第二章光电检测技术的常用光源wyzh

1、第,2,章,光电检测中的常用光源,2.1,光源的特性参数,2.2,热辐射源,2.3,气体放电光源,2.4,固体发光光源,2.5,激光器,一、光的产生及其产生方法,原子内有若干电子围绕原子核不断运动，其运动有多种可能状态量。不同运动,状态的电子具有不同能量，常用“能级”一词来代表电子绕原子核的运动状态。,如果有外来的激励，把适合的能量传递给电子，电子就可能从低能级进,入较高的能级。这个过程是瞬间完成的，称为跃迁。,电子受激励跃迁到较高能级,(,激发态,),只能维持很短的时间，就回到低能级，,这个从激发态向下回落到低能级的过程中，必然释放出多余的能量，释放能,量的形式有两种：变成粒子热运动的动能,

2、(,温升,),；以光子的形式发射出来,光产生的方法：,(1),电致发光。物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的,电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回,复到正常状态时，就会发出辐射。例如气体激光器所产生的光就是电致发光。,(2),光致发光。物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。,如荧光，示波管、显像管等中荧光物质的余辉；红宝石激光器等。,(3),化学发光。由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。例如磷在空气中,缓慢氧化而发光。,(4),热发光。物体被加热到一定温度而发光，称热发光。如钠或钠盐在火焰中发出,的光,?,mn,

3、E,n,?,E,m,?,h,二,光源,1,、光源的定义：,广义来说，,任何发出光辐射的物体都可以,叫作光辐射源。,这里所指的光辐射包括紫外光、可见光和红,外光的辐射。通常把发出,可见光,为主的物体叫作,光源,，,而把,发以,非可见光,为主的物体叫做,辐射源。,2,、光源的分类：,（,1,）,按照光辐射来源不同，通常将光源分成两大类：,自然光源和人工,光源。,（,2,）,利用光波在时间、空间上的相位特性,相干光源：光波的频率相同、振动方向相同和相位差恒定是能够产生,干涉的必要条件。满足干涉条件的光波称为相干光波，相应光源称为相,干光源。,如激光、非线性光学器件等。,非相干光源：不满足以上条件的光

4、源。,如照明光源、显示光源、信息,处理用光源,（,3,）发光机理,热辐射光源、气体发光光源、固体发光光源、激光器,气体激光器,固体激光器,激光,染料激光器,相,干,半导体激光器,光,等离子体激光器,源,非线性光学器件,太阳,照明,气体放电灯,光源,白炽灯,热辐射光源,黑体辐射器,阴极射线管,非,相,等离子体管,干,显示,荧光显示器,光,光源,液晶显示器,源,场致发光（,EL,）显示器,发光二极管（,LED,）,信息处理用光源,?,?,太阳,?,?,?,热辐射光源,?,黑体模拟器,?,?,白炽灯,?,?,?,脉冲灯,?,?,?,气体放电光源,?,原子光谱灯,?,?,汞灯,按发光机理,?,?,?,

5、?,结型发光,?,光源,?,?,?,场致发光,?,固体发光光源,?,?,液晶显示,?,?,?,?,?,等离子体显示,?,?,气体激光器,?,?,?,固体激光器,?,激光器,?,?,染料激光器,?,?,?,?,?,半导体激光器,?,光源,3,、电光源（,将电能产生光辐射）,的发展,人类对,电光源,的研究始于,18,世纪末,。,19,世纪初,，英国的,H.,戴维发明,碳,弧灯,。,1879,年,，美国的,T.A.,爱迪生,发明了具有实用价值的,碳丝白炽灯,，,使人类从漫长的火光照明进入电气照明时代。,1907,年,采用拉制的,钨丝,作为白炽体。,20,世纪,30,年代初,，,低压钠灯,研制成功。,

