1、第2章 光源 通常人們把物體向外發射出可見光的現象稱為發光。但對光電技術領域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發光常分為由物體溫度高于絕對零度而產生物體熱輻射和物體在特定環境下受外界能量激發的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發輻射，激發輻射的光源常被稱為冷光源。 從應用的角度簡單地介紹各類光源的特性、發光光譜，并重點介紹各種電光源的發光機理和供電電路是本章的宗旨。 2.1光源的分類光源的分類 光源的種類很多，分類方式各異。總結光電傳感器應用技術領域中所用的光源特征將其分為自然光源與電光源兩大類。 2.1.1自然光源自然光源1.太陽太陽 太陽光是最典型和能量最強的自然光源，人類的

2、視覺觀察活動幾乎主要是在太陽的照明下進行的。我們是在地球上研究和利用太陽的輻射，必然受到地球公轉與自轉的影響引起所接收太陽光的時相變化。地球大氣的狀態變化以及觀察者地理位置、緯度與海拔的不同，都將引起所接收太陽輻射量的差異。 圖2-1 表示了太陽在大氣層外和在海平面的光譜輻出度（照度）與波長的關系曲線。由圖可以看出，在大氣層外的光譜輻照度曲線很接近5900 K黑體的光譜輻出度曲線。大氣中的H2O、CO2 和O3形成許多吸收峰，使得海平面上的輻照度大為降低。可以看出，大氣在可見光譜范圍內為一透明度較高的窗口。 在許多情況下，直接或間接利用太陽作光源時（例如地形、地貌勘測分析，空氣質量監測等），都

3、必須考慮到天氣變化對測量結果的影響。2.月亮、星光與天空月亮、星光與天空月亮、星光與天空也是一個重要的自然光源。 如圖2-2所示，月亮、行星的最佳光譜輻射與波長的分布。除此之外，天空也是不可忽略的光源，它由黃道光（約占15）、銀河光（約占5）、夜空光（約占40）、上述各光源的散射光（約占 10）、直射和散射星光（約占30）、以及銀河系以外輻射（約占 1）構成。 表表2-1 白天和夜間各種條件下自然光源在地面上形成的照度白天和夜間各種條件下自然光源在地面上形成的照度510)3 . 11 (自然條件照度值（Lx）自然條件照度值（Lx）直射日光深黃昏1完全白天光 滿月10-1白天（陰）103弦月10

4、-2很暗的白天102星光10-3黃昏（黎明）10星光（陰天）10-4410)21 (自然條件光亮度值（cd/m2）自然條件光亮度值（cd/m2）晴朗的白日104日落后1/2小時10-1白天（陰）103相當明亮的月光10-2白天（陰得很重）102無月（晴朗夜空）10-3日落時（陰天）10無月（陰天夜空）10-4日落后1/4小時（晴天）1表表2-2各種條件下接近地平線天空的光亮度值各種條件下接近地平線天空的光亮度值 2.2鎢絲燈鎢絲燈 為了給圖像傳感器創造良好、穩定的成像和測量條件，制造了許多種人工光源，輔助自然光源的各種不足，鎢絲燈光源最古老、最普遍。本節主要介紹鎢絲燈的發光特性及特性。鎢絲燈種

5、類很多，將其歸納為兩類鎢絲白熾燈與鹵鎢燈。2.2.1 鎢絲白熾燈鎢絲白熾燈1. 普通鎢絲白熾燈的結構普通鎢絲白熾燈的結構2. 鎢絲白熾燈的特性鎢絲白熾燈的特性 發光光譜 鎢絲白熾燈在電流作用下維持鎢絲的溫度而發生輻射，屬于熱輻射體。在低溫時，熱輻射體的發射系數較小，且隨波長的增長而減少。當溫度升高時，光譜發射系數隨波長的變化減少，最后在溫度很高時趨向于1，服從黑體輻射定律。 4TMTe（2-1） 如圖2-4 所示為標準鎢絲燈的相對光譜輻射功率隨波長的分布特性曲線。從圖中可以看出，波長在1.0m 處標準鎢絲燈的光譜輻射出射度值最高，即標準鎢絲燈光譜輻射出射度的波長為1.0m。 鎢絲白熾燈的功率、

