光源及照明方式

光源及照明方式第一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

光源在科學(xué)研究和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，在物質(zhì)的成分分析、材料的結(jié)構(gòu)研究、光電檢測、照明工程中，都離不開一定形式的光源。在光電信息技術(shù)中，光是信息的攜帶者，光的光譜輻射能量（或強(qiáng)度）、頻率、振幅均可攜帶、傳輸各種信息。而光源在光電信息技術(shù)中往往起著關(guān)鍵的作用，因此，了解常用光源的基本特性和參數(shù)，并按照實(shí)際工作需求選擇合適的光源，往往是光電信息技術(shù)工作中解決具體問題成功的關(guān)鍵。第二頁，共九十八頁，2022年，8月28日一切能產(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。天然光源是自然界中存在的，如太陽、恒星等，在天文學(xué)電探測中，常常會(huì)遇到這些光輻射的測量。人造光源是人為將各種形式能量（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)生光輻射的器件稱為電光源。在一般光電測量系統(tǒng)中，電光源是最常見的光源。

3.1.1光源的基本特性參數(shù)1.輻射效率和發(fā)光效率

在給定波長范圍內(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，于是

光源的基本特性參數(shù)第三頁，共九十八頁，2022年，8月28日相應(yīng)地，對于可見光范圍，某一光源的發(fā)光效率ηv為所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即2.光譜功率分布

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1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分析。

光源的基本特性參數(shù)第四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

光源的基本特性參數(shù)表3－1常用光源的發(fā)光效率第五頁，共九十八頁，2022年，8月28日圖3－1四種典型的光譜功率分布

光源的基本特性參數(shù)第六頁，共九十八頁，2022年，8月28日光源的光譜功率分布通?？煞殖伤姆N情況，如圖3－1所示。圖中（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細(xì)線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它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。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，如白熾燈、鹵素?zé)舻?圖（d）是混合光譜，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。在選擇光源時(shí)，它的光譜功率分布應(yīng)由測量對象的要求來決定。在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見光譜輻射比較豐富的光源。對于彩色攝影用光源，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。在紫外分光光度計(jì)中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強(qiáng)的光源，在光纖技術(shù)中，通常使用發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等光源。

光源的基本特性參數(shù)第七頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.空間光強(qiáng)分布

對于各向異性光源，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。圖3－2是超高壓球形氙燈的光強(qiáng)分布。在有的情況下，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。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。4.光源的色溫

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性來近似地表示。對于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。

光源的基本特性參數(shù)第八頁，共九十八頁，2022年，8月28日圖3－2超高壓球形氙燈光強(qiáng)分布

光源的基本特性參數(shù)第九頁，共九十八頁，2022年，8月28日（1）分布溫度。輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為：（2）色溫。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時(shí)，黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。輻射源發(fā)射光的顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。（3）相關(guān)色溫。對于一般光源，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。

光源的基本特性參數(shù)第十頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源5.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。3.1.2熱輻射源任何物體只要其溫度大于絕對零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。熱輻射光源有三個(gè)特點(diǎn)：（1）它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進(jìn)行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發(fā)光或輻射性質(zhì)；（2）它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強(qiáng)。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；（3）采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。第十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源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1.49×1011m．因此從地球上觀看太陽時(shí)，太陽的張角只有0.5330。因此可以看成一個(gè)很好的平行光源。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(圖3—3)。其平均輻亮度為2.01×l07Wm-2sr-1平均亮度為1.95×109cdm-2。射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽輻射在光譜和空間分布、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(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、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大陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)．在標(biāo)準(zhǔn)海平面上太陽的光譜輻射照度曲線，如圖3—3所示，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶．第十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源圖3－3太陽的光譜能量分布曲線第十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日2.黑體模擬器在許多軍用紅外光電信息技術(shù)和光電系統(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。

