光源原理 考题答案.docx

1、光源原理 考题答案考试信息 时间：1月19日上午8:3010:30 地点：HGX210 题型：判断, 选择, 填空, 名词解释, 简答, 计算 答疑：1月18日下午1:304:30, 电光源楼207 2009-01-08源原理与设计, 复习要点第一章 光源的特性参量1. 光波长的划分区域（P1）2. 辐射度量和光度量, 以及它们之间的关系（辐射度量P14，光度量P812）(一)辐射度量1.辐射能量Qe定义：光源辐射出来的光(包括红外线、可见光和紫外线)的能量称为光源的辐射能量。单位：J焦耳。2.辐射通量(辐射功率)Pe定义：在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为经过该面积的辐射通量，而光源在单

2、位时间内辐射出去的总能量就叫做光源的辐射通量。辐射通量也可称为辐射功率。单位：W瓦。3.辐射强度Ie定义：光源在某一方向上的辐射强度Ie是指光源在包含该方向的立体角内发射的辐射通量Pe与该立体角之比：Ie=Pe/ 单位：W/sr当光源在空间各个方向发出的辐射通量均匀分布时，Ie=Pe/44. 辐射出(射)度Me和辐照度EeMe定义：一个有一定面积的光源，如果它表面上的一个发光面积S在各个方向(在半个空间内)的总辐射通量为Pe，则该发光S超的辐射出(射)度为Me=Pe/S单位：W/m2Ee定义：表示物体被辐射程度的量称为辐照度Ee。它是每单位面积上所接收到的辐射通量数，即Ee=dPe/dS( s

3、表示接收器的面积元)5.辐射量度Le定义：光源在给定方向上的辐射亮度Le(，)是光源在该方向上的单位投影面积、在单位立体角中的辐射通量即Le(，)= Pe（，）/（S*cos*）S代表发光面的面积，是在给定方向和发光面法线之间的夹角，是给定方向的立体角，Pe（，）是在该立体角内的辐射通量。单位：W/（m2*sr）Le(，)通常与方向有关，若Le(，)不随方向而变，则Ie(，)正比于cos，即Ie(，)=I0cos。满足上式的特殊辐射体称为余弦辐射体，黑体就是这样的辐射体。对于余弦辐射体，有Me=Le6. 光谱辐射量(辐射量的光谱密度)光谱辐射通量 定义：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量

4、称为光谱辐射通量(简称谱辐通，也可称为辐射通量的光谱密度)P，P=Pe/,单位：W/m光谱辐射出（射）度 定义：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射出度称为光谱辐射出（射）度M=dMe ()/d,单位：W/m3光谱辐射量度 定义：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射亮度为光谱辐射量度L，即L=dLe()/d,单位：W/(m3*sr)（二）光度量1.光通量定义：光源在单位时间内发出的光量称为光源光通量单位：lm(流明)，相当于W2.光强度Iv定义：光源在给定方向上单位立体角内辐射的光通量I，I=d /d单位：坎德拉cd如果光源是各向同性的，=4I3. 照度E定义：单位面积上受到的光通量数，即E=

5、/S单位：勒克斯(lx)4.出度M定义：光源上每单位面积向半个空间内发出的光通量。单位：lm/m2光照度与光出度M=E，是小于1的系数，称为漫反射率。5.亮度L定义：光源在某一方向上的单位投影面、在单位立体角中发射的光通量单位：cd/m2，1cd/m2=1lm/(m2*sr)对于余弦辐射体，有M=L6.光量Q定义：光源在单位时间段内所发出的光的总和称为（该时间段内的）光量。单位：lm*s，lm*h3. 光效计算公式（P1213）光效率(efficiency): 光源的辐射能量占输入能量的百分比。光效能(efficacy): 光源的光通量与输入能量的比值。Km= 683 lm/W光效(effic

6、acy): 光源的光通量与输入能量的比值。v转换成可见辐射的功率占总功率的比例K辐射光效4. 光源的色温（P14）当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体的温度就称为该光源的颜色温度Tc,简称色温(CT)。5. 光源的显色性（P13）光源的颜色有两方面的意思：色表和显色性。人眼直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。显色性是指光源的光照射到物体上所产生的客观效果。如果各色物体受照的效果和标准光源(黑体或重组日光)照射时一样，则认为该光源的显色性好(显色指数高)；反之，如果物体在受照后颜色失真，则该光源的显色性就差(显色指数低)。显色性也称演色性或传色性。6. 光源寿命：

