第1章 光信息源及其選用

光，不僅是支持生命的重要能量，也是生活中的重要信息源。顯然，如果沒有光，就不可能有我們現(xiàn)在的文明。正是光為我們提供了很有價值的信息資源。在光電信息系統(tǒng)中，光是信息的載體，光源的質(zhì)量對系統(tǒng)往往起著關(guān)鍵的作用。了解各種光源的基本特性參數(shù)和特點，對設(shè)計光電信息系統(tǒng)而言是十分重要的。本章主要介紹光電信息系統(tǒng)中常用的及新型的發(fā)光光源，如常用的普通光源、白光LED燈、未來的OLED燈、發(fā)光二極管、激光器及應用廣泛的半導體激光器、光纖激光器與新的光子晶體激光器等。

1.1 常用的普通光源及其選用

1.1.1 熱輻射光源

當物體的溫度大于絕對零度時它就會向外輻射能量，由于溫度較高而向周圍溫度較低環(huán)境輻射能量的形式稱為熱輻射，其輻射以光子形式進行，因而我們就會看到光。這種熱輻射的物體就稱為熱輻射光源。常見的熱輻射光源如下所述。

1.太陽光

太陽是直徑約為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，太陽的張角只有0.533°。太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射，其平均亮度為1.95×109 cd/m2。

太陽向地球輻射熱，我們稱之為陽光。陽光是復色光，太陽光源是很好的平行光源。太陽光的照度值在不同光譜區(qū)所占百分比是不同的，紫外區(qū)占6.46%，可見光區(qū)占46.25%，紅外光區(qū)占47.29%。

輻射到地球上的太陽光要穿過一層厚厚的大氣層，因而在光譜、空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等方面都發(fā)生了變化。大氣中有光譜選擇性的吸收介質(zhì)，如水汽、氧、臭氧、二氧化碳、一氧化碳以及其他碳氫化合物等，都會在不同程度上吸收太陽輻射。

2. 白熾燈

白熾燈是光電信息系統(tǒng)中最常用的光源之一，它發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體輻射曲線相差約0.5%，而在整個光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。由于它的發(fā)光特性穩(wěn)定、簡單、可靠，使用和量值復現(xiàn)方便，因而得到了廣泛的應用，并且也用做各種輻射度量與光度量的標準光源。

白熾燈有真空鎢絲燈、充氣鎢絲燈和鹵鎢燈等。真空鎢絲燈是將玻璃燈泡抽成真空，鎢絲被加熱到2300～2800K時發(fā)出復色光，其發(fā)光效率低，約為10 lm/W。

充氣鎢絲燈是在燈泡中充入和鎢不發(fā)生化學反應的氬、氮等惰性氣體，當燈絲蒸發(fā)出來的鎢原子與惰性氣體原子相碰撞時，部分鎢原子會返回燈絲表面而有效地抑制鎢的蒸發(fā)，從而延長燈的壽命，使工作溫度提高到2700～3000K，發(fā)光效率提高為17 lm/W。

鹵鎢燈是在燈泡內(nèi)充有鹵族元素（氯化碘、溴化硼等），鎢絲被加熱后，蒸發(fā)出來的鎢原子在玻璃殼附近與鹵素合成為鹵鎢化合物，如WI2、WBr等。然后，鹵鎢化合物又擴散到溫度較高的燈絲周圍且又被分解成鹵素和鎢，而鎢原子又沉積到燈絲上，彌補鎢原子的蒸發(fā)，以此循環(huán)而延長燈的壽命，使鹵鎢燈的工作溫度達3000～3200K，發(fā)光效率提高到30 lm/W。

白熾燈的燈壓決定了燈絲的長度，供電電流決定了燈絲的直徑，100W的鎢燈發(fā)出的光通量大約為200 lm。白熾燈的供電電壓對燈的參數(shù)（如電流、功率、壽命和光通量）有很大的影響，其關(guān)系式為

式中，V0、I0、ηv、Φv、τ0分別為燈泡額定電壓、電流、發(fā)光效率、光通量和壽命；V、I、ηv、Φv、τ分別為使用值。

對于充氣燈泡，n=0.0714；對于真空燈泡，n=0.0769。例如額定電壓為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。因此，降壓使用對光電檢測系統(tǒng)用的白熾燈光源十分重要，因為燈泡壽命的延長將使系統(tǒng)的調(diào)整次數(shù)大為減少，也提高了系統(tǒng)的可靠性。例如，光柵莫爾條紋法測量，常用6V、5W的白熾燈照明，若降壓至4.5V使用，燈的壽命將延長20倍左右。