6、1938,年,，欧洲和美国研制出,荧光灯,，发光效率和寿命均为白炽,灯的,3,倍以上，这是电光源技术的一大突破。,40,年代,高压汞灯,进入实用阶段。,50,年代末,，体积和光衰极小的卤钨灯问世，改变了热辐射光源技,术进展滞缓的状态，这是电光源技术的又一重大突破。,60,年代,开发了,金属卤化物灯和高压钠灯,，其发光效率远高于高压,汞灯。,80,年代,出现了细管径紧凑型,节能荧光灯,、,小功率高压钠灯,和,小功,率金属卤化物灯,，使电光源进入了小型化、节能化和电子化的新,时期。,节能灯是利用气体放电的原理运作，它的术名叫自镇流荧光灯，,除了白色（冷光）的外，现在还有黄色（暖光）的。一般来说，,

7、在同一瓦数之下，一盏节能灯比白炽灯节能,80%,，平均寿命延,长,8,倍，热辐射仅,20%,。非严格的情况下，一盏,5,瓦的节能灯光,照可视为等于,25,瓦的白炽灯，,7,瓦的节能灯光照约等于,40,瓦的，,9,瓦的约等于,60,瓦的。,其大部分光是由放电产生的紫外线激活荧光粉涂层而发射出来的,澳大利亚、加拿大、日本等国家和地区逐步禁止白炽灯,的生产和销售。,LED,照明灯和节能灯泡逐步取代了白炽灯的,地位。我国从,2012,年,10,月,1,日起，开始逐步禁止进口和生产,销售白炽灯。白炽灯淘汰路线进入到了落实阶段,?,4.,电光源的分类,?,电光源一般可分为,照明光源和辐射光源两大类,。,?

8、,（,1,）照明光源,是以照明为目的，辐射出主要为人眼视觉,的可见光谱（波长,380,780,纳米）的电光源，其规格品,种繁多，功率从,0.1,瓦到,20,千瓦，产量占电光源总产量的,95,以上。,?,（,2,）辐射光源,是不以照明为目的，能辐射大量紫外光谱,（,1,380,纳米）和红外光谱（,780,1,10,6,纳米）的电光,源，它包括紫外光源、红外光源和非照明用的可见光源。,?,以上两大类光源均为非相干光源,。,?,此外还有一类,相干光源,，它通过激发态粒子在受激辐射,作用下发光，输出光波波长从短波紫外直到远红外，这,种光源称为,激光光源,。,二光源在光电检测系统中的位置和作用,存,储,

9、光,源,被,测,对,象,光,学,系,统,光,学,变,换,光,电,传,感,变,换,电,路,电,信,号,处,理,显,示,控,制,?,自然光源：被动探测系统,红外跟踪制导,天文光电探测,探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。一旦有人体,红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。,?,人造光源：主动探测系统,激光制导,精密微小尺寸测量,主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。红外光在,人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红,外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发,出报警信号

10、。,光学变换,光电变换,电路处理,2.1,光源的特性参数及,光源选择的基本要求,1,辐射效率和发光效率,电能转换成光辐射能的能力,辐射效率,:,给定波长范围内，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。,发光效率：光源发射的光通,量与产生这些光通量所需的,电功率之比。,要求,?,e,?,e,?,?,P,?,?,2,?,1,?,e,(,?,),d,?,P,?,v,?,v,?,?,P,C,?,?,e,(,?,),V,(,?,),d,?,?,1,?,2,P,光电测量系统的光谱范围相同，则,照明领域发光效率越高越好。,尽可能选择辐射效率较高的光源,2,光谱功率分布,光功率和频率（波

11、长）的关系,若干条明显分,由一些分开的谱带组成，每,所有热辐射,由连续光谱与线、,隔的细线组成,一谱带中又包含许多细谱线,光源的光谱,带谱混合而成,要求,低压汞灯,高压汞灯,白炽灯,荧光灯,（,1,）在选择光源时，它的光谱功率分布应由,测量对象,的要求来决定,在,目视光学系统,中，一般采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。,对于,彩色摄影,用光源，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。,在,紫外分光光度计,中，通常使用氘灯、汞氙灯等紫外辐射较强的光源。,(2),光源和光探测器之间的光谱匹配,下午太阳仰角,24,度,太阳是黑体辐射,所以太阳光谱主要,是连续谱,但是上面有黑线,即著名,的,夫琅和

