光源及照明方式第一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

光源在科學研究和工程技術中有著廣泛的應用，在物質的成分分析、材料的結構研究、光電檢測、照明工程中，都離不開一定形式的光源。在光電信息技術中，光是信息的攜帶者，光的光譜輻射能量（或強度）、頻率、振幅均可攜帶、傳輸各種信息。而光源在光電信息技術中往往起著關鍵的作用，因此，了解常用光源的基本特性和參數，并按照實際工作需求選擇合適的光源，往往是光電信息技術工作中解決具體問題成功的關鍵。第二頁，共九十八頁，2022年，8月28日一切能產生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人造的，都稱為光源。天然光源是自然界中存在的，如太陽、恒星等，在天文學電探測中，常常會遇到這些光輻射的測量。人造光源是人為將各種形式能量（熱能、電能、化學能）轉化成光輻射能的器件，其中利用電能產生光輻射的器件稱為電光源。在一般光電測量系統中，電光源是最常見的光源。

3.1.1光源的基本特性參數1.輻射效率和發光效率

在給定波長范圍內，某一光源發出的輻射通量與產生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規定光譜范圍內的輻射效率，于是

光源的基本特性參數第三頁，共九十八頁，2022年，8月28日相應地，對于可見光范圍，某一光源的發光效率ηv為所發射的光通量與產生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即2.光譜功率分布

自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分析。

光源的基本特性參數第四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

光源的基本特性參數表3－1常用光源的發光效率第五頁，共九十八頁，2022年，8月28日圖3－1四種典型的光譜功率分布

光源的基本特性參數第六頁，共九十八頁，2022年，8月28日光源的光譜功率分布通常可分成四種情況，如圖3－1所示。圖中（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續光譜，如白熾燈、鹵素燈等.圖（d）是混合光譜，它由連續光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。在選擇光源時，它的光譜功率分布應由測量對象的要求來決定。在目視光學系統中，一般采用可見光譜輻射比較豐富的光源。對于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強的光源，在光纖技術中，通常使用發光二極管和半導體激光器等光源。

光源的基本特性參數第七頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.空間光強分布

對于各向異性光源，其發光強度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該方向的發光強度成正比。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發光強度曲線，即配光曲線。圖3－2是超高壓球形氙燈的光強分布。在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇發光強度高的方向作為照明方向。為了進一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點位于光源的發光中心上。4.光源的色溫

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性常可用黑體輻射的特性來近似地表示。對于一般光源，經常用分布溫度、色溫或相關色溫表示。

光源的基本特性參數第八頁，共九十八頁，2022年，8月28日圖3－2超高壓球形氙燈光強分布

光源的基本特性參數第九頁，共九十八頁，2022年，8月28日（1）分布溫度。輻射源在某一波長范圍內輻射的相對光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為：（2）色溫。輻射源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同時，黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。輻射源發射光的顏色可以由多種光譜分布產生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。（3）相關色溫。對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關色溫表示，在均勻色度圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關色溫。

光源的基本特性參數第十頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源5.光源的顏色光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。3.1.2熱輻射源任何物體只要其溫度大于絕對零度，就會向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關。熱輻射光源有三個特點：（1）它們的發光特性都可以利用普朗克公式進行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發光或輻射性質；（2）它們發出的光通量構成連續的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應性強。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；（3）采用適當的穩壓或穩流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩定度。第十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源1.太陽

太陽可看成是一個直徑為1.392×109m的光球。它到地球的年平均距離是1.49×1011m．因此從地球上觀看太陽時，太陽的張角只有0.5330。因此可以看成一個很好的平行光源。大氣層外的太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射(圖3—3)。其平均輻亮度為2.01×l07Wm-2sr-1平均亮度為1.95×109cdm-2。射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽輻射在光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態等都發生了變化。大氣的吸收光譜比較復雜，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳氫化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了大陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質．在標準海平面上太陽的光譜輻射照度曲線，如圖3—3所示，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶．第十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源圖3－3太陽的光譜能量分布曲線第十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日2.黑體模擬器在許多軍用紅外光電信息技術和光電系統中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。

