1.3.各种灯光源

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第1章
光的基础知识及发光源
§1.5.1 光源的基本参数
1.
效率越高越节能
辐射效率和发光效率
 辐射效率: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
2
e 
e


 e  d 
1
P
P
 发光效率:光源在额定工作状态下每消耗1W的有功功率
所发出的光通量,单位是 lm/W——可见光范围的辐射效
率
v 
v
P

Km 
780
380
 e  V  d 
P
2.
光谱功率分布
 自然光源和人造光源大多是由单色光组成的复色
光,而不同光源发光中各单色光的功率(“含
量”)不同,不同光源在不同光谱上辐射出不同的
光功率
 常将其最大值取为1,将光谱功率分布归一化,称为
相对光谱功率分布
线状光谱 如低压汞灯等
带状光谱
如高压汞灯、高压钠灯等
连续光谱
所有的热辐射光源,如白炽灯
混合光谱
前三种的混合,如一般的荧光灯
应根据不同测量对象的要求来选择不同光谱功率分布的光源
3.
空间光强分布
 对于各向异性光源,发光强度在空间各方向上是不同
的。在空间某一截面上,自原点向各径向取矢量,并
取矢量的长度与该方向的发光强度成正比,则将各矢
量的端点连接起来,就得到光源在该截面上的发光强
度曲线,即配光曲线
 模拟配光软件 Photopia
可以加反光罩来改变
光源的空间光强分布
色表与色温
 色表:光源发光(眼睛直接观察)的颜色称为光源
的色表,它可用色温表示
 色温:光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射
光的颜色相同,则这一黑体的温度称为该光源的色
温
4.
 色温在2000K时呈橙色
 2500K左右呈浅橙色
 3000K左右为橙白色
 4000K左右为白中略橙
 4500~7500K白色(5500~6000K最为接近日光)
 日光的平均色温约为6000~6500K
 蓝天的色温约在11000~20000K之间
不同光源的色温范围
 显色性:在某光源照射下的物体所呈现的颜色(即
物体的反射光在人眼中的色感)与该物体在完全辐
射体照射下所呈现的颜色的一致性,即是该光源的
显色性。常用显色指数表示。
§1.5.2 热辐射源
 热辐射源
 任何物体只要其温度大于热力学零度(即,所有物体),就会向
外界辐射能量
 遵循黑体辐射规律
 热辐射光源的特点:
①
发光特性可用Planck公式进行准确估算
②
为连续光谱,且范围宽
③
采用适当的稳压或稳流供电,可使这类光源获得很高的稳定度
 典型热辐射光源:
 太阳
黑体模拟器
白炽灯
1.太阳
可以看出,大气外层太阳光
谱能量分布相当于6000K左右
的黑体辐射
平均辐亮度
1.49×107 W·m-2·sr-1
平均亮度
1.95×109 cd·m-2
2.黑体模拟器
 角度特性和光谱特性与理想黑体极其相似(发射率达
0.95~0.999…(50个9))的辐射源
例如,因为喷气发动机尾喷管的辐射曲线与800~1500k的黑体辐射
曲线相似,在研究过程中,可以用相应的黑体模拟器来作为移动
的目标,以测试导弹的探测能力
3.白炽灯
 发光原理:通电加热灯内钨丝发热发光
 分
类:① 真空钨丝白炽灯——2300~2800k,约10lm/w
充气钨丝白炽灯——2700~3000k,约17lm/w
③ 卤钨灯
—————3200k左右,约30lm/w
②
 特
点:① 发射连续谱,在可见光波段与黑体发射曲线相
差约2%
② 发光特性稳定、寿命长
§1.5.3 气体放电光源
 气体放电原理:
电场作用下激励出电子和离子
气体变成导体,离子向阴极、电子向阳极运动
碰撞——多次激励
原子激发
气 体:
氢、氦、氘、氙、氪等
金属蒸气:
汞、镉、钠、铟、铊、镝等
放电
 特点
① 发光效率高
② 结构紧凑
③ 寿命长
1.汞灯(Mercury lamp)
 按照玻壳内气压的高低,可分为
 低压汞灯
0.8Pa
① 冷阴极辉光放电灯——远紫外 253.65nm
② 热阴极弧光放电灯——紫外、可见(UV)
 高压汞灯
 球形超高压汞灯
100~500KPa(1~5atm)
1~20MPa(10~200atm)
汞灯紫外光谱线
汞灯可见光谱线
热阴极弧光放电灯 313, 334, 365, 406, 435, 546,& 578nm
 主要用途:
 杀菌
 照明(荧光灯、普通高压汞灯)
 光刻技术
 荧光分析等
2.氙灯(Xenon lamp)
 色温6000K左右,显色指数90以上,“小太阳”
 分为
电极间距 工作气压 发光效率
25~30lm/W
① 长弧氙灯 15~130cm 1atm
② 短弧氙灯 mm量级
③ 脉冲氙灯
1~2MPa
25~30lm/W
氙灯光谱
2.氙灯(Xenon lamp)
 主要用途
 照明
 电影放映、荧光分光光度计、模拟日光
 固体激光器泵浦源、照相制版、高速摄影、光信号
源
3.空心阴极灯(hollow cathode lamp)
 属于冷阴极、低气压正常辉光放电灯
 原理:放电正离子在很高的阴极位降区被加速轰击
阴极,使阴极金属被溅散出来成为阴极金属原子蒸
气,从而被激发辐射出该金属的原子特征谱线
 用途:空心阴极灯是原子吸收光谱里的主要光源
高质量透射窗口
空心阴极
云母绝缘片
标准接口
高压气体
4.氘灯(Deuterium lamp)
 氘灯是一种连续辐射光源,发射强烈的连续光谱范
围:190~400nm
 用途:用于校正非原子或背景吸收,可作为光度分
析的紫外光源
§1.5.4 发光二极管
一.工作原理
 利用正向偏置PN结中电子与空穴的复合辐射发光
 自发辐射发光,不需要较高的注入电流产生粒子数反转
分布,也不需要光学谐振腔,发射的是非相干光
光输出
N-AIyGa1-yAs
P- GaAs
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
二. 基本结构
1.
面发光二极管
光纤
接合材料
金属化层
圆形蚀刻孔
衬底
双异质结层
限制层
SiO2绝缘层
金属化层
热沉
SiO2绝缘层
有源区 圆形金属触点
2.
边发光二极管
导光层
衬底
金属化层
(用于电接触)
条形接触
(确定有源区)
有源区 金属化层
(用于电接触)
SiO2绝缘层
双异质结
热沉
三. 驱动电路
 发光二极管工作需要加正向偏置电压,以提供驱动
电流
 将LED接入到晶体管的集电极,通过调节晶体管基极
偏置电压,获得需要的辐射光功率
 可以通过电容器将调制信号耦合到基极,实现对输
出光功率的调制
+5V
Rb1
LED
Vin
Rb2
Re
四. 特性参数
量子效率
 辐射源效率表示输出和输入之间的数量关系
 前面的各种光源我们用光效率η表征,发光二极管一
般用量子效率表征
1.
产生的光子数
内量子效率
 qi 
Nr
G
注入的电子—空穴对数
外量子效率
 qe 
NT
G
器件发射出的光子数
 一般外量子效率小于10%
 用光效率表示,LED光效为50~200lm/W,光效高
光谱特性
 发光光谱决定着它的发光颜色
 而发光光谱主要是由半导体材料决定的
2.
颜 色
材 料
铝砷化镓 (AlGaAs)
红色及红外线
铝磷化镓 (AlGaP)
绿色
磷化铟镓铝 (AlGaInP)
高亮度的橘红色、橙色、黄色、黄绿色
磷砷化镓 (GaAsP)
红色、橘红色、黄色
磷化镓 (GaP)
红色、黄色、绿色
氮化镓 (GaN)
绿色、翠绿色、蓝色
铟氮化镓 (InGaN)
近紫外线、蓝绿色、蓝色
碳化硅 (SiC) (用作衬底)
蓝色
硅 (Si) (用作衬底)
蓝色
蓝宝石 (Al2O3) (用作衬底)
蓝色
硒化锌 (ZnSe)
蓝色
钻石 (C)
紫外线
氮化铝 (AlN), 铝氮化镓 (AlGaN) 波长为远至近的紫外线
资料来源: http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E5%8F%91%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%9E%81%E7%AE%A1&variant=zh-cn#.E5.8E.9F.E7.90.86
 发光二极管发射的是自发辐射光,没有谐振腔对波
长的选择,谱线较宽
相
对
光
强
Δλ=70nm
FWHM
1300
波长/nm
 随着温度升高或者驱动电流增大,谱线加宽,且峰
值波长向长波长方向移动