12、费线,(Fraunhofer lines).,光线通过太阳表面大气和地球大气被,傍晚太阳仰角,0.5,度,选择性吸收而形成的,.,照片里看见数条黑线,:,深红色里的,C(,氢,H-alpha, 656nm),桔黄色里的,D(,钠,589nm),绿色里的,E(,铁,527nm),和,1,b2(,镁,518nm),天蓝色里的,F(,氢,H-beta, 86nm),紫色里的,G(,铁和钙,431nm).,有趣的是中午的阳光和太阳落山时的,阳光光谱不同,!,白炽灯是普通灯泡,钨丝,加热发光,按黑体辐射发,出连续光谱,所以从红到,紫一片连续,和太阳光谱,相比少了那些黑线,.,日光灯发光分两步,:,首先水

13、银,蒸汽被激发主要发出紫外线,然后管壁上的荧光粉将紫外线,转化为宽谱可见光,.,所以日光,灯在连续背景上有亮水银谱线,以绿色的,546nm,最显著,.,桔黄色的高压钠灯被广泛用于晚间照明,.,有趣的是它的光谱也会变化,!,计算机,CRT,显示器白色屏,幕的光谱,.,红色是离散谱,线,但绿,蓝则是连续光谱,.,这种绿,紫色霓虹灯光谱主要是荧光粉不同,.,月光就是反射的太阳光,所以光谱和太阳光谱类似,:,连续背景上有黑色夫琅和费吸收线,(1),蜡烛发出连续谱,.,用铅丝蘸食盐燃烧则黄色钠线很明显,金属卤化物灯是高压水银,灯的变种,.,谱线十分复杂,.,蓝色霓虹灯是氩和水,银,还是有荧光粉在,里面,

14、.,红色霓虹灯光,谱明显的是氖,(neon),3,空间光强分布,光源发光强度在空间各个方向上的分布,常用,发光强度矢量,和,发光强度曲线,来描述光源的这种空间,光强分布特性。,（,1,）,发光强度矢量：,在空间某一截面上，自原点向各,径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比，,称其为,发光强度矢量,。,发光强度矢量,1,1,2,用光线疏,密表示强,度大小,2,用线的长,度表示强,度大小,（,2,）,发光强度曲线,将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面,上的发光强度分布曲线，也称配光曲线。下图是气体发光光源光,强分布。,配光曲线,-,描述光源在某一,平面内的光强分布,例：高压球,形氙灯,

15、提高光的利用率，,选择发光强度高的方向作为照明方向,。,进一步利用背面方向的辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，,焦点位于光源的发光中心。,对光源发光强度的要求,太小,:,微弱信号检测的困难,;,太大,:,损坏器件,浪费能源,出现非线性问题,.,4,光源的颜色,色表,显色性,色表,:,用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的,色表,。,显色性：,当用光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体,在完全辐射体照射下呈现颜色的一致性。,是指事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的,颜色关系。,色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。,国际照明委员会,(CIE),规定了,14,种特殊物体作

16、为检验光源显色,性的“试验色”。在我们国家的标准中，增加了我国女性面部肤,色的色样，作为第,15,种“试验色”。,白炽灯、卤钨灯、镝灯,等几种光源的显色性,较好,，适用于辨色,要求较高的场合，如彩色电影、彩色电视的拍摄和放映，染料、,彩色印刷等行业。,高压汞灯、高压钠灯,等光源的显色性,差,一些，一般用于道路、,隧道和码头等辨色要求较低的场合。,5,光源的色温,?,黑体的温度与它的辐射特性是一一对应的。从光源的颜色与温度关,系，引出颜色温度的概念，简称色温。,?,分布温度,：,是描述辐射源,光谱能量,分布的物理量,辐射源在,某一波长范围,内辐射的,相对光谱,分布，与黑体在某一温度下辐射的,相对

