光电检测技术2

1、 光电检测中光电检测中:电光源是最常用的。按光波的时、电光源是最常用的。按光波的时、 空相位特征，光源分成空相位特征，光源分成相干光源相干光源和和非相干光源非相干光源： 第第2章章 光电检测中的常用光源光电检测中的常用光源 电子学中：电子学中：电源电源，光电子学中第一个接触的是，光电子学中第一个接触的是光源光源。 相干光源有：相干光源有：激光、非线性光学器件。激光、非线性光学器件。 非相干光源有：显示光源、照明光源和信息处理光源。非相干光源有：显示光源、照明光源和信息处理光源。 照明光源：太阳、白炽灯、黑体辐射器、气体放照明光源：太阳、白炽灯、黑体辐射器、气体放 电灯等。电灯等。 显示光源：显

2、示光源：CRT、PDP、LCD、ELD。 照明光源照明光源:着重强调电能转换为光能的效率和颜色着重强调电能转换为光能的效率和颜色; 相干光源相干光源:其光波能在时间和空间上其光波能在时间和空间上相位同步相位同步。 显示光源显示光源着重强调图像的着重强调图像的清晰度、饱和度和对比度。清晰度、饱和度和对比度。 即一种无限连续光波即一种无限连续光波 P dVK P em v v 780 380 )()( 2.1 2.1 光源的特性参数光源的特性参数 特性参数主要有：特性参数主要有：辐射效率和发光效率、辐射效率和发光效率、光谱功光谱功 率分布、空间光强分布、率分布、空间光强分布、光源的颜色和光源的色温

3、。光源的颜色和光源的色温。 1.1.辐射效率和发光效率辐射效率和发光效率 P d P e e e 2 1 )( 光源的光通量与光源的光通量与 产生光通量所需的产生光通量所需的 电功率之比，是光电功率之比，是光 源的发光效率源的发光效率 在给定在给定1 12 2波长范围内，某一辐射源发出的波长范围内，某一辐射源发出的 辐射通量辐射通量与产生这些辐射通量所需的与产生这些辐射通量所需的电功率电功率之比，称之比，称 为该辐射源在给定光谱范围内的辐射效率为该辐射源在给定光谱范围内的辐射效率 2.光谱功率分布光谱功率分布 光谱功率分布有四种：光谱功率分布有四种：线状光谱、带状光谱线状光谱、带状光谱 、连续

4、光谱和混合光谱。、连续光谱和混合光谱。 光源发出的一般是复色光，而且在不同频率光源发出的一般是复色光，而且在不同频率 上辐射出的光功率的大小不同。光功率和频率的上辐射出的光功率的大小不同。光功率和频率的 这种关系，用光谱功率分布来描述。这种关系，用光谱功率分布来描述。 线状光谱线状光谱 带状光谱带状光谱 经过归一化后的光谱功率分布经过归一化后的光谱功率分布 称为相对光谱功率分布称为相对光谱功率分布 在在紫外分光光度计中紫外分光光度计中，通常使用氘灯、汞氙灯，通常使用氘灯、汞氙灯 等紫外辐射较强的光源。等紫外辐射较强的光源。 选择光源：选择光源：光谱功率分布光谱功率分布应由测量对象的要求应由测量

5、对象的要求 来决定。来决定。 对对目视光学系统目视光学系统:一般采用可见区光谱辐射比较一般采用可见区光谱辐射比较 丰富的光源。丰富的光源。 对对彩色摄影彩色摄影:采用类似于日光色的光源，如卤钨采用类似于日光色的光源，如卤钨 灯、氙灯等。灯、氙灯等。 混合光谱混合光谱 连续光谱连续光谱 2.1.3 空间光强分布空间光强分布 在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，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，称矢量的长度与该方向的发光强度成正比，称其为发其为发 光强度矢量光强度矢量。 把各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面把各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面

6、 上的发光强度分布曲线，也称配光曲线。上的发光强度分布曲线，也称配光曲线。 常用发光强度常用发光强度 矢量和发光强度曲矢量和发光强度曲 线来描述光源的线来描述光源的空空 间光强分布间光强分布。右图。右图 为气体发光源的光为气体发光源的光 强分布图。强分布图。 为了提高光的利用率为了提高光的利用率，一般选择发光强度大，一般选择发光强度大 的方向作为照明方向。为了利用背面方向的光辐的方向作为照明方向。为了利用背面方向的光辐 射，可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦射，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。点位于光源的发光中心上。 用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光用

7、眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光 源的源的色表色表。例：高压钠灯色表呈。例：高压钠灯色表呈黄色黄色，荧光灯色，荧光灯色 表呈白色。表呈白色。 2.1.4 2.1.4 光源的颜色光源的颜色 光源的颜色包含两方面含义：光源的颜色包含两方面含义：色表和显色性色表和显色性。 当光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体当光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体 在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，就是在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，就是 该光源的该光源的显色性。显色性。 或者说物体反射光在人眼或者说物体反射光在人眼 内产生的颜色感觉内产生的颜色感觉 2.1.5 2.1.5 光源的色温光源的色

8、温 黑体的温度与它的辐射特性是一一对应的。从光黑体的温度与它的辐射特性是一一对应的。从光 源颜色与其温度的关系，引出了颜色温度的概念源颜色与其温度的关系，引出了颜色温度的概念( (即色即色 温温) )。 色温色温: :如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下 辐射出的光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的辐射出的光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的 色温。色温。 若一个光源的颜色与任何温度下的黑体辐射的若一个光源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。颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。 一般光源，经

9、常一般光源，经常用色温、相关色温和分布温度表示。用色温、相关色温和分布温度表示。 相关色温相关色温: :在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某在均匀色度图中，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 为这个光源的相关色温。为这个光源的相关色温。 分布温度分布温度: :辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱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这个辐射源的分布温度一致，那么该黑体的温

