光電檢測(cè)技術(shù)第二章第一頁，共七十四頁，2022年，8月28日第二章主要內(nèi)容§2.1光的產(chǎn)生§2.2光電儀器中的常用光源§2.3發(fā)光二極管§2.4激光光源§2.5其他光源第二頁，共七十四頁，2022年，8月28日§2.1

光的產(chǎn)生

一、光的輻射l光是從實(shí)物中發(fā)射出來的，是以電磁波傳播的物質(zhì)l粒子在不斷地運(yùn)動(dòng)：原子內(nèi)有若干電子圍繞原子核不斷運(yùn)動(dòng)l

運(yùn)動(dòng)有多種可能狀態(tài)l不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子具有不同能量l當(dāng)它們的運(yùn)動(dòng)受到騷擾時(shí)就可能發(fā)射出電磁波。

第三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

假設(shè)E0、E1為電子的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，E0為基態(tài)，電子受激獲得一定能量而躍遷到激發(fā)態(tài)E1，當(dāng)電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，能量從E1變到E0，此時(shí)發(fā)射光子的頻率為：

式中：h為普朗克常數(shù)，h=6．62×10-27爾格·秒=4.13×l0-15eV·S第四頁，共七十四頁，2022年，8月28日

應(yīng)用：由于原子中有很多可能的能級(jí)，而原子受激后可發(fā)射出多種頻率的光。因此，利用光的頻率分立特性，用適當(dāng)?shù)膬x器可以把它們分辯出來。（分立的線光譜稱為原子光譜，其中每一條譜線代表一個(gè)頻率的光。）（一）熱輻射l溫度輻射的頻率與強(qiáng)度取決于熱平衡時(shí)的溫度l任何高于絕對(duì)溫度0K的物體都具有熱輻射。l自然界中的任何物體都是熱輻射體。溫度低的物體發(fā)紅外輻射，500。C左右時(shí)物體的溫度輻射開始發(fā)部分暗紅色的可見光。溫度越高，發(fā)出的輻射波長(zhǎng)越短；大約在1500。C時(shí)的溫度輻射體開始發(fā)白光。熱輻射光譜是連續(xù)光譜。應(yīng)用：熱輻射是紅外探測(cè)技術(shù)和溫度非接觸測(cè)量的依據(jù)。（二）發(fā)光輻射第五頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、光的產(chǎn)生方法

激勵(lì)可以使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生光，外界提供激勵(lì)能的形式可有多種方式，常用的有以下幾種方法：電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、熱發(fā)光和場(chǎng)致發(fā)光。

1．電致發(fā)光物質(zhì)中的原子或離子受到被電場(chǎng)加速的電子的轟擊，使原子中的電子從被加速的電子那里獲得動(dòng)能，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)；當(dāng)它由受激狀態(tài)回復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)出輻射。這一過程稱為電致發(fā)光。例如：發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光就是電致發(fā)光。第六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

2．光致發(fā)光

物體被光直接照射或預(yù)先被照射而引起自身的輻射稱為光致發(fā)光。例如：l

熒光、示波管、顯象管、日光燈等中熒光物質(zhì)的余輝；鈉光燈被另一鈉光燈照射發(fā)出的黃光(稱為共振輻射)；l短波長(zhǎng)的紫外光照射到雜質(zhì)(油污)上發(fā)出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見熒光。光致發(fā)光原理

當(dāng)光投射到物質(zhì)上時(shí)，光子直接與物質(zhì)中的電子起作用(吸收、動(dòng)量傳遞等)，引起電子能態(tài)的改變，電子由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)過程中發(fā)出輻射。第七頁，共七十四頁，2022年，8月28日

3．化學(xué)發(fā)光由化學(xué)反應(yīng)提供能量而引起的發(fā)光，稱化學(xué)發(fā)光。例如：磷在空氣中緩慢氧化而發(fā)光。

4．熱發(fā)光

物體被加熱到一定溫度而發(fā)光，稱熱發(fā)光。例如：鈉或鈉鹽在火焰中發(fā)出的鈉黃光。熱發(fā)光的原理是特定的材料在特定的溫度下才可能發(fā)光。火焰中的原子、離子或電子具有足夠的動(dòng)能去碰撞達(dá)到一定溫度的鈉原子，使鈉原子受激而發(fā)光，其光譜為線光譜。第八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

實(shí)際上，物質(zhì)受激而發(fā)光是很復(fù)雜的，有些同屬幾種受激過程。例如：l

白熾燈中鎢絲通以電流會(huì)發(fā)光，本質(zhì)是電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱發(fā)光；l