熱輻射源圖3－4黑體模擬器的結(jié)構(gòu)第十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源3.白熾燈白熾燈是照明工程和光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復(fù)現(xiàn)方便，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。圖3-5是用于光計(jì)量的幾種標(biāo)準(zhǔn)光源。圖(a)所示為BDQ型發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈，用來傳遞和復(fù)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度單位(cd)的量值。發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈是通過精確控制流過燈絲的直流電流，復(fù)現(xiàn)在規(guī)定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強(qiáng)度。圖(b)是BDT型光通量標(biāo)準(zhǔn)燈，用來傳遞和復(fù)現(xiàn)光通量值．光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲是旋轉(zhuǎn)對稱的，這樣使電壓與燈參數(shù)的變化曲線其光分布在各旋轉(zhuǎn)方向盡可能一致。圖(c)為BW型溫度標(biāo)準(zhǔn)燈，它的發(fā)光體是一條狹長的鎢帶，當(dāng)通以電流時(shí)，鎢帶熾熱發(fā)光。主要工作在800～25000C范圍內(nèi)，復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)定光學(xué)高溫計(jì)及某些以光學(xué)高溫計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)的溫度源，也可以代替能量標(biāo)準(zhǔn)燈使用。第十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源圖3－5幾種標(biāo)準(zhǔn)燈的外形第十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日第十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日白熾燈的燈壓決定了燈絲的壽命，供電電流決定了燈絲的直徑，100W的鎢絲發(fā)出的光通量大約200lm。白熾燈的供電電壓對燈的參數(shù)（電流、功率、壽命和光通量）有很大的影響。式中分別為燈泡的額定電壓、電流、發(fā)光效率、光通量和壽命；相應(yīng)的其它參數(shù)為分別為使用值。第十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日對于充氣燈泡n=0.0714，真空燈泡n=0.0769.例如將額定電壓220V的燈泡降壓到180V使用，其發(fā)光的光通量降低到62%，但其壽命延長13.6倍。第十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源3.1.3.氣體放電光源利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。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。在電場作用下激勵(lì)出電子和離子，氣體變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子向陰極、電子向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場中得到能量，當(dāng)它們再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，如此碰撞不斷進(jìn)行。在這一過程中會(huì)使一些原子躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)，由于能寄的不穩(wěn)定性，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。這樣的發(fā)光機(jī)制被稱為氣體放電原理。氣體放電光源具有下列共同的特點(diǎn)：（1）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)；（2）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；（3）壽命長。一般比白熾燈壽命長2~10倍；（4）光色適應(yīng)性強(qiáng)，可在很大范圍內(nèi)變化。第二十頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源圖3－6幾種氣體放電燈的外形圖第二十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日表3－2常用氣體放電燈的種類、性能和主要應(yīng)用領(lǐng)域第二十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日1、鹵鎢燈

（1）原理白熾燈的鎢絲在熱輻射過程中蒸發(fā)并附著在燈泡內(nèi)壁，使燈泡射出偽光通愈來愈低。為了減緩這種進(jìn)程，通常在燈泡內(nèi)充以惰性氣體以抑制鎢絲的蒸發(fā)。

氣體放電光源第二十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

如果在玻殼內(nèi)所充填的惰性氣體另加入微量的鹵素物質(zhì)，利用鹵鎢的再生循環(huán)作用，被蒸發(fā)的鎢與鹵素結(jié)合成鹵化鎢，因燈管內(nèi)壁具有很高的溫度而不能附著其上，通過擴(kuò)散或?qū)α鞯礁邷氐臒艚z附近又被分解為鹵素和鎢，其中鎢吸附在燈絲表面，鹵素又和蒸發(fā)出來的鎢反應(yīng)，防止管壁發(fā)黑。燈管所充的鹵素為碘或溴。溴比磺的化學(xué)性活潑，所以清潔管壁的效果更好。溴乃無色透明，故溴鎢燈較碘鎢燈的光效高，色溫也有所提高。第二十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日第二十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日第二十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日第二十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日（2）特點(diǎn)它與白熾燈比較，光效提高30％，壽命增長50%。鹵鎢燈具有體積小、功率大、能夠瞬時(shí)點(diǎn)燃、可調(diào)光、無頻閃效應(yīng)、顯色性好和光通維持性好等特點(diǎn)。這種燈多用于較大空間、要求高照度的場所，其色溫特別適用于電視轉(zhuǎn)播攝象照明。第二十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日2、金屬鹵化物燈

金屬鹵化物燈是近年發(fā)展起來的所謂第三代光源，它與高壓汞燈類似，但在放電管中除了充有汞和氫氣外，還加充發(fā)光的金屬鹵化物（以碘化物為主）。金屬鹵化物燈發(fā)光效率高、顯色性能好、但平均壽命短。（1）鏑燈（2）鈉鉈銦燈第二十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源3.汞燈