10、度就称为这个辐射源的分布温度。 选择光源选择光源: 应综合考虑应综合考虑光源的强度、稳定性和光源的强度、稳定性和 光谱特性光谱特性等性能等性能。 根据根据斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律知，物体只要其温度知，物体只要其温度 大于绝对零度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其，就会向外界辐射能量，其辐射特性辐射特性 与温度的四次方与温度的四次方有关。有关。 2.2 热辐射源热辐射源 4 ( ) eB MTT 热辐射源有热辐射源有：太阳、白炽灯、黑体辐射器、：太阳、白炽灯、黑体辐射器、 气体放电灯等。气体放电灯等。 物体由于温度较高而向周围温度较低环境发射物体由于温度较高而向周围温度较低环境发

11、射 能量的形式称为能量的形式称为热辐射热辐射，这种物体称为，这种物体称为热辐射源热辐射源 在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱 区所占的百分比为区所占的百分比为 紫外区紫外区(0.78 ) 47.29% m m m 2.2.1 太阳太阳 太阳直径约为太阳直径约为1.392109m。它到地球的年平均。它到地球的年平均 距离是距离是1.4961011m。从地球上观看太阳时，太阳的。从地球上观看太阳时，太阳的 张角只有张角只有0.533o。 平均辐亮度平均辐亮度：2.01107Wm-2sr-l 平均亮度平均亮度：1.95109cdm-2。 太阳光谱

12、能量分布相当于太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射左右的黑体辐射 辐射到地球上的太阳光，要穿过一层很厚的大辐射到地球上的太阳光，要穿过一层很厚的大 气层，因而气层，因而太阳光太阳光在在光谱、空间分布、能量大小、光谱、空间分布、能量大小、 偏振状态偏振状态等方面都发生了变化。等方面都发生了变化。 标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线 光通过大气光通过大气 层时层时, ,大气层大气层在在 不同程度上吸收不同程度上吸收 太阳辐射，而且太阳辐射，而且 它们都是光谱选它们都是光谱选 择性的吸收介质。择性的吸收介质。 2.2.黑体模拟器黑体模拟器 在许多光电仪器中

13、，往往需要辐射源的温度特性在许多光电仪器中，往往需要辐射源的温度特性 和光谱特性与理想黑体的特性相似。这种辐射源常称和光谱特性与理想黑体的特性相似。这种辐射源常称 为为黑体模拟器黑体模拟器，也称，也称基准辐射源基准辐射源。 工程黑体的内腔呈简单的几何形状：工程黑体的内腔呈简单的几何形状：球形、锥球形、锥 形、圆柱型形、圆柱型，或者是这些形状的组合。，或者是这些形状的组合。 几种工几种工 程黑体程黑体 的典型的典型 结构结构 目前的黑体模拟器最高工作温度为目前的黑体模拟器最高工作温度为30003000K，而实，而实 际应用的大多是在际应用的大多是在20002000K以下以下。 黑体模拟器黑体模拟

14、器 的的结构结构： 对黑体炉的要求对黑体炉的要求: :保温：保温：外壁包一层较厚可以长外壁包一层较厚可以长 时间承受高温的热绝缘材料时间承受高温的热绝缘材料; ; 加热加热：用电加热线圈，：用电加热线圈， 但线圈绕制、排列应保证均匀加热但线圈绕制、排列应保证均匀加热; ; 测温测温：用高精：用高精 度的热电偶检测辐射器空腔内的温度度的热电偶检测辐射器空腔内的温度; ; 尺寸尺寸: :为了使为了使 温度均匀稳定，全辐射器空腔的几何尺寸的温度均匀稳定，全辐射器空腔的几何尺寸的内腔长内腔长 度度和和出口直径出口直径比比l/d1.51.5。 实用基准辐射源称为黑体炉，由石墨制做。实用基准辐射源称为黑体

15、炉，由石墨制做。 发光特性稳定发光特性稳定, ,寿命长寿命长, ,使用和量值复现方便使用和量值复现方便, , 因而也可用作各种辐射度量和光度量的标准光源。因而也可用作各种辐射度量和光度量的标准光源。 3.3.白炽灯白炽灯 白炽灯白炽灯是光电测量中最常用的光源之一。白炽是光电测量中最常用的光源之一。白炽 灯发射的是灯发射的是连续光谱连续光谱，在，在可见光谱段中部可见光谱段中部和黑体辐和黑体辐 射曲线相差约射曲线相差约0.50.5，在整个光谱段内和黑体辐射，在整个光谱段内和黑体辐射 曲线平均相差曲线平均相差2 2。 白炽灯白炽灯有真空钨丝灯、充气钨丝灯和卤钨灯等。有真空钨丝灯、充气钨丝灯和卤钨灯等

16、。 充气钨丝白炽灯充气钨丝白炽灯：内部充入和钨不发生化学反：内部充入和钨不发生化学反 应的氩、氮等惰性气体，使由灯丝蒸发出来的钨原应的氩、氮等惰性气体，使由灯丝蒸发出来的钨原 子在和惰性气体原子碰撞时，部分钨原子能返回灯子在和惰性气体原子碰撞时，部分钨原子能返回灯 丝。这样可以抑制钨蒸发，使灯的工作温度可提高丝。这样可以抑制钨蒸发，使灯的工作温度可提高 到到2700K3000K，发光效率提高到，发光效率提高到17lm/W。 钨的再生循环：钨的再生循环：在一定温度下可以形成卤钨循环在一定温度下可以形成卤钨循环: : 即蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成即蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物卤钨化

