第1章 光信息源及其选用

光，不仅是支持生命的重要能量，也是生活中的重要信息源。显然，如果没有光，就不可能有我们现在的文明。正是光为我们提供了很有价值的信息资源。在光电信息系统中，光是信息的载体，光源的质量对系统往往起着关键的作用。了解各种光源的基本特性参数和特点，对设计光电信息系统而言是十分重要的。本章主要介绍光电信息系统中常用的及新型的发光光源，如常用的普通光源、白光LED灯、未来的OLED灯、发光二极管、激光器及应用广泛的半导体激光器、光纤激光器与新的光子晶体激光器等。

1.1 常用的普通光源及其选用

1.1.1 热辐射光源

当物体的温度大于绝对零度时它就会向外辐射能量，由于温度较高而向周围温度较低环境辐射能量的形式称为热辐射，其辐射以光子形式进行，因而我们就会看到光。这种热辐射的物体就称为热辐射光源。常见的热辐射光源如下所述。

1.太阳光

太阳是直径约为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0.533°。太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射，其平均亮度为1.95×109 cd/m2。

太阳向地球辐射热，我们称之为阳光。阳光是复色光，太阳光源是很好的平行光源。太阳光的照度值在不同光谱区所占百分比是不同的，紫外区占6.46%，可见光区占46.25%，红外光区占47.29%。

辐射到地球上的太阳光要穿过一层厚厚的大气层，因而在光谱、空间分布、能量大小、偏振状态等方面都发生了变化。大气中有光谱选择性的吸收介质，如水汽、氧、臭氧、二氧化碳、一氧化碳以及其他碳氢化合物等，都会在不同程度上吸收太阳辐射。

2. 白炽灯

白炽灯是光电信息系统中最常用的光源之一，它发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5%，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%。由于它的发光特性稳定、简单、可靠，使用和量值复现方便，因而得到了广泛的应用，并且也用做各种辐射度量与光度量的标准光源。

白炽灯有真空钨丝灯、充气钨丝灯和卤钨灯等。真空钨丝灯是将玻璃灯泡抽成真空，钨丝被加热到2300～2800K时发出复色光，其发光效率低，约为10 lm/W。

充气钨丝灯是在灯泡中充入和钨不发生化学反应的氩、氮等惰性气体，当灯丝蒸发出来的钨原子与惰性气体原子相碰撞时，部分钨原子会返回灯丝表面而有效地抑制钨的蒸发，从而延长灯的寿命，使工作温度提高到2700～3000K，发光效率提高为17 lm/W。

卤钨灯是在灯泡内充有卤族元素（氯化碘、溴化硼等），钨丝被加热后，蒸发出来的钨原子在玻璃壳附近与卤素合成为卤钨化合物，如WI2、WBr等。然后，卤钨化合物又扩散到温度较高的灯丝周围且又被分解成卤素和钨，而钨原子又沉积到灯丝上，弥补钨原子的蒸发，以此循环而延长灯的寿命，使卤钨灯的工作温度达3000～3200K，发光效率提高到30 lm/W。

白炽灯的灯压决定了灯丝的长度，供电电流决定了灯丝的直径，100W的钨灯发出的光通量大约为200 lm。白炽灯的供电电压对灯的参数（如电流、功率、寿命和光通量）有很大的影响，其关系式为

式中，V0、I0、ηv、Φv、τ0分别为灯泡额定电压、电流、发光效率、光通量和寿命；V、I、ηv、Φv、τ分别为使用值。

对于充气灯泡，n=0.0714；对于真空灯泡，n=0.0769。例如额定电压为220V的灯泡降压到180V使用，其发光的光通量降低到62%，但其寿命延长13.6倍。因此，降压使用对光电检测系统用的白炽灯光源十分重要，因为灯泡寿命的延长将使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。例如，光栅莫尔条纹法测量，常用6V、5W的白炽灯照明，若降压至4.5V使用，灯的寿命将延长20倍左右。

白炽灯泡的灯丝形状对发光强度的方向性有影响，普通照明常用W 形灯丝，使灯360°发光；而光栅莫尔条纹法测量则用直丝形状灯泡，且灯丝长度方向应与光栅刻线方向一致。

1.1.2 气体放电光源

利用气体放电原理来发光的光源，称为气体放电光源。例如，将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸气（如汞、钠、硫等）充入灯中，在电场的作用下激励出电子和离子。当电子向阳极、离子向阴极运动时，由于已经从电场中获得能量，当它们再与气体原子或分子碰撞时就激励出新的原子和离子，如此不断地进行碰撞，使一些原子跃迁到高能级。由于高能级的不稳定性，处于高能级的原子就会发出可见辐射（发光）而回到低能级。如此不断地进行，就实现了气体持续放电、发光，这就是气体放电发光的原理。

由于气体放电光源可充不同的气体或金属蒸气，从而形成放电介质不同的多种光源；即使充的是同一种材料，由于结构不同又可构成多种灯。例如，汞灯就可分为：低压汞灯（＜0.8 Pa），这又可分为冷阴极辉光放电型和热阴极弧光放电型两类；高压汞灯（1～5 Pa），发光效率达40～50 lm/W；超高压汞灯（10～200 Pa）。又如氙灯，其辐射光谱也是连续的，与日光的光谱能量分布相接近，色温为6000K左右，显色指数达90以上，因此有“小太阳”之称。氙灯又可分为脉冲氙灯、长弧氙灯和短弧氙灯。此外，还有用于微量元素光谱分析的原子光谱灯等。

总之，气体放电光源的种类很多，但它们具有的共同特点是：①发光效率高，比同瓦数的白炽灯高2～10倍，因而可节省能源；②结构紧凑，耐震、耐冲击；③寿命长，是白炽灯的2～10倍；④光色适应性强，可在很大范围内变化，如普通高压汞灯发光波长为400～500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色（589nm），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。

由于以上特点，气体放电光源具有很强的竞争力，因而经常被用于工程照明和光电信息系统之中。

1.1.3 普通光源选用要点

热辐射光源被称为第一代照明光源；一些气体放电灯统称为第二代光源；21世纪的半导体光源则称为第三代光源。表1-1列出了目前主要光源的技术指标。

在选择使用普通光源吋，要注意以下的几个要点：①宜选用发光效率高的光源，以节省能源；②为了最大限度地利用光能，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致，其光谱的功率分布还应根据被检测对象的要求来决定：对于目视测量，一般可以选用可见光谱辐射比较丰富的光源；对于目视瞄准，为了减轻人眼的疲劳，宜选用绿光光源；对于彩色摄像用光源，为了获得较好的色彩还原，则应该采用类似于日光色的光源，如白炽灯、卤钨灯与氙灯；对于紫外和红外测量，也宜选用相应的紫外灯（氘灯、紫外汞灯、汞氙灯）和红外灯等；③因光源的颜色与发光波长有关，复色光源如太阳光、白炽灯、卤钨灯、镝灯等发光一般为白色，其显色性较好，适合于辨色要求较高的场合，如用于彩色摄像、彩色印刷及染料等行业；高压汞灯、高压纳灯等显色性差一些，一般用于道路、隧道、码头等颜色要求较低的场合；单色光源，如He-Ne激光为红色，氪灯与钠灯发光为黄色，氘光为紫色……，用于要求单色的地方；④光的颜色对人眼的工作效率有影响，如绿色比较柔和，而红色则容易使人疲劳等；⑤在光电信息系统中，为了减少光源温度对系统的影响，应采用冷光源或者设法减少热辐射的影响。