按玻殼內(nèi)氣壓的高低分，汞燈通常分為低壓汞燈、高壓汞燈和球形超高壓汞燈，分別簡介如下。(1)低壓汞燈。圖3－7(b)第三十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源（2）高壓汞燈當(dāng)汞燈內(nèi)的蒸氣壓達(dá)到1～5大氣壓時(shí)，汞燈電弧的輻射光譜就會(huì)產(chǎn)生明顯變化，光譜線加寬，出現(xiàn)弱的連續(xù)光譜，紫外輻射明顯減弱，而可見輻射增加，其光譜分布如圖3－7(6)所示。（3）球形超高壓汞燈在球形超高壓汞燈中，如果啟動(dòng)氣體改為高氣壓的氙氣，則此時(shí)稱為球形超高壓汞氙燈。燈一經(jīng)啟動(dòng)就輻射出強(qiáng)烈的連續(xù)光譜，并且遠(yuǎn)紫外區(qū)光譜明顯增加．

第三十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日高壓汞燈第三十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日（2）特點(diǎn)高壓汞燈具有光效高、耐震、耐熱、壽命長等特點(diǎn)。但啟動(dòng)時(shí)間較長，不宜于作室內(nèi)照明光源，也不能單獨(dú)做為事故照明光源。多用于車間、禮堂、展覽館等室內(nèi)照明，或道路、廣場的室外照明。高壓汞燈的壽命通常是按每啟動(dòng)一次點(diǎn)燃5小時(shí)計(jì)算的，如果開關(guān)頻繁則壽命縮短。第三十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日第四十頁，共九十八頁，2022年，8月28日4、高壓鈉燈

第四十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日（2）特點(diǎn)高壓鈉燈具有光效高、紫外線輻射小、透霧性能好、光通維持性好、可任意位置點(diǎn)燃、耐震等特點(diǎn)，但顯色性差，平均顯色指數(shù)為21。它廣泛用于道路照明，當(dāng)與其它光源混光后，可用于照度要求高的高大空間場所。

第四十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日5.氙燈

氙燈是由充有惰性氣體——氙的石英泡殼內(nèi)兩個(gè)鎢電極之間的高溫電弧放電，從而發(fā)出強(qiáng)光。高壓氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近(圖3－8)，色溫為6000K左右，顯色指數(shù)90以上，因此有“小太陽”之稱。氙燈可分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。第四十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源

圖3－8短弧氙燈光譜能量分布圖3－9短弧氙燈的電弧亮度分布第四十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氘燈

長弧氙燈短弧氙燈

空心陰極燈第四十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源3.空心極燈空心陰極燈屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈。該燈的外形如圖3—10所示，其陰極由金屬元素或其它合金制成空心圓柱形，圓環(huán)形陽極是用吸氣性能很好的鋯材料制成的。空心陰極燈也叫做原子光譜燈，陰極材料根據(jù)所需的譜線選擇相應(yīng)的金屬；窗口有石英玻璃和普通玻璃兩種，則根據(jù)輻射的原于光譜波長而定?？招年帢O燈是原子吸收分光光度計(jì)上必不可少的光源。由于這種燈工作時(shí)陰極的溫度并不高，所輻射出的金屬原子譜線很窄，強(qiáng)度很大，穩(wěn)定性好。因此，空心陰極燈用作對微量金屬元素吸收光譜定性或定量分析的光源，以及用于光譜儀器波長定標(biāo)上。4.氘燈氘燈是一種熱陰極弧光放電燈，泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣。氘(H12是氫(H11)的同位素，又叫重氫．第四十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源圖3－10空心陰極燈外形圖圖3－11氘燈第四十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.1.4

發(fā)光二極管發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED）是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的,發(fā)射的是自發(fā)輻射光（非相干光）.不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔。大多采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層間，由于沒有光學(xué)諧振腔，故無閾值。發(fā)光二極管是一種注入式電致發(fā)光器件，它由p型和n型半導(dǎo)體組合而成，是少數(shù)載流子在p-n結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源.