17、合物，该，该 卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时，又分解成卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时，又分解成 卤素和钨卤素和钨。钨重新沉积在灯丝上，卤素被扩散到温度。钨重新沉积在灯丝上，卤素被扩散到温度 较低的灯泡壁区域再继续与钨化合。较低的灯泡壁区域再继续与钨化合。 氯化碘和溴化硼氯化碘和溴化硼 卤钨循环延长了灯卤钨循环延长了灯 的寿命。灯的色温的寿命。灯的色温 可达可达32003200K，发光效，发光效 率提高到率提高到3030lm/ /W。 也可在灯泡内充入也可在灯泡内充入卤钨循环剂卤钨循环剂。 2.3 气体放电光源气体放电光源 也称气体灯。也称气体灯。制作时在灯中充入发光用的气制作时在灯

18、中充入发光用的气 体，如氦、氖、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、体，如氦、氖、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、 钠、铊、镝等，这些元素的原子在电场作用下电钠、铊、镝等，这些元素的原子在电场作用下电 离出电子和离子。离出电子和离子。 气体放电原理气体放电原理: 当当离子向阴极、电子向阳极离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中运动时，从电场中 得到加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会得到加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会 激励出新的电子和离子。在碰撞过程中有些电子会激励出新的电子和离子。在碰撞过程中有些电子会 跃迁到高能级，引起原子的激发。受激原子回到低跃迁到高能级，引起原子的激发。受激原子回到

19、低 能级时就会发射出相应的辐射能级时就会发射出相应的辐射. 由于这些特点，气体放电光源具有很强的由于这些特点，气体放电光源具有很强的竞争力竞争力， 在光电测量和照明中得到在光电测量和照明中得到广泛使用广泛使用。 4. 光色适应性强，可在较大范围内选择光色适应性强，可在较大范围内选择。 气体放电光源具有的特点：气体放电光源具有的特点： 1. 发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高 210倍。倍。 3. 寿命长。一般比白炽灯寿命长寿命长。一般比白炽灯寿命长210倍。倍。 2. 由于不靠灯丝发光，电极可以做得牢固、紧凑、由于不靠灯丝发光，电极可以做得牢固、紧凑、

20、 耐震、抗冲击。耐震、抗冲击。 特点特点：在极短的时间内发出很强的光辐射，其结：在极短的时间内发出很强的光辐射，其结 构和构和工作电路为工作电路为 2.3.1 脉冲灯脉冲灯 工作原理：工作原理：电源电源U0经电阻经电阻R，使储能电容，使储能电容C充电到工充电到工 作电压作电压Uc。Uc一般低于脉冲灯的自击穿电压一般低于脉冲灯的自击穿电压Us，而，而 高于灯的着火电压高于灯的着火电压Uz。脉冲灯的灯管外绕有触发丝。脉冲灯的灯管外绕有触发丝。 在触发丝上施加高的脉冲电压，使灯管内产生电离在触发丝上施加高的脉冲电压，使灯管内产生电离 火花线，火花线大大减小了灯的内阻，使灯火花线，火花线大大减小了灯的

21、内阻，使灯着着 火火。产生极强的闪光。产生极强的闪光。 除激光器外，脉冲灯是最亮的光源。除激光器外，脉冲灯是最亮的光源。广泛用作广泛用作 摄影光源、激光器的光泵和印刷制版的光源摄影光源、激光器的光泵和印刷制版的光源 氙灯内充有惰性气体氙灯内充有惰性气体-氙，由两个电极之间的氙，由两个电极之间的 电弧放电而发出强光电弧放电而发出强光.氙灯的辐射光谱是氙灯的辐射光谱是连续的连续的，与，与 日光的光谱能量分布相接近；日光的光谱能量分布相接近； 色温约色温约6000K左右，显色指数左右，显色指数90以上，有以上，有“小小 太阳太阳”之称。之称。 氙灯分为氙灯分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯长弧氙灯、短

22、弧氙灯和脉冲氙灯三种。三种。 长弧氙灯的发光效率为长弧氙灯的发光效率为2530lm/W 氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长， 常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。 常见的脉冲灯还有常见的脉冲灯还有氘灯氘灯。氘灯内充有高纯度的氘灯内充有高纯度的 氘气，是一种热阴极弧光放电灯氘气，是一种热阴极弧光放电灯。氘灯的阴极是直。氘灯的阴极是直 热式氧化物阴极，阳极用热式氧化物阴极，阳极用0.5毫米厚的钽皮做成，中毫米厚的钽皮做成，中 心正对口，灯泡由紫外透射性能比较好的石英玻璃心正对口，灯泡由紫外透射性能比较好的石英

23、玻璃 制成。制成。 氘灯的氘灯的 外形及外形及 其紫外其紫外 光谱分光谱分 布图。布图。 原子光谱灯又称空心阴极灯，其结构如下图所示。原子光谱灯又称空心阴极灯，其结构如下图所示。 阳极和圆筒形阴极封在玻壳内，玻壳上部有一阳极和圆筒形阴极封在玻壳内，玻壳上部有一透明石透明石 英窗英窗。工作时窗口透射出放电辉光，其中主要是阴极。工作时窗口透射出放电辉光，其中主要是阴极 金属的原子光谱金属的原子光谱. . 2.3.2原子光谱灯原子光谱灯 主要作用主要作用：引出标准：引出标准 谱线的光束；确定标谱线的光束；确定标 准谱线的分光位置；准谱线的分光位置； 确定吸收光谱中的特确定吸收光谱中的特 征波长等。征