物質(zhì)加熱后燃燒發(fā)的光通常是氧化化學(xué)反應(yīng)發(fā)光；平衡和非平衡輻射：

l

激發(fā)發(fā)光是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉(zhuǎn)換成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。l

溫度輻射是一種能達(dá)到平衡狀態(tài)的輻射。也稱熱輻射，即熱平衡狀態(tài)的輻射。

第九頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、光源分類定義：

一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人造的，都稱為光源。l

天然光源：是自然界中存在的：如太陽、恒星等，在天文光電探測(cè)中，常常會(huì)遇到這些光輻射的測(cè)量。l

人造光源：人為將各種形式的能量(熱能、電能、化學(xué)能)轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件。其中利用電能產(chǎn)生光的器件稱為電光源，在一般光電測(cè)量系統(tǒng)中，電光源是最常見的光源。第十頁，共七十四頁，2022年，8月28日分類：按照發(fā)光機(jī)理，光源可以分成如下幾類：

太陽

熱輻射光源

白熾燈、鹵鎢燈

黑體輻射器

汞燈

熒光燈

鈉燈

氣體放電光源

氙燈光源

金屬鹵化物燈

空心陰極燈

場(chǎng)致發(fā)光固體發(fā)光光源，

發(fā)光二極管

氣體激光器

固體激光器

激光器

染料激光器

半導(dǎo)體激光器

第十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日§2.2光源的基本特性參數(shù)一、輻射效率和發(fā)光效率

定義1：

在給定λ1—λ2波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。

第十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日第十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

（1）從ηe、ην可以看出，如果光電測(cè)量系統(tǒng)的光譜范圍為λ1~λ2，那么應(yīng)盡可能選用η較高的光源。（2）Km稱為明視覺最大光譜光視效能，它表示人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm[V（λ=555）=1]光輻射產(chǎn)生光感覺的效能，且λ1=380nm，λ2=780nm。實(shí)際上是光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。（3）V（λ）稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”光譜光視效率，或稱視見函數(shù)。第十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、光譜功率分布定義：自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為l，將光譜功率分布進(jìn)行規(guī)一化處理，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)光譜功率分布。第十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日

光源的光譜功率分布通?？煞殖伤姆N情況：l

圖a為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細(xì)線組成。如低壓汞燈。l

圖b稱為帶狀光譜，由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細(xì)譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。l

圖c為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜。l

圖d為混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成。一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。

第十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日P（λ）λoP（λ）λoP（λ）λoP（λ）λo圖2—1四種典型的光譜功率分布第十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日應(yīng)用：在選擇光源時(shí)，光譜功率分布應(yīng)由測(cè)量對(duì)象的要求來決定。l

在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。l

彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。l

在紫外分光光度計(jì)中，通常使用氘燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強(qiáng)的光源。l

在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。l

為了進(jìn)一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點(diǎn)位于光源的發(fā)光中心上。第十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

三、空間光強(qiáng)分布

對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的。若在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量的長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點(diǎn)連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。第十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日四、光源的色溫l

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。（在任何溫度下可以全部吸收任何波長(zhǎng)輻射的物體稱為絕對(duì)黑體,簡(jiǎn)稱黑體）l

對(duì)非黑體輻射，它的某些特性常可用黑體輻射的特性來近似地表示。l

對(duì)于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。第二十頁，共七十四頁，2022年，8月28日1．

分布溫度

定義：輻射源在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。

2．

色溫

定義：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對(duì)光譜功率分布不一定相同。3．

相關(guān)色溫

定義：對(duì)于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)的光源用相關(guān)色溫表示。在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。

第二十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日五、光源的顏色

光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。例如高壓鈉燈的色表呈黃色。熒光燈的色表呈白色。當(dāng)用這種光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色(也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺)與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。白熾燈、鹵鎢燈、鏑燈等幾種光源的顯色性較好，適用于辨色要求較高的場(chǎng)合，如彩色電影、彩色電視的拍攝和放映、染料、彩色印刷等行業(yè)。高壓汞燈、高壓鈉燈等光源

第二十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日§2.3光電檢測(cè)常用光源

激光和發(fā)光二極管是檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用廣泛的光源。本節(jié)還另外介紹幾種光源：熱輻射光源、氣體放電光源和場(chǎng)致發(fā)光光源。一、熱輻射光源

定義：任何物體只要其溫度大于絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。例如：爐上的一塊鐵，剛開始加熱時(shí)，溫度較低呈暗紅色。若繼續(xù)加熱，隨著溫度的升高，鐵塊的顏色會(huì)由暗紅色逐漸變?yōu)闊氚祝野l(fā)光也更明亮。熱輻射源遵循有關(guān)黑體的定律。第二十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日1、太陽