17、光谱功率,分布,一致，那么该黑体的温度就称为这个辐射源的分布温度。一般仅限于辐射源与黑体的光谱能量,分布相差不大于,5,的情况，所以具有线状或带状光谱特征的光源不能用其描述。,但是对于,具有不连续光谱,的发射体或,具有连续光谱但其能量分布特征与黑体相差甚远,的发射体，,却可以用,色温,来描述,?,色温,：如果辐射源发出的光的,颜色,与黑体在某一温度下辐射出的,光颜色,相同，则黑体的这一温,度成为该辐射源的色温。根据色度学,色具有同色异谱的性质即色温相同的光源，它们的相对,光谱功率分布不一定相同。,色温不能象分布温度那样近似说明光源的光谱能量分布特性。,相关色温,：若与任何温度下的黑体辐射的颜色

18、都不相同，但与某一温度下的黑体辐射的色坐标,点最接近。则称该黑体的温度为这个光源的相关色温。,?,分布温度,实际上是,色温,的一个特例。当光源的光谱分布和黑体相近时,光,源的色温就与其分布温度一致。,海水：,300K,太阳：,5900K,2.2,热辐射源,1,自然辐射,一切物体,M,B,(,T,),?,?,T,4,目标辐射：,探测目标或者识别对象的辐射。,飞机、导弹、火箭、汽,车，人体,红外被动成像系统：军事和医学,背景辐射：,探测目标或者识别对象以外的辐射。,太阳和地面,2,太阳光,复合光，是很好的平行光源,太阳光谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、,X,射线、,射线等几个波谱范围。在全

19、部辐射能中，波长在,0.15,4m,之间,的占,99%,以上，且主要分布在可见光区和红外区。太阳光的照,度值在不同光谱区所占百分比是不同的，紫外区约占,6,46,，,可见光区占,46,25,，红外光区占,47,29,在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为,0.295,2.5m,。短,于,0,295 m,和大于,2,5 m,波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、,水气和其他大气分子的强烈吸收，不能到达地面,3,黑体模拟器,黑体炉,钨丝加热而发光，发出连续光谱,4.,白炽光源,发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，,所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。,特点：发光稳定、简单、寿命短而且发热大,、

20、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光,谱特性要求不高，是可取之处。,钨有正阻特性：,其冷阻远小于热阻（,12-16,倍,),，,随着电压的慢慢升高，电流慢慢加大，导致灯丝,发热而发光，其电阻值也由冷阻到热阻慢慢过渡。,使用时如能使灯丝逐渐加热到正常电流可以延长,其使用寿命。,白炽灯、电炉等类的“冷阻”特性,造成开通,瞬间的浪涌电流,超过额定工作电流值数倍。,真空钨丝白炽灯,充气钨丝白炽灯,卤钨灯,?,?,用钨丝做灯丝，玻璃泡壳。电流流过钨丝，使钨丝升,温而发光。仪器中使用的白炽灯是低电压大电流的，,即电压,6,12V,，功率在数瓦到几十瓦，灯丝聚集成点,光源状,白炽灯价廉，但寿命短，一般只

21、几百小时。工作时间,长了，灯丝的钨蒸发，灯丝变细，易被烧断。钨沉积,在灯泡上。使灯泡发黑，亮度降低。为克服白炽灯的,弱点产生了卤钨灯,?,卤钨灯,:,用更耐高温的石英为泡壳，在泡壳内充入微量卤,族元素或其化合物（常用溴或碘的化合物，如溴化硼）,这个卤钨循环的过程使灯丝不,卤化物,会引蒸发而迅速变细，寿命较,长。其工作温度比白炽灯高，,释放出卤蒸气,生成卤化钨,开灯,色温达,3200K,以上，辐射光谱,在灯内扩散,蒸发出钨分子,0.253.5,m,。发光效率可达,灯丝附近,30lm/W,比白炽灯高,23,倍，更,钨灯丝,分解出钨,广泛地用作仪器的白光源,2.3,气体放电光源,1,、定义,:,也称

