光电检测技术第二章

光电检测技术第二章第一页，共七十四页，2022年，8月28日第二章主要内容§2.1光的产生§2.2光电仪器中的常用光源§2.3发光二极管§2.4激光光源§2.5其他光源第二页，共七十四页，2022年，8月28日§2.1

光的产生

一、光的辐射l光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质l粒子在不断地运动：原子内有若干电子围绕原子核不断运动l

运动有多种可能状态l不同运动状态的电子具有不同能量l当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。

第三页，共七十四页，2022年，8月28日

假设E0、E1为电子的两个运动状态，E0为基态，电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态时，能量从E1变到E0，此时发射光子的频率为：

式中：h为普朗克常数，h=6．62×10-27尔格·秒=4.13×l0-15eV·S第四页，共七十四页，2022年，8月28日

应用：由于原子中有很多可能的能级，而原子受激后可发射出多种频率的光。因此，利用光的频率分立特性，用适当的仪器可以把它们分辩出来。（分立的线光谱称为原子光谱，其中每一条谱线代表一个频率的光。）（一）热辐射l温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度l任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。l自然界中的任何物体都是热辐射体。温度低的物体发红外辐射，500。C左右时物体的温度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的辐射波长越短；大约在1500。C时的温度辐射体开始发白光。热辐射光谱是连续光谱。应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据。（二）发光辐射第五页，共七十四页，2022年，8月28日二、光的产生方法

激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发光、热发光和场致发光。

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。这一过程称为电致发光。例如：发光二极管所产生的光就是电致发光。第六页，共七十四页，2022年，8月28日

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。例如：l

荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射)；l短波长的紫外光照射到杂质(油污)上发出波长较长的可见荧光。光致发光原理

当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用(吸收、动量传递等)，引起电子能态的改变，电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。第七页，共七十四页，2022年，8月28日

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。例如：钠或钠盐在火焰中发出的钠黄光。热发光的原理是特定的材料在特定的温度下才可能发光。火焰中的原子、离子或电子具有足够的动能去碰撞达到一定温度的钠原子，使钠原子受激而发光，其光谱为线光谱。第八页，共七十四页，2022年，8月28日

实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同属几种受激过程。例如：l

白炽灯中钨丝通以电流会发光，本质是电流通过电阻丝产生的热发光；l

物质加热后燃烧发的光通常是氧化化学反应发光；平衡和非平衡辐射：

l

激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱。l

温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。

第九页，共七十四页，2022年，8月28日三、光源分类定义：

一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都称为光源。l

天然光源：是自然界中存在的：如太阳、恒星等，在天文光电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。l

人造光源：人为将各种形式的能量(热能、电能、化学能)转化成光辐射能的器件。其中利用电能产生光的器件称为电光源，在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。第十页，共七十四页，2022年，8月28日分类：按照发光机理，光源可以分成如下几类：

太阳

热辐射光源

白炽灯、卤钨灯

黑体辐射器

汞灯

荧光灯

钠灯

气体放电光源

氙灯光源

金属卤化物灯

空心阴极灯

场致发光固体发光光源，

发光二极管

气体激光器

固体激光器

激光器

染料激光器

半导体激光器

第十一页，共七十四页，2022年，8月28日§2.2光源的基本特性参数一、辐射效率和发光效率

定义1：

在给定λ1—λ2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，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率。

第十二页，共七十四页，2022年，8月28日第十三页，共七十四页，2022年，8月28日

（1）从ηe、ην可以看出，如果光电测量系统的光谱范围为λ1~λ2，那么应尽可能选用η较高的光源。（2）Km称为明视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为555nm[V（λ=555）=1]光辐射产生光感觉的效能，且λ1=380nm，λ2=780nm。实际上是光度参量对辐射度参量的转换常数。（3）V（λ）称为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称视见函数。第十四页，共七十四页，2022年，8月28日二、光谱功率分布定义：自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为l，将光谱功率分布进行规一化处理，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。第十五页，共七十四页，2022年，8月28日

光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：l

图a为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成。如低压汞灯。l

图b称为带状光谱，由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。l

图c为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱。l

图d为混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成。一般荧光灯的光谱就属于这种分布。

第十六页，共七十四页，2022年，8月28日P（λ）λoP（λ）λoP（λ）λoP（λ）λo图2—1四种典型的光谱功率分布第十七页，共七十四页，2022年，8月28日应用：在选择光源时，光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。l

