改2光电仪器中的常用光源剖析

第二章 光电仪器中的常用光源

光源的分类 第一节 光源的基本特性参数 第二节 热辐射光源 第三节 气体放电光源 第四节 固体发光光源 第五节 激光器
第二节 热辐射光源


特点 辐射特性与温度密切相关 辐射特性可以用普朗克公式进行计算 光谱分布为连续光谱（光谱范围很宽） 分类 人工辐射源：人造黑体、白炽灯等 目标辐射源：飞机、坦克等 自然辐射源：太阳、地面、云层等
第二章 光电仪器中的常用光源

光源的分类 第一节 光源的基本特性参数 第二节 热辐射光源 第三节 气体放电光源 第四节 固体发光光源 第五节 激光器 第六节 紫外光源
光源的分类

天然光源——太阳、人体 人造光源——荧光灯、发光二激管、激光器 按产生机理



放电灯的启动通常要施加比电源电压更高的电 压，有时高达几千伏或几万伏以上 放电灯的光辐射与电流密度的大小、气体的种 类及气压的高低有关。



一定种类的气体原子只能辐射某些特定波长的 光谱线。 低气压时，放电灯的辐射光谱主要就是该原子 的特征谱线。 气压升高时，放电灯的辐射光谱展宽，向长波 方向发展。 当气压很高时，放电灯的辐射光谱中才有强的 连续光谱成分。
空间光强分布

空间光强分布曲线（配光曲线）

极坐标法：各方向矢径长度正比光强分布
在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选 择发光强度高的方向作为照明方向。

一般白炽灯配光曲线
LED灯管配光曲线
光源的色温

分布温度(用黑体温度描述光源光谱分布)


热辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功 率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱 功率分布一致，那麽该黑体的温度就称为该辐 射源的分布温度。 这种辐射体的光谱辐亮度可表示为：

充气钨丝灯：


新问题：

对流的气体会把更多的热量传递给玻壳，并通 过玻壳散失到周围的空间，增加热的损失，降 低发光效率。

解决办法：


氪、氙传热本领差，造成的热损失小。发光效 率比充氩、氮的灯泡高约30％，而灯泡的寿命 并不缩短。 氪、氙含量少，只有氩的含量的万分之一和十 万分之一，所以制取困难，身价高昂，十分难 得，只有在特殊需要的情况下使用。
高压汞灯带状光谱（紫外曝光固化）
荧光高压汞灯（用 于照明、投影仪）
高压钠灯 带状光谱
可见光
白炽灯连续光谱
荧光灯混合光谱
光栅光谱仪

选择光源时，应根据测量对象的要求来决定光 谱功率分布



目视光学系统：一般选可见光谱辐射比较丰富 的光源（日光灯，白炽灯） 彩色摄影用光源：选用类似日光色光源，卤钨 灯 紫外分光光度计：氘灯，紫外汞灯，紫外辐射 较强
380
780
P
发光效率越高越适合照明，但不一定适合显色 555纳米绿光发光效率理论上可达683lm/W 白炽灯的发光效率极限是52lm/W
光谱功率分布

描述光源的辐射功率随波长的分布情况 四种典型的光谱分布
带状光谱
P(λ) P(λ)
线状光谱
P(λ)
连续光谱
P(λ)
混合光谱
λ
λ
λ
λ
氦氖激光器线状光谱
容易被调制
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第一节 光源的基本特性参数

辐射效率和发光效率 光谱功率分布 空间光强分布 光源的色温 光源的颜色
辐射效率和发光效率



遥感摄影成像的最佳波段 0.3~0.4μm，透过率约为70% 0.4~0.7μm，透过率大于95% 0.7~1.1μm，透过率约为80%

1.4~1.9μm（近红外窗口）

透过率为60%~95%，其中1.55~1.75μm透过率 较高。该波段在白天日照条件好的时候扫描成 像常用这些波段。用以探测植物含水量以及云、 雪或用于地质制图 透过率约80%。
太阳


大气层外，辐照度中紫外占6.46%，可见 46.25%，红外47.29% 地面，大气的吸收光谱比较复杂。
大气窗口及红外材料
大气窗口 电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称 为大气窗口 大气对电磁波有散射和吸收等因数的影响 遥感中使用的一些大气窗口为： 0.3～1.155μm(紫外、长范围内，某一光源发出的辐 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
e
e
P