太陽可看成是一個(gè)直徑為1.392×109m的光球。它到地球的年平均距離是1.496×1011m。因此從地球上觀看太陽時(shí)，太陽的張角只有0.5330。大氣層外的太陽光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。在大氣層外，太陽對(duì)地球的輻照度值在不同的光譜區(qū)所占的百分比為：

紫外區(qū)(<0.38um)6.46%

可見區(qū)(0.38—0.78um)46.25%

紅外區(qū)(>0.78um)47.29%

射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽輻射的光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復(fù)雜，其中氧(02)、水汽(H20)、臭氧(03)、二氧化碳(C02)、一氧化碳(CO)和其它碳?xì)浠衔?如CH4)等，都在不同程度上吸收了太陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)。第二十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日2、黑體模擬器

在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。黑體總輻射強(qiáng)度和它的溫度的四次方成正比。實(shí)際工作溫度的精確測(cè)量和控制是黑體輻射能（穩(wěn)定）產(chǎn)生的關(guān)鍵。目前的黑體模擬器最高工作溫度為3000K，而實(shí)際應(yīng)用的大多是在2000K以下。第二十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日3、白熾燈

定義

白熾燈發(fā)射的是可見光連續(xù)光譜，它是在電源供電下，依靠電能加熱金屬絲使它在真空或惰性氣體中達(dá)到白熾狀態(tài)而發(fā)光的器件，因此稱為白熾燈。

燈絲要求①熔點(diǎn)高，可適用于較高的工作溫度，從而使光源發(fā)光光譜向短波方向移動(dòng)；②蒸發(fā)率小，要求在高溫?zé)霟釛l件下蒸發(fā)愈小愈好，以提高白熾燈的使用壽命；③對(duì)可見光的輻射效率高，從而產(chǎn)生較多的可見光輻射；④其他要求，如加工性能、機(jī)械性能等。

第二十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日分類真空白熾燈

玻殼內(nèi)真空條件的作用是保護(hù)鎢絲，使其不被氧化。它的功率不太大，其燈絲溫度常在2300～2800K之間，發(fā)光效率約為10lm/W，進(jìn)一步增加鎢的工作溫度會(huì)導(dǎo)致鎢的蒸發(fā)率急劇上升，從而縮短壽命。充氣白熾燈

在燈泡中充入不和鎢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體氬、氮或氬和氮的混和氣體。當(dāng)燈絲在高溫下蒸發(fā)的鎢原子與氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞時(shí)，部分鎢原子返回?zé)艚z表面，抑制鎢的蒸發(fā)。因此，在與真空型燈泡同樣壽命的條件下，充氣鎢絲白熾燈的工作溫度可以提高到2600～3000K左右，相應(yīng)的光效提高到17lm/W。鹵鎢白熾燈

在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑（如氯化碘、溴化硼等），在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán)。第二十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日

圖2－4鹵鎢循環(huán)工作原理圖

第二十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

鹵鎢燈的特點(diǎn)

鹵鎢燈也是利用電能使燈絲發(fā)熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光的電光源。但它具有較高的發(fā)光效率和較長(zhǎng)的使用壽命，得到了方泛應(yīng)用。與白熾燈相比，它有許多優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積小，是同功率白熾燈的0.5%~3%，因而可使光學(xué)系統(tǒng)小型化；

(2)光通量穩(wěn)定，最終的光通量為開始的95％~98％，而白熾燈為60％；

(3)紫外線較豐富，因鹵鎢燈的燈絲溫度較高，而且它的泡殼也能通過紫外輻射，所以可作為紫外輻射源用于光譜輻射測(cè)量方面；

(4)發(fā)光效率比白熾燈高2—3倍；

(5)壽命長(zhǎng)。鹵鎢燈的缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，另外它的管壁溫度高，應(yīng)注意安全，以免燒毀其它物質(zhì)。第二十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日白熾燈的性能

此外，白熾燈的性能與電壓有顯著關(guān)系，在額定電壓下工作正常，升高電壓將會(huì)縮短燈的使用壽命，甚至燒毀。如欲延長(zhǎng)白熾燈的使用壽命，工作電壓應(yīng)比額定電壓低，但光適量及發(fā)光效能也隨之減少。白熾燈的光參數(shù)(光通量、光效率)、電參數(shù)(燈電壓、電流、功率、電阻)和壽命之間有著密切的關(guān)系。圖2-3電壓與燈參數(shù)的變化曲線