短波:0.2~0.3nm/℃
长波: 0.3~0.5nm/℃
光束的空间分布
 在垂直于发光面上,面发光LED辐射呈朗伯分布,即
3.
P ( )  P0 cos 
半功率辐射角θ=120°
 边发光型:
 水平方向θ∥=120°
 垂直方向θ⊥=25°~ 35°
输出光功率特性
 驱动电流较小时,P-I曲线的线性较好;电流过大时,
由于PN结发热产生饱和现象,使P-I曲线的斜率减小
4.
发
射
光
功
15
面发光
10
边发光
率
P/mW 5
0
0
200
400
电流I /mA
LED 的P-I曲线
 通常情况下,LED的工作电流为50~100mA,输出光
功率为几个毫瓦
五. LED的特点及应用
特点
① 辐射光为非相干光,光谱较宽,发散角大
② 发光颜色非常丰富
③ 辉度高,在日光下也能视认。正是由于这一优势,
在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等
方面的应用正迅速扩大
④ 单元体积小
⑤ 寿命长,可达10万小时
⑥ 响应速度快,并可以耐各种恶劣条件
2. 应用
 指示灯
 数字显示用显示器
 平面显示器
 光源——高亮度白光LED的实现
1.
通过红、绿、蓝三
种LED组合成为白
光
基于紫外光LED,
通过三基色粉,组
合成为白光
基于蓝光LED,通
过黄色荧光粉激发
出黄光,组合成为
白光
半导体发光二极管发展历史
 1965年世界上的第一只商用化LED诞生,用锗制成,单价45美元,为红光
LED,发光效率0.1 lm/w(流明/瓦)
 1968年利用半导体掺杂工艺使GaAsP材料的LED的发光效率达到1 lm/w, 并且
能够发出红光、橙光和黄光
 1971年出现GaP材料的绿光LED,发光效率也达到1 lm/w
 80年代,重大技术突破,开发出AlGaAs材料的LED,发光效率达到 10 lm/w
 90年代初,发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开
发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年,它们做成的LED光效
分别达到100 lm/w和50 lm/w
发光效率 lm/w
12.5
 90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED,到目前仍然为该技术
55
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