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。l

彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。l

在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源。l

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。l

为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。第十八页，共七十四页，2022年，8月28日

三、空间光强分布

对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，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。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曲线，即配光曲线。第十九页，共七十四页，2022年，8月28日四、光源的色温l

黑体的温度决定了它的光辐射特性。（在任何温度下可以全部吸收任何波长辐射的物体称为绝对黑体,简称黑体）l

对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。l

对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。第二十页，共七十四页，2022年，8月28日1．

分布温度

定义：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，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。

2．

色温

定义：辐射源发射光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。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。3．

相关色温

定义：对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。

第二十一页，共七十四页，2022年，8月28日五、光源的颜色

光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色。荧光灯的色表呈白色。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色(也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉)与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。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

第二十二页，共七十四页，2022年，8月28日§2.3光电检测常用光源

激光和发光二极管是检测技术中应用广泛的光源。本节还另外介绍几种光源：热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源。一、热辐射光源

定义：任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。例如：炉上的一块铁，刚开始加热时，温度较低呈暗红色。若继续加热，随着温度的升高，铁块的颜色会由暗红色逐渐变为炽白，而且发光也更明亮。热辐射源遵循有关黑体的定律。第二十三页，共七十四页，2022年，8月28日1、太阳

太阳可看成是一个直径为1.392×109m的光球。它到地球的年平均距离是1.496×1011m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.5330。大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为：

紫外区(<0.38um)6.46%

可见区(0.38—0.78um)46.25%

红外区(>0.78um)47.29%

射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太阳辐射的光谱和空间分布、能量大小、偏振状态等都发生了变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中氧(02)、水汽(H20)、臭氧(03)、二氧化碳(C02)、一氧化碳(CO)和其它碳氢化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了太阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质。第二十四页，共七十四页，2022年，8月28日2、黑体模拟器

在许多光电仪器或系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。黑体总辐射强度和它的温度的四次方成正比。实际工作温度的精确测量和控制是黑体辐射能（稳定）产生的关键。目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而实际应用的大多是在2000K以下。第二十五页，共七十四页，2022年，8月28日3、白炽灯

定义

白炽灯发射的是可见光连续光谱，它是在电源供电下，依靠电能加热金属丝使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光的器件，因此称为白炽灯。

灯丝要求①熔点高，可适用于较高的工作温度，从而使光源发光光谱向短波方向移动；②蒸发率小，要求在高温炽热条件下蒸发愈小愈好，以提高白炽灯的使用寿命；③对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光辐射；④其他要求，如加工性能、机械性能等。

第二十六页，共七十四页，2022年，8月28日分类真空白炽灯

玻壳内真空条件的作用是保护钨丝，使其不被氧化。它的功率不太大，其灯丝温度常在2300～2800K之间，发光效率约为10lm/W，进一步增加钨的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从而缩短寿命。充气白炽灯

在灯泡中充入不和钨发生化学反应的惰性气体氩、氮或氩和氮的混和气体。当灯丝在高温下蒸发的钨原子与气体分子发生频繁的碰撞时，部分钨原子返回灯丝表面，抑制钨的蒸发。因此，在与真空型灯泡同样寿命的条件下，充气钨丝白炽灯的工作温度可以提高到2600～3000K左右，相应的光效提高到17lm/W。卤钨白炽灯

在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），在一定温度下可以形成卤钨循环。第二十七页，共七十四页，2022年，8月28日

图2－4卤钨循环工作原理图

第二十八页，共七十四页，2022年，8月28日

卤钨灯的特点

卤钨灯也是利用电能使灯丝发热到白炽状态而发光的电光源。但它具有较高的发光效率和较长的使用寿命，得到了方泛应用。与白炽灯相比，它有许多优点：

(1)体积小，是同功率白炽灯的0.5%~3%，因而可使光学系统小型化；

(2)光通量稳定，最终的光通量为开始的95％~98％，而白炽灯为60％；

(3)紫外线较丰富，因卤钨灯的灯丝温度较高，而且它的泡壳也能通过紫外辐射，所以可作为紫外辐射源用于光谱辐射测量方面；

(4)发光效率比白炽灯高2—3倍；

(5)寿命长。卤钨灯的缺点是价格较贵，另外它的管壁温度高，应注意安全，以免烧毁其它物质。第二十九页，共七十四页，2022年，8月28日白炽灯的性能

此外，白炽灯的性能与电压有显著关系，在额定电压下工作正常，升高电压将会缩短灯的使用寿命，甚至烧毁。如欲延长白炽灯的使用寿命，工作电压应比额定电压低，但光适量及发光效能也随之减少。白炽灯的光参数(光通量、光效率)、电参数(灯电压、电流、功率、电阻)和寿命之间有着密切的关系。图2-3电压与灯参数的变化曲线