第三十頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、氣體放電光源定義：利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。l 電流通過氣體媒質(zhì)時(shí)的放電現(xiàn)象稱氣體放電。利用氣體放電而發(fā)光的原理制成的燈，稱為氣體放電燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的（白熾燈的光譜是連續(xù)的）l氣體光源發(fā)光顏色由其光輻射譜決定第三十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日特點(diǎn)：氣體光源發(fā)光效率高，比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2~10倍，因此具有節(jié)能的特點(diǎn)。

l氣體放電燈發(fā)出的熱量小，氣體光對(duì)電器和檢測(cè)對(duì)象的溫度影響小。

l對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求也比白熾燈低。

l結(jié)構(gòu)緊湊。由于不靠燈絲本身發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊，耐震、抗沖擊。

l壽命長(zhǎng)。一般比白熾燈壽命長(zhǎng)5~10倍。

l光色適應(yīng)性強(qiáng)，可在很大范圍內(nèi)變化。第三十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日原理：l 氣體放電光源制作時(shí)，在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氫、氦、氘、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鎘、鈉、銦、鉈、鏑等。l 在電場(chǎng)作用下激勵(lì)出電子和離子氣體變成導(dǎo)電體。l 當(dāng)離子向陰極、電子向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場(chǎng)中得到能量。l 當(dāng)它們與氣體原子或分子碰撞時(shí)會(huì)激勵(lì)出新的電子和離子。部分內(nèi)層電子會(huì)躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出可見輻射或紫外、紅外輻射。氣體放電光源的種類很多，主要按下列方法分類：l 按氣體放電類型分：有輝光放電燈、弧光放電燈和高頻放電燈等。l 按放電時(shí)燈內(nèi)氣體壓強(qiáng)分：有低壓放電燈、高壓放電燈和超高壓放電燈等。按放電發(fā)光物質(zhì)的種類分：有汞燈、鈉燈、各種金屬鹵化物燈和稀有氣體燈(如氙燈、氖燈、氪燈等)。按燈的電極形式分：有冷陰極氣體放電燈、熱陰極氣體放電燈和無極氣體放電燈。第三十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日氣體光源發(fā)光顏色由其光輻射譜決定。輝光放電的正柱光輝在空氣中略帶紅色，在汞汽中為綠色，在氖氣中為紅紫色，在鈉蒸汽中為黃色等。改變氣體或蒸汽的成份、氣體壓力及放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。根據(jù)充氣壓力的不同，可分為低氣壓放電燈和高氣壓放電燈。低壓汞燈、氫燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。而利用高壓或超高壓氙氣放電發(fā)光而制成的氙燈適合于碼頭、車站等大面積照明，有時(shí)也作為布匹的顏色檢驗(yàn)，塑料、橡膠的老化試驗(yàn)等的光源。第三十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日

除上述熱輻射光源和氣體放電光源外，根據(jù)特定的用途還可以采用其它輻射能源。例如測(cè)量鋼板厚度、管壁差、不透明介質(zhì)的水平面等。一般利用硬射線光

—X射線、丫射線或β射線。另外，直接利用自然照度作為光源，例如照明燈的自動(dòng)控制。檢測(cè)有輻射性質(zhì)的對(duì)象，其本身可作為輻射能源，光電高溫計(jì)測(cè)量發(fā)熱體的溫度都屬于這一類。由于上述特點(diǎn)，氣體放電燈具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，因而發(fā)展很快，并在光電測(cè)量和照明工程中得到廣泛使用。表1列出了常用的氣體放電燈的種類、性能以及它們的主要應(yīng)用領(lǐng)域。（氣體放電光源種類較多，這里就光學(xué)儀器中常用的幾種光源作簡(jiǎn)要介紹）第三十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日表2—2常用氣體放電燈的種類、性能和主要應(yīng)用領(lǐng)域序號(hào) 種類 主要性能 應(yīng)用1． 汞燈：

(1)低壓汞燈①冷陰極輝光放電燈輻射強(qiáng)的253．7nm遠(yuǎn)紫外線殺菌、熒光分析、光譜儀波長(zhǎng)基準(zhǔn)②熱陰極弧光放電燈 ③熒光燈 253．7nm激發(fā)熒光粉發(fā)光 室內(nèi)照明 (2)高壓汞燈①紫外線高壓汞燈主要輻射波長(zhǎng)365.0nm的近紫外線保健理療、塑料和橡膠試驗(yàn)、熒光分析、紫外探傷 ②儀器高壓汞燈 主要輻射波長(zhǎng)365.0nm的近紫外線光刻機(jī)、光學(xué)儀器 ⑧普通高壓汞燈輻射404.7nm、435.8nm、546.1nm、大面積照明