7、全寿命、平均额定寿命和经济寿命（P16）全寿命灯点燃到不能工作的时间平均寿命随机抽取的光源样品在额定条件下燃点时寿命的平均值,也即50%的灯不能工作时所燃点的时间经济寿命(有效寿命)光源的光通维持率下降到某一百分比时所燃点的时间(一般室外70% , 室内80% 是可接受)一般有：经济寿命平均寿命 V等, 故V, 即反常辉光放电GH段：I足够大, 电极温度达到热电子发射温度,J V阴 V等 V弧光放电4. 辉光放电与弧光放电的区别辉光放电由阴极区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极区5部分组成，而弧光放电由阴极位降、正柱区和阳极位降3部分组成；辉光放电工作于高电压、小电流，而弧光放电工作于低电压、

8、大电流；低气压弧光放电的正柱区除具有更高的带电粒子浓度外，与辉光放电正柱区的性质基本一样，但是，在高压弧光放电中则有着不同的物理过程和性质。5. 线光谱、带光谱和连续光谱的形成原因（LS09 13）激发态原子自发跃迁到低能级 线光谱激发态分子自发跃迁到低能级 带光谱正负带电粒子复合 连续谱6. 谱线放宽机制（LS10 4）辐射原子自身原因：自然宽度不确定原理；多普勒宽度多普勒效应外界原因：压力放宽外部粒子对辐射的干扰；斯塔克放宽外部电场的影响7. 辐射转移方程的推导及其求解* 第五章 荧光灯1. 汞在各种气体放电灯中的作用发光材料：缓冲气体：启动气体：2. 无汞气体放电灯的可行性无汞时，电压低

9、。寻找材料替代汞的特性。3. 不同管径低气压汞放电的最佳汞蒸气压38mm(T12)0.8Pa;4. 稀有气体在各种气体放电灯中的作用启动：缓冲：发光：5. 低气压汞放电正柱的能量平衡方程（P145）电子从电场获得的能量=电离能量+弹性碰撞损失+紫外辐射+其他辐射6. 荧光灯的发光原理（P150）与热辐射相比荧光是一种产生具有很少热量的光的过程。适当的材料吸收高能辐射，接着就发出光，所发光子的能量比激发辐射的能量低。当发光的材料是固体时，该材料通常就称为荧光粉。激发荧光的高能辐射可以是电子或具有高速度的离子，也可以是从射线到可见光范围的光子，但其波长要比发射的光的波长要短。在荧光灯中，是靠放电产

10、生的253.7nm紫外辐射来激发荧光粉产生要求的可见光谱，因此是一种光致发光过程。7. 荧光灯的外径由38 mm缩小到3 mm带来哪些宏观和微观的变化？宏观：缩小管径，电场E增加微观：电子温度Te增加，Hg(61P1)浓度增加, 185 nm辐照度增加,荧光粉光衰增大。8. 荧光粉的发光原理（P150）荧光粉含有激活中心，它们都是特定的离子，或者是单个的阳离子，或者是络阴离子。当紫外辐射入射到荧光粉上时，某一激活中心的束缚电子被激发到比基态高得多的能级上但仍被束缚于该特定的离子中。一部分吸收能量通过振动能的形式转移给周围的固体离子，而该电子则降低到它的最低激发态。电子在该激发态停留的时间从10

11、-9s到长达10s之久，然后以光子的形式辐射能量而回到基态。与热辐射的连续光谱和气体放电辐射的原子线光谱不同，荧光粉的发射光谱是单个光谱带，带宽可在几纳米到160nm之间变化。9. 稀土三基色荧光粉为何能提高光效？光效计算公式如下可见增加380nm780nm的光可提高光效。稀土三基色荧光粉中心波长: 蓝：455485 nm,绿: 525560 nm,红: 595620 nm,故可提高光效。10. 为何细管径荧光灯必须用三基色粉？（P166167）（同7题微观）管径为38mm的普通荧光灯采用卤磷酸盐荧光粉。对管径为26mm（T8）的细管荧光灯，由于表面负载本身就比T12灯大，加之管径细时电子温度