第三十页，共七十四页，2022年，8月28日二、气体放电光源定义：利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。l 电流通过气体媒质时的放电现象称气体放电。利用气体放电而发光的原理制成的灯，称为气体放电灯。气体放电灯的光谱是不连续的（白炽灯的光谱是连续的）l气体光源发光颜色由其光辐射谱决定第三十一页，共七十四页，2022年，8月28日特点：气体光源发光效率高，比同瓦数的白炽灯发光效率高2~10倍，因此具有节能的特点。

l气体放电灯发出的热量小，气体光对电器和检测对象的温度影响小。

l对电压稳定性的要求也比白炽灯低。

l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。

l寿命长。一般比白炽灯寿命长5~10倍。

l光色适应性强，可在很大范围内变化。第三十二页，共七十四页，2022年，8月28日原理：l 气体放电光源制作时，在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。l 在电场作用下激励出电子和离子气体变成导电体。l 当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量。l 当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。部分内层电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。气体放电光源的种类很多，主要按下列方法分类：l 按气体放电类型分：有辉光放电灯、弧光放电灯和高频放电灯等。l 按放电时灯内气体压强分：有低压放电灯、高压放电灯和超高压放电灯等。按放电发光物质的种类分：有汞灯、钠灯、各种金属卤化物灯和稀有气体灯(如氙灯、氖灯、氪灯等)。按灯的电极形式分：有冷阴极气体放电灯、热阴极气体放电灯和无极气体放电灯。第三十三页，共七十四页，2022年，8月28日气体光源发光颜色由其光辐射谱决定。辉光放电的正柱光辉在空气中略带红色，在汞汽中为绿色，在氖气中为红紫色，在钠蒸汽中为黄色等。改变气体或蒸汽的成份、气体压力及放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。根据充气压力的不同，可分为低气压放电灯和高气压放电灯。低压汞灯、氢灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。而利用高压或超高压氙气放电发光而制成的氙灯适合于码头、车站等大面积照明，有时也作为布匹的颜色检验，塑料、橡胶的老化试验等的光源。第三十四页，共七十四页，2022年，8月28日

除上述热辐射光源和气体放电光源外，根据特定的用途还可以采用其它辐射能源。例如测量钢板厚度、管壁差、不透明介质的水平面等。一般利用硬射线光

—X射线、丫射线或β射线。另外，直接利用自然照度作为光源，例如照明灯的自动控制。检测有辐射性质的对象，其本身可作为辐射能源，光电高温计测量发热体的温度都属于这一类。由于上述特点，气体放电灯具有很强的竞争力，因而发展很快，并在光电测量和照明工程中得到广泛使用。表1列出了常用的气体放电灯的种类、性能以及它们的主要应用领域。（气体放电光源种类较多，这里就光学仪器中常用的几种光源作简要介绍）第三十五页，共七十四页，2022年，8月28日表2—2常用气体放电灯的种类、性能和主要应用领域序号 种类 主要性能 应用1． 汞灯：

(1)低压汞灯①冷阴极辉光放电灯辐射强的253．7nm远紫外线杀菌、荧光分析、光谱仪波长基准②热阴极弧光放电灯 ③荧光灯 253．7nm激发荧光粉发光 室内照明 (2)高压汞灯①紫外线高压汞灯主要辐射波长365.0nm的近紫外线保健理疗、塑料和橡胶试验、荧光分析、紫外探伤 ②仪器高压汞灯 主要辐射波长365.0nm的近紫外线光刻机、光学仪器 ⑧普通高压汞灯辐射404.7nm、435.8nm、546.1nm、大面积照明

577nm等光谱④荧光高压汞灯 汞的可见光谱，365nm激发的荧光辐射厂矿照明

(3)超高压汞灯 紫外可见辐射丰富，亮度高 荧光分析、光刻、光学仪器 2 钠灯（1)低压钠灯 辐射589.0nm和589.6nm黄色谱线 偏振仪，旋光仪，波长基准 (2)高压钠灯光效高达90-100Im／W，寿命长，光色金白大面积照明 第三十六页，共七十四页，2022年，8月28日种类主要性能应用3、金属卤化物灯(1)镝灯 光效高达70Im／W，光色好，Ra为80 电影、电视摄影、照相制版、投影仪、植物温室照明