22、气体灯，利用气体放电原理制成的光源称为气体放,电光源。,2,、气体放电原理：,在泡壳内充入的气体（氘、氙、金属蒸汽汞、,硫氘,等,）在电场的作用下激励出电子和离子，电子和离子从电场,中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞,时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发（跃,迁到高能级），受激原子回到低能级时就会发射出辐射（发光）。,?,3,、气体放电光源的优点,（,1,）,发光效率高,：比同瓦数的白炽灯发光效率高,2,10,倍。,（,2,）,结构紧凑：,由于不靠灯丝发光，电极可以做得牢固紧凑,耐震、抗冲击。,（,3,）,寿命长,：,一般比白炽灯寿命长,2,10,倍。,（

23、,4,）,光色适应性强（范围大）：,可在较大范围内选择。,只要,选则适当的发光材料即可。如普通高压汞灯发光波长大约,为,400500nm,?,由于上述特点，气体放电光源具有很强的竞争力，在光电,测量和照明中得到广泛使用。,?,气体放电灯不足之处：,冷态阻抗大,，起动后阻抗又急剧变,小的特点，其特性类似于电弧特性。启动后内阻太小，不,得不采用限流措施，即所谓用,镇流器,来限制电流，使得灯,具的接线较白炽灯麻烦得多。,气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条,件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可,得到主要在某一光谱范围的辐射。,低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯,是光

24、谱仪器中常用的光,源，统称为,光谱灯,。例如低压汞灯的辐射波长为,254nm,546nm,576.96nm,579.07nm,，钠灯,的辐射波长为,589nm,，可,被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料,的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对,荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光,灯。,气体放电灯消耗的能量为白炽灯,1/2-1/3,节能灯,几种典型的气体放电光源,一、脉冲灯,(,弧光放电）,二、原子光谱灯,(,辉光放电）,三、汞灯,1,脉冲灯,(Flash Lamp),高亮度,摄影光源,激光器光泵,印刷制版的光源,?,1,）、脉冲灯的特

25、点,?,在极短的时间内发出很强的光辐射。,?,亮度高为,冲灯是最亮的光源。,10,10,10,11,cd/m,2,闪光时间为,msns,，除激光外，脉,2,）、,脉冲灯的结构和工作电路原理,如图所示，脉冲灯的灯管外绕有,触发,R,丝,。工作时在触发丝上施加高的,脉冲,I,电压,，使灯管内产生电离火花线，火,Is,花线大大减小了灯的内阻，使灯“着,U,0,火”。电容,C,中储存着大量能量可在,极短的时间内通过脉冲灯，产生极强,的闪光。,C,3,）、脉冲氙灯,氙灯是由充有惰性气体,-,氙的石,英泡壳内两个钨电极之间的高温电弧,放电而发出强光的光源。,特点：（,1,）氙灯的辐射光谱是连续,的，与日光

26、的光谱能量分布相接近,（,2,）色温约,6000K,左右，显色指,数,90,以上，因此有“小太阳”之,称。,氙灯分为长弧氙灯、,短弧氙灯,和脉,冲氙灯三种。长弧氙灯的发光效率,为,25,30lm,W,4,）、脉冲氘灯,氘灯是一种,热阴极弧光放电灯,氘灯的外形及其紫外光谱分布图。氘灯的紫外线辐射强度高、稳定,性好、寿命长，因此常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。,5,）、脉冲灯的应用,由于高亮度，可以广泛用作,(,高速,),摄影,光源、,激光器的光泵,和,印刷制版,的光源，,目标显示及测速。,2,、原子光谱灯（,又称,空心阴极灯）,1,）、结构,其结构如下图所示。阳极和圆筒形阴极封在玻壳内，