12、升高，使185.0nm紫外辐射的比例增加，因而T8灯的185.0nm辐照度是T12灯的2倍左右。这样，就加速了卤磷酸盐荧光粉的衰退过程。对于管径为17mm和12mm的紧凑型荧光灯和T5荧光灯，由于它们承受的185.0nm辐照度要比T12灯大6倍左右，因此必须采用稀土三带荧光粉。11. 荧光灯的尺寸和电参数计算（P165）12. 荧光灯电极结构和电子发射机理（P167168）结构：电极包括阴极和阳极。 交流工作时,电极既作阴极也作阳极。电极需要能有效地发射和收集电子。阴极主要用于产生热电子发射。阴极灯丝结构: 双螺旋阴极,编织阴极,三螺旋阴极,棒状阴极。机理：13. 控制荧光灯汞蒸气压的对策（P

13、170）控制冷端温度和使用汞齐（填空、选择）14. 高频电子镇流器的频率范围、选择依据及其提高荧光灯光效的原因（P177181）频率范围：荧光灯：2030kHz或4050kHz ; 电视机、录像机遥控器：3540kHz提高荧光灯光效的原因：（1）在50Hz/60Hz下，放电中的大部分电子和离子在电流反向时由于灯消电离而丧失，放电必须周期性地提供一定的能量以重复点火。但在高频放电（高于10KHz）的条件下，电流反向时灯内仍有足够的带电粒子存在，不再需要花费额外的能量来重复点火。（用于重复点火的能耗减少）（2）高频下，电极在作为阳极的半周内振荡的消失，减少了电极位降损耗。15. 带启辉器的荧光灯的

14、启动过程（P175）16. 不同管径荧光灯光电参数的特点比较（同7题）17. 无极荧光灯的工作原理（P190）高频电源通过感应线圈耦合, 在放电管中产生交变电磁场, 从而使放电管中气体电离和激发。频率足够高时, 放电管无需电极存在, 放电能持续稳定进行。18. 冷阴极荧光灯的工作原理与热阴极荧光灯的区别：阴极电子发射方式不同, 为冷阴极二次电子发射发光原理同热阴极荧光灯第六章 高压汞灯和超高压汞灯1. 在0.1 Pa300 atm气压范围内, 汞蒸气放电灯的光效变化及其原因（LS16 3）2. 用谱线发射系数估算谱线功率(P203式6.1.3) 波尔兹曼定律：发射系数：功率：P=4V （V为体

15、积）3. 高压汞灯的温度分布轮廓*4. 爱伦巴斯通道模型的基本思想（LS16 6） 放电通道, 产生全部辐射 无辐射5. 影响高压汞灯谱线强度的因素单位弧长输入功率P1, 单位弧长充汞量m, 内直径d（1）m, d恒定。P1, Teff, 高能级浓度, 上能级高的光谱, 强度增加速度(P1-10)快（2）P1, d恒定。m, Teff,上能级高的光谱线强度（3）P1, m恒定。线光谱强度与d无关（4）更高气压, 高能级与电离态重叠,上能级很高的线光谱变为连续谱6. 高压汞灯中连续谱的产生原因1）共振线放宽 2）电子和离子的复合 3）分子辐射7. HID灯的电极结构和电子发射机理（未找到）（LS

16、18 11）结构: 内螺旋为双螺旋或三螺旋，减少电极热容, 增加电子发射材料,灯易启动, 长寿命8. 高压汞灯的启动过程9. 影响高压汞灯启动电压的因素（LS18 17）10.超高压汞灯的种类、结构和特性（LS19 4）1.球形超高压汞灯：增加单位弧长对应的表面积2. 毛细管超高压汞灯11.投影机对UHP的要求（LS19 8）高亮度、长的寿命、寿命期间保持光色的稳定性、安全和方便使用12.光辐射机制比较：低气压汞放电灯, 高压汞灯, 超高压汞灯低气压(0.1 Pa): 低压汞灯, 荧光灯大部分能量集中在254 nm, 高效率紫外灯可见光56 lm/W用荧光粉将紫外转化为可见光, 高光效高气压(