(2)铊铟灯 发兰绿色光，光效高 灯光诱鱼、水下照明 (3)碘化铊灯 发绿色光，光效高 水下照明、飞机着落信号灯 4、氙灯(1)长弧氙灯 紫外可见连续光谱，光色接近日光大面积照明、材料老化试验 (2)短弧氙灯 高亮度点光源，光色接近日电影放映、光学仪器、摄影制版

(3)脉冲氙灯 连续光谱，脉冲闪光0.2一1ms 激光器光泵、测速、照相、光信号 5、空心阴极辐射阴极金属(合金)的原子光谱线原子吸收分光光度计 6、氘灯 辐射190—400nm连续紫外光谱 紫外分光光度计 7、氢灯 辐射434.1nm、486.1nm和656.3nm谱线干涉仪、分光计、偏振仪 8、氦灯 辐射587.6nm和706.5nm谱线 9、真空紫外灯 HeI和HeI谱线58.4nm、30.4nm 单能光子源、真空紫外波长基准 10、无极放电灯(汞)气体发光、荧光；无电极，寿命长长寿命特殊照明、印刷制版 第三十七页，共七十四页，2022年，8月28日三、场致发光光源l 场致发光源是固体发光源。l 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，也称为电致发光。场致发光最早发现于1923年，但当时并没有引起人们的普遍注意。随着近代技术的发展，对发光光源和器件提出了新的要求。例如，电子仪器的固体化和小型化，要求显示的固体化，新的照明技术和显象技术的发展，要求对新的发光材料作深入的研究。场致发光不但能使人们得到全固体化的光源，而且为全固体化显示开辟了途径。第三十八页，共七十四页，2022年，8月28日

目前常见的场致发光有三种形态，即粉末、薄膜和结型。有场致发光本领的固体材料很多，但达到实际应用水平的主要是Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—V族化合物半导体。Ⅱ—Ⅵ族化合物既是发光效率很高的光致发光和阴极射线发光材料，亦是目前用于实际的唯一的粉末和薄膜场致发光材料。Ⅲ—V族发光材料则在发光二极管方面得到广泛应用。

1、粉末场致发光光源按激发方式不同，场致发光光源有交流电场激发和直流电场激发两种。第三十九页，共七十四页，2022年，8月28日1－玻璃基板2－透明导电膜（SnO2）3－发光材料4－Ti2O反射层5－背电极（金属）6－防潮树脂7－防潮盖板图2－6交流粉末场致发光光源

1）交流粉末场致发光光源第四十页，共七十四页，2022年，8月28日交流粉末场致发光光源采用的发光材料(通常为ZnS：Cu)悬浮在介电系数很高、透明而又绝缘的胶合介质中，并被两电极所挟持。l 高介电系数的反射层不仅能有效地反射光，而且还防止击穿。l 当在两电极间加上交变电场时，粉末就会产生场致发光。l 场致发光光源的亮度L与所加的交流电压幅度V和频率f有关。l 场致发光的颜色随基质和激活剂的不同，可以有兰、绿、黄、红等各种颜色。l 外加电压的频率对发光的颜色也有影响第四十一页，共七十四页，2022年，8月28日外加电压的频率对亮度的影响：在较低频率下，亮度随频率线性增加。频率高到一定范围，亮度就出现饱和趋势。饱和频率的高低随具体发光材料的种类而变。对同一种发光材料，电压越高，饱和频率也越高。外加电压的频率对发光颜色的影响：常用的场致发光光源的光谱能量分布通常包含两个谱带，一个绿带，一个兰带。随着频率的增高，兰带相对增强，而发光颜色由黄绿向兰改变。如果交流场致发光的外加激发电压是随时间变化的，相应的发光亮度也随时间而变化，这种变化的图形称为发光波形。当用正弦交流电压激发时，场致发光的波形在交流电压的每半周期中有高低两个发光峰。场致发光的余辉是极短的，电压一去掉，发光马上消失。在脉冲激发下，场致发光的反应速度很快，上升时间常数比衰减时间小得多。第四十二页，共七十四页，2022年，8月28日场致发光光源在使用过程中亮度会逐渐下降，这种现象叫老化。老化曲线的主要部分可用下列经验公式表示：

L=L0/（1+t/t0）式中L0为初使亮度，t0为时间常数，它与频率有关。场致发光光源的寿命通常以发光亮度降到初始值的1／3—1／4的时间为使用寿命。寿命和激发电压的频率有很大的关系，频率越高，老化越快，寿命越短。老化后发光亮度下降，但光谱基本保持不变。激发电压对老化的影响比频率小得多。常用的ZnS：Cu场致发光光源的使用寿命超过3000-5000小时。第四十三页，共七十四页，2022年，8月28日

