常用仪器的光源类型及特点分析

发布时间：2018-07-01 22:43:10 来源：文档文库

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常用仪器的光源类型及特点分析

摘要：随着投影仪、光谱仪、手机等仪器的应用越来越多，光源的选取也成为改进仪器性能的重要方面，本文简要的对几种仪器的光源类型及特点进行分析进行了比较。

关键词：LED LCD投影仪激光光源光谱仪钠灯汞灯

1. 仪器光源的类型

1.1投影仪光源

投影机灯泡是投影机的关键部件之一,它的作用是为非自发光投影机提供光源。目前的非自发光投影机,传统的投影光源大多为气体放电灯,是一种成熟的电光源。其中UHE、UHP（高压汞灯）和UMPRD等灯泡是目前几种主流的投影机灯泡。随着微型投影技术的发展，投影仪趋于微型化，而且投影系统的分辨率也不断提高，因此对投影仪照明系统的要求也越来越高，高强度、光学扩展量小的光源逐渐受到重视。同时随着LED光源技术的发展,其光效和光源亮度在不断提高,在微型投影机中占有优势。

1.2手机背光源

LCD（液晶）显示屏已成为手机、显示器和电视机市场的宠儿，起背光源的光源主要为荧光灯和LEDs。目前,荧光灯(FLs)因其直径小,成本低,发光效率高和寿命长等优点而被广泛地(>99%)用于大屏幕LCD面板中。在小型LCD(小于2.7 cm)方面,LEDs应用更普遍。

但是以荧光灯为基础的BLU（背光源模组）遗留的技术问题有:1在BLU中的光和电损耗;2.有限的色域;3.应用高电压引起的灯管跳火和驱动问题;4.大尺寸LCD减小厚度的对策;5.充汞光输出对温度的依赖性;6.充汞对生态的影响。但LEDs可以满足其大部分需求，所以在未来LED成本降低、工艺成熟后，在LCD领域会大有作为。

1.3光谱仪光源

光谱仪中光源的作用，将待测元素变成气体状态，而后激发成光谱，根据该元素谱线强度转换成光电流，由计算机控制的测光系统按谱线的强度换算成元素的含量。光源作用的这种动态过程，就是将样品由固态变成气态，其中一部份元素激发而发射光谱，而这些气态的样品又不断地向四周扩散，分析间隙的气态样品也在不断更新，要求达到一个动态平衡，当光源激发一定时间后，蒸气云中待测元素浓度增大，只有蒸气云中浓度大，才能得到大的光电信号，为保证足够大的光电流，必须使单位时间内进入蒸气云中样品量的蒸发速度快，要求扩散慢，确保样品停留在蒸气云中的时间。

现在红外光谱仪的光源各种各样，种类比较多，主要有以下几种： 1 碳化硅光源：优点是光的能量比较强，功率大，热辐射强，但需要冷却。 2 EVER-GLO光源：改进型的碳化硅光源，发光面积小，红外辐射强，热辐射很弱，不需要冷却，寿命长，能在十年以上。 3 陶瓷光源：水冷却光源和空气冷却光源。这种现在红外光谱仪用的比较多。4 能斯特灯光源：光的能量比较强，但是需要一个预热的过程

5 白炽线圈光源：光的能量较弱。而拉曼光谱仪使用的是激光光源。

2. 不同光源的特点

2.1 LED

LED的发光具有很大的波长范围，目前已覆盖从近紫外到近红外相当大范围，并且有色平衡好、光能利用率高、光源使用成本低、开关速度高、无需预热等特点。因此其在投影现实照明以及液晶显示器中占有显著优势。

使用LED作为光源，与传统的投影仪光源相比，LED具有结构紧凑，价格低廉等优点，是投影仪的理想光源。同时，目前已经有红色、绿色以及蓝色的LED，所以不需要从白光中提取基本色。因此在LED的投影系统中不需要分光镜和冷镜。另外与UHP灯相比，LED光源的光谱分布可以控制，可以不发出紫外和红外波段的光，系统中不需要UV和IR滤光片，这会使得系统的体积更小，成本更低，损耗更小。LED寿命很长，可以点燃10万个小时，大大提高了投影仪的使用时间。LED的驱动电压低，是廉价密集可携带的投影仪的理想光源。LED光源的发光光谱很窄，接近于单色光，因此能产生大的色域。