17、10 atm): 高压汞灯Tg = 5500 K, pHg = 15 atm,电弧绳化可见辐射增强, 5060 lm/W超高气压(100 atm):超高压汞灯在高压汞灯的基础上，用增大电流密度或增大电场E的方法提高功率输入密度7080 lm/W, 高亮度光源, 第七章 钠灯1、低压钠灯的发光原理, 为何具有最高光效？答：发光原理：利用低压钠蒸气放电。低压钠蒸气在许多方面和低压汞蒸气放电相似，具有典型的低压金属蒸气放电的特性，放电时大部分辐射能量都集中在共振线上，适当选取放电条件可以获得很高的共振辐射效率。（P245）光效高：低压钠蒸气放电所产生的钠的共振辐射在可见光人眼比较敏感的区域，无需像荧

18、光灯那样用荧光粉从而造成能量损失。钠原子很轻，气体温度高，因而光谱线有较宽的多普勒宽度，减少了辐射吸收的机会，得到部分补偿。（P246）2、潘宁气体的工作原理和种类？答：原理：利用放电时的潘宁混合气体的潘宁效应，使着火电压大大降低。（P255）种类：氖、氩、氪、氙;氩-汞、氖-氩等。（P256）3、高压钠灯显色性比低压钠灯好的原因？答：光谱分布，高压钠灯谱线自反。随着钠蒸气压的提高，钠D线中心先出现自吸收然后自反，近而自反线两边的极大值位置移开更远，因放宽了的共振线两翼得到加强，灯的总辐射强度仍保持很高，因而获得很高的光效。（P262）4、高压钠灯的结构和电弧管封接方法？答：高压钠灯由封接材料

19、、镀镍铁丝框架、填充辅助气体、电极、放电管（多晶氧化铝）、铌帽或陶瓷塞、铌管和钡消气剂组成。（P270）封接方法：在电弧管两端各封入一个电极。在钨电极螺旋中藏有包含氧化钡和氧化钙的化合物作为电子发射材料。封接时电极和铌管点焊，铌管和陶瓷塞，以及陶瓷塞和陶瓷管之间采用玻璃态焊料封接。为保护封接的部件，高温封接炉中必须抽成真空或充以惰性气体。（P270） 第八章 金属卤化物灯1、HID电弧管中金属卤化物的作用？答：利用金属卤化物循环，提高蒸气压，提高灯的光色。（P282）2、金卤灯的分类？答：按光谱特性分类可分为4种：（1）选择几种发出强线光谱的金属的卤化物，把它们加在一起，得到白色的光源。（2）

20、利用在可见光区能发射大量密集线光谱的金属，得到类似于日光的白光。（3）利用高气压的金属蒸气放电或利用分子发光产生连续辐射获得日光色的光。（4）利用具有很强的共振辐射的金属产生色纯度很高的光。（P286）3、金卤灯中的卤化物循环？答：其在电弧中心的高温区域，金属卤化物分子分解为金属原子和卤素原子，金属原子参与放电，产生辐射；由于电弧中心金属原子和卤素原子的浓度较高，它们又向管壁扩散，接近低温有重新复合成金属卤化物分子。依靠这种循环，不断向电弧提供足够浓度的金属原子，同时又避免金属在管壁上沉积。（P283）4、金卤灯电极的材料和工作特点？答：（1）钍钨电极：用于Sc-Na灯，不与MXn有明显的反应

21、, 逸出功2.6 eV；（2）稀土氧化物电极: 不能用于Sc-Na灯，发射材料: Dy2O3, Y2O3, 逸出功2.22.4 eV；（3）纯钨电极: 2 kW以上MH，逸出功4.5 eV, T电= 2500 K；（4）ThO2电子粉，发射性能最好。（PDF的LS24第8页）5、金卤灯中钠损失机理？答：发自支架的光电子在管壁形成的负电场拉出Na+造成电弧管内I的过量。（LS24P10）6、金卤灯中汞与金属谱线强度比例的计算？答：根据玻尔兹曼定律，处于激发态r的原子浓度为nr=n0*gr/g0*exp(-eVr/kbT)=n0*gr/g0*exp(-11600Vr/T)T为电弧温度，n0为基态原