577nm等光譜④熒光高壓汞燈 汞的可見光譜，365nm激發(fā)的熒光輻射廠礦照明

(3)超高壓汞燈 紫外可見輻射豐富，亮度高 熒光分析、光刻、光學(xué)儀器 2 鈉燈（1)低壓鈉燈 輻射589.0nm和589.6nm黃色譜線 偏振儀，旋光儀，波長(zhǎng)基準(zhǔn) (2)高壓鈉燈光效高達(dá)90-100Im／W，壽命長(zhǎng)，光色金白大面積照明 第三十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日種類主要性能應(yīng)用3、金屬鹵化物燈(1)鏑燈 光效高達(dá)70Im／W，光色好，Ra為80 電影、電視攝影、照相制版、投影儀、植物溫室照明

(2)鉈銦燈 發(fā)蘭綠色光，光效高 燈光誘魚、水下照明 (3)碘化鉈燈 發(fā)綠色光，光效高 水下照明、飛機(jī)著落信號(hào)燈 4、氙燈(1)長(zhǎng)弧氙燈 紫外可見連續(xù)光譜，光色接近日光大面積照明、材料老化試驗(yàn) (2)短弧氙燈 高亮度點(diǎn)光源，光色接近日電影放映、光學(xué)儀器、攝影制版

(3)脈沖氙燈 連續(xù)光譜，脈沖閃光0.2一1ms 激光器光泵、測(cè)速、照相、光信號(hào) 5、空心陰極輻射陰極金屬(合金)的原子光譜線原子吸收分光光度計(jì) 6、氘燈 輻射190—400nm連續(xù)紫外光譜 紫外分光光度計(jì) 7、氫燈 輻射434.1nm、486.1nm和656.3nm譜線干涉儀、分光計(jì)、偏振儀 8、氦燈 輻射587.6nm和706.5nm譜線 9、真空紫外燈 HeI和HeI譜線58.4nm、30.4nm 單能光子源、真空紫外波長(zhǎng)基準(zhǔn) 10、無極放電燈(汞)氣體發(fā)光、熒光；無電極，壽命長(zhǎng)長(zhǎng)壽命特殊照明、印刷制版 第三十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、場(chǎng)致發(fā)光光源l 場(chǎng)致發(fā)光源是固體發(fā)光源。l 場(chǎng)致發(fā)光是固體在電場(chǎng)的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象，也稱為電致發(fā)光。場(chǎng)致發(fā)光最早發(fā)現(xiàn)于1923年，但當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的普遍注意。隨著近代技術(shù)的發(fā)展，對(duì)發(fā)光光源和器件提出了新的要求。例如，電子儀器的固體化和小型化，要求顯示的固體化，新的照明技術(shù)和顯象技術(shù)的發(fā)展，要求對(duì)新的發(fā)光材料作深入的研究。場(chǎng)致發(fā)光不但能使人們得到全固體化的光源，而且為全固體化顯示開辟了途徑。第三十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

目前常見的場(chǎng)致發(fā)光有三種形態(tài)，即粉末、薄膜和結(jié)型。有場(chǎng)致發(fā)光本領(lǐng)的固體材料很多，但達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平的主要是Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—V族化合物半導(dǎo)體。Ⅱ—Ⅵ族化合物既是發(fā)光效率很高的光致發(fā)光和陰極射線發(fā)光材料，亦是目前用于實(shí)際的唯一的粉末和薄膜場(chǎng)致發(fā)光材料。Ⅲ—V族發(fā)光材料則在發(fā)光二極管方面得到廣泛應(yīng)用。

1、粉末場(chǎng)致發(fā)光光源按激發(fā)方式不同，場(chǎng)致發(fā)光光源有交流電場(chǎng)激發(fā)和直流電場(chǎng)激發(fā)兩種。第三十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日1－玻璃基板2－透明導(dǎo)電膜（SnO2）3－發(fā)光材料4－Ti2O反射層5－背電極（金屬）6－防潮樹脂7－防潮蓋板圖2－6交流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源