熱輻射源圖3－4黑體模擬器的結構第十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源3.白熾燈白熾燈是照明工程和光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發射的是連續光譜，在可見光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個光譜段內和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復現方便，它的發光特性穩定，壽命長，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標準光源。圖3-5是用于光計量的幾種標準光源。圖(a)所示為BDQ型發光強度標準燈，用來傳遞和復現發光強度單位(cd)的量值。發光強度標準燈是通過精確控制流過燈絲的直流電流，復現在規定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強度。圖(b)是BDT型光通量標準燈，用來傳遞和復現光通量值．光通量標準燈的燈絲是旋轉對稱的，這樣使電壓與燈參數的變化曲線其光分布在各旋轉方向盡可能一致。圖(c)為BW型溫度標準燈，它的發光體是一條狹長的鎢帶，當通以電流時，鎢帶熾熱發光。主要工作在800～25000C范圍內，復現和驗定光學高溫計及某些以光學高溫計作標準的溫度源，也可以代替能量標準燈使用。第十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日

熱輻射源圖3－5幾種標準燈的外形第十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日第十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日白熾燈的燈壓決定了燈絲的壽命，供電電流決定了燈絲的直徑，100W的鎢絲發出的光通量大約200lm。白熾燈的供電電壓對燈的參數（電流、功率、壽命和光通量）有很大的影響。式中分別為燈泡的額定電壓、電流、發光效率、光通量和壽命；相應的其它參數為分別為使用值。第十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日對于充氣燈泡n=0.0714，真空燈泡n=0.0769.例如將額定電壓220V的燈泡降壓到180V使用，其發光的光通量降低到62%，但其壽命延長13.6倍。第十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源3.1.3.氣體放電光源利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。制作時在燈中充入發光用的氣體，如氫、氦、氘、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鎘、鈉、銦、鉈、鏑等。在電場作用下激勵出電子和離子，氣體變成導電體。當離子向陰極、電子向陽極運動時，從電場中得到能量，當它們再與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子，如此碰撞不斷進行。在這一過程中會使一些原子躍遷到高能級，引起原子的激發，由于能寄的不穩定性，受激原子回到低能級時就會發射出可見輻射或紫外、紅外輻射。這樣的發光機制被稱為氣體放電原理。氣體放電光源具有下列共同的特點：（1）發光效率高。比同瓦數的白熾燈發光效率高2~10倍，因此具有節能的特點；（2）結構緊湊。由于不靠燈絲本身發光，電極可以做得牢固緊湊，耐震、抗沖擊；（3）壽命長。一般比白熾燈壽命長2~10倍；（4）光色適應性強，可在很大范圍內變化。第二十頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源圖3－6幾種氣體放電燈的外形圖第二十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日表3－2常用氣體放電燈的種類、性能和主要應用領域第二十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日1、鹵鎢燈

（1）原理白熾燈的鎢絲在熱輻射過程中蒸發并附著在燈泡內壁，使燈泡射出偽光通愈來愈低。為了減緩這種進程，通常在燈泡內充以惰性氣體以抑制鎢絲的蒸發。

氣體放電光源第二十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

如果在玻殼內所充填的惰性氣體另加入微量的鹵素物質，利用鹵鎢的再生循環作用，被蒸發的鎢與鹵素結合成鹵化鎢，因燈管內壁具有很高的溫度而不能附著其上，通過擴散或對流到高溫的燈絲附近又被分解為鹵素和鎢，其中鎢吸附在燈絲表面，鹵素又和蒸發出來的鎢反應，防止管壁發黑。燈管所充的鹵素為碘或溴。溴比磺的化學性活潑，所以清潔管壁的效果更好。溴乃無色透明，故溴鎢燈較碘鎢燈的光效高，色溫也有所提高。第二十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日第二十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日第二十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日第二十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日（2）特點它與白熾燈比較，光效提高30％，壽命增長50%。鹵鎢燈具有體積小、功率大、能夠瞬時點燃、可調光、無頻閃效應、顯色性好和光通維持性好等特點。這種燈多用于較大空間、要求高照度的場所，其色溫特別適用于電視轉播攝象照明。第二十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日2、金屬鹵化物燈

