视觉测量技术：常用可见光光源

常用可见光光源可分为普通光源和新型光源。普通光源包括热辐射光源和气体放电光源，如白炽灯、汞灯、钠光灯等。普通光源的优点：能够满足检测需要、容易获取且性价比高。普通光源的缺点：光源不稳定，随着使用时间的沿长，光量会下降，受环境光影响较大，有时需要加防护屏。

新型光源包括场致发光光源（半导体光源）、物理光源，如LED、激光光源等。新型光源的优点：LED光源寿命长、光亮度稳定、易调节、反应快、功率小、成本低，是绿色光源；激光光源单色性好、方向性强、发光强度极高、相干性好。常用照明光源如图2.3所示，下面将对常用普通光源和新型光源中的典型光源作详细介绍。

图2.3 常用照明光源

1.普通光源

（1）钨丝白炽灯

普通白炽灯是由熔点高达3600K的钨丝制成的灯丝、实心玻璃、钼丝钩、灯头、玻璃壳组成的，如图2.4所示。

灯丝是白炽灯的关键部分，由钨丝绕制成单螺旋形或双螺旋形。为使白炽灯产生的光通量按预期的空间分布，可将钨丝制成直射状、环状或锯齿状。锯齿可布置成平面、圆柱形或圆锥形。钨丝即钨电阻，其电阻值由灯丝的长度和直径决定。供电电压一定的情况下，灯丝中流过的电流由电阻决定。钨丝通过金属丝与外电源连接。

实心玻璃和钼丝钩构成钨丝支撑架。玻璃壳一般采用透明的普通玻璃。有时为得到均匀发射的亮度较低的白光，会对透明的玻璃壳表面加以腐蚀（磨砂）或用散光性强的乳白玻璃制成玻璃壳。为防止高温时钨丝氧化，常把玻璃壳抽成真空。

图2.4 白炽灯

很多时候为避免钨丝蒸发（灯泡变黑），玻璃壳内常充入惰性气体。对于功率大于40W的白炽灯，玻璃壳内要充满惰性气体，以减少钨丝蒸发，延长其寿命。但惰性气体分子也散失部分热量，使钨丝温度降低，所以最好充入大量的氙和氡。

钨丝白炽灯属于热辐射体，即在电流的作用下维持钨丝温度而产生辐射。温度较低时，热辐射体的黑度系数较小，且光谱黑度系数随波长的增长而减少。因此当钨丝白炽灯的温度较低时，它所发出的辐射出射度较弱，光颜色发红。

当温度升高时，光谱黑度系数随波长的变化而减小，最后在温度很高时趋近于1，服从黑体辐射定律。因此，钨丝白炽灯的温度越高，它所发出的辐射出射度越强。

由普朗克和维恩移位定律知道，钨丝的温度越高短波长光谱辐射的含量越多。钨丝白炽灯的发光光谱范围涵盖了整个可见光谱谱区，并延长至中红外区。其光谱连续。它在可见光谱区的辐射功率只占全部辐射功率的一小部分，不足10%。

钨丝白炽灯的功率是指其电功率，钨丝越短直径越大，则灯丝的电功率越高。钨丝白炽灯的光通量可简单理解为其光功率，钨丝温度越高，光通量约大。

钨丝白炽灯的发光效率的规律是，钨丝温度越高，发光效率越高。小功率指示灯的灯丝细、温度低、发光效率较低。

综上所述，对于钨丝白炽灯，灯丝参数（长度、直径等）决定其电阻值，进而决定其电功率的大小。电功率越大则发光效率越高，反之发光效率低。发光效率越高，灯的光通量越大，发光强度也越大，反之亦然。上述关系如下：

钨丝白炽灯要求在稳定电压下发出稳定的光辐射。供电电压变化，对白炽灯的电流、光通量、功率损耗、寿命等都有很大影响。

电压增高，则灯丝的温度上升，光通量增加，发光效率提高。但是灯丝的温度太高时，灯丝蒸发加快，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，并很快烧断。电压降低，则发光不足，但寿命延长。

例如，对于真空钨丝白炽灯，要使光通量增加18%，需提高电压5%，但寿命会降低50%。反之，若把钨丝白炽灯额定电压从220V降为180V，光通量就降低52%，而寿命却增加13.6倍。

（2）卤钨灯

卤钨灯是一种改进的白炽灯，如图2.5所示。灯丝亮度高、形体小、成本低。常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。

钨灯丝在高温下蒸发会使灯泡变黑，如果限定白炽灯的灯丝温度不能太高，会使白炽灯的发光效率降低。卤钨灯是在灯中充入碘或溴等卤族元素，使它们与蒸发在玻璃壳上的钨丝形成化合物。当这些化合物回到灯丝附近时，遇高温而分解，钨又回到灯丝上。这样灯丝的温度可以大大提高，而玻璃壳并不发黑。

