涨知识丨如何选择一款合适的光源？

光源指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光)的物体,通常指能发出可见光的发光体。凡是物体自身能发光者, 称作光源, 又称发光体,如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都是, 但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看 见它们,这样的反射物体不能称作光源。在我们的日常生活中离不开可见光的光源,可见光以及不可见光的光源还被广泛地应用到农业、医学和国防现代化等方面。

可见光光源常用于日常照明或显示信号 ; 不可见光光源能用于医疗、通信、夜间照相等特殊用途。

光源主要分为 : 热辐射光源,例如,太阳、白炽灯 ; 气体放电光源,例如, 碳精灯、水银灯、荧光灯等。激光器是一种新型光源,具有发射方向集中、亮度高、相干性优越和单色性好等特点。

请收下这份精心准备的光源选购指南

如何选择合适的光源？

选择合适的光源,首先要确定使用的波长范围。卓立汉光可以提供氘灯,溴钨灯、氙灯及红外光源等多种光源, 各种光源涵盖的波长范围如图所示 :

氙灯:200-2500nm

• 具有很高的辐射度,色温高达6000K

• 发光区域小,容易用来做准直光束

• 光谱覆盖范围宽

• 背反射镜设计结构,光收集效率可提升60%以上

• 紫外波段输出能量高,适合用来做激发光源

• 能用来模拟太阳光谱

氘灯:200-400nm

• 非常高效的紫外光源

• 紫外波段内光谱平滑

• 具有多条特征谱线,可用来作为波长校准光源

溴钨灯:300-2500nm

•  具有很高的输出稳定度

• 光谱覆盖范围宽

• 背反射镜设计结构,光收集效率可提升60%以上

• 全光谱范围内光谱连续且平滑

• 可用来标定成为标准白光光源

红外光源:1-16μm

•  光谱覆盖范围宽

• 使用寿命长

其他光源:

•  低压汞灯光源:拥有多个特征峰,用于波长校准用或者紫外激发光源

•  光谱辐射度标准光源:用于光谱强度校正

• 复合光源:根据光谱覆盖的需要,由两个灯经过光路优化复合而成,也可根据客户需要进行两个以上的灯泡复合光路设计。

在选择光源之前,几个问题您必须首先确定

我需要的波长范围是多少？如果您知道这个问题的答案, 您通常可以缩小选择范围。

光源的关键性能指标

光谱范围

选择光源时,特别是在光谱应用中,光谱范围是第 一考虑因素。同时,需要特别注意的是,要选择的光源,尽可能要在需要的光谱范围内具有更高的光输出效率,在不需要的光谱范围内具有更低的光输出效率,因为不需要的那部分光谱会引起杂散光的问题。

另外, 如果是做透射、反射 / 吸收光谱,需要特别注意的是, 必须选择在测量范围内光谱曲线平滑的光谱。比如,在做 800- 1100nm 光谱范围内的反射光谱时,单就光谱范围而言, 有氙灯(200-2500nm)和溴钨灯(300-2500nm)符合要求,但从 实际测量角度来看,  由于氙灯在这个范围内具有较多的尖锐的光谱峰,会造成测量的不准确,因而要选择谱线平滑的溴钨灯来进行测量。

辐射功率如何计算输出功率？

通常选择光源功率时需要考虑实际使用条件下的辐射功率,这里不仅有输出功率的因素,同时还有发光区域大小、收光效率等等方面的影响。比如,在不考虑收光效率等因素的影响条件下,比较75W 氙灯和150W 氙灯在相同的空间位置上能够产生的辐射功率,75W 氙灯是150W 氙灯的2.7倍,这是由于虽然前者的输出功率只有后者的一半,但后者的发光区域 (弧光)是前者的8.8倍, 因而在相同空间位置上的功率密度反而小。

因此在选择光源时,不仅要考虑光源输出功率,还要考虑其它因素。特别是光斑大小引起的辐射功率密度的影响,通常 我们可以通过选择适当的收光系统来提高光的收集效率。

光谱辐射度的单位通常是 :Wm-3Sr-1nm-1,或者Wm-2nm-1 ,差异的部分实际是收光的立体角度,它与收光系统(如透镜) 的相对孔径数对应,被称为收光系数。

举例 : 在收光系数为0.05的150W 氩灯光源系统中,  计算400-600nm 范围能够得到的光谱辐射功率。从光谱辐射度曲线中可以查到此区间光谱辐射度大约是15mWm-2nm-1,收光系数为0.05,光谱带宽为200nm,由于使用了背反射镜结构提升了60%光使用效率,所以总的输出光辐射功率大约是 15x0.05x200(1+60%)=240mW。

另外, 从光谱辐射度曲线可以看出, 对于同一类型的光源, 功率不同的时候,光谱辐射度差异并不大,所以,在光谱系统 中不能单纯通过提高光源的功率的方式来提高信号的强度,还需要综合考虑光源收集效率的问题。在经过优化的光源收集系统中,往往可以采用较小功耗的光源取代高功耗的光源。