22、子浓度，Vr是该激发态的激发电位，g0和gr分别是两个能级的统计权重。据上述公式，金属原子和汞原子分别产生的辐射强度PM和PHg可以写成为PMC1*pM*exp(-11600*VM/T);PHgC1*pHg*exp(-11600*VHg/T)pM和pHg分别表示金属和汞的蒸气压,VM和VHg分别是金属和汞的激发电位。（P284）7.金卤灯中铊原子绿线强度的计算*8、金卤灯中发光分层现象？答：在电弧管中发生。有轴向和径向分层，螺旋不稳定性；在微重力下，无径向分层，会发生不稳定。（PDF的LS25第3页）9、金卤灯中的电解现象？答：在有辅助电极时有电解现象：辅助电极正负半周的电流不同。正半周, 吸

23、收电子流Ie；负半周, 吸收电子流Ii；IeIi。（LS24P11）10、金卤灯的重复着火电压？答：Vrei:电极的发射性能的下降是造成Vrei升高的主要原因;Vrei与污染源种类有关;Vrei与镇流器的电流输出波形有关。电感镇流器有电流过零熄灭时间, 尽量缩短此时间。（LS24P18）11、金卤灯能兼顾高光效和高显色性的原因？答：因为等中填充有稀土金属碘化物，SnX, AlX分子较高温度下稳定, 产生强连续光谱, 显色性好。（LS25P4）12、金卤灯的电弧收缩机理？答：金属碘化物对电弧有影响。添加发射密集线光谱的ReIx易造成电弧收缩；壁稳电弧非壁稳电弧(收缩)；电流通道截面管压。产生原因

24、：VexVi/2, 电离主要发生在中心区, 辐射转移能量使热激发和热电离在靠近ri区下降。Vex为平均激发电位，Vi为电离电位。（LS25P11）。13、与石英金卤灯比较, 陶瓷金卤灯的优点？答：PCA耐高温，有更好的化学稳定性；铝难溶于钨，不会造成电极损坏；光效和显色性更好；陶瓷管有更好的抗腐蚀性。（P325开始总结）14、陶瓷金卤灯的结构和封接？答：目前采用以氧化铝等混合物为主体的玻璃焊料，对金属卤化物有更强的抗腐蚀能力。为有效降低封接处温度，在电弧腔体的两边引出两根细而长的陶瓷管，其内由外向内分别是铌引线、钼导线和电极。这种方法有效地延长了灯的寿命。（P326）15、气体放电灯的放电管与

25、电极的封接原理和工艺？答：石英灯放电管有石英管压制成形，以非匹配工艺。钠灯用真空封接方法采用玻璃焊料将铌杆与陶瓷焊接在一起，其中包含碱土氧化物。（P326） 第十章 电致发光光源1、LED结构和工作原理？答：原理：N区向导带提供大量电子，P区向导带提供大量空穴，产生载流子，PN结正向偏置, 势垒降低, N区电子注入P区, P区空穴注入N区, 载流子复合, 多余能量以光子形式释放。结构：半导体发光芯片被固定在导电、导热的金属支架上，外围再封以环氧树脂，起到聚光和保护芯片作用。（P396）2、实现白光LED的方法？答：（1）通过荧光粉的转换得到白光LED。（2）把不同颜色的芯片封装在同一个器件中，多芯片混合发出白光。（P411）3、与热辐射和气体放电光源比较, LED的优点？答：紧凑, 小巧的尺寸(适用更加灵活的灯具设计)；无汞, 符合环保要求；LED不易破损, 抗震性良好；无以伦比的色彩控制；50,000小时以上的超长寿命；低温启动(低至-30o)；很高的流明利用率；很高的光电转化的潜力(满足芯片工业的摩尔定律）。（LS26P3）4、提高LED光效的措施？答：（1）引入厚窗口层。（2）透明衬底技术（3）分布布喇格反射结构（4）芯片倒装技术（5）表面粗化技术（6）异形芯片技术。（P402）5、LED光效的计算？答：=683*int*