24、波长等。 主要用途主要用途：元素、微：元素、微 量元素光谱分析的装量元素光谱分析的装 置中置中 2.3.3 汞灯汞灯 光谱能量分布：光谱能量分布： 低压汞灯低压汞灯发射发射253.7nm253.7nm的紫外线的紫外线; ;高压汞灯高压汞灯可见可见 光成分较多，高压汞灯内的气压有光成分较多，高压汞灯内的气压有1 15 5个大气压，个大气压，超超 高压汞灯高压汞灯内的气压有内的气压有10-20010-200个大气压。个大气压。 分类分类 低压汞灯低压汞灯 高压汞灯高压汞灯 超高压汞灯超高压汞灯 2.4 固体发光光源固体发光光源 固体发光光源又称固体发光光源又称平板发光器件或平板显示器平板发光器件或

25、平板显示器。 平板显示器的厚度较薄，看上去就像一块平板。平板显示器的厚度较薄，看上去就像一块平板。 平板显示平板显示(FPD) 主动发光型主动发光型 被动发光型被动发光型 主动发光型：主动发光型：媒质自己发光媒质自己发光 被动发光型：被动发光型：靠媒质调制外部光源实现信息显示靠媒质调制外部光源实现信息显示 按媒质和工作原理分：按媒质和工作原理分：液晶显示液晶显示(LCD)、等离、等离 子体显示子体显示(PDP)、电致发光显示、电致发光显示(ELD)和场致发光显和场致发光显 示示(FED) 2.4.12.4.1场致发光光源场致发光光源 场致发光场致发光是固体在电场的作用下将电能直接转是固体在电场

26、的作用下将电能直接转 换为光能的发光现象，也称换为光能的发光现象，也称电致发光电致发光。 1交流粉末场致发光屏交流粉末场致发光屏 1-玻璃板；玻璃板； 2-荧光粉层；荧光粉层； 3-高介电常数反射层；高介电常数反射层； 4-4-铝箔；铝箔； 5-5-玻璃板；玻璃板； 6-6-透明导电膜。透明导电膜。 透明导电膜用氧化锡；高介电常数反射层用搪瓷透明导电膜用氧化锡；高介电常数反射层用搪瓷 或钛酸钡；荧光粉层由或钛酸钡；荧光粉层由ZnS、树脂和搪瓷等混合，厚、树脂和搪瓷等混合，厚 度很薄。玻璃板起支撑、保护和透光作用。度很薄。玻璃板起支撑、保护和透光作用。 工作特性工作特性与所加电压与所加电压U和和

27、 频率频率f 有关，有关，当当f 一定时，一定时，发发 光亮度的经验公式为光亮度的经验公式为 )(exp 2/ 10 0 V V LL 工作原理：工作原理：发光屏两电极间距离很小，只有几发光屏两电极间距离很小，只有几 十微米，在微小电压作用下，得到足够高的电场强十微米，在微小电压作用下，得到足够高的电场强 度，如度，如E=104V/cm。粉层中自由电子粉层中自由电子在强电场作用在强电场作用 下加速获得很高的能量，撞击发光中心，使其受激下加速获得很高的能量，撞击发光中心，使其受激 而处于激发态。当激发态复原为基态时产生复合发而处于激发态。当激发态复原为基态时产生复合发 光。由于荧光粉与电极间有高

28、介电常数的绝缘层，光。由于荧光粉与电极间有高介电常数的绝缘层， 自由电子并不导走，而是被束缚在阳极附近。自由电子并不导走，而是被束缚在阳极附近。 交流粉末发光屏材料交流粉末发光屏材料:硫化锌硫化锌(ZnS)，发光为绿，发光为绿 色，峰值波长为色，峰值波长为0.480.52m之间，发光亮度下降之间，发光亮度下降 到初始值的到初始值的1/31/4所对应的寿命约为所对应的寿命约为3000小时。小时。 发光屏结构与交流发光屏相似，它依靠传导电发光屏结构与交流发光屏相似，它依靠传导电 流产生激发发光。常用的发光材料是流产生激发发光。常用的发光材料是ZnS:Mn、Cu， 发橙黄色的光。发橙黄色的光。 直流

29、发光屏亮度较高直流发光屏亮度较高，亮度随传导电流的增大而，亮度随传导电流的增大而 迅速上升。迅速上升。优点是驱动电路简单、制造工艺简单和成优点是驱动电路简单、制造工艺简单和成 本低。本低。 2.4.2直流粉末场致发光屏直流粉末场致发光屏 优点优点:光发射角大、光线柔和光发射角大、光线柔和,寿命长、功耗小、寿命长、功耗小、 发光响应速度快、不发热。发光响应速度快、不发热。缺点缺点:发光亮度低，驱发光亮度低，驱 动电压高和老化快。动电压高和老化快。 薄膜发光屏与粉末发光屏形式上很相似，但是薄膜发光屏与粉末发光屏形式上很相似，但是 很薄（约很薄（约1 1微米左右）微米左右） 薄膜发光屏薄膜发光屏特点

30、特点: :均匀致密、分辨力高，对比度均匀致密、分辨力高，对比度 好，驱动电压低好，驱动电压低。可用于隐蔽照明，固体雷达屏幕显。可用于隐蔽照明，固体雷达屏幕显 示和数码显示等。示和数码显示等。 2.4.32.4.3薄膜场致发光屏薄膜场致发光屏 在薄膜的两电极间施加适当的电压就可发光。在薄膜的两电极间施加适当的电压就可发光。 一般有一般有交流和直流薄膜电致发光屏两种形式交流和直流薄膜电致发光屏两种形式。交流交流 橙和绿橙和绿两种颜色两种颜色，直流主要有直流主要有橙黄和绿橙黄和绿两种颜色。两种颜色。 1-1-防潮层；防潮层； 2-2-第一电极；第一电极； 3-3-硫化锌薄膜；硫化锌薄膜； 4-4-透