白熾燈泡的燈絲形狀對發(fā)光強度的方向性有影響，普通照明常用W 形燈絲，使燈360°發(fā)光；而光柵莫爾條紋法測量則用直絲形狀燈泡，且燈絲長度方向應與光柵刻線方向一致。

1.1.2 氣體放電光源

利用氣體放電原理來發(fā)光的光源，稱為氣體放電光源。例如，將氫、氦、氘、氙、氪或者金屬蒸氣（如汞、鈉、硫等）充入燈中，在電場的作用下激勵出電子和離子。當電子向陽極、離子向陰極運動時，由于已經(jīng)從電場中獲得能量，當它們再與氣體原子或分子碰撞時就激勵出新的原子和離子，如此不斷地進行碰撞，使一些原子躍遷到高能級。由于高能級的不穩(wěn)定性，處于高能級的原子就會發(fā)出可見輻射（發(fā)光）而回到低能級。如此不斷地進行，就實現(xiàn)了氣體持續(xù)放電、發(fā)光，這就是氣體放電發(fā)光的原理。

由于氣體放電光源可充不同的氣體或金屬蒸氣，從而形成放電介質(zhì)不同的多種光源；即使充的是同一種材料，由于結(jié)構(gòu)不同又可構(gòu)成多種燈。例如，汞燈就可分為：低壓汞燈（＜0.8 Pa），這又可分為冷陰極輝光放電型和熱陰極弧光放電型兩類；高壓汞燈（1～5 Pa），發(fā)光效率達40～50 lm/W；超高壓汞燈（10～200 Pa）。又如氙燈，其輻射光譜也是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近，色溫為6000K左右，顯色指數(shù)達90以上，因此有“小太陽”之稱。氙燈又可分為脈沖氙燈、長弧氙燈和短弧氙燈。此外，還有用于微量元素光譜分析的原子光譜燈等。

總之，氣體放電光源的種類很多，但它們具有的共同特點是：①發(fā)光效率高，比同瓦數(shù)的白熾燈高2～10倍，因而可節(jié)省能源；②結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊；③壽命長，是白熾燈的2～10倍；④光色適應性強，可在很大范圍內(nèi)變化，如普通高壓汞燈發(fā)光波長為400～500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色（589nm），氙燈近日色，而水銀熒光燈為復色。

由于以上特點，氣體放電光源具有很強的競爭力，因而經(jīng)常被用于工程照明和光電信息系統(tǒng)之中。

1.1.3 普通光源選用要點

熱輻射光源被稱為第一代照明光源；一些氣體放電燈統(tǒng)稱為第二代光源；21世紀的半導體光源則稱為第三代光源。表1-1列出了目前主要光源的技術(shù)指標。

在選擇使用普通光源吋，要注意以下的幾個要點：①宜選用發(fā)光效率高的光源，以節(jié)省能源；②為了最大限度地利用光能，應選擇光譜功率分布的峰值波長與光電器件的靈敏波長相一致，其光譜的功率分布還應根據(jù)被檢測對象的要求來決定：對于目視測量，一般可以選用可見光譜輻射比較豐富的光源；對于目視瞄準，為了減輕人眼的疲勞，宜選用綠光光源；對于彩色攝像用光源，為了獲得較好的色彩還原，則應該采用類似于日光色的光源，如白熾燈、鹵鎢燈與氙燈；對于紫外和紅外測量，也宜選用相應的紫外燈（氘燈、紫外汞燈、汞氙燈）和紅外燈等；③因光源的顏色與發(fā)光波長有關(guān)，復色光源如太陽光、白熾燈、鹵鎢燈、鏑燈等發(fā)光一般為白色，其顯色性較好，適合于辨色要求較高的場合，如用于彩色攝像、彩色印刷及染料等行業(yè)；高壓汞燈、高壓納燈等顯色性差一些，一般用于道路、隧道、碼頭等顏色要求較低的場合；單色光源，如He-Ne激光為紅色，氪燈與鈉燈發(fā)光為黃色，氘光為紫色……，用于要求單色的地方；④光的顏色對人眼的工作效率有影響，如綠色比較柔和，而紅色則容易使人疲勞等；⑤在光電信息系統(tǒng)中，為了減少光源溫度對系統(tǒng)的影響，應采用冷光源或者設(shè)法減少熱輻射的影響。