图2.5 卤钨灯

（3）气体放电灯

气体放电灯包括稀有气体灯（氙灯等）、金属气体灯（汞灯、钠灯等）。它们的共同特点是气体放电，光谱不连续。

通常情况下，气体是不导电的，但在宇宙射线的作用下，会有少量气体分子被电离成正、负离子和自由电子。如当汞蒸气气压为133.32Pa时，对密封在玻璃管内的两个电极加一定的电压，当电压较低时，玻璃管内只有少量负离子和自由电子导电，形成微弱的电流，即气体暗放电电流。这时电流与电压呈线性关系。随着电压的增加，电流达到饱和。电压继续增加时，由于粒子的碰撞，带电粒子数雪崩似地增加，正离子高速轰击阴极，打出了二次电子。这时电流迅速增加，产生了辉光放电现象。这就是气体放电。(www.chuimin.cn)

稀有气体包括氦、氖、氩、氪、氙等气体，由于一般不与其他物质发生化学反应，在一些工业生产中常作为保护气。例如，用电弧焊接火箭、飞机、轮船、导弹等用的不锈钢、铝或铝合金等时，可以用氩气来隔绝空气，防止金属在高温下跟其他物质起反应。由于氦气比空气轻，又不会燃烧，现在已用它代替氢气充填气球、飞艇。氦气与氧气可以混合制成人造空气。

充入稀有气体的灯，称为稀有气体灯。把氩气和氮气混合充入灯泡里，可使灯泡经久耐用。在灯管里充入氖气的氖灯，通电时发出的红色光，能透过浓雾，可用作航空、航海的指示灯。在灯管里充入氩气的氩灯，通电时发出蓝紫色光。在灯管里充入氦气的氦灯，通电时发出粉红色光。在不同材质的玻璃灯管里充入不同含量的氦、氖、氩的混合气体，就能制得五光十色的霓虹灯。在灯管里充填少量的汞和氩气，灯管的内壁涂上荧光物质，通电时就能发出近似日光的可见光，所以叫荧光灯。

如图2.6所示，氙灯是由充有氙气的石英灯泡组成，用高压触发放电。氙灯分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。长弧氙灯其光谱与日光非常接近，俗名“小太阳”，此种氙灯穿雾能力特别强，常用于车站、码头和广场照明。短弧氙灯的色彩类似于中午的日光，色温高（5600K），使用方便，是目前理想的人造“太阳灯”，多用于电影放映和舞台照明。

图2.6 氙灯

脉冲氙灯是一种点亮时间很短的脉冲闪光光源，俗称“闪光灯”。可分为单次闪光和重复闪光。脉冲光与CCD转移脉冲同步后可以获得高速运动物体的瞬态图像，在高速摄影技术中获得了广泛应用。除激光光源外，脉冲氙灯的亮度最高，光谱分布范围较宽。

脉冲氙灯控制电路原理图如图2.7所示。对单次闪光电路，电源对电容C₁充电至几千伏，同时对C₂也充电。当开关闭合之后，C₂通过一次脉冲线圈放电，在二次侧产生很高的脉冲电压。此脉冲电压加到闪光管的电极上，使闪光管触发电离，这时存储于电容C₁中的电能通过闪光灯形成强烈的弧光放电。C₁上的电能放电完毕，闪光完成一次。充电电阻R₁除对电容C₁充电外，还能限制充电电流的大小，以便当电容C₁迅速放电时，闪光管能消除电离并熄灭，不致连续闪光。

图2.7 单次闪光电路原理图

对于重复多次闪光电路，通常用一个多谐振器所驱动的冷阴极电子管代替开关S，其振荡频率范围为几百赫兹到几千赫兹。

金属蒸气灯包括汞灯、钠灯等。汞灯也叫水银蒸气灯。有低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯。汞灯是在石英玻璃管内加入汞，当灯点燃时，灯中的汞蒸发，汞蒸气增至几个大气压，从而产生辉光放电。

汞灯主要发射紫外单色光谱，也有几条可见光和红外谱线。仪器用高压汞灯可以用作校正光谱仪器或用作其他用途。

钠灯是在钠-钙玻璃壳内充入钠蒸气，当钨丝点燃后，发射589.0nm和589.6nm的双黄光，可用来作光谱仪器或其他用途。

2.新型光源

常见的新型光源包括激光光源和LED光源等。

（1）激光光源

在诸多的激光光源中，氦氖激光器和半导体激光器在精密检测、光信息处理、准直导向和大地测量中应用非常广泛。

激光光源的特点是单色性好、方向性强、相干性好、发光强度极高。可在结构光测量中作为光源使用。

（2）LED

1）LED的发光机理 对于GaAs（砷化镓）和GaP（磷化镓）材料的半导体二极管，当正向偏压时，非平衡载流子不断复合（电子空穴对），将多余的能量以光的形式发射出去。它也具有普通二极管的特性。