31、明导电层；透明导电层； 5-5-玻璃基板玻璃基板 场致发光光源优点场致发光光源优点 (1)1) 固体化、平板化，因而可靠、安全、占地小，固体化、平板化，因而可靠、安全、占地小， 易于安装；易于安装； (2)(2) 面积、形状几乎不受限制，因此可以通过光刻、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；发光图形； (3)(3) 属于无红外辐射的冷光源，因而隐蔽性好，对属于无红外辐射的冷光源，因而隐蔽性好，对 周围环境没有影响；周围环境没有影响； (4)(4) 视角大，光线柔和，易于观察；视角大，光线

32、柔和，易于观察； (5)(5) 寿命长寿命长, ,可连续使用几千小时，而发光不会突然可连续使用几千小时，而发光不会突然 全部熄灭；全部熄灭； (6)(6) 功耗低，约几毫瓦厘米功耗低，约几毫瓦厘米2 2； (7)(7) 发光易于通过电压控制。发光易于通过电压控制。 (1)(1)特殊照明。特殊照明。 (2)(2)数字、符号显示。数字、符号显示。 (3)(3)模拟显示。模拟显示。 (4)(4)矩阵显示，又叫交叉电极场致发光显示。矩阵显示，又叫交叉电极场致发光显示。 (5)(5)图象转换及图象增强。图象转换及图象增强。 主要是主要是: :亮度较低亮度较低( (一般使用亮度为一般使用亮度为50cd/m

33、2左右左右) )； 驱动电压高驱动电压高( (通常需上百伏通常需上百伏) )；老化快。；老化快。 场致发光光源用途场致发光光源用途 场致发光光源缺点：场致发光光源缺点： 2.4.2 2.4.2 其他平板显示器件其他平板显示器件 1.1.液晶显示（液晶显示（LCDLCD） 什么是液晶（什么是液晶（LCLC）? ? 液态晶体的简称液态晶体的简称:在机械上具有液体的流动性在机械上具有液体的流动性,在光学上在光学上 具有晶体性质的物质形态被命名为流动晶体具有晶体性质的物质形态被命名为流动晶体-液晶液晶. 液晶的分类液晶的分类: :热致液晶和溶致液热致液晶和溶致液 晶晶 液晶是介于完全规则状态液晶是介于

34、完全规则状态(如固态晶体如固态晶体)与不与不 规规 则状态则状态(如各向同性液体如各向同性液体)之间的中间态物质。之间的中间态物质。 溶致液晶溶致液晶是指将某些有机物放人一定的溶剂中时，是指将某些有机物放人一定的溶剂中时， 由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。 热致液晶热致液晶是指某些有机物加热溶解后，由于加热是指某些有机物加热溶解后，由于加热 破坏晶体晶格而形成的液晶破坏晶体晶格而形成的液晶,目前用的较多目前用的较多. 30 液晶显示的工作原理液晶显示的工作原理: : 液晶材料双折射特性液晶材料双折射特性: :分子是长条结构分子是长条结构, ,沿分子长轴方向沿

35、分子长轴方向 光的折射率和沿垂直光的折射率和沿垂直长轴长轴方向的折射率不相等。折射率的各向方向的折射率不相等。折射率的各向 异性产生入射光的双折射，导致入射偏振光的偏振状态和偏振异性产生入射光的双折射，导致入射偏振光的偏振状态和偏振 方向发生变化。方向发生变化。 液晶材料分子的电极性液晶材料分子的电极性: 液晶分子中含有液晶分子中含有极性基团极性基团，使，使 分子具有极性，如果分子的偶极矩方向与分子长轴平行，这分子具有极性，如果分子的偶极矩方向与分子长轴平行，这 种液晶称为种液晶称为正性液晶正性液晶。如果偶极矩方向与分子长轴垂直，称。如果偶极矩方向与分子长轴垂直，称 为为负性液晶负性液晶。 液

36、晶的电光效应种类液晶的电光效应种类:负性液晶的动态散射效应负性液晶的动态散射效应(DS)、电控双、电控双 折射效应折射效应(ECB)，正性液晶的扭曲效应正性液晶的扭曲效应(TN)、超扭曲效应、超扭曲效应(STN)等。等。 在电场作用下，在电场作用下，偶极距按电场方向取向偶极距按电场方向取向，使分子的原有排，使分子的原有排 列方式受到破坏，从而使液晶光学性能变化。列方式受到破坏，从而使液晶光学性能变化。 这种因为外加电场的作用导致液晶光学性能发生变化的现象，这种因为外加电场的作用导致液晶光学性能发生变化的现象， 称为液晶的称为液晶的光电效应光电效应。 正性液晶的扭曲效应正性液晶的扭曲效应:未加电

37、场时未加电场时液晶的出射平面液晶的出射平面 上分子的长轴方向相对入射平面上分子的长轴方上分子的长轴方向相对入射平面上分子的长轴方 向旋转了向旋转了90. 检偏片的方向与起偏片平行检偏片的方向与起偏片平行:无电场时无电场时,旋转过旋转过 90的偏振光被阻挡，因此无光输出而呈暗态的偏振光被阻挡，因此无光输出而呈暗态;有电有电 场时，场时，与内表面接触的液晶分子仍沿基板表面平行与内表面接触的液晶分子仍沿基板表面平行 排列外，液晶盒内各层的液晶分子都沿与电场取向排列外，液晶盒内各层的液晶分子都沿与电场取向 成垂直排列的状态，此时通过液晶层的偏振光偏振成垂直排列的状态，此时通过液晶层的偏振光偏振 方向不

38、变，因而可以通过检偏片而呈亮态。这就实方向不变，因而可以通过检偏片而呈亮态。这就实 现了负显示现了负显示,即黑底上白字显示。即黑底上白字显示。 同样，如果将起偏片和检偏片的同样，如果将起偏片和检偏片的 偏振轴相互正交粘贴，则可实现偏振轴相互正交粘贴，则可实现 白底上黑字，称为正显示。白底上黑字，称为正显示。 等离子体显示是利用惰性气体在一定电压作用等离子体显示是利用惰性气体在一定电压作用 下产生气体放电，形成等离子体，直接发射可见光下产生气体放电，形成等离子体，直接发射可见光 或紫外线或紫外线（UV）进而激发荧光粉发光进而激发荧光粉发光, ,是一种主动是一种主动 发光型器件。类似一个小荧光灯发