發(fā)光二極管第四十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管工作原理實(shí)際上發(fā)光二極管就是一個(gè)由直接帶隙半導(dǎo)體（如GaAs）制成的P-N接二極管。其核心是ＰＮ結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由Ｎ區(qū)注入Ｐ區(qū)，空穴由Ｐ區(qū)注入Ｎ區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖１所示。第四十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管圖3－12發(fā)光二極管的能帶圖價(jià)帶ValenceBand導(dǎo)帶（ConductionBand）Ec表示導(dǎo)帶的底能級(jí)，Ev表示價(jià)帶的頂能級(jí)，禁帶Eg為Ec與Ev之間的能量間隔。第五十頁，共九十八頁，2022年，8月28日在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、價(jià)帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)微米以內(nèi)產(chǎn)生。第五十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光）,半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。當(dāng)外加電壓超過閾值電壓UD時(shí)，發(fā)光二極管才會(huì)發(fā)光。因此如果測得閾值電壓UD

，用Eg=e

UD代入上式即可估算出發(fā)光波長。第五十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管圖3－13雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖反型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)第五十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日基本結(jié)構(gòu)圖3－13是雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。P－GaAs是產(chǎn)生熒光的復(fù)合區(qū)（有源區(qū)），它和與之相鄰的P－AlxGa1－xAs層構(gòu)成限制電子和光波的同型異質(zhì)結(jié)P－P結(jié)。而和與之相鄰的N－AlyGa1－yAs層構(gòu)成限制空穴和光波的反型異質(zhì)結(jié)P－N結(jié)。第五十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管圖3－14是短波長0.8～0.9μm雙異質(zhì)結(jié)GaAs/AlGaAs面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)第五十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日圖3－15為波長1.3μm雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP/InP邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個(gè)N－AlGaAs有源層，及其兩邊的P－AlGaAs和N－AlGaAs導(dǎo)光層（限制層）。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，但比其它周圍材料的折射率高，從而構(gòu)成以有源層為芯層的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光波從其端面射出。第五十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日球透鏡環(huán)氧樹脂P層有源層N層發(fā)光區(qū)(a)正面發(fā)光型微透鏡P型限制層有源層波導(dǎo)層N型限制層(b)側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型LED的驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率小，但光束發(fā)射角小，與光纖的耦合效率高，故入纖光功率比正面發(fā)光型LED高。第五十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路發(fā)光二極管工作需要加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動(dòng)電流。典型的驅(qū)動(dòng)電路如圖3－16所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號(hào)通過一電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號(hào)所調(diào)制。第五十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管4.LED的特性參數(shù)(1)量子效率。發(fā)光二極管一般用量子效率來表示。表征器件這一性能的參數(shù)就是外量子效率，表示，

(2)光譜特性發(fā)光二極管的發(fā)光光譜直接決定著它的發(fā)光顏色。根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，目前能制造出紅、綠、黃、橙、藍(lán)、紅外等各種顏色的發(fā)光二極管，如表3-3所列。Ｎr為產(chǎn)生的光子數(shù)，Ｇ為注入的電子空穴數(shù)NT為器件射出的光子數(shù)第五十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管表3－3幾種發(fā)光二極管的特性第六十頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管光束的空間分布。在垂直于發(fā)光面上，面發(fā)光LED輻射圖呈朗伯分布，即P（θ）＝P0cosθ，半功率點(diǎn)輻射角θ＝1200。邊發(fā)光型LED，θ∥＝1200，θ⊥＝250～350。輸出光功率特性。發(fā)光二極管的輸出光功率特性如圖3-18所示。驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，P-I曲線的線性較好；電流過大時(shí)，由于P-N結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的斜率減小。在通常情況下，LED的工作電流為50～100mA，輸出光功率為幾nW。響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是表示反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其在脈沖驅(qū)動(dòng)或電調(diào)制時(shí)顯得十分重要。響應(yīng)時(shí)間是指注入電流后啟亮（上升）和熄滅（衰減）的時(shí)間。直接躍遷材料幾個(gè)納秒，而間接躍遷材料約為100納秒壽命。發(fā)光二極管的壽命一般是很長的，在電流密度小于1A/cm2的情況下，壽命可達(dá)106小時(shí)。老化快慢與電流密度ｊ和時(shí)間常數(shù)有關(guān)，關(guān)系為;