交流粉末场致发光光源在近几年得到多方面的应用和发展，与其它光源相比，它有独特的优点：(1)固体化、平板化，因而可靠、安全、占地小，易于安装；(2)面积、形状几乎不受限制，因此可以通过光刻、透明导电膜和金属电极掩蔽镀膜的方法，制成任意发光图形；(3)无红外辐射的冷光源，因而隐蔽性好，对周围环境没有影响；(4)视角大，光线柔和，易于观察；(5)寿命长。可连续使用几千小时，而发光不会突然全部熄灭；(6)功耗低，约几毫瓦／厘米’；(7)发光易于电控第四十四页，共七十四页，2022年，8月28日

场致发光光源主要应用下述几个方面：

(1)特殊照明。如仪表表盘、飞机座舱、坑道等照明；

(2)数字、符号显示。如可以做成大型的数字钟，电子称等显示；

(3)模拟显示。如显示生产工艺流程和大型设备的工作状态，各种应急系统标志显示等；

(4)矩阵显示即交叉电极场致发光显示。主要用于雷达、航迹显示及电视等。

(5)场致发光屏与光导材料联合使用，可以做成显象器件，例如X光象增强与象转换器件。第四十五页，共七十四页，2022年，8月28日

2）直流粉末场致发光光源

直流粉末场致发光光源的结构与交流粉末场致发光光源类似。但其发光材料(常用ZnS,Cu＼Mn)的涂层是导电的CuxS，而不是大量分布在中间的绝缘胶合介质。它的激发情况也与交流场致发光不同，后者是依靠交变电场激发的，也就是说是从交变电场中吸收能量实现光的转换。而直流场致发光吸收的能量等于通过发光体的传导电流与实际施加在发光体上电压的乘积。因此它要求发光体与电极有良好的接触，有电流流过发光体颗粒。正常使用之前，一般需在两电极上施加短暂的高压脉冲。当工作时，电压较低，但由于大部分电压降落在该高阻层上，因此也能使ZnS发光。直流粉末场致发光光光源的亮度较高，且亮度随电压上升而迅速上升；制造工艺简单，成本低，外部驱动方便。目前的主要缺点是效率低，寿命短(约1000小时)。该直流粉场致发光器件特别适用于数码、字符和矩阵寻址显示等方面。第四十六页，共七十四页，2022年，8月28日

2、薄膜场致发光光源将固体发光材料制成薄膜的形式，在电场作用下出现的发光现象，称为薄膜场致发光。薄膜场致发光光源与粉末场致发光光源在形式上极其相似，发光层夹在两个平板电极之间，如同一个平板电容器。两个电极中，至少一个是透明的或半透明的，如导电玻璃等。当在两电极上加电压时，薄膜发光并通过它透射出来。但是，薄膜场致发光层和粉末场致发光层在结构上有本质的不同。薄膜发光层的突出特点是没有介质，它仅仅由ZnS多晶掺Mn后彼此联接而成，而粉末层通常要用有机介质将发光粉粘结在一起而形成发光层。因此薄膜发光体可与电极直接接触，加之薄膜很薄(约1um左右)，因而可获得低压直流场致发光，一般工作电压十几伏至几十伏。第四十七页，共七十四页，2022年，8月28日图2－8薄膜电致发光屏结构原理示意图1－防潮层2－第二电极3－硫化锌薄膜4－透明导电层5－玻璃基板第四十八页，共七十四页，2022年，8月28日薄膜场致发光也有直流和交流两种。l

直流薄膜场致发光有橙黄和绿色两种，工作电压为0—30V，寿命大于1000h(小时)；交流薄膜场致发光光源在发光膜层与电极之间多一层绝缘层，因此只在交流电压激发下才发光，发光每颜色有橙色和绿色两种。工作电压为100—300伏，频率由数十到数千周，寿命在5000小时以上。薄膜场致发光由于薄膜的厚度很薄，又没有介质，均匀细密，可以有很高的分辨率，成象质量高。发光亮度随电压增加迅速上升，因此显示对比度好。直流薄膜发光器件的驱动电压低，可直接用集成电路驱动。薄膜光源同样具有粉末器件的一些优点，诸如固体平板化，可制成各种形状，视角大，光线柔和，制备工艺简单，造价便宜等等，因此在显示和显象方面是很有前途的发光器件。第四十九页，共七十四页，2022年，8月28日