39、光型器件。类似一个小荧光灯, ,称为称为放电胞放电胞. . 2.等离子体显示等离子体显示(PDP) Plasma Display Panel 等离子体等离子体是指正负电荷共存是指正负电荷共存,处于电中性的放电气处于电中性的放电气 体的状态。体的状态。 等离子体显示板等离子体显示板(PDP)可以看成是由大量放电可以看成是由大量放电 胞排列构成的一种主动发光型平板显示器件。胞排列构成的一种主动发光型平板显示器件。PDP 特点有哪些特点有哪些? ? 放电胞内壁涂覆的荧光体，是发白光放电胞内壁涂覆的荧光体，是发白光,而是发而是发 三基色光三基色光:R-G-B 自然界中的一些物质在热、光、电的刺激下其颜

40、自然界中的一些物质在热、光、电的刺激下其颜 色会发生变化。色会发生变化。电致变色电致变色是指在电的作用下是指在电的作用下, ,物质发生物质发生 氧化还原反应氧化还原反应, ,使物质的颜色发生可逆性变化的现象。使物质的颜色发生可逆性变化的现象。 用这一现象制作的显示器件就叫作电致变色显示。用这一现象制作的显示器件就叫作电致变色显示。 电泳是指悬浮在液体中的带电粒子在外电场作用电泳是指悬浮在液体中的带电粒子在外电场作用 下定向移动并附着在电极上的现象。如果带电粒子有下定向移动并附着在电极上的现象。如果带电粒子有 一定颜色，就可利用电泳实现信息显示，这就是电泳一定颜色，就可利用电泳实现信息显示，这就

41、是电泳 显示。显示。 真空荧光显示是利用氧化锌系列荧光粉在数十真空荧光显示是利用氧化锌系列荧光粉在数十 伏低能电子轰击下发光而制成的显示器件。伏低能电子轰击下发光而制成的显示器件。 3.真空荧光显示真空荧光显示(VFD) 4.电致变色显示电致变色显示(ECD) 5. 电泳显示电泳显示(EPD) 34 2.4.3 结型发光光源结型发光光源:发光二极管和发光二极管和激光二极管激光二极管 LED(Light Emitting Diode)，即发光二极管。是，即发光二极管。是 一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯 片片 作为发光材料作为发光材料,当两

42、端加上正向电压，半导体中的少当两端加上正向电压，半导体中的少 数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量 而而 引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝 、 紫、白色的光。紫、白色的光。 发展历史发展历史: 1923年年:苏联苏联,罗塞夫发现罗塞夫发现SiC中偶然形成的中偶然形成的PN结结 中具有光辐射中具有光辐射. 1960年年:用用GaAsP外延技术制成第一只实用化的外延技术制成第一只实用化的 红光红光LED,其后其后橙色橙色和和黄色黄色LED问世问世,从此从此LED得到得到 迅速发展迅速发展.

43、35 70年代年代:实现实现绿光绿光LED. 80年代初高亮度年代初高亮度LED拓展了拓展了LED的应用范围的应用范围. 1991年年:利用利用MOCVD外延工艺制作的超高亮外延工艺制作的超高亮红红、 橙橙、黄黄LED走出室外走出室外. 1994年年:GaN超高亮度超高亮度蓝光蓝光LED问世问世,其后超高亮其后超高亮 度度绿光绿光LED 、紫光紫光LED研制成功研制成功,实现了实现了LED发光颜发光颜 色在红色在红、橙橙、绿绿、蓝蓝、紫可见光全谱紫可见光全谱,为全色显示奠为全色显示奠 定了基础定了基础. 发光二极管发光二极管是少数载流子在是少数载流子在PN结区的注入与复结区的注入与复 合而产生

44、发光的一种结型发光器件，也称作注入式场合而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。致发光光源。 1.发光二极管工作原理发光二极管工作原理 以以GaAs发光二极管为例说明工作原理发光二极管为例说明工作原理 发光二极管发光二极管 是 一 个 由是 一 个 由 P 型 和型 和 N 型 半型 半 导体组合成导体组合成 的二极管的二极管 PN结正偏时结正偏时：在外电场作用下，：在外电场作用下，扩散与漂移的扩散与漂移的 动态平衡被打破动态平衡被打破,电子和空穴就会克服内电场作用，电子和空穴就会克服内电场作用， 电子从电子从N区横越结区进入区横越结区进入P区，空穴从区，空穴从P区横越结区区

45、横越结区 进入进入N区。在区。在耗尽层耗尽层里，电子能够自发地与空穴复合里，电子能够自发地与空穴复合 而释放能量而释放能量-产生光子，光子朝各个方向运动，产生光子，光子朝各个方向运动，这就这就 形成了结型发光，就是形成了结型发光，就是LED。 把把受主材料受主材料掺到掺到GaAs中，就形成中，就形成P型半导体。型半导体。 把把施主材料施主材料掺到掺到GaAs中中, ,就形成就形成N型半导体。当把型半导体。当把 它们结合时，它们结合时，P型和型和N型之间就形成型之间就形成PN结结。 PN结未加偏压时结未加偏压时：在：在PN结内形成内电场，内电结内形成内电场，内电 场阻碍电子从场阻碍电子从N区进入