第六十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管圖3－17LED光譜3-18LED的功率-電流（P-I）曲線第六十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管5.LED的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的數(shù)字化和集成化，越來約需要能顯示較大信息量的顯示器和全標(biāo)度圖標(biāo)顯示。隨著半導(dǎo)體材料的制備和工藝的發(fā)展，發(fā)光二極管已在指示和信息顯示中占主導(dǎo)地位。指示燈。LED正在成為指示燈的主要光源。LED的壽命在數(shù)十萬小時(shí)以上，為普通白熾燈的100倍以上，而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動(dòng)等特點(diǎn)，在各種應(yīng)用中占有明顯優(yōu)勢。數(shù)字顯示用顯示器。利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。點(diǎn)矩陣型如圖3－19所示，使用LED發(fā)光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的數(shù)字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。第六十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管圖3－19點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示圖3－20字段型數(shù)字顯示第六十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管（3）平面顯示器。LED還可以用于平面顯示，其優(yōu)點(diǎn)是，由于LED為固體元件，可靠性強(qiáng)，與采用白熾燈的顯示器相比，功耗?。豢梢灾谱鲗﹃帢O射線管（CRT）及液晶顯示器（LCD）來說不容易做出的大型顯示器等。（4）光源。LED除用作顯示器件外，還可用作各種裝置、系統(tǒng)的光源。如電視機(jī)、空調(diào)等的遙控器的光源。在光電檢測系統(tǒng)及光通信系統(tǒng)中，也可作為發(fā)射光源來使用。

(5)光耦合器件。光耦合器件是將發(fā)光二極管和光電接收元件組合而構(gòu)成的一種器件。它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端．

(6)負(fù)阻發(fā)光器件。負(fù)阻發(fā)光二極管的工作原理如圖3-21（a）所示，它相當(dāng)于兩個(gè)P-N結(jié)發(fā)光二極管串在一起，其J型伏安特性曲線如圖3—21(b)。第六十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管圖3－21負(fù)阻發(fā)光二極管的工作原理第六十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管圖3－22光脈沖反射器圖3－23雙穩(wěn)態(tài)電路第六十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管(3)雙導(dǎo)態(tài)發(fā)光器件。圖3—24是雙導(dǎo)態(tài)發(fā)光二極管的伏安特性曲線。器件具有兩種不同的狀態(tài)，每—種都具有它自己的整流特性。圖3－24雙導(dǎo)態(tài)發(fā)光器件伏安特性第六十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管總之，隨著半導(dǎo)體材料的制備和p-n結(jié)制造技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管日益得到廣泛的重視和應(yīng)用。歸納起來它具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)屬于低電壓(1-2V)、小電流(每個(gè)發(fā)光單元只需10mA)器件，在室溫下即可得到足夠的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)發(fā)光響應(yīng)速度快(10-7~10-s)；(3)由于器件在正向偏置下使用．因此性能穩(wěn)定；(4)易于和集成電路匹配，且驅(qū)動(dòng)簡單；(5)與普通光源相比，單色性好，其發(fā)光的半寬度一般為幾十納米；(6)小型、耐沖擊。當(dāng)然它也存在一些缺點(diǎn)，主要是功率較小，只有pw、mW級(jí)；光色有限，較難獲得短波發(fā)光(如紫外、藍(lán)色)，且發(fā)光效率低第六十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器圖3－26激光器諧振腔及激光輸出第七十頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器3.1.5激光器1.激光器的工作原理激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成，如圖4—25所示。圖3－25激光器工作原理第七十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器2.激光器的類型目前已研制成功的激光器光器達(dá)數(shù)百種，輸出波長范圍從近紫外直到遠(yuǎn)紅外，輻射功率從幾毫瓦至上萬瓦，一般按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器等。(1)氣體激光器。氣體激光器采用的工作物質(zhì)很多，激勵(lì)方式多樣，發(fā)射波長也最廣。這里主要介紹氦氖激光器、氬離子激光器和二氧化碳激光器。氦氖激光器氦氖激光器工作物質(zhì)由氦氣和氖氣組成，是一種原子氣體激光器。氬離子激光器氬離子激光器的工作物質(zhì)是氬氣，在低氣壓大電流下工作，因此激光管的結(jié)構(gòu)及材料都與氦氖激光器不同。二氧化碳激光器二氧化碳激光器的工作物質(zhì)主要是二氧化碳，摻入少量和He等氣體，是典型的分子氣體激光器。第七十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器圖3－27氦-氖激光器示意圖第七十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器（2）固體激光器。固體激光器所使用的工作物質(zhì)是具有特殊能力的高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，里面摻如具有發(fā)射激光能力的金屬離子。（3）染料激光器。染料激光器（圖3－29）以染料為工作物質(zhì)。染料溶解于某種有機(jī)溶液中，在特定波長光的激發(fā)下，能發(fā)射一定帶寬的熒光。（4）半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。它的原理與前面討論過的發(fā)光二極管沒有太多差異，p－n結(jié)就是激活介質(zhì)，如圖3－30為砷化鎵同質(zhì)結(jié)二極管激光器的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)與結(jié)平面垂直的晶體解理面構(gòu)成了諧振腔。半導(dǎo)體激光器光輸出－電流特性如圖3－31所示，其中受激發(fā)射曲線與電流軸的交點(diǎn)就是該激光器的閾值電流，它表示半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出所需的最小注入電流。第七十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器

