光源(物理學術語)

光源(物理學術語)

光源是一個物理學名詞,宇宙間的物體有的是發光的,有的是不發光的,我們把自己能發光且正在發光的物體叫做光源。太陽、打開的電燈、燃燒著的蠟燭等都是光源。

基本介绍

  • 中文名:光源
  • 外文名:optical/light source
  • 詞性:名詞
  • 學科:物理學
歷史起源,具體含義,產生途徑,熱效應,原子躍遷,輻射發光,發展前景,主要種類,照明光源,輻射光源,穩定光源,背光源,組成結構,常見設備,碳弧燈,白熾燈,低壓鈉燈,高壓鈉燈,LED燈,技術指標,

歷史起源

18世紀末,人類對電光源的開始研究。
19世紀初,英國的H.戴維發明碳弧燈
1879年,美國的T.A.愛迪生髮明了具有實用價值的碳絲白熾燈,使人類從漫長的火光照明進入電氣照明時代。1907年採用拉制的鎢絲作為白熾體。
1912年,美國的I.朗繆爾等人對充氣白熾燈進行研究,提高了白熾燈的發光效率並延長了壽命,擴大了白熾燈套用範圍。
20世紀30年代初,低壓鈉燈研製成功。
1938年,歐洲和美國研製出螢光燈,發光效率和壽命均為白熾燈的3倍以上,這是電光源技術的一大突破。
1940年代高壓汞燈進入實用階段。50年代末,體積和光衰極小的鹵鎢燈問世,改變了熱輻射光源技術進展滯緩的狀態,這是電光源技術的又一重大突破。60年代開發了金屬鹵化物燈和高壓鈉燈,其發光效率遠高於高壓汞燈。
1980年代出現了細管徑緊湊型節能螢光燈、小功率高壓鈉燈和小功率金屬鹵化物燈,使電光源進入了小型化、節能化和電子化的新時期。

具體含義

物理學上指能發出一定波長範圍的電磁波(包括可見光紫外線紅外線X射線不可見光)的物體。通常指能發出可見光的發光體。凡物體本身能發光者,稱做光源,又稱發光體。如太陽、恆星、燈以及燃燒著的物質等都是。
光源光源
但像月亮表面、桌面等依靠它們反射外來光才能使人們看到它們,這樣的反射物體不能稱為光源。在我們的日常生活中離不開可見光的光源。可見光以及不可見光的光源還被廣泛地套用到工農業、醫學和國防現代化等方面。
自身正在發光的物體叫光源。光源可以分為自然(天然)光源和人造光源。此外,根據光的傳播方向,光源可分為點光源和平行光源。

產生途徑

熱效應

第一類是熱效應產生的光。太陽光就是很好的例子,此外蠟燭等物品也都一樣,此類光隨著溫度的變化會改變顏色。

原子躍遷

第二類原子躍遷發光。螢光燈燈管內壁塗抹的螢光物質被電磁波能量激發而產生光。此外霓虹燈的原理也是一樣。原子發光具有獨自的特徵譜線。科學家經常利用這個原理鑑別元素種類。

輻射發光

第三類是物質內部帶電粒子加速運動時所產生的光。譬如,同步加速器(synchrotron)工作時發出的同步輻射光,同時攜帶有強大的能量。
另外,原子爐(核反應堆)發出的淡藍色微光(切倫科夫輻射)也屬於這種。所謂的“切倫科夫輻射”,就是指帶電粒子在介質中的速度可能超過介質中的光速,在這種情況下會發生輻射,類似於“音爆”。
註:這不是真正意義上的超光速,真正意義上的超光速是指超過真空中的光速。這種現象被稱為切倫科夫效應

發展前景

電光源的發明促進了電力裝置的建設。電光源的轉換效率高,電能供給穩定,控制和使用方便,安全可靠,並可方便地用儀器|儀表計數耗能,故在其問世後一百多年中,很快得到了普及。它不僅成為人類日常生活的必需品,而且在工業、農業、交通運輸以及國防和科學研究中,都發揮著重要作用。
世界上的照明用電(照明光源的耗電量)約占總發電量的10%~20%。在中國,照明用電約占總發電量的10%。隨著中國現代化發展速度的加快,照明用電量逐年上升,而電力增長率又不相適應,因此,研製、開發和推廣套用節能型電光源已引起人們的高度重視。
主要是提高發光效率,開發體積小的高效節能光源,改善電光源的顯色性,延長壽命。達到上述目的的具體途徑是開發研製新型材料、採用新工藝以及進一步研究新的發光機理、開發新型電光源。而最為現實的途徑則是改進現有電光源的製造技術,採用新型的、自動化性能好的生產設備。