输出总功率

大多数辐射区域面积较大的应用中, 输出总功率更为重要。

发光区域尺寸和形状

对光源发光区域的尺寸和形状进行选择,是为了得到与目标区域更匹配的光斑形状,从而提高光源的实际使用效率。比如,长条形的光斑更适合于光谱仪的狭缝设计。

光源均匀性和稳定性

对于某些光学测量,需要用到较高的空间均匀性和时间稳定性,这时就需要进行特殊的光学设计和电源设计。比如太阳 能电池的特性测量等。

通常来说,溴钨灯的光源稳定性要优于氙灯等弧光放电类型的光源。

太阳光模拟器是用来模拟太阳光的光源,具有较高的太阳光谱匹配度、空间均匀性以及时间稳定性。标准太阳光谱和穿透大气层到达地球表面的太阳光谱如下 :

根据国际相关标准规定,约1000W/m2(@AM1.5G 滤光片)的光功率密度被称为一个太阳常数。

太阳光模拟器的不同级别对应的光谱匹配度、时间稳定性 和光斑均匀性如下表所示(根据 IEC060904-9):

弧光灯还是卤素灯？对于光源应用,光谱分布,应用波长范围,以及哪种波长会引起杂散光或使样品发热都将决定光源的灯的类型和功率大小。为了达到最 佳应用, 应当选择在有效波段范围内有较高的输出, 而在容易引起杂散光的波段有较低输出的光源。弧光灯主要输出紫外线到可见光,汞弧灯在紫外区有很强的尖峰。溴钨灯是一个很 不错的可见光到近红外光源。

不同类型光源的光谱辐射度曲线:

色温

为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质,常用到色温度这个量, 单位为K 。色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。色温度并非热辐射光源本身的温度。

由于色温度是按规定的两波长处的辐射比率来比较的,所以色温度相 同的热辐射光源的连续谱也可能不相似,若规定的波长不同,色温度也往往不同。至于非热辐射光源, 色温度只能给出这个光源光色的大概情况, 一般来说,色温高代表蓝、绿光成分多些,色温低则表示橙、红光的成分多些。

维恩位移定律

单色辐射出射度最 大值对应的波长入m 与色温T成反比:

λm · T=2898(μm · K)

安全性

弧光灯和气灯光源都可以产生紫外线,有的紫外线波长低于 180 nm。 为了您的安全,请注意以下事项 :

• 在操作光源过程中,要戴紫外线防护眼镜和手套。

• 不要直视输出的光束,即使戴有防护眼镜。

• 在没有合适的防护眼镜情况下,请不要看紫外线成的像。看大功率灯在墙上的像或者小功率灯在探测器上的像,需使用焊接护目眼镜!

• 当暂时不使用光源时,请使用手动快门或电子快门关闭光源。

短波紫外线照射空气,可以产生臭氧,您可以采用除臭氧灯。需要注意的是,相对低浓度的臭氧会导致鼻咽喉干燥和烧灼感,头痛,恶心和刺激口腔膜。由于没有一个简单的预测臭氧浓度的办法,因此,当您处于一 个狭小而密闭空间时,要警惕臭氧的危害。而如果在一间通风良好的区域进行操作,就不用担心臭氧问题。大多数卤钨灯的密封材料可以阻止紫外线,一般没有紫外线伤害,但由于卤钨灯发热高,使用过程中需防止皮肤直接接触引起灼伤。

如何选择正确的透镜装置？

针对于不同的应用场合,我们的光源可以匹配不同的聚光透镜。通常情况下,用 F/# 来表示透镜的聚光效率,降低 F/# 是使聚光效率达到更高的简单方法。但是,请注意,聚焦的总辐射通量与聚焦的有用辐射通量之间是有差别的。低F/# 透镜聚焦的通量多,而透镜的像差决定平行输出的质量,这些像差随着 F/# 的下降急剧上升。虽然透镜的F/# 很低时聚焦的光更多, 但产生的光束不完善, 即使对于点光源, 也会包括各个角度的光线,远不是理想的平行光。任何光学系统均不可能将质量很差的光束聚成成像很好的光源。因此,虽然一个低 F/# 单片透镜(F/4)可能是效率很高的聚光装置,但也只能得到质量很差的输出光束,无法再次有效聚集。对于影像质量要求较高的系统, F/# 较高的聚光器可能效果更好。F/# 通常取决于具体的应用系统,对于影像性能要求高的系统,其极限值为 F/4。

另外,在选择透镜装置时还要考虑以下因素 :

透射率

任何聚光透镜的材料光谱透射率的范 围均是有限的,有时这些限制很有用, 如阻止有害紫外线 ; 锗透镜可以吸收可见光,从而起到滤光片的作用,如果想保留光源中有限的紫外线部分,则透镜和其它光学元件的紫外线透射率很重要。

热问题

对于高功率的光源,需要考虑热应 力的影响,低 F/# 的透镜很接近辐射光源, 这个透镜能吸收红外线和紫外线,当光源启动时产生的热应力和热冲击会使透镜破裂,为了避免这种情况的发生,我 们会采用石英材质的透镜。

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