2）LED的种类①发光光谱：可见光谱和红外光谱两种，可见光有红、橙、黄、绿、白光等多种。白光LED在照明系统中应用最广，主要利用蓝光加荧光粉配合形成白光和多种单色光混合发出白光。②发光强度：普通亮度发光二极管[<100mcd（毫坎德拉）]，高亮度发光二极管（100～1000mcd），超高亮度发光二极管（>1000mcd）。③发光管出光面特征：圆灯、方灯、矩形灯、面发光管、表面安装用微型管等，圆灯直径为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm、20mm。④发光强度角：高指向型，标准型和散射型。高指向型一般半强度角为5°～20°或更小，具有很高指向性，可作局部照明光源用；标准型半强度角为20°～45°，通常用作指示灯；散射型的半强度角为45°～90°或更大。

3）LED的优点①效率高。目前LED的发光效率相对白炽灯与荧光灯并不高，但是光谱几乎全部集中在可见光谱，可见光转换效率达到80%～90%。白炽灯的转换效率只有10%～20%，大部分转换为热能散发掉了。对于白光LED，1998年时产品的光效为5lm/W；1999年时产品的光效为15lm/W，与一般白炽灯相当；2000年时，日立公司的试验样品光效达到25lm/W，可与卤钨灯相比。2005年时产品的光效为40lm/W；预计2010～2015年，LED光效可达150～200lm/W。②体积小、重量轻、能耗小、光亮度高。LED采用固体封装，结构牢固。LED不依靠灯丝发热来发光，能量的转化效率非常高，理论上只有白炽灯10%的能耗。单个LED的功率一般在0.05～1W。目前对于市场上出现的LED照明产品，3～3.5W的LED灯的亮度已经相当于40W的白炽灯。③使用寿命长，免维护。LED光源的理论寿命可以超过10万小时。它的寿命实际上是指LED的光衰减到初始亮度50%的时间。现在已有公司的产品做到2万小时只衰减20%。由于LED并不存在灯丝等容易熔断的问题，也没有玻璃等易损部件，几乎不需要维护费用。④使用安全。低电压工作，LED的工作电压为1.5～5V，单体的工作电流仅为20～70mA。⑤光源单色性好。⑥使用灵活，便于集成。LED光源容易用计算机控制，亮度便于调整。广泛应用于数字仪表显示，大屏幕图像显示。可做成任意形状的光源，广泛应用于CCD应用技术中，如电子眼上的环形的光源。⑦绿色环保。LED发出的光线没有频闪，几乎不含紫外光和红外光，对人体和视力没有伤害。光源全固态，不像其他可见光源中如汞灯那样含有毒物质。

4）适用于绿色照明 目前，绿色照明的科学定义是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、调光控制和控光部件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。绿色照明应从以下诸多方面考虑：无汞、节能、节材、制造工艺环保、无有害射线、耐用性好、对环境无电子干扰、对电网无损害、绿色废弃。固体光源的LED，真正点燃了“绿色照明”的光辉。按照上述绿色照明的要求，绝大部分气体放电光源，包括第三代HID（高压气体放电灯，即汞灯）或更先进的HID，都比LED差。业界普遍认为LED是21世纪最有价值的新光源。将取代现有的常用可见光源，成为照明市场的主导。

5）LED的应用领域①显示屏、交通信号显示光源的应用。LED具有响应速度快、节能和寿命长等特点。因此广泛用于各种室内、户外全色、三色和单色显示屏。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄三色LED。②汽车工业上的应用。LED具有抗振、耐冲击特点。超高亮度功率LED的出现，大大扩展了LED在各种信号显示和照明光源领域的应用。尤其具有代表性的是在汽车工业，包括汽车内的仪表板、音响指示灯、开关背光源、外部的刹车灯、尾灯、侧灯及头灯等都有应用。③背光源。LED具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高的特点。因此广泛应用于电子手表、手机、电子计算器等小型电子产品。LED背光源技术向更薄、更低功耗和更均匀一致方面发展。④LED照明光源。早期的LED照明由于发光效率低，适用于室内场合，如家电、仪器仪表、通信设备等方面。目前，LED正在取代白炽灯等传统照明光源，在建筑装饰、景观照明、休闲娱乐场所、广告等商业领域发挥作用。⑤其他应用。军事上可作为野战、潜水、航天航空所需的特种固体光源。也可作为矿工灯等便携式光源。图2.8所示为几种LED灯外形。

常用照明光源性能比较见表2.1。

表2.1 常用照明光源性能比较

图2.8 LED灯外形