主要種類

照明光源

照明光源是以照明為目的,輻射出主要為人眼視覺的可見光譜(波長380~780nm)的電光源。其規格品種繁多,功率從0.1W到20kW,產量占電光源總產量的95%以上。
照明光源品種很多,按發光形式分為熱輻射光源、氣體放電光源和電致發光光源3類。
①熱輻射光源。電流流經導電物體,使之在高溫下輻射光能的光源。包括白熾燈和鹵鎢燈兩種。
②氣體放電光源。電流流經氣體或金屬蒸氣,使之產生氣體放電而發光的光源。氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種,放電電壓有低氣壓、高氣壓和超高氣壓3種。弧光放電光源包括:螢光燈、低壓鈉燈等低氣壓氣體放電燈,高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強度氣體放電燈,超高壓汞燈等超高壓氣體放電燈,以及碳弧燈、氙燈、某些光譜光源等放電氣壓跨度較大的氣體放電燈。輝光放電光源包括利用負輝區輝光放電的輝光指示光源和利用正柱區輝光放電的霓虹燈,二者均為低氣壓放電燈;此外還包括某些光譜光源。
③電致發光光源。在電場作用下,使固體物質發光的光源。它將電能直接轉變為光能。包括場致發光光源和發光二極體兩種。

輻射光源

輻射光源是不以照明為目的,能輻射大量紫外光譜(1~380nm)和紅外光譜(780~1×106nm)的電光源,它包括紫外光源紅外光源和非照明用的可見光源。以上兩大類光源均為非相干光源。此外還有一類相干光源,它通過激發態粒子在受激輻射作用下發光,輸出光波波長從短波紫外直到遠紅外,這種光源稱為雷射光源。
光源無處不在光源無處不在

穩定光源

光纖通信技術中,進行光纖衰耗的測量,連線損耗的測量、活動連線器損耗以及光電器件或光收端機靈敏度的測量,光源是不可缺少的信號源。

穩定光源原理
穩定光源,即其輸出光功率、波長及光譜寬度等特性(主要是光功率)應當是穩定不變的,當然,絕對穩定不變是不可能的,只是在給定的條件下(例如一定的環境、一定的時間範圍內)其特性是相對穩定的。若要達到一定的指標要求,穩定光源應有一定的措施以保證其特性的穩定。一般採取APC(自動功率控制)電路和ATC(自動溫度控制)電路等措施。

背光源

光源模組中最核心技術為導光板的光學技術,主要有印刷形和射出成型形二種導光板形式,其它如射出成型加印刷,雷射打點,腐蝕等占很少比例,不適合批量生產原則。印刷形因為其成本低在過去較長時間內成為主流技術,但合格品不高一直是其主要缺點,而LCD產品要求更精密的導光板結構,射出成型形導光板必然成為背光源發展主流,但相應的模具技術難題只有少數大廠能夠克服。偉志公司導光板的光學技術主要採用印刷形和射出成型形二種導光板形式。
背光源按光源類型主要有EL、CCFL及LED三種背光源類型,依光源分布位置不同則分為側光式和直下式(底背光式)。以下是它們的簡單介紹。
光源照明光源照明
邊光式
即將線形或點狀光源設定在經過特殊設計的導光板的側邊做成的背光源。根據實際使用的需要,又可做成雙邊式,甚至三邊式。邊光式背光一般可做的很薄,但光源的光利用率較小,且越薄利用率越小,最大約50%。其技術核心是導光板的設計和製作。邊光式最常用的有LED燈背光和CCFL背光。偉志LED邊光式背光源有WU、WH、WN類為單邊式,WL、WJ、WK、WB類為雙邊式。隨著lcd模組不斷向更亮、更輕、更薄方向發展,側光式CCFL式背光源成為背光源發展的主流。WQ類產品為偉志CCFL邊光式背光源。
LED燈背光
LED燈又稱發光二極體,比起其它光源,單個LED燈的功耗是最小的。從藍到紅,LED燈有很多種顏色,常用的如“表一”和“表二”;另外還有一種特殊的顏色是白色,“表三”給出了其常用的色度範圍。在各種顏色里,可大致分為高亮和低亮的兩種:基本上,“表一”里是屬於低亮的(雖然琥珀色、橙色和紅色里也有稍高亮的),“表二”和“表三”里是屬於高亮的。
光源效果光源效果
由於白色是混合色,無可標識的波長值,因此,以其在色度圖上的坐標值來表示。我們自定義為“冷白色”和“暖白色”兩種。在各種顏色里,都存在顏色偏差的問題,其中藍色和白色表現的較為明顯,尤其是白色,LED的供應商也無法對其進行有效的控制。
CCFL背光
此種背光的最大優點是亮度高,所以面積較大的黑白負相、藍模負相和彩色液晶顯示器件基本上都採用它。理論上,它可以根據三基色的配色原理做出各種顏色。其缺點是功耗較大,還需逆變電路驅動,而且工作溫度較窄,為0~60度之間,而LED等其它的背光源都可達到-20~70之間。
發光字效果發光字效果
底背光式
是一個有一定結構的平板式的面光源,可以是一個連續均勻的面光源,如EL或平板螢光燈;也可以是一個由較多的點光源構成,如點陣LED或白熾燈背光源等。常用的是LED點陣和EL背光。
EL背光
即電致發光,是靠螢光粉在交變電場激發下的本徵發光而發光的冷光源。其最大的優點是薄,可以做到0.2~0.6mm的厚度。缺點是亮度低,壽命短(一般為3000~5000小時),需逆變驅動,還會受電路的干擾而出現閃爍、噪聲等不良。EL的驅動有逆變器、DriverIC驅動兩種。因為DriverIC的頻率和負載輸出電壓達不到EL的典型條件(400Hz、AC100V),所以亮度較逆變器驅動更為低。也陸續有白光(全色)EL和LCD背光源出來。但由於亮度較暗其基本上用於4英寸以下小尺寸液晶顯示。如:手機、PDA、遊戲機等。全色(白光)、大尺寸亮度背光源,主流仍然是用CCFL做光源。偉志沒有開發EL背光源。
led光源led光源
LED底背光
優點是亮度好,均勻性好。缺點是厚度較大(大於4.0mm),使用的LED數量較多,發熱現象明顯。一般採用低亮的顏色進行設計,而高亮的顏色由於成本高基本上不考慮。WA類產品為偉志底背光源。
電光源是指將電能轉換為光能的器件或裝置。廣泛用於日常照明、工農業生產、國防和科研等方面。