金屬鹵化物燈是近年發展起來的所謂第三代光源，它與高壓汞燈類似，但在放電管中除了充有汞和氫氣外，還加充發光的金屬鹵化物（以碘化物為主）。金屬鹵化物燈發光效率高、顯色性能好、但平均壽命短。（1）鏑燈（2）鈉鉈銦燈第二十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源3.汞燈

按玻殼內氣壓的高低分，汞燈通常分為低壓汞燈、高壓汞燈和球形超高壓汞燈，分別簡介如下。(1)低壓汞燈。圖3－7(b)第三十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源（2）高壓汞燈當汞燈內的蒸氣壓達到1～5大氣壓時，汞燈電弧的輻射光譜就會產生明顯變化，光譜線加寬，出現弱的連續光譜，紫外輻射明顯減弱，而可見輻射增加，其光譜分布如圖3－7(6)所示。（3）球形超高壓汞燈在球形超高壓汞燈中，如果啟動氣體改為高氣壓的氙氣，則此時稱為球形超高壓汞氙燈。燈一經啟動就輻射出強烈的連續光譜，并且遠紫外區光譜明顯增加．

第三十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日高壓汞燈第三十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日（2）特點高壓汞燈具有光效高、耐震、耐熱、壽命長等特點。但啟動時間較長，不宜于作室內照明光源，也不能單獨做為事故照明光源。多用于車間、禮堂、展覽館等室內照明，或道路、廣場的室外照明。高壓汞燈的壽命通常是按每啟動一次點燃5小時計算的，如果開關頻繁則壽命縮短。第三十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日第三十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日第四十頁，共九十八頁，2022年，8月28日4、高壓鈉燈

第四十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日（2）特點高壓鈉燈具有光效高、紫外線輻射小、透霧性能好、光通維持性好、可任意位置點燃、耐震等特點，但顯色性差，平均顯色指數為21。它廣泛用于道路照明，當與其它光源混光后，可用于照度要求高的高大空間場所。

第四十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日5.氙燈

氙燈是由充有惰性氣體——氙的石英泡殼內兩個鎢電極之間的高溫電弧放電，從而發出強光。高壓氙燈的輻射光譜是連續的，與日光的光譜能量分布相接近(圖3－8)，色溫為6000K左右，顯色指數90以上，因此有“小太陽”之稱。氙燈可分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。第四十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源

圖3－8短弧氙燈光譜能量分布圖3－9短弧氙燈的電弧亮度分布第四十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氘燈

長弧氙燈短弧氙燈

空心陰極燈第四十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源3.空心極燈空心陰極燈屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈。該燈的外形如圖3—10所示，其陰極由金屬元素或其它合金制成空心圓柱形，圓環形陽極是用吸氣性能很好的鋯材料制成的。空心陰極燈也叫做原子光譜燈，陰極材料根據所需的譜線選擇相應的金屬；窗口有石英玻璃和普通玻璃兩種，則根據輻射的原于光譜波長而定。空心陰極燈是原子吸收分光光度計上必不可少的光源。由于這種燈工作時陰極的溫度并不高，所輻射出的金屬原子譜線很窄，強度很大，穩定性好。因此，空心陰極燈用作對微量金屬元素吸收光譜定性或定量分析的光源，以及用于光譜儀器波長定標上。4.氘燈氘燈是一種熱陰極弧光放電燈，泡殼內充有高純度的氘氣。氘(H12是氫(H11)的同位素，又叫重氫．第四十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日

氣體放電光源圖3－10空心陰極燈外形圖圖3－11氘燈第四十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.1.4

發光二極管發光二極管（lightemittingdiode，LED）是利用正向偏置PN結中電子與空穴的輻射復合發光的,發射的是自發輻射光（非相干光）.不需要較高的注入電流產生粒子數反轉分布，也不需要光學諧振腔。大多采用雙異質結結構，把有源層夾在P型和N型限制層間，由于沒有光學諧振腔，故無閾值。發光二極管是一種注入式電致發光器件，它由p型和n型半導體組合而成，是少數載流子在p-n結區的注入與復合而產生發光的一種半導體光源.