6、光通量和發光效率圖2-5 為鎢絲白熾燈的功函數與溫度的關系曲線。 當鎢絲白熾燈的供電電壓變化時，對白熾燈的電流、光通量、燈的功率損耗、燈的壽命等都有很大影響。如果電壓增加，則燈絲溫度上升，光通量增加，發光效率提高。但是，燈絲溫度太高時，則鎢絲的蒸發加快、加劇，使燈絲的某些局部迅速變細，從而電阻值增大，局部功耗加大，并很快被燒斷。 表表2-3不同溫度下鎢絲在真空中的蒸發率和壽命的關系不同溫度下鎢絲在真空中的蒸發率和壽命的關系 溫度T（K）蒸發率rm(g/(cm2s)直徑為0.1mm鎢絲的壽命（h）rm2 0002 2002 4002 6002 8003 00015.522.413.841.78.

7、3310.51.041077.201041.111033.86101.90.1516.110-816.110-816.110-816.110-815.810-815.710-8 通過實驗得到，燈的電壓變化使燈的電流I、發光效率v、光通量v、壽命均發生變化。它們之間的關系為nNVVNVVNNNIIUU278. 02(2-2)對于真空白熾燈泡，發光效率v= 0.0769，對于充氣燈泡，發光效率v0.0714。 白熾燈的色彩與調光特性 普通白熾燈可以調光，沒有限制。調光使燈絲溫度降低，從而使燈的色溫降低，光效降低，但壽命延長。因此，長壽命是以犧牲光效率為代價的。當要求連續調整白熾燈的光照情況下，一般

8、采用功率較低的白熾燈為好。 當白熾燈工作在標稱電壓的50%以下時，燈幾乎不發光。然而，此時的能量損耗依然不小。因此，當調光到這種程度時應該將它熄滅。 白熾燈的燈絲溫度常在2800K，遠比太陽表層的溫度6000K低得多，因此，它的色溫偏低，顏色偏紅。 2.2.2 鹵鎢燈鹵鎢燈 鹵鎢燈是一種改進的鎢絲白熾燈。鎢絲在高溫下蒸發使燈泡變黑，如果降低白熾燈的燈絲溫度，則發光效率降低。在燈泡中充入6價元素氟、氯、溴或碘等鹵族元素，使它們與蒸發在玻璃殼上的鎢形成鹵化物。當這些鹵化物回到燈絲附近時，遇到高溫便會分解，鎢又回到鎢絲上。這樣，燈絲的溫度可以大大提高，而玻璃殼也不會發黑。因此，燈絲發光亮度高、效率高

9、，使鹵鎢燈具有形體小，成本低的特點。 常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和溴鎢燈。在光電傳感器技術中應用最多的鹵鎢燈為溴鎢燈。 圖2-7所示為4種溴鎢燈的外形尺寸圖。 其中（a）與（c）型為低功率的溴鎢儀器燈，（a）型燈為具有矩形燈絲的面光源燈，它基本能滿足測量儀器對光源均勻性的要求。而（c）燈的燈絲很小，近似為“點”光源，用于要求光源發光面盡量小的測量儀器中。 表表2-5 儀器用國產鹵鎢燈儀器用國產鹵鎢燈H=37型 號規 格光通量(Lm)平均壽命(h)主要尺寸圖號(V)(W)最大直徑D全長L光中心高H燈絲尺寸dl或A B開檔dLYQ5-405408001 0005010.54220+1135cLYQ6-1

10、56152702008.54214151.11.24aLYQ6-206203604002008.54211120.82.34aLYQ6-256255006005010.54530134.5cLYQ6-3063051057010010.54225136.5aLYQ12-5012501 26001 4005011.552361.51.66.5dLYQ12-7512752 0252 2505011.55236236.5dLYQ12-100121002 7003 0005011.552361.93.76.5dLYQ24-150241504 0504 50005012.554372.33.56.5dLY