圖3－28紅寶石激光器原理圖第七十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器圖3－29染料激光器原理圖第七十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器圖3－30GaAs半導(dǎo)體激光器圖3－31半導(dǎo)體激光器光輸出－電流特性第七十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器3．激光的特性：（1）單色性。普通光源發(fā)射的光，即使是單色光也有一定的波長范圍。這個(gè)波長范圍即譜線寬度，譜線寬度越窄，單色性越好。（2）方向性。普通光源的光是均勻射向四面八方，因此照射的距離和效果都很有限，即使是定向性比較好的探照燈，它的照射距離也只有幾公里。直徑一米左右的光束，不出十公里就擴(kuò)大為直徑幾十米的光斑了。（3）亮度。激光器由于發(fā)光面小，發(fā)散角小，因此可獲得高的光譜亮度。（4）相干性。由于激光器的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的空間和時(shí)間相干性。第七十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日表3－4半導(dǎo)體激光器的材料及波長第七十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.2照明系統(tǒng)3.2.1照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求1）保證足夠的光能2）有足夠的照明范圍，照明均勻3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入光瞳孔4）應(yīng)盡量減少雜散光進(jìn)入物鏡，以保證像面的對比度5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足以下兩個(gè)原則1）光孔轉(zhuǎn)接原則照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)該與物鏡的入瞳重合。

2）照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量第八十頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.2照明系統(tǒng)拉赫不變量是表征光學(xué)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要參數(shù)。定義拉赫不變量表示光學(xué)系統(tǒng)在近軸區(qū)成像時(shí)，在物象共軛面上，物體的大小y、成像光束的孔徑角u、物空間介質(zhì)的折射率n的乘積為一常數(shù)。yuny’u’n’拉赫不變量示意圖第八十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.2照明方式1直接照明第八十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日亮場照明暗場照明第八十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日明視場照明暗視場照明第八十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日暗視場實(shí)際是暗場照明。它的特點(diǎn)和明視場不同，不直接觀察到照明的光線，而觀察到的是被檢物體反射或衍射的光線。因此，視場成為黑暗的背景，而被檢物體則呈現(xiàn)明亮的象。

暗視場的原理是根據(jù)光學(xué)上的丁道爾現(xiàn)象，微塵在強(qiáng)光直射通過的情況下，人眼不能觀察，這是因?yàn)閺?qiáng)光繞射造成的。若把光線斜射它，由于光的反射，微粒似乎增大了體積，為人眼可見。

暗視場觀察所需要的特殊附件是暗視場聚光鏡。它的特點(diǎn)是不讓光束由下至上的通過被檢物體，而是將光線改變途徑，使其斜射向被檢物體，使照明光線不直接進(jìn)入物鏡，利用被檢物體表面反射或衍射光形成的明亮圖象。暗視場觀察的分辨率遠(yuǎn)高于明視場觀察，最高達(dá)0.02—0.004um.

第八十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.2照明方式a)透射光亮場照明b)透射光暗場照明

c)反射光亮場照明d)反射光暗場照明

暗場只能觀察到物體的存在,運(yùn)動(dòng)及外部形態(tài)第八十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日透射光亮視場照明

照明光源和物鏡在物體的兩側(cè)，物平面上各部分的透射率不同而調(diào)制照明光。當(dāng)物體為無缺陷的玻璃板時(shí)，得到均勻的亮場。反射光亮視場照明

照明光源和物鏡在物體的同側(cè)，物平面上各部分的反射率不同而調(diào)制照明光。當(dāng)物體為無缺陷的漫反射表面時(shí)，得到均勻的亮場。透射光暗視場照明