發光二極管第四十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管工作原理實際上發光二極管就是一個由直接帶隙半導體（如GaAs）制成的P-N接二極管。其核心是ＰＮ結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由Ｎ區注入Ｐ區，空穴由Ｐ區注入Ｎ區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發光，如圖１所示。第四十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管圖3－12發光二極管的能帶圖價帶ValenceBand導帶（ConductionBand）Ec表示導帶的底能級，Ev表示價帶的頂能級，禁帶Eg為Ec與Ev之間的能量間隔。第五十頁，共九十八頁，2022年，8月28日在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發光。假設發光是在P區中發生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光，或者先被發光中心捕獲后，再與空穴復合發光。除了這種發光復合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介于導帶、價帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近PN結面數微米以內產生。第五十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度Eg有關，即若能產生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光）,半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。當外加電壓超過閾值電壓UD時，發光二極管才會發光。因此如果測得閾值電壓UD

，用Eg=e

UD代入上式即可估算出發光波長。第五十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管圖3－13雙異質結半導體發光二極管的結構示意圖反型異質結同型異質結第五十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日基本結構圖3－13是雙異質結半導體發光二極管的結構示意圖。P－GaAs是產生熒光的復合區（有源區），它和與之相鄰的P－AlxGa1－xAs層構成限制電子和光波的同型異質結P－P結。而和與之相鄰的N－AlyGa1－yAs層構成限制空穴和光波的反型異質結P－N結。第五十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管圖3－14是短波長0.8～0.9μm雙異質結GaAs/AlGaAs面發光二極管的結構第五十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日圖3－15為波長1.3μm雙異質結InGaAsP/InP邊發光型LED結構。它的核心部分是一個N－AlGaAs有源層，及其兩邊的P－AlGaAs和N－AlGaAs導光層（限制層）。導光層的折射率比有源層低，但比其它周圍材料的折射率高，從而構成以有源層為芯層的光波導，有源層產生的光波從其端面射出。第五十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日球透鏡環氧樹脂P層有源層N層發光區(a)正面發光型微透鏡P型限制層有源層波導層N型限制層(b)側面發光型側面發光型LED的驅動電流較大，輸出光功率小，但光束發射角小，與光纖的耦合效率高，故入纖光功率比正面發光型LED高。第五十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管驅動電路發光二極管工作需要加正向偏置電壓，以提供驅動電流。典型的驅動電路如圖3－16所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調節三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進行調制，則調制信號通過一電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調制。第五十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管4.LED的特性參數(1)量子效率。發光二極管一般用量子效率來表示。表征器件這一性能的參數就是外量子效率，表示，

(2)光譜特性發光二極管的發光光譜直接決定著它的發光顏色。根據半導體材料的不同，目前能制造出紅、綠、黃、橙、藍、紅外等各種顏色的發光二極管，如表3-3所列。Ｎr為產生的光子數，Ｇ為注入的電子空穴數NT為器件射出的光子數第五十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管表3－3幾種發光二極管的特性第六十頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管光束的空間分布。在垂直于發光面上，面發光LED輻射圖呈朗伯分布，即P（θ）＝P0cosθ，半功率點輻射角θ＝1200。邊發光型LED，θ∥＝1200，θ⊥＝250～350。輸出光功率特性。發光二極管的輸出光功率特性如圖3-18所示。驅動電流較小時，P-I曲線的線性較好；電流過大時，由于P-N結發熱產生飽和現象，使P-I曲線的斜率減小。在通常情況下，LED的工作電流為50～100mA，輸出光功率為幾nW。響應時間。響應時間是表示反應速度的一個重要參數，尤其在脈沖驅動或電調制時顯得十分重要。響應時間是指注入電流后啟亮（上升）和熄滅（衰減）的時間。直接躍遷材料幾個納秒，而間接躍遷材料約為100納秒壽命。發光二極管的壽命一般是很長的，在電流密度小于1A/cm2的情況下，壽命可達106小時。老化快慢與電流密度ｊ和時間常數有關，關系為;