11、Q24-250242506 7507 500501457382.55.56.5dLYQ55-5005550013 50015 00050155745586.5b2.3 氣體放電燈 氣體放電燈包含汞燈、鈉燈、氙燈和銦燈等。它們是通過高壓使氣體電離放電產生很強的光輻射，而不象鎢絲燈那樣是通過加熱燈絲使其發光，因而也稱氣體放電燈，它為冷光源。氣體放電燈的共同特點是發出的光譜為線光譜或帶狀光譜，因為它們的發光機理屬于等離子體發光。 2.3.1 氣體放電氣體放電 在紫外線或在宇宙射線作用下，會有少量氣體分子被電離成正、負離子和自由電子 ，電壓增高后將出現如圖2-8所示的激發光現象。 在輝光放電時，將產生

12、明暗相間的區域，各區域的電勢和光強分布如圖2-9所示，弧光放電發出的光極其明亮，可用在電影放映和公共場所照明。無論輝光放電或弧光放電，都是氣體的場致發光現象。在氣體放電過程中，由于電場的作用使帶電粒子動能增加到足以能電離其他氣體分子時，氣體分子吸收帶電粒子的能量，使其電子處于激發狀態。這種激發態是不穩定的，一般在10-8s以內。從激發態回到低能態或基態，以發光的形式放出能量。如鈉蒸汽原子輻射出589010 -10 m、589610 -10 m的雙黃光。 2.4 金屬蒸氣燈2.4.1 水銀蒸氣燈（汞燈）水銀蒸氣燈（汞燈） 汞燈是在石英玻璃管內充入汞，當燈點燃時，燈中汞被蒸發，汞蒸氣壓強增至幾個大

13、氣壓，從而產生輝光放電。 如圖2-13（a）所示為高壓汞燈的基本結構圖，它由燈座燈內支持架與內部發光室（那里汞蒸氣被兩電極間的電場所激發），由于汞燈是金屬汞蒸氣在高壓下被激發產生汞光譜的多條特征譜線。這些譜線的強弱與光譜分布均與汞元素有關，常將其用作標定光譜儀器的已知光譜光源。 2.4.2 鈉燈鈉燈 在鈉-鈣玻璃內充入鈉蒸汽，當鎢絲點燃后，只發射589.0nm、589.6nm的雙黃光，為此可用來校正光譜儀器或作其他用途。此外，還有氫燈、氘燈等光譜定標用燈。這里不再討論，需要這方面內容時可查找“光學技術手冊”。 2.5 半導體發光二極管光源半導體發光二極管光源 1907年首次發現半導體二極管在正

14、向偏置的情況下發光。70年代末，人們開始用發光二極管作為數碼顯示器和圖像顯示器。進十年來，發光二極管的發光效率及發光光譜都有了很大的提高，用發光二極管作光源有許多優點。 2.5.1 發光二極管的發光機理 發光二極管（即LED）是一種注入電致發光器件，它由P型和 N型半導體組合而成。其發光機理常分為PN結注入發光與異質結注入發光兩種。 1. PN結注入發光結注入發光 PN結處于平衡時，存在一定的勢壘區，其能帶如圖2-15 所示。當加正偏壓時，PN結區勢壘降低，從擴散區注入的大量非平衡載流子不斷地復合發光，并主要發生在p區。2. 異質結注入發光異質結注入發光 為了提高載流子注入效率，可以采用異質結