3、发光二极管

LED是一种固态P-N结器件，属冷光源；发光机理是电致发光，如图2－9所示；当P－N结上有正向电流时即可发光，它是直接把电能转换成光能的器件，没有热交换过程；由于它发光面小，故可视为点光源。

图2－9发光二极管原理结构第五十页，共七十四页，2022年，8月28日（一）LED发光机理及发光光谱

在电场的作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理：

l

当给发光二极管的P－N结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强。

l

由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。

l

当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级；

l

电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。第五十一页，共七十四页，2022年，8月28日

电子和空穴复合时放出能量的大小，即光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度Eg(Eg=E1-E0)，放出的能量越大，发出的光辐射波长就越短，即例如：GaAs材料的禁带宽度Eg=1.43eV,则光辐射波长为：

第五十二页，共七十四页，2022年，8月28日（二）LED的特性及参数

LED的性能参数有两个方面：电学方面和光学方面。主要性能有：

l

伏安特性

l

发光效率

l

发光亮度

l

响应时间

l

光谱特性

l

寿命第五十三页，共七十四页，2022年，8月28日

1．伏安特性l伏安特性即电流—电压特性，是发光二极管的基本特性。l

伏安特性曲线形状和普通二极管的伏安特性曲线相似。2、发光亮度与电流密度

（1）发光亮度基本上与正向电流密度成线性关系。（2）发光亮度受到环境温度的影响。

(a)环境温度越高，所允许的耗散功率越小，允许的工作电流也就越小，发光亮度下降；

(b)环境温度越高，结温升高，也使发光效率（亮度）下降。（3）即使环境温度不变，由于注入电流加大，引起结温升高，发光亮度－电流密度曲线也会呈现饱和现象。第五十四页，共七十四页，2022年，8月28日图2-12光出射度Me与电流密度j的关系第五十五页，共七十四页，2022年，8月28日3．响应时间

l是表示反应速度的一个重要参数。应用：可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可达几十兆赫。这种直接调制技术使发光二极管在相位测距仪、能见度仪及短距离通讯中获得应用。

第五十六页，共七十四页，2022年，8月28日4．光谱特性

发光二极管一般具有连续波谱，光谱曲线一般仅有一个峰值。其峰值波长由禁带宽度决定。描述光谱特性的参数是峰值波长和半强度宽度（半宽度）。图2-13发光二极管的光谱能量分布第五十七页，共七十四页，2022年，8月28日5．辐射效率

令辐射功率为Фe

，则可近似写成：Фe=I/Ue

式中：I—注入器件的总电流；Ue—降在P-N结上的电压。由于热功率P=I2R式中：R—材料和接触区的总电阻则辐射效率

发光二极管的辐射效率一般在百分之几到百分之十几，同样也受到环境温度的影响，且与工作电流的大小有一定关系。

第五十八页，共七十四页，2022年，8月28日6．寿命

发光二极管的寿命一般是很长的，在电流密度小于1A／cm’的情况下，寿命可达106小时，即可连续工作一百余年。这是任何光源均无法与之竞争的。但发光二极管的亮度随着工作时间的增加而衰减，这就是老化。老化的快慢与电流密度j和老化时间常数τ有关，其关系式为：

L(t)＝L0exp-(j/τ)t

式中L0为起始亮度；

L(t)为点燃t时间后的亮度；

τ约为106h·A／cm2

第五十九页，共七十四页，2022年，8月28日（三）LED的驱动电路

发光二极管的驱动电路与一般二极管的驱动电路相同。发光二极管可工作在直流状态、交流状态和脉冲状态。交变频率可达1MHz。LED的供电电路中一般要加限流电阻以限定其最大工作电流。

第六十页，共七十四页，2022年，8月28日（四）特点优点：

1、工作电压低(1.5伏一2伏)，耗电少(10mA下即可在室内得到适当的亮度)；

2、可通过调节电流(或电压)来对发光亮度进行调节，且响应速度快，并可直流驱动；

3、普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米；

4、发光亮度和发光效率均较高；

5、容易与集成电路配合使用,且驱动简单；

6、体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿命长。

7、由于器件在正向偏置下使用，因此性能稳定，寿命长(≥106小时)；第六十一页，共七十四页，2022年，8月28日缺点：1、功率较小，只有微瓦级和毫瓦级：2、光色有限，较难获得短波发光（如紫外、蓝色），且发光效率低。应用：二极管除用于数字、字符显示器件外，还被作为光源