第六十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管圖3－17LED光譜3-18LED的功率-電流（P-I）曲線第六十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管5.LED的應用隨著科學技術的發展，電子設備的數字化和集成化，越來約需要能顯示較大信息量的顯示器和全標度圖標顯示。隨著半導體材料的制備和工藝的發展，發光二極管已在指示和信息顯示中占主導地位。指示燈。LED正在成為指示燈的主要光源。LED的壽命在數十萬小時以上，為普通白熾燈的100倍以上，而且具有功耗小、發光響應速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應用中占有明顯優勢。數字顯示用顯示器。利用LED進行數字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型如圖3－19所示，使用LED發光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的數字只讓相應的元件發光。第六十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管圖3－19點矩陣型數字顯示圖3－20字段型數字顯示第六十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管（3）平面顯示器。LED還可以用于平面顯示，其優點是，由于LED為固體元件，可靠性強，與采用白熾燈的顯示器相比，功耗小；可以制作對陰極射線管（CRT）及液晶顯示器（LCD）來說不容易做出的大型顯示器等。（4）光源。LED除用作顯示器件外，還可用作各種裝置、系統的光源。如電視機、空調等的遙控器的光源。在光電檢測系統及光通信系統中，也可作為發射光源來使用。

(5)光耦合器件。光耦合器件是將發光二極管和光電接收元件組合而構成的一種器件。它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號耦合到輸出端．

(6)負阻發光器件。負阻發光二極管的工作原理如圖3-21（a）所示，它相當于兩個P-N結發光二極管串在一起，其J型伏安特性曲線如圖3—21(b)。第六十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管圖3－21負阻發光二極管的工作原理第六十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管圖3－22光脈沖反射器圖3－23雙穩態電路第六十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管(3)雙導態發光器件。圖3—24是雙導態發光二極管的伏安特性曲線。器件具有兩種不同的狀態，每—種都具有它自己的整流特性。圖3－24雙導態發光器件伏安特性第六十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日

發光二極管總之，隨著半導體材料的制備和p-n結制造技術的發展，發光二極管日益得到廣泛的重視和應用。歸納起來它具有如下優點：(1)屬于低電壓(1-2V)、小電流(每個發光單元只需10mA)器件，在室溫下即可得到足夠的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)發光響應速度快(10-7~10-s)；(3)由于器件在正向偏置下使用．因此性能穩定；(4)易于和集成電路匹配，且驅動簡單；(5)與普通光源相比，單色性好，其發光的半寬度一般為幾十納米；(6)小型、耐沖擊。當然它也存在一些缺點，主要是功率較小，只有pw、mW級；光色有限，較難獲得短波發光(如紫外、藍色)，且發光效率低第六十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器圖3－26激光器諧振腔及激光輸出第七十頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器3.1.5激光器1.激光器的工作原理激光器一般是由工作物質、諧振腔和泵浦源組成，如圖4—25所示。圖3－25激光器工作原理第七十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器2.激光器的類型目前已研制成功的激光器光器達數百種，輸出波長范圍從近紫外直到遠紅外，輻射功率從幾毫瓦至上萬瓦，一般按工作物質分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導體激光器等。(1)氣體激光器。氣體激光器采用的工作物質很多，激勵方式多樣，發射波長也最廣。這里主要介紹氦氖激光器、氬離子激光器和二氧化碳激光器。氦氖激光器氦氖激光器工作物質由氦氣和氖氣組成，是一種原子氣體激光器。氬離子激光器氬離子激光器的工作物質是氬氣，在低氣壓大電流下工作，因此激光管的結構及材料都與氦氖激光器不同。二氧化碳激光器二氧化碳激光器的工作物質主要是二氧化碳，摻入少量和He等氣體，是典型的分子氣體激光器。第七十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器圖3－27氦-氖激光器示意圖第七十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器（2）固體激光器。固體激光器所使用的工作物質是具有特殊能力的高質量的光學玻璃或光學晶體，里面摻如具有發射激光能力的金屬離子。（3）染料激光器。染料激光器（圖3－29）以染料為工作物質。染料溶解于某種有機溶液中，在特定波長光的激發下，能發射一定帶寬的熒光。（4）半導體激光器。半導體激光器的工作物質是半導體材料。它的原理與前面討論過的發光二極管沒有太多差異，p－n結就是激活介質，如圖3－30為砷化鎵同質結二極管激光器的結構，兩個與結平面垂直的晶體解理面構成了諧振腔。半導體激光器光輸出－電流特性如圖3－31所示，其中受激發射曲線與電流軸的交點就是該激光器的閾值電流，它表示半導體激光器產生激光輸出所需的最小注入電流。第七十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器