15、。圖2-16a表示理想的異質結能帶圖。由于p區和n區的禁帶寬度不相等，當加上正向電壓時小區的勢壘降低，兩區的價帶幾乎相同，空穴就不斷向n區擴散。 對n區電子，勢壘仍然較高，不能注入p區。這樣，禁帶寬的p區成為注入源，禁帶窄的n區成為載流子復合發光的發光區（圖2-16b）。例如，禁帶寬EG2=1.32eV 的p-GaAs與禁帶寬EG10.7eV p-GaAs與禁帶寬EG10.7eV的n-GaSb組成異質結后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs區復合發光。 由于n區所發射的光子能量hv比EG2 小得多，它進入p區不會引起本征吸收而直接透射出去。2.5.2 發光強度電流特性在正向配置電壓的作用下流過

16、發光二極管PN節的正向電流If使注入到PN結內的載流子在P區復合而發光，其發光強度IV為nIIvv式中v為發光二極管的發光效率。 圖2-17所示為GaP（紅色）發光二極管發光強度與電流密度If的關系曲線 可以看出，發光二極管發光強度基本與流過的電流If成正比。說明可以通過控制電流If對LED發出的光強IV進行控制。 由于發光二極管的正向伏安特性曲線在發光區呈現為I=I0exp（qU/nkT）指數形式，并且1n2較小，通常可以略，求出發光強度Iv與發光二極管兩端電壓U的關系為 ：)/exp()/exp(0vvvvvkTqUIkTqUIIInn(2-4) 2.7 光電傳感器應用系統中光源與照度的匹

17、配光電傳感器應用系統中光源與照度的匹配 2.7.1 光源的選擇光源的選擇 圖像傳感器的應用系統大致可分為圖像傳感、圖像分析和圖像檢測三種類型。不同的應用類型對照明光源的要求也不相同，應該根據具體的需要選用不同的照明光源。 (1) 攝像（圖像傳感）應用系統攝像（圖像傳感）應用系統 攝像是為了真實地記錄景物的結構、狀態和顏色。根據色度學的基本常識，景物的顏色與照明光源的光譜功率分布有關。 直接選用太陽光照明或選用接近太陽光譜的閃燈為照明光源。（3）圖像檢測系統）圖像檢測系統 圖像檢測系統一般有兩種：一種是通過測量被檢測物體的像來測量被檢測物體的某些特征參數；另一種是通過測量被檢物體的空間頻譜分布確

18、定被檢物體的某些特征參數。 前者，只要選用白熾燈或鹵鎢燈作為照明光源就可以了；后者，應選用激光照明，因為它能滿足單色性好、相干性好、光束準直精度高等特點。 （2）圖像分析系統）圖像分析系統 圖像分析系統所用光源必須根據提取圖像信息的有利因數采取必要的照明方式，問題的難度和復雜度都很高，其基本思路是從顏色、照明角度、照明方式上想辦法突出被檢測圖像的信息。2.7.2 照度匹配照度匹配 半導體集成圖像傳感器大部分為光積分型的器件（如電荷耦合攝像器件），它的輸出電流不但與光敏面上的照度有關，也和兩次取樣的間隔時間，即積分時間有關。若以Io代表它的輸出電流信號，Ev代表光敏面上的照度，t代表兩次取樣的間

19、隔時間，則在正常工作范圍內有 （2-11） vvokQtkEI式中，k為比例常數；Qv=Evt，稱為曝光量，單位為lxs。 因為QvEvt，所以可通過適當選擇CCD器件光敏面上照度Ev和兩次采樣間隔時間t來達到QvQsat。但是， t 一般由驅動器的轉移脈沖周期TSH確定，當采用石英晶體振蕩器為主時鐘設計驅動器時，TSH可認為是常數。 調節曝光量通常是通過調節CCD光敏面上的光照度來實現的。要求光敏面上任何點的照度應滿足 tQEsatv(2-12) 光敏面的照度也不能太低。如果某些點的照度低于CCD器件的靈敏閾，這些較暗部便無法測出，從而降低畫面亮度的層次或產生測量誤差。最好是把光敏面上的最大照度Emax調節為略低于，以充分利用器件的動態范圍。 發光特性接近于余弦輻射體的物體經光學系統成像，其軸上像點的照度和軸外像點照度可分別用下列兩式表示 ULKnnEo22sin（2-13） 4c