27、玻壳上部有,透明石英窗。,工作时窗口透射出放电辉光，其中主要是阴极金属的原子光谱。,2,）、特点,是属于,冷阴极低气压,正常,辉光,放电灯,空心阴极放电的电流密度比正常辉光高出,100,倍以上，电流大，,温度不高，因此发光谱线强度大，波长宽度小。,金属钙的原子光谱波长为,42267nm,，带宽,33nm,左右，输出的光,稳定。,3,）、原子光谱灯的应用,是引出标准谱线的光束，确定标准谱线的分光位置，以及确定吸,收光谱中的特征波长等。用于元素，特别是微量元素光谱分析的,装置中。,3,、汞灯,汞灯,mercury lamp,利用汞放电时产生汞蒸气获得可见光,的电光源。汞灯可分为低压汞灯、高压汞灯和

28、超高压汞灯三种。,低压,汞灯,点燃时汞蒸气压小于一个大气压，此时汞原子主要辐,射波长为,253.7nm,的紫外线。常用的“日光灯”灯管,内壁涂以卤磷酸钙荧光粉，再将紫外线转变为可见光。,节能型荧光灯内壁涂有稀土荧光粉，发光效率更高。,常用于光谱仪的波长基准、紫外杀菌和荧光分析等,高压汞灯,高压汞灯工作时，除了受激原子的受激辐射发光，还有电流,通过高压汞蒸气，使之电离激发，形成放电管中电子、原子,和离子间的碰撞而发光。,超高压汞灯,汞蒸气压为,1,兆帕以上。电子与离子复合发光、激发原子与正常原,子碰撞发光更加强烈。该灯从长波紫外到可见光都有很强的辐射，,电弧亮度极高。汞工作蒸气压越高，可见光部分

29、越丰富，电弧亮度,也越高。超高压汞灯有短弧超高压汞灯和毛细管超高压汞灯两种。,短弧,（两电极的距离为毫米量级）,超高压汞灯,是辐射极强的长波紫,外光和可见光的,点光源,3,汞灯,低压汞灯,高压汞灯,超高压汞灯,汞蒸汽气压,低压汞,灯,0.8Pa,光谱,253.7nm,线状,谱,用途,光谱仪波长基准，紫外杀菌，荧光,分析,高压汞,灯,超高压,汞灯,0.1-1M Pa,10-20MPa,可见光线状，,红外连续,紫外辐射度标准，荧光分析，紫外,探伤，大面积照明,可见光偏蓝，,光学仪器，荧光分析，光刻技术,红外辐射增强,2.4,固体发光光源,（,FPD,）,?,一、定义,?,固体发光光源又称平板发光器

30、件,或平板显示器。平板显示器的厚,度较薄，看上去就像一块平板。,?,二、分类,?,1,、平板显示,(FPD),按发光类型分：,主动,发光型和,被动,发光型两种。,前者,媒质自己,发光，后者则靠,媒,质调制外部光源实现信息显示,。,?,2,、按媒质和工作原理分：,液晶显,示,(LCD),、,等离子体显示,(PDP),、,电致发光显示,(ECD),和,电泳发光,显示,(EPD),等。,一、场致,(,电致,),发光光源,?,1,、定义：场致发光是固体在电场的作用下将电能直接,转换为光能的发光现象，也称电致发光。,?,2,、有三种形态,?,2,、工作原理：,粉层中自由,?,粉末场致发光源,电子在强电场

31、的作用下加速，,?,薄膜场致发光源,获得很高的能量，它们撞击,发光中心，使其受激发而处,?,结型场致发光源（二极管）,于激发态。当激发态回到基,交流粉末场致发光屏,态时以发光形式释放能量。,?,1,、结构,玻璃板,荧光粉层,反射层,透明导,电膜,铝箔电极,3,、发光亮度,（,1,）发光亮度与所加电压、频率的关系,U,0,1,2,L,?,L,0,?,exp(,),U,L,0,、,U,0,是,发光屏最初的发,光亮度与所加电压,（,2,）发光亮度,与时间的关系,L,0,L,?,1,?,t,t,0,如,ZnS,：峰值波长,0.480.52,m,寿命约为,3000,小时,4,、使用特点：发散角大，光线柔