1）交流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源第四十頁，共七十四頁，2022年，8月28日交流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源采用的發(fā)光材料(通常為ZnS：Cu)懸浮在介電系數(shù)很高、透明而又絕緣的膠合介質(zhì)中，并被兩電極所挾持。l 高介電系數(shù)的反射層不僅能有效地反射光，而且還防止擊穿。l 當(dāng)在兩電極間加上交變電場(chǎng)時(shí)，粉末就會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)光。l 場(chǎng)致發(fā)光光源的亮度L與所加的交流電壓幅度V和頻率f有關(guān)。l 場(chǎng)致發(fā)光的顏色隨基質(zhì)和激活劑的不同，可以有蘭、綠、黃、紅等各種顏色。l 外加電壓的頻率對(duì)發(fā)光的顏色也有影響第四十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日外加電壓的頻率對(duì)亮度的影響：在較低頻率下，亮度隨頻率線性增加。頻率高到一定范圍，亮度就出現(xiàn)飽和趨勢(shì)。飽和頻率的高低隨具體發(fā)光材料的種類而變。對(duì)同一種發(fā)光材料，電壓越高，飽和頻率也越高。外加電壓的頻率對(duì)發(fā)光顏色的影響：常用的場(chǎng)致發(fā)光光源的光譜能量分布通常包含兩個(gè)譜帶，一個(gè)綠帶，一個(gè)蘭帶。隨著頻率的增高，蘭帶相對(duì)增強(qiáng)，而發(fā)光顏色由黃綠向蘭改變。如果交流場(chǎng)致發(fā)光的外加激發(fā)電壓是隨時(shí)間變化的，相應(yīng)的發(fā)光亮度也隨時(shí)間而變化，這種變化的圖形稱為發(fā)光波形。當(dāng)用正弦交流電壓激發(fā)時(shí)，場(chǎng)致發(fā)光的波形在交流電壓的每半周期中有高低兩個(gè)發(fā)光峰。場(chǎng)致發(fā)光的余輝是極短的，電壓一去掉，發(fā)光馬上消失。在脈沖激發(fā)下，場(chǎng)致發(fā)光的反應(yīng)速度很快，上升時(shí)間常數(shù)比衰減時(shí)間小得多。第四十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日?qǐng)鲋掳l(fā)光光源在使用過程中亮度會(huì)逐漸下降，這種現(xiàn)象叫老化。老化曲線的主要部分可用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示：

L=L0/（1+t/t0）式中L0為初使亮度，t0為時(shí)間常數(shù)，它與頻率有關(guān)。場(chǎng)致發(fā)光光源的壽命通常以發(fā)光亮度降到初始值的1／3—1／4的時(shí)間為使用壽命。壽命和激發(fā)電壓的頻率有很大的關(guān)系，頻率越高，老化越快，壽命越短。老化后發(fā)光亮度下降，但光譜基本保持不變。激發(fā)電壓對(duì)老化的影響比頻率小得多。常用的ZnS：Cu場(chǎng)致發(fā)光光源的使用壽命超過3000-5000小時(shí)。第四十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

交流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源在近幾年得到多方面的應(yīng)用和發(fā)展，與其它光源相比，它有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)固體化、平板化，因而可靠、安全、占地小，易于安裝；(2)面積、形狀幾乎不受限制，因此可以通過光刻、透明導(dǎo)電膜和金屬電極掩蔽鍍膜的方法，制成任意發(fā)光圖形；(3)無紅外輻射的冷光源，因而隱蔽性好，對(duì)周圍環(huán)境沒有影響；(4)視角大，光線柔和，易于觀察；(5)壽命長(zhǎng)?？蛇B續(xù)使用幾千小時(shí)，而發(fā)光不會(huì)突然全部熄滅；(6)功耗低，約幾毫瓦／厘米’；(7)發(fā)光易于電控第四十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日

場(chǎng)致發(fā)光光源主要應(yīng)用下述幾個(gè)方面：

(1)特殊照明。如儀表表盤、飛機(jī)座艙、坑道等照明；

(2)數(shù)字、符號(hào)顯示。如可以做成大型的數(shù)字鐘，電子稱等顯示；

(3)模擬顯示。如顯示生產(chǎn)工藝流程和大型設(shè)備的工作狀態(tài)，各種應(yīng)急系統(tǒng)標(biāo)志顯示等；

(4)矩陣顯示即交叉電極場(chǎng)致發(fā)光顯示。主要用于雷達(dá)、航跡顯示及電視等。

(5)場(chǎng)致發(fā)光屏與光導(dǎo)材料聯(lián)合使用，可以做成顯象器件，例如X光象增強(qiáng)與象轉(zhuǎn)換器件。第四十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日