圖3－28紅寶石激光器原理圖第七十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器圖3－29染料激光器原理圖第七十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器圖3－30GaAs半導體激光器圖3－31半導體激光器光輸出－電流特性第七十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日

激光器3．激光的特性：（1）單色性。普通光源發射的光，即使是單色光也有一定的波長范圍。這個波長范圍即譜線寬度，譜線寬度越窄，單色性越好。（2）方向性。普通光源的光是均勻射向四面八方，因此照射的距離和效果都很有限，即使是定向性比較好的探照燈，它的照射距離也只有幾公里。直徑一米左右的光束，不出十公里就擴大為直徑幾十米的光斑了。（3）亮度。激光器由于發光面小，發散角小，因此可獲得高的光譜亮度。（4）相干性。由于激光器的發光過程是受激輻射，單色性好，發射角小，因此有很好的空間和時間相干性。第七十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日表3－4半導體激光器的材料及波長第七十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.2照明系統3.2.1照明系統的設計原則照明系統的設計要求1）保證足夠的光能2）有足夠的照明范圍，照明均勻3）照明光束應充滿物鏡的入光瞳孔4）應盡量減少雜散光進入物鏡，以保證像面的對比度5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響。根據設計要求，照明系統設計需要滿足以下兩個原則1）光孔轉接原則照明系統的出瞳應該與物鏡的入瞳重合。

2）照明系統的拉赫不變量應大于或等于物鏡的拉赫不變量第八十頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.2照明系統拉赫不變量是表征光學系統性能的一個重要參數。定義拉赫不變量表示光學系統在近軸區成像時，在物象共軛面上，物體的大小y、成像光束的孔徑角u、物空間介質的折射率n的乘積為一常數。yuny’u’n’拉赫不變量示意圖第八十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.2照明方式1直接照明第八十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日亮場照明暗場照明第八十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日明視場照明暗視場照明第八十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日暗視場實際是暗場照明。它的特點和明視場不同，不直接觀察到照明的光線，而觀察到的是被檢物體反射或衍射的光線。因此，視場成為黑暗的背景，而被檢物體則呈現明亮的象。

暗視場的原理是根據光學上的丁道爾現象，微塵在強光直射通過的情況下，人眼不能觀察，這是因為強光繞射造成的。若把光線斜射它，由于光的反射，微粒似乎增大了體積，為人眼可見。

暗視場觀察所需要的特殊附件是暗視場聚光鏡。它的特點是不讓光束由下至上的通過被檢物體，而是將光線改變途徑，使其斜射向被檢物體，使照明光線不直接進入物鏡，利用被檢物體表面反射或衍射光形成的明亮圖象。暗視場觀察的分辨率遠高于明視場觀察，最高達0.02—0.004um.