組成結構

不同類型的電光源有不同的結構,但一般都具有以下幾部分的零部件:作為發光體的燈絲、電極、螢光粉;作為發光體外殼的玻璃、半透明陶瓷管、石英管;作為引線的導絲、芯柱、燈頭;作為充填物的各類氣體、汞、金屬及其鹵化物;消氣劑、各類塗層、絕緣件及粘結劑等。

常見設備

碳弧燈

利用兩根接觸的碳棒電極在空氣中通電後分開時所產生的放電電弧發光的電光源。碳弧燈由英國人H.戴維於1809年發明;

白熾燈

白熾燈又稱鎢絲燈、燈泡,是將燈絲通電加熱到白熾狀態,利用熱輻射發出可見光的電光源。由電流通過燈絲加熱至白熾狀態產生光的一種光源。是最早出現的電燈,用耐熱玻璃製成泡殼,內裝鎢絲。泡殼內抽去空氣,以免燈絲氧化,或再充入惰性氣體(如氬),減少鎢絲受熱蒸發。因燈絲所耗電能僅一小部分轉為可見光,故發光效率低,一般為10~15流/瓦。但製造方便,成本低。

低壓鈉燈

是利用低壓鈉蒸氣放電發光的電光源,在它的玻璃外殼內塗以紅外線反射膜,是光衰較小和發光效率最高的電光源。低壓鈉燈發出的是單色黃光,用於對光色沒有要求的場所;

高壓鈉燈

當燈泡啟動後,電弧管兩端電極之間產生電弧,由於電弧的高溫作用使管內的液鈉汞氣受熱蒸發成為汞蒸氣和鈉蒸氣,陰極發射的電子在向陽極運動過程中,撞擊放電物質的原子,使其獲得能量產生電離或激發,然後由激發態回復到基態;或由電離態變為激發態,再回到基態無限循環,此時,多餘的能量以光輻射的形式釋放,便產生了光。

LED燈

LED(Light Emitting Diode),發光二極體,是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。
光學儀器中的顯微鏡光源主要用於給顯微鏡觀察時補充光線,一般是由220V的電壓供應,功率為一般為幾瓦左右,顯微鏡光源的上鑲嵌著燈珠,燈珠一般為LED燈,這樣的燈發熱量極少,所以對觀察時候的對產品的冷熱度控制影響很小的。另外還有一種不是有LED燈珠組成的,而是由燈管組成的,這樣的燈管有外置四插的和內置四插接口。還有一種是兩個插頭的,這樣的光源只適合安裝在顯微鏡上的光源,如果覺得光線還是比較暗。還有有一種是外用的,可以隨意調整燈頭的,這樣的光線比較方便。

技術指標

光量特性指標。包括總光通量、亮度、光強、紫外線量和熱輻射量等。
②光色特性指標。包括光色、色溫、顯色性、色度和光譜分布等。
③電氣特性指標。包括消耗功率、燈電壓、燈電流、啟動特性和干擾噪聲等。
④機械特性。包括幾何尺寸、燈結構和燈頭等。
⑤經濟特性。包括發光效率、壽命、價格和電費等。
⑥心理特性。包括燈外觀和舒適性等。

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