2）直流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源

直流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源的結(jié)構(gòu)與交流粉末場(chǎng)致發(fā)光光源類似。但其發(fā)光材料(常用ZnS,Cu＼Mn)的涂層是導(dǎo)電的CuxS，而不是大量分布在中間的絕緣膠合介質(zhì)。它的激發(fā)情況也與交流場(chǎng)致發(fā)光不同，后者是依靠交變電場(chǎng)激發(fā)的，也就是說是從交變電場(chǎng)中吸收能量實(shí)現(xiàn)光的轉(zhuǎn)換。而直流場(chǎng)致發(fā)光吸收的能量等于通過發(fā)光體的傳導(dǎo)電流與實(shí)際施加在發(fā)光體上電壓的乘積。因此它要求發(fā)光體與電極有良好的接觸，有電流流過發(fā)光體顆粒。正常使用之前，一般需在兩電極上施加短暫的高壓脈沖。當(dāng)工作時(shí)，電壓較低，但由于大部分電壓降落在該高阻層上，因此也能使ZnS發(fā)光。直流粉末場(chǎng)致發(fā)光光光源的亮度較高，且亮度隨電壓上升而迅速上升；制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，外部驅(qū)動(dòng)方便。目前的主要缺點(diǎn)是效率低，壽命短(約1000小時(shí))。該直流粉場(chǎng)致發(fā)光器件特別適用于數(shù)碼、字符和矩陣尋址顯示等方面。第四十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

2、薄膜場(chǎng)致發(fā)光光源將固體發(fā)光材料制成薄膜的形式，在電場(chǎng)作用下出現(xiàn)的發(fā)光現(xiàn)象，稱為薄膜場(chǎng)致發(fā)光。薄膜場(chǎng)致發(fā)光光源與粉末場(chǎng)致發(fā)光光源在形式上極其相似，發(fā)光層夾在兩個(gè)平板電極之間，如同一個(gè)平板電容器。兩個(gè)電極中，至少一個(gè)是透明的或半透明的，如導(dǎo)電玻璃等。當(dāng)在兩電極上加電壓時(shí)，薄膜發(fā)光并通過它透射出來。但是，薄膜場(chǎng)致發(fā)光層和粉末場(chǎng)致發(fā)光層在結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)的不同。薄膜發(fā)光層的突出特點(diǎn)是沒有介質(zhì)，它僅僅由ZnS多晶摻Mn后彼此聯(lián)接而成，而粉末層通常要用有機(jī)介質(zhì)將發(fā)光粉粘結(jié)在一起而形成發(fā)光層。因此薄膜發(fā)光體可與電極直接接觸，加之薄膜很薄(約1um左右)，因而可獲得低壓直流場(chǎng)致發(fā)光，一般工作電壓十幾伏至幾十伏。第四十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－8薄膜電致發(fā)光屏結(jié)構(gòu)原理示意圖1－防潮層2－第二電極3－硫化鋅薄膜4－透明導(dǎo)電層5－玻璃基板第四十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日薄膜場(chǎng)致發(fā)光也有直流和交流兩種。l

直流薄膜場(chǎng)致發(fā)光有橙黃和綠色兩種，工作電壓為0—30V，壽命大于1000h(小時(shí))；交流薄膜場(chǎng)致發(fā)光光源在發(fā)光膜層與電極之間多一層絕緣層，因此只在交流電壓激發(fā)下才發(fā)光，發(fā)光每顏色有橙色和綠色兩種。工作電壓為100—300伏，頻率由數(shù)十到數(shù)千周，壽命在5000小時(shí)以上。薄膜場(chǎng)致發(fā)光由于薄膜的厚度很薄，又沒有介質(zhì)，均勻細(xì)密，可以有很高的分辨率，成象質(zhì)量高。發(fā)光亮度隨電壓增加迅速上升，因此顯示對(duì)比度好。直流薄膜發(fā)光器件的驅(qū)動(dòng)電壓低，可直接用集成電路驅(qū)動(dòng)。薄膜光源同樣具有粉末器件的一些優(yōu)點(diǎn)，諸如固體平板化，可制成各種形狀，視角大，光線柔和，制備工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜等等，因此在顯示和顯象方面是很有前途的發(fā)光器件。第四十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日

3、發(fā)光二極管

LED是一種固態(tài)P-N結(jié)器件，屬冷光源；發(fā)光機(jī)理是電致發(fā)光，如圖2－9所示；當(dāng)P－N結(jié)上有正向電流時(shí)即可發(fā)光，它是直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱交換過程；由于它發(fā)光面小，故可視為點(diǎn)光源。

圖2－9發(fā)光二極管原理結(jié)構(gòu)第五十頁，共七十四頁，2022年，8月28日（一）LED發(fā)光機(jī)理及發(fā)光光譜

在電場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體材料發(fā)光是基于電子能級(jí)躍遷的原理：

l

當(dāng)給發(fā)光二極管的P－N結(jié)加正向電壓時(shí)，外加電場(chǎng)將削弱內(nèi)建電場(chǎng)，使空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。

l

由于電子遷移率總是遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此電子由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的主體。

l

當(dāng)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)；

l

電子將多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。第五十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日

