光电传感器应用技术 教学课件 作者 王庆有 第2章 第1节.pptVIP

第2章 光源 * 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为热辐射，后者称为激发辐射，激发辐射的光源常被称为冷光源。 从应用的角度简单地介绍各类光源的特性、发光光谱，并重点介绍各种电光源的发光机理和供电电路是本章的宗旨。 2.1光源的分类 光源的种类很多，分类方式各异。总结光电传感器应用技术领域中所用的光源特征将其分为自然光源与电光源两大类。 2.1.1自然光源 1.太阳 太阳光是最典型和能量最强的自然光源，人类的视觉观察活动几乎主要是在太阳的照明下进行的。我们是在地球上研究和利用太阳的辐射，必然受到地球公转与自转的影响引起所接收太阳光的时相变化。地球大气的状态变化以及观察者地理位置、纬度与海拔的不同，都将引起所接收太阳辐射量的差异。 图2-1 表示了太阳在大气层外和在海平面的光谱辐出度（照度）与波长的关系曲线。由图可以看出，在大气层外的光谱辐照度曲线很接近5900 K黑体的光谱辐出度曲线。大气中的H2O、CO2 和O3形成许多吸收峰，使得海平面上的辐照度大为降低。可以看出，大气在可见光谱范围内为一透明度较高的窗口。 在许多情况下，直接或间接利用太阳作光源时（例如地形、地貌勘测分析，空气质量监测等），都必须考虑到天气变化对测量结果的影响。 2.月亮、星光与天空 月亮、星光与天空也是一个重要的自然光源。 如图2-2所示，月亮、行星的最佳光谱辐射与波长的分布。除此之外，天空也是不可忽略的光源，它由黄道光（约占15％）、银河光（约占5％）、夜空光（约占40％）、上述各光源的散射光（约占 10％）、直射和散射星光（约占30％）、以及银河系以外辐射（约占 1％）构成。 表2-1 白天和夜间各种条件下自然光源在地面上形成的照度 10-4 星光（阴天） 10 黄昏（黎明） 10-3 星光 102 很暗的白天 10-2 弦月 103 白天（阴） 10-1 满月 完全白天光 1 深黄昏 直射日光 照度值（Lx） 自然条件 照度值（Lx） 自然条件 1 日落后1/4小时（晴天） 10-4 无月（阴天夜空） 10 日落时（阴天） 10-3 无月（晴朗夜空） 102 白天（阴得很重） 10-2 相当明亮的月光 103 白天（阴） 10-1 日落后1/2小时 104 晴朗的白日 光亮度值（cd/m2） 自然条件 光亮度值（cd/m2） 自然条件 表2-2各种条件下接近地平线天空的光亮度值 2.2钨丝灯 为了给图像传感器创造良好、稳定的成像和测量条件，制造了许多种人工光源，辅助自然光源的各种不足，钨丝灯光源最古老、最普遍。本节主要介绍钨丝灯的发光特性及特性。钨丝灯种类很多，将其归纳为两类—钨丝白炽灯与卤钨灯。 2.2.1 钨丝白炽灯 1. 普通钨丝白炽灯的结构 2. 钨丝白炽灯的特性 ① 发光光谱 钨丝白炽灯在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射体。在低温时，热辐射体的发射系数较小，且随波长的增长而减少。当温度升高时，光谱发射系数随波长的变化减少，最后在温度很高时趋向于1，服从黑体辐射定律。 （2-1） 如图2-4 所示为标准钨丝灯的相对光谱辐射功率随波长的分布特性曲线。从图中可以看出，波长在1.0μm 处标准钨丝灯的光谱辐射出射度值最高，即标准钨丝灯光谱辐射出射度的波长为1.0μm。 ② 钨丝白炽灯的功率、光通量和发光效率 图2-5 为钨丝白炽灯的功函数与温度的关系曲线。 当钨丝白炽灯的供电电压变化时，对白炽灯的电流、光通量、灯的功率损耗、灯的寿命等都有很大影响。如果电压增加，则灯丝温度上升，光通量增加，发光效率提高。但是，灯丝温度太高时，则钨丝的蒸发加快、加剧，使灯丝的某些局部迅速变细，从而电阻值增大，局部功耗加大，并很快被烧断。 表2-3不同温度下钨丝在真空中的蒸发率和寿命的关系 16.1×10-8 16.1×10-8 16.1×10-8 16.1×10-8 15.8×10-8 15.7×10-8 1.04×107 7.20×104 1.11×103 3.86×10 1.9 0.15 15.5 22.4 13.8 41.7 8.33 10.5 2 000 2 200 2 400 2 600 2 800 3 000 rm·τ 直径为0.1mm钨丝的寿命τ（h） 蒸发率rm(g/(cm2?s) 温度T（K） 通过实验得到，灯的电压变化使灯的电流I、发光效率ηv、光通