第八十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.2照明方式a)透射光亮場照明b)透射光暗場照明

c)反射光亮場照明d)反射光暗場照明

暗場只能觀察到物體的存在,運動及外部形態第八十六頁，共九十八頁，2022年，8月28日透射光亮視場照明

照明光源和物鏡在物體的兩側，物平面上各部分的透射率不同而調制照明光。當物體為無缺陷的玻璃板時，得到均勻的亮場。反射光亮視場照明

照明光源和物鏡在物體的同側，物平面上各部分的反射率不同而調制照明光。當物體為無缺陷的漫反射表面時，得到均勻的亮場。透射光暗視場照明

照明光源和物鏡在物體的兩側，傾斜入射的照明光束在物鏡側向通過。當物體為無缺陷的玻璃板時，無光線進入物鏡成像，因此得到均勻的暗視場。當物體有缺陷時，光束通過物體內部結構的衍射、折射和反射射向物鏡而形成物體缺陷的像。反射光暗視場照明照明光源和物鏡在物體的同側，從物鏡旁側入射到物體的照明光束經反后在物鏡側向通過。當物體為無缺陷的反射鏡面時，無光線進入物鏡成像，得到均勻的暗視場。當物體有缺陷時，光束通過衍射和反射射向物鏡而形成物體缺陷的像。第八十七頁，共九十八頁，2022年，8月28日2臨界照明臨界照明把光源經聚光鏡直接成像在物平面上，照明光源燈絲成像到物平面上，這種照明在視場范圍有最大的亮度，而且沒有雜散光，但另一方面，光源表面亮度的不均勻性也會直接反映在物面上，影響顯微鏡的觀察效果。為了保證照明均勻，要求光源本身盡可能均勻發光。第八十八頁，共九十八頁，2022年，8月28日3柯勒照明柯勒照明消除了臨界照明中物平面光照度不均勻的缺點。柯勒鏡（即照明系統前組）把光源放大成像在聚光鏡的前焦平面上，照明系統的視場光闌就位于該焦平面，聚光鏡(照明系統后組)又把視場光闌成像在無限遠，即照明系統的出窗與顯微鏡的入瞳重合。照明系統的孔徑光闌緊貼在柯勒鏡后，被聚光鏡成像在物平面上，即照明系統的出瞳與顯微鏡的入窗重合，決定了被照明的物平面的大小。由于聚光鏡的孔徑光闌面具有均勻的照明，將其成像在物面上，物體也能獲得均勻的照明。第八十九頁，共九十八頁，2022年，8月28日4光纖照明光纖照明是最近幾年來一種新興的照明方式。具有照明均勻、亮度高、光源熱影響小而得到廣泛的應用。下圖為環形光纖照明方式第九十頁，共九十八頁，2022年，8月28日光纖照明具有以下顯著的特點：

1.單個光源可具備多個發光特性相同的發光點；

2.光源易更換，也易于維修；

3.發光器可以放置難以接觸的位置，因此具有防破壞性；

4.發光點小型化，重量輕，易更換、安裝，可以制成很小尺寸，放置在玻璃器皿或其他小物體內發光形成特殊的裝飾照明效果；

5.無電磁干擾，可被應用在核磁共振室、雷達控制室等有電磁屏蔽要求的特殊場所之內；

第九十一頁，共九十八頁，2022年，8月28日吊燈立體鏡畫星空星空光纖柱第九十二頁，共九十八頁，2022年，8月28日返回第九十三頁，共九十八頁，2022年，8月28日5同軸照明物鏡本身兼做聚光鏡主要用于檢測表面上的缺陷。如果被測面是表面，則鏡面的反射光線全部進入物鏡成像，因此整個圖像都是白色。當鏡面上有腐蝕斑點或污點是，所產生的漫反射光線進入物鏡的甚少，因此圖像上將產生黑色的斑點。第九十四頁，共九十八頁，2022年，8月28日光源及照明系統的選擇1.光源的光譜能量分布特性

光源的光譜能量分布首先滿足儀器使用上的要求。例如在干涉儀中，光源的波長是儀器的標準器，因此其單色性應滿足測量精度及測量范圍的要求。在非相干照明中，光源的光譜分布應與接收器的光譜響應相匹配。不但可以節省能量，也可以提高檢測信號的信噪比。目視儀器中，視場的背景最好是適宜人眼的黃綠光。2.光度的特性在精密測量中，被測對象一般不是發光體，通常需要人工照明，使被測物體達到一定的照度。第九十五頁，共九十八頁，2022年，8月28日3.發光面的形狀、尺寸和光源的結構臨界照