電子和空穴復(fù)合時(shí)放出能量的大小，即光子的能量，取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg(Eg=E1-E0)，放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長(zhǎng)就越短，即例如：GaAs材料的禁帶寬度Eg=1.43eV,則光輻射波長(zhǎng)為：

第五十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日（二）LED的特性及參數(shù)

LED的性能參數(shù)有兩個(gè)方面：電學(xué)方面和光學(xué)方面。主要性能有：

l

伏安特性

l

發(fā)光效率

l

發(fā)光亮度

l

響應(yīng)時(shí)間

l

光譜特性

l

壽命第五十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

1．伏安特性l伏安特性即電流—電壓特性，是發(fā)光二極管的基本特性。l

伏安特性曲線形狀和普通二極管的伏安特性曲線相似。2、發(fā)光亮度與電流密度

（1）發(fā)光亮度基本上與正向電流密度成線性關(guān)系。（2）發(fā)光亮度受到環(huán)境溫度的影響。

(a)環(huán)境溫度越高，所允許的耗散功率越小，允許的工作電流也就越小，發(fā)光亮度下降；

(b)環(huán)境溫度越高，結(jié)溫升高，也使發(fā)光效率（亮度）下降。（3）即使環(huán)境溫度不變，由于注入電流加大，引起結(jié)溫升高，發(fā)光亮度－電流密度曲線也會(huì)呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。第五十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日?qǐng)D2-12光出射度Me與電流密度j的關(guān)系第五十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日3．響應(yīng)時(shí)間

l是表示反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)。應(yīng)用：可利用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可達(dá)幾十兆赫。這種直接調(diào)制技術(shù)使發(fā)光二極管在相位測(cè)距儀、能見度儀及短距離通訊中獲得應(yīng)用。

第五十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日4．光譜特性

發(fā)光二極管一般具有連續(xù)波譜，光譜曲線一般僅有一個(gè)峰值。其峰值波長(zhǎng)由禁帶寬度決定。描述光譜特性的參數(shù)是峰值波長(zhǎng)和半強(qiáng)度寬度（半寬度）。圖2-13發(fā)光二極管的光譜能量分布第五十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日5．輻射效率

令輻射功率為Фe

，則可近似寫成：Фe=I/Ue

式中：I—注入器件的總電流；Ue—降在P-N結(jié)上的電壓。由于熱功率P=I2R式中：R—材料和接觸區(qū)的總電阻則輻射效率

發(fā)光二極管的輻射效率一般在百分之幾到百分之十幾，同樣也受到環(huán)境溫度的影響，且與工作電流的大小有一定關(guān)系。

第五十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日6．壽命

發(fā)光二極管的壽命一般是很長(zhǎng)的，在電流密度小于1A／cm’的情況下，壽命可達(dá)106小時(shí)，即可連續(xù)工作一百余年。這是任何光源均無法與之競(jìng)爭(zhēng)的。但發(fā)光二極管的亮度隨著工作時(shí)間的增加而衰減，這就是老化。老化的快慢與電流密度j和老化時(shí)間常數(shù)τ有關(guān)，其關(guān)系式為：

L(t)＝L0exp-(j/τ)t

式中L0為起始亮度；

L(t)為點(diǎn)燃t時(shí)間后的亮度；

τ約為106h·A／cm2

第五十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日（三）LED的驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路與一般二極管的驅(qū)動(dòng)電路相同。發(fā)光二極管可工作在直流狀態(tài)、交流狀態(tài)和脈沖狀態(tài)。交變頻率可達(dá)1MHz。LED的供電電路中一般要加限流電阻以限定其最大工作電流。

第六十頁，共七十四頁，2022年，8月28日（四）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1、工作電壓低(1.5伏一2伏)，耗電少(10mA下即可在室內(nèi)得到適當(dāng)?shù)牧炼?；

2、可通過調(diào)節(jié)電流(或電壓)來對(duì)發(fā)光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，且響應(yīng)速度快，并可直流驅(qū)動(dòng)；

3、普通光源相比，單色性好，其發(fā)光的半寬度一般為幾十納米；

4、發(fā)光亮度和發(fā)光效率均較高；

5、容易與集成電路配合使用,且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單；

6、體積小、重量輕、抗沖擊、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)。

7、由于器件在正向偏置下使用，因此性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)(≥106小時(shí))；第六十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日缺點(diǎn)：1、功率較小，只有微瓦級(jí)和毫瓦級(jí)：2、光色有限，較難獲得短波發(fā)光（如紫外、藍(lán)色），且發(fā)光效率低。應(yīng)用：二極管除用于數(shù)字、字符顯示器件外，還被作為光源