46、区进入P区，空穴从区，空穴从P区进入区进入N区。区。 LED中，向各个方向发出的光是自发发射的。中，向各个方向发出的光是自发发射的。 光强足够高时，就开始受激发射，当光强足够高时，就开始受激发射，当能量增益能量增益和和 能量损耗能量损耗相匹配时，在复合层内逸出的每个光子都形相匹配时，在复合层内逸出的每个光子都形 成一个或更多的光子。因此导致复合率不断增加和不成一个或更多的光子。因此导致复合率不断增加和不 断产生光子，最终在复合层里形成比自发发射高几个断产生光子，最终在复合层里形成比自发发射高几个 数量级的光强。数量级的光强。这就是激光二极管的简单原理这就是激光二极管的简单原理。 发光二极管发出

47、的光子朝各个方向运动发光二极管发出的光子朝各个方向运动, ,为使其为使其 能产生激光，必须限制和引导复合层里的光子，使光能产生激光，必须限制和引导复合层里的光子，使光 强增加到产生受激发射的程度。强增加到产生受激发射的程度。如在耗尽层里加入一如在耗尽层里加入一 些铝，可使光子的波长得到调节，复合层（耗尽层）些铝，可使光子的波长得到调节，复合层（耗尽层） 的折射率增高。在复合层里所形成的光子倾向于来回的折射率增高。在复合层里所形成的光子倾向于来回 多次反射，于是光强得到加强。多次反射，于是光强得到加强。 激光二极管发出的光是受激发射。激光二极管发出的光是受激发射。 常用的二极管大部分是常用的二极

48、管大部分是GaAs和和GaAlAs器件。器件。 外量子效率用外量子效率用 表示表示 eq G N T qe 2.2.发光二极管的特性参数发光二极管的特性参数 二极管的量子效率有内量子效率和外量子效率之二极管的量子效率有内量子效率和外量子效率之 分。内量子效率用符号分。内量子效率用符号 表示表示 G N r qi qi (1)(1)量子效率量子效率 Nr r为产生的光为产生的光 子数；子数； G为注入的电为注入的电 子空穴对数；子空穴对数； NT T为器件射出为器件射出 的光子数。的光子数。 几种发光二极管的光出射度与电流密度的关系几种发光二极管的光出射度与电流密度的关系。 (2)(2)发光与电

49、流的关系发光与电流的关系 发光二极管的光出射度与工作温度有关。当环境发光二极管的光出射度与工作温度有关。当环境 温度较高或工作电流过大时，容易出现温度较高或工作电流过大时，容易出现热饱和现象热饱和现象， 使用时必需加以考虑。使用时必需加以考虑。 GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs和和 GaP(绿色绿色)的发光二极管的发光二极管, 其光出射度与电流密度其光出射度与电流密度 近似地成正比增加近似地成正比增加,不易不易 饱和饱和.而而GaP(红色红色)发光发光 二极管则极易达到饱和。二极管则极易达到饱和。 发光二极管的材料直接决定发光颜色，目前已发光二极管的材料直接决定发光颜色，目前已 能制造

50、出能制造出红红、绿绿、黄黄、橙橙、蓝蓝、红外红外等各种颜色的等各种颜色的 发光二极管。发光二极管。下图表示下图表示GaAs0.6P0.4和和GaP红色发光红色发光 的光谱能量分布的光谱能量分布 (3)光谱特性光谱特性 GaAsP 峰值波长峰值波长:620680nm. 半宽度半宽度:2030nm GaP(红红) 峰值波长峰值波长:700nm. 半宽度半宽度:100nm GaP(绿绿) 峰值波长峰值波长:565nm. 半宽度半宽度:25nm 注意注意:结温升高结温升高,峰值波峰值波 长向长波漂移长向长波漂移. 发光二极管的寿命是很长的，在电流密度小于发光二极管的寿命是很长的，在电流密度小于 1A/

51、cm2时，时，寿命可达寿命可达106小时小时，这是任何光源均无法，这是任何光源均无法 与之竞争的。与之竞争的。 (4)响应时间响应时间 响应时间响应时间是指注入电流后发光二极管是指注入电流后发光二极管点亮点亮(上上 升升)或或熄灭熄灭(衰减衰减)的时间。发光二极管的上升时间的时间。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。随着电流的增大近似地成指数减小。 发光二极管可用交流供电或脉冲供电获得调制发光二极管可用交流供电或脉冲供电获得调制 光或脉冲光，光或脉冲光，调制频率可达几十兆赫调制频率可达几十兆赫。 (5)寿命寿命 直接跃迁的材料直接跃迁的材料( (如如GaAs1-xPx) )的

52、响应时间仅的响应时间仅 几个纳秒几个纳秒，而间接跃迁材料，而间接跃迁材料( (如如GaP) )的响应时间的响应时间 则则约为约为100100纳秒。纳秒。 发光二极管的老化发光二极管的老化: 发光二极管的亮度随工作时间的增加而衰减的发光二极管的亮度随工作时间的增加而衰减的 现象现象,称为老化称为老化. 老化的快慢与电流密度和老化时间常数有关老化的快慢与电流密度和老化时间常数有关: t )/ j ( e 0 L) t (L L(t): 点燃点燃t时间后的亮度时间后的亮度. L0: 起始亮度起始亮度. :老化时间常数老化时间常数. 发光二极管优点：发光二极管优点： (1) 属于低电压、小电流器件，在

53、室温下即可得到属于低电压、小电流器件，在室温下即可得到 足够的亮度足够的亮度(3000cd/m2以上以上)； (2) 发光响应速度快发光响应速度快(10-7l0-9s)； (3) 性能稳定，寿命长性能稳定，寿命长(一般一般105小时以上小时以上)； (4) 驱动简单，易于和集成电路匹配；驱动简单，易于和集成电路匹配； (5) 与普通光源相比，单色性好，其发光脉冲的半宽与普通光源相比，单色性好，其发光脉冲的半宽 度一般为几十纳米；度一般为几十纳米； (6)重量轻、体积小、耐冲击。重量轻、体积小、耐冲击。 得到重视和应用得到重视和应用 1 1自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射