照明光源和物鏡在物體的兩側(cè)，傾斜入射的照明光束在物鏡側(cè)向通過。當(dāng)物體為無缺陷的玻璃板時(shí)，無光線進(jìn)入物鏡成像，因此得到均勻的暗視場。當(dāng)物體有缺陷時(shí)，光束通過物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的衍射、折射和反射射向物鏡而形成物體缺陷的像。反射光暗視場照明照明光源和物鏡在物體的同側(cè)，從物鏡旁側(cè)入射到物體的照明光束經(jīng)反后在物鏡側(cè)向通過。當(dāng)物體為無缺陷的反射鏡面時(shí)，無光線進(jìn)入物鏡成像，得到均勻的暗視場。當(dāng)物體有缺陷時(shí)，光束通過衍射和反射射向物鏡而形成物體缺陷的像。第八十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日2臨界照明臨界照明把光源經(jīng)聚光鏡直接成像在物平面上，照明光源燈絲成像到物平面上，這種照明在視場范圍有最大的亮度，而且沒有雜散光，但另一方面，光源表面亮度的不均勻性也會(huì)直接反映在物面上，影響顯微鏡的觀察效果。為了保證照明均勻，要求光源本身盡可能均勻發(fā)光。第八十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日3柯勒照明柯勒照明消除了臨界照明中物平面光照度不均勻的缺點(diǎn)?？吕甄R（即照明系統(tǒng)前組）把光源放大成像在聚光鏡的前焦平面上，照明系統(tǒng)的視場光闌就位于該焦平面，聚光鏡(照明系統(tǒng)后組)又把視場光闌成像在無限遠(yuǎn)，即照明系統(tǒng)的出窗與顯微鏡的入瞳重合。照明系統(tǒng)的孔徑光闌緊貼在柯勒鏡后，被聚光鏡成像在物平面上，即照明系統(tǒng)的出瞳與顯微鏡的入窗重合，決定了被照明的物平面的大小。由于聚光鏡的孔徑光闌面具有均勻的照明，將其成像在物面上，物體也能獲得均勻的照明。第八十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日4光纖照明光纖照明是最近幾年來一種新興的照明方式。具有照明均勻、亮度高、光源熱影響小而得到廣泛的應(yīng)用。下圖為環(huán)形光纖照明方式第九十頁，共九十八頁，2022年，8月28日光纖照明具有以下顯著的特點(diǎn)：

1.單個(gè)光源可具備多個(gè)發(fā)光特性相同的發(fā)光點(diǎn)；

2.光源易更換，也易于維修；

3.發(fā)光器可以放置難以接觸的位置，因此具有防破壞性；

4.發(fā)光點(diǎn)小型化，重量輕，易更換、安裝，可以制成很小尺寸，放置在玻璃器皿或其他小物體內(nèi)發(fā)光形成特殊的裝飾照明效果；

5.無電磁干擾，可被應(yīng)用在核磁共振室、雷達(dá)控制室等有電磁屏蔽要求的特殊場所之內(nèi)；

第九十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日吊燈立體鏡畫星空星空光纖柱第九十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日返回第九十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日5同軸照明物鏡本身兼做聚光鏡主要用于檢測表面上的缺陷。如果被測面是表面，則鏡面的反射光線全部進(jìn)入物鏡成像，因此整個(gè)圖像都是白色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點(diǎn)或污點(diǎn)是，所產(chǎn)生的漫反射光線進(jìn)入物鏡的甚少，因此圖像上將產(chǎn)生黑色的斑點(diǎn)。第九十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日光源及照明系統(tǒng)的選擇1.光源的光譜能量分布特性

光源的光譜能量分布首先滿足儀器使用上的要求。例如在干涉儀中，光源的波長是儀器的標(biāo)準(zhǔn)器，因此其單色性應(yīng)滿足測量精度及測量范圍的要求。在非相干照明中，光源的光譜分布應(yīng)與接收器的光譜響應(yīng)相匹配。不但可以節(jié)省能量，也可以提高檢測信號(hào)的信噪比。目視儀器中，視場的背景最好是適宜人眼的黃綠光。2.光度的特性在精密測量中，被測對象一般不是發(fā)光體，通常需要人工照明，使被測物體達(dá)到一定的照度。第九十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.發(fā)光面的形狀、尺寸和光源的結(jié)構(gòu)臨界照