1
e
( )d P

发光效率
某一光源的发射的光通量与产生这些光通量所 需的电功率之比。
v


v
P

K m e ( )v( )d
各种红外线透材料及其性质
红外透射材料
红外透射材料
白炽灯

白炽灯的特点：

钨丝熔点高（3680K），蒸发率低，高温时仍有足够的 强度，加工容易 能量损失大，可见辐射仅有8%～18%。 发光效率与寿命之间存在矛盾 显色性好

应用：照明，用作光电测量、辐射度量和光度量的标 准光源 分类
发光气体有：氢、氦、氘、氙、氪 金属蒸气：汞、镉、钠、铟、ta铊、di镝



气体放电种类：用得较多的是辉光放电和弧光 放电。 辉光放电一般用于霓虹灯和指示灯。 弧光放电可有很强的光输出，照明光源都采用 弧光放电。荧光灯、高压汞灯、钠灯和金属卤 化物灯是应用最多的照明用气体放电灯 结构：各种气体放电灯都由泡壳、电极和放电 气体构成，基本结构大同小异。泡壳与电极之 间是真空气密封接，泡壳内充有放电气体。 气体放电灯不能单独接到电路中去，必须与触 发器、镇流器等辅助电器一起接入电路才能启 动和稳定工作。

红外光学玻璃


无定形结构，比晶体材料的光学均匀性好 可用以制作大尺寸的光学零件 大气中的性能是稳定 制备及退火比晶体简单 近、中红外：石英玻璃、K-8玻璃和N344玻璃

红外光学晶体


一种主要的红外光学材料 可以选择透过任何红外光谱波段的晶体 晶体中折射率和色散的变化比其它材料强得多 晶体的熔点高，热稳定性好 石英(SiO2) 、萤石(CaF2) 、氟镁石(MgF2) 、 锗、硅



体积小，是同功率白炽灯的0.5%～3%，使光 学系统小型化。 光通量稳定，最终时的光通量为开始时的 95%～98%，而白炽灯为60%。 紫外线较丰富。 发光效率比白炽灯高2～3倍。 寿命长
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类 别
光源
常用光源色温值一览表 色温值K 2000 3500 4700 5000~5800 5500~5800 5500
自 然 光
日出、日落的阳光 日出1小时的阳光 日出2小时的阳光 9点~16点 正午阳光 日光（散射光与直射光 的 混合光） 晴天阴影处 均匀的云遮日 阴天
6000左右 6400~6900 6500以上

1.0~1.8mm（微波窗口）


2.0~5.0mm（微波窗口）


8.0~1000.0mm（微波窗口）

红外材料
可见光380-780nm

红外窗口材料



红外透射率高 化学稳定性高 便于封接等特点 1~3微米：锗、硅、石英； 3~5微米：白宝石（氧化铝单晶 ）、硅、氟化 镁、氟化钙； 8~14微米：锗、硅、硫化锌
Le ( , Tv )

c1
1
5 e c
2
/ Tv
1
对于气体放电光源，其光谱能量分布很少与黑 体的相似，所以对这些光源来讲，分布温度没 有意义

色温(用黑体温度表示光源颜色)



辐射源发光时的颜色与黑体在某一温度下辐射光的 颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。 由于颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同， 相对光谱功率分布（分布温度）不一定相同。 低色温光源主要是红外辐射，通常称为“暖光”； 色温提高后，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷 光”。

卤钨灯： 在玻璃壳内充入碘、溴等卤族元素的化合物 （氯化碘、溴化硼）。

科4
钨的再生循环：
钨＋卤素—— 卤钨化合物——钨＋卤素。 解决了发光效率与寿命之间的矛盾。 卤钨灯壁管温度>250度，否则，卤钨化合物凝结 其上， 不能太高，否则，卤钨化合物分解，钨沉积在管 壁上。

卤钨灯优点：
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第四节 固体发光光源
热辐射光源——连续光谱（太阳） 气体放电光源——荧光灯、钠灯 固体发光光源——发光二极管 激光器——半导体激光器、固体激光器
•太阳光照明为人眼提供的属于人类的世界面貌
•人造图像探测器、显示器（CCD）怎么还原属于人类的 世界面貌
•人造光源怎样取代太阳照明（显色性）
10um
相干性、准直性好、亮度高

共同特点





发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高2～10倍， 节能。 发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响 小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。 光色适应性强，改变气体成分、压力，可以得到主要在 某一范围的辐射源。 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。 寿命长。一般比白炽灯长2～10倍。 光输出维持特性好，在寿命终止时仍能提供60～80％ 的初始光输出