32、和，寿命长，功耗小，响,应快，不发热，但亮度低、电压高，老化快,直流粉末场致发光屏,1,、定义：依靠传导电流产生激发发光。发光,材料：,ZnS:Mn,、,Cu,。,2,、特点：,100V,电压下，光亮度约为,30cd/m,2,寿命上千小时，发光效率,0.20.5lm/W,。适合,于脉冲激发下工作。,3,、应用：数码、字符、矩阵的显示,薄膜场致发光屏,1,、直流：主要有,橙黄,和,绿色,，,1030V,电压下，光亮,度约为,3cd/m,2,发光效率,10,-4,l m/W,。寿理命大于,1000,小时。,2,、交流：主要有,橙黄,和,绿色,，,100300V,电压，频率几,十,几千,Hz,，光亮

33、度几百,cd/m,2,发光效率,10,-3,l m/W,。寿,命大于,5000,小时。,3,、特点：均匀致密，分辨率高，对比性好，驱动电压,低。,场致发光光源的优点：,?,固体化、平板化，可靠、安,全、占地小，易安装,?,面积、形状不受限制,?,属无红外辐射的冷光源，隐,蔽性好，对环境没影响,?,视角大，光线柔和，便于观,察,?,寿命长，发光不会突然熄灭,?,功耗低，几毫瓦,/m,2,?,发光易于通过电压控制,场致发光光源的缺点：,?,亮度低（,50cd/m,2,),?,驱动电压高。上百伏,?,老化快,主要用途,?,特殊照明。仪表表盘、,飞机座舱，坑道照明,?,数字、符号显示,?,模拟显示,?

34、,矩阵显示,?,图像转换及图像增强,1,发光二极管（,LED,）发光原理,自发辐射,场（电）致发光,：固体在电场的作用下将电能直接转化为光能的发,光现象。也称电致发光。,PN,结未加偏压时，在,PN,结内形成内电场，内电场阻碍电子从,N,区进入,P,区，空穴从,P,区进入,N,区。,当,PN,结上加有正向电压时，势垒降低，电子由,N,区注入到,P,区，,空穴则由,P,区注入到,N,区，称为少数载流子注入。,在耗尽层里，电子能够自发地与空穴复合而放出能量,-,产,生光子，光子朝各个方向运动，这就形成了结型发光，,这就是,LED,。在,LED,中，向各个方向发出的光是自发发射的,在电场作用下半导体

35、的,少数载流子在,PN,结,区的注入和复合产生发光,的一种结型发光器件，也称作,注入式场致发光光源,2.LED,的特性参数,（,1,）量子效率,N,r,pn,结附近由电能转化成光能的效率,内量子效率：,?,qi,?,G,（接近,100,）,只是用来分析和评价芯片优劣的特性。,N,T,外量子效率,辐射到外部的效率,?,qe,?,（很低）,G,Nr,：产生的光子数，,G:,注入的电子空穴对,N,T,：器件射出的光子数,前者：发光复合在整个过程中的比例,后者：发光复合过程中发射光子的能力,提高发光效率的方法是,减少吸收（,选择最佳结深）和,晶体表,面的内反射损失,（选择适合的封装材料及形状）,Q:,

36、为什么,LED,大部分都是半球形？,2,）发光与电流的关系,出射度与电流密度近似成线性，但,红光二极管易饱和。,发光二极管的发光出射度与工作温,度也有关。温度较高或工作电流过,大时，容易出现热饱和现象。,3,）光谱特性,发光二极管的材料（,禁带宽,度,Eg,）,直接决定着它的,发光颜色,，,目前已能制造出红、绿、黄、橙、,蓝、红外等各种颜色的发光二极,管。下图表示,GaAs,0.6,P,0.4,和,GaP,红,色发光的光谱能量分布,。,同时温度升高，能量峰值波长向长波方向移动。,4,）,响应时间,很短,响应时间是指注入电流后发光二极管点亮,(,上升,),或熄灭,(,衰减,),的时间。发光二极管的上升时间随着电流的增大近似地成指数,减小。