54、 2.5 激光器激光器 2.5.1.激光原理激光原理 自发自发 辐射辐射 受激受激 吸收吸收 受激受激 辐射辐射 2 2爱因斯坦爱因斯坦A系数和系数和B系数系数 )( 1221 vBR 单位时间里，处于低能态单位时间里，处于低能态E1的每一个原子，跃迁的每一个原子，跃迁 至高能态至高能态E2之受激吸收概率，记作之受激吸收概率，记作R12，它正比于频，它正比于频 率为率为=(E2-E1)/h的光谱能量密度的光谱能量密度()。 式中，式中，B12 12和 和B21 21称为爱因斯坦 称为爱因斯坦B系数系数，A21 21称为爱 称为爱 因斯坦因斯坦A系数系数，它们与原子的能级性质有关。，它们与原子的

55、能级性质有关。 )( 212112 vBAR 处于高能态处于高能态E2 2 原子跃迁至低能态 原子跃迁至低能态E1 1之受激辐射的之受激辐射的 概率概率B21 21( () ) ，正比于光谱能量密度，正比于光谱能量密度() )，自发辐，自发辐 射之概率射之概率A21 21却与入射之光谱能量密度 却与入射之光谱能量密度() )无关，于无关，于 是总的辐射概率为是总的辐射概率为 前式说明：前式说明：受激吸收系数与受激辐射系数相等。受激吸收系数与受激辐射系数相等。 后式说明：后式说明：自发辐射系数与受激辐射系数之比，正比自发辐射系数与受激辐射系数之比，正比 于于3 3，这就是说，若原子二能级系统的能

56、级差越大，这就是说，若原子二能级系统的能级差越大， 则自发辐射的概率就越大于受激辐射之概率。则自发辐射的概率就越大于受激辐射之概率。 1 21 12 B B 3 3 21 21 8 c hv B A 爱因斯坦于爱因斯坦于19171917年得到了三种可能的跃迁系年得到了三种可能的跃迁系 数之比。数之比。 3 3激光产生的必要条件激光产生的必要条件-粒子数反转、光泵、谐粒子数反转、光泵、谐 振腔振腔 1)1)粒子数反转粒子数反转 对于由大量原子组成的物质，在热平衡状态时，对于由大量原子组成的物质，在热平衡状态时， 各能级上的原子数（或称集居数）各能级上的原子数（或称集居数）服从服从玻耳兹曼统计玻耳

57、兹曼统计 分布：分布： KT EE)( e 1 2 12 n n 因为因为E2E1， ，所以 所以n2n1, 即即在热平衡状态下，高能级在热平衡状态下，高能级 集居数恒小于低能级集居数。集居数恒小于低能级集居数。 n E1 E2 E3 E n1n3n2 当频率为：当频率为： KTEE) 12 ( 的光通过物质时，的光通过物质时，受激吸收光子数恒大于受激辐射光受激吸收光子数恒大于受激辐射光 子数子数。因此处于热平衡状态下的物质只能吸收光子因此处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。 但是，在但是，在一定条件下一定条件下物质的光吸收可以转化为自己的物质的光吸收可以转化为自己的 对立面对立面-光放大光放

58、大。显然，。显然，这个条件是这个条件是n1n2， ，称为集居 称为集居 数反转（或者叫粒子数反转）数反转（或者叫粒子数反转）。 一般来说，当物质处于一般来说，当物质处于热平衡状态（即它与外界处热平衡状态（即它与外界处 于能量平衡状态）于能量平衡状态）时，集居数反转是不可能的，只有时，集居数反转是不可能的，只有 当外界向物质提供能量（当外界向物质提供能量（称为激励或泵浦过程称为激励或泵浦过程），从），从 而使物质处于非平衡状态时，集居数反转才能实现。而使物质处于非平衡状态时，集居数反转才能实现。 处于粒子数反转的物质称为激活物质（或激光介质）处于粒子数反转的物质称为激活物质（或激光介质） 2)2

59、)光泵光泵 为了保持原子系统的粒子数反转状态为了保持原子系统的粒子数反转状态，需不断，需不断 地将原子从低能态抽运至高能态，并将能量注入原地将原子从低能态抽运至高能态，并将能量注入原 子系统，以维持激光运转所必需之能量。子系统，以维持激光运转所必需之能量。 这种将原子从低能态抽运至高能态的过程，称为这种将原子从低能态抽运至高能态的过程，称为 光泵光泵( (optical pumping)。 激光器之两端面，如同激光器之两端面，如同F- -P干涉仪的两端面干涉仪的两端面， 所不同的是，激光腔两个端面一个是所不同的是，激光腔两个端面一个是全反射全反射的，而的，而 另一个是另一个是部分透射部分透射的

60、。的。 3)谐振腔谐振腔 光泵可以是电学的、化学的、热学的或者光光泵可以是电学的、化学的、热学的或者光 学的方法。学的方法。 激光器由激光器由工作物质、谐振腔和泵浦源工作物质、谐振腔和泵浦源三部分组三部分组 成。要产生激光，激光器的谐振腔要精心设计，反成。要产生激光，激光器的谐振腔要精心设计，反 射镜的镀层对所激发波长的光要有很高的反射率、射镜的镀层对所激发波长的光要有很高的反射率、 很小的吸收系数、很高的波长稳定性和机械强度。很小的吸收系数、很高的波长稳定性和机械强度。 2.5.2.激光器的结构和工作过程激光器的结构和工作过程 实用的激光器要实用的激光器要 比右图所示的结比右图所示的结 构复