LED背光源在液晶电视领域的技术优势很明显：首先，LED 背光源较之其它光源不含汞等有毒物质，符合绿色环保的消费诉求，同时LED内部驱动电压低、功耗小，节能效果显著；第二，LED 可以实现传统 CCFL 光源所不能达到的宽广色域范围，为液晶电视的色彩提升提供了保障；第三，LED 背光源衰变周期长，使用寿命长；第四，由于LED 的响应时间只有纳秒级，因此可以明显改善运动图像拖尾问题，提升动态清晰度。以上技术优势解决了目前平板电视显示技术发展中的瓶颈问题，LED背光源将是未来平板电视产品发展的主流趋势。

2.2 激光光源

拉曼光谱仪主要由激光光源、收集光路、分光光路及信号采集和分析系统组成。对拉曼光谱仪的一般要求是最大程度地探测到来自检材的拉曼散射光、有较高的光谱分辨率和频移精度等。

作为拉曼光谱仪的激发光源，仪器的检测对象及应用场合决定了对激光光源的选择。根据所用基质的不同，激光器可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器以及其它激光器等4类。气体激光器在拉曼光谱仪中的应用十分广泛，如氩离子激光器、氦氖激光器、CO 激光器和准分子激光器等。1.氩离子激光器具有较高的输出功率，波长稳定、线宽狭窄，而且环境温度和光学系统调校对其工作波长的影响不大。2.氩离子激光器属于多谱线输出，其主要输出波长为488nm与514.5nm，目前多采用空气冷却型氩离子激光器作拉曼光谱仪的激发光源。3.氦氖激光器制造工艺成熟、连续使用寿命长，但输出功率较低，其输出波长为632.8nm。4.CO2激光器属于分子气体激光器，有一定的调谐范围，输出波长介于9.1～10.7nm。准分子激光器的输出功率高，并且相应的激光范围很宽，多用于紫外波段。5.固体激光器主要有红宝石激光器、Nd:YAG激光器、倍频的Nd:YAG激光器和半导体激光器等。6.固体激光器的特点是输出功率高、体积小且很坚固。其中输出为1064nm红外光的Nd:YAG激光器常用于傅立叶变换拉曼光谱仪中。7.半导体激光器是所有激光器中效率最高且体积最小的一种，输出波长范围有375nm、405nm、635nm和780～980nm等。液体激光器采用液体染料作泵浦介质，一般在某个波长范围输出波长可调的激光，常用于共振拉曼光谱仪。其激光器中的自由电子激光器（FEL）可在一个宽的频率范围（微波至真空紫外）输出平均功率为几kW的相干共线激光。8.自旋反转拉曼激光器则采用处于低温和磁场下具有自旋反转效应的半导体材料作基质。9.色心激光器的基质材料为碱卤晶体，通过俘获电子的空位畸变产生弛豫，导致粒子数反转从而产生激光。由于拉曼光谱信号取决于物质分子的内部结构，而与因此对激发光源的要求并没有固定模式。

2.3钠光光源

钠灯利用钠蒸气放电产生可见光的电光源。钠灯又分低压钠灯和高压钠灯。低压钠灯的工作蒸气压不超过几个帕。低压钠灯的放电辐射集中在589.0纳米和589.6纳米的两条双D谱线上，它们非常接近人眼视觉曲线的最高值（555纳米），故其发光效率极高。高压钠灯的工作蒸气压大于0.01兆帕。高压钠灯是针对低压钠灯单色性太强，显色性很差，放电管过长等缺点而研制的。

灯主要应用场合：道路、机场码头、港口、车站、广场、无显色要求的工矿照明等。用做路灯的钠灯，在夜间可产生良好的路面能见度。这种桔黄色的灯光，在雾天的透射力强而且柔和，在这种灯光下的物体，可以看得很清楚。所以不少交通要道和人工照明上，都使用钠气灯来减少汽车的交通事故。在功能性照明领域，现今节能光源产品如无极灯和LED灯仍然处于技术发展阶段，钠灯还将是这类照明场所的主流产品。

2.4汞灯

汞灯mercury lamp利用汞放电时产生汞蒸气获得可见光的电光源。汞灯可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三种。低压汞灯点燃时汞蒸气压小于一个大气压，此时汞原子主要辐射波长为253.7nm的紫外线。常用的“日光灯”灯管内壁涂以卤磷酸钙荧光粉，再将紫外线转变为可见光。节能型荧光灯内壁涂有稀土荧光粉，发光效率更高。