光辐射与光源

光辐射与光源第一页，共九十页，2022年，8月28日

牛顿

惠更斯背景知识第二页，共九十页，2022年，8月28日第三页，共九十页，2022年，8月28日麦克斯韦（1831-1879）

1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。

第四页，共九十页，2022年，8月28日

普朗克（1858-1947）

1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，将谐振子所发射或吸收的电磁辐射能量加以量子化，他称呼这种离散能量为量子。第五页，共九十页，2022年，8月28日按爱因斯坦理论，光子能量

式中，为普朗克常数，真空光速

光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。第六页，共九十页，2022年，8月28日§1.

电磁波谱光学谱区第七页，共九十页，2022年，8月28日

整个电磁波谱，波长从10-10~1014μm，包括宇宙射线（10-10~10-8μm）、γ射线（~10-4μm）、x射线（~10-2μm）、紫外线（2×10-2~0.40μm）、可见光（~0.76μm）、红外光（~103μm）、微波（~106μm）、无线电波（~1011μm）、长波电振荡（~1014μm）。

第八页，共九十页，2022年，8月28日我们只研究光辐射波段（极远紫外（0.165~0.26）、远紫外（~0.30）、近紫外（~0.40）、紫（~0.455）、蓝（~0.492）、青（~0.535）、绿（~0.577）、黄（~0.597）、橙（~0.622）、红（~0.76）、近红外（~1.5）、中红外（~6）、远红外（~40）、极远红外（~103）。单位（μm）第九页，共九十页，2022年，8月28日光学谱区辐射类型波长(m)波长近似尺度频率(Hz)针尖单细胞生物分子第十页，共九十页，2022年，8月28日光辐射波段又分紫外、可见光、红外光区，把它们放在一起研究的原因是，它们有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏域都同时覆盖这三个波段。在实验技术上，为了接收这些辐射，并聚焦成象，都要使用光学透镜第十一页，共九十页，2022年，8月28日§2.

光辐射的基本概念

在光学中，用来定量的描述光辐射强度的量有两类：辐射度学量，是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；光度学量，是描述光辐射能为平均人眼接收所引起的视觉刺激大小的强度，即光度学量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到的辐射量的度量，它与人的生理学、心理学特性直接相关。

第十二页，共九十页，2022年，8月28日

辐射度参量一般用下脚标e表示，光度学参量则用下脚标v表示。

还有一种与人的生理特性相联系的描述辐射量的量度系统，叫做色度学，它将电磁辐射与人的眼睛的颜色视觉特性相联系。第十三页，共九十页，2022年，8月28日一、辐射度的基本物理量

1

辐射能Qe

一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳[J]2辐射通量Φe是辐射能的时间变化率，单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe。单位：瓦［Ｗ］第十四页，共九十页，2022年，8月28日3辐射强度

Ie

点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：［WSr-1］θdP第十五页，共九十页，2022年，8月28日立体角立体角是以圆锥体的顶点为球心半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的度量单位。单位为球面度（steradian或者Sr）第十六页，共九十页，2022年，8月28日单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角Ω截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面度。对于一个给定顶点O和一个随意方向的微小面积dS，它们对应的立体角为其中θ为dS与投影面积dA的夹角，R为O到dS中心的距离。第十七页，共九十页，2022年，8月28日[例]1、球面所对应的立体角：根据定义全球所对应的立体角(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空间.)同理，半球所对应的立体角为2π空间。第十八页，共九十页，2022年，8月28日用球坐标表示立体角微小面积dS则dS对应的立体角为计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可。dSdS第十九页，共九十页，2022年，8月28日

由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是P，则该点辐射体在各个方向的辐射强度I是常量，有第二十页，共九十页，2022年，8月28日4辐射照度Ee

投射在单位面积上的辐射通量。单位：［Wm-2］5辐射出射度Me

扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［Wm-2］第二十一页，共九十页，2022年，8月28日6辐射亮度Le

辐射表面给定方向上单位投影面积内发射的辐射强度。单位：［Wm-2Sr-1］第二十二页，共九十页，2022年，8月28日7光谱辐射量

也称辐射量的光谱辐射密度。由于辐射源发出的光辐射由许多不同波长的单色辐射所组成，为了研究不同波长的辐射，需对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。

光谱辐射量是辐射量随波长的变化率，是波长的函数。即单位波长间隔内的辐射物理量第二十三页，共九十页，2022年，8月28日第二十四页，共九十页，2022年，8月28日辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通量的连续分布曲线。

第二十五页，共九十页，2022年，8月28日光谱辐射通量

光谱辐照度光谱辐射出射度光谱辐射亮度一般的有

第二十六页，共九十页，2022年，8月28日表1—1基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Qe焦耳J辐射通量，辐射功率Φe瓦特W辐射强度Ｉe瓦特／球面度Wsr-1辐射亮度Ｌe

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1辐射出射度Ｍe瓦特／平方米Wm-2辐射照度Ｅe瓦特／平方米Wm-2第二十七页，共九十页，2022年，8月28日二光度学的基本物理量

1、光谱光视效率V（l）

视神经对各种不同波长的光的感光灵敏度是不一样的。人眼对绿光感光最灵敏，对红光、蓝光灵敏度较低。人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”的光谱光视效率，或称视见函数。人眼的感光细胞：杆状细胞和锥状细胞

第二十八页，共九十页，2022年，8月28日明视觉光谱光视效率

亮度大于3cdm-2时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起。V（λ）的最大值在555nm处。

亮度小于0.001cdm-2时的暗视觉光谱光视效率，用表示，此时视觉主要由杆体细胞的刺激所引起，的最大值在507nm处。

暗视觉光谱光视效率第二十九页，共九十页，2022年，8月28日2、光度学的物理量

光度量和辐射度量的定义、方程是一一对应的。所不同的只是光度量只适用于可见光区段（0.40~0.78μm），而光辐射度量在整个电磁波谱范围内都有意义。

光度量与光辐射度量之间的关系由对应的光辐射度量乘以光谱光视效率表示。

第三十页，共九十页，2022年，8月28日光谱光视效率V(λ)曲线明视觉第三十一页，共九十页，2022年，8月28日

式中Km称明视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为555nm波长的光辐射产生的光感觉，其值为683lm/W，亦称光功当量。

第三十二页，共九十页，2022年，8月28日

光度学中最基本的单位是发光强度的单位——坎德拉（cd）,它是国际单位制中七个基本单位之一，理论性定义，其定义是发出频率为540×1012Hz（波长为555nm）的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为（1/683）W/Sr时，在该方向上的发光强度为1cd。

第三十三页，共九十页，2022年，8月28日最早定义是1米烛光：将一磅鲸鱼油脂制成六支蜡烛，以每小时120格令的速度燃烧时，在水平方向的发光强度为1烛光。（此时在距蜡烛1米处的照度是1lx）,上述定义中的格令为质量单位．从这个定义可以看出，发光强度不仅与燃料有关，而且还与灯芯、火焰高度等因素有关，因此它的复现性和稳定性都不高。第三十四页，共九十页，2022年，8月28日

以后用标准灯来复现与保持发光强度单位，称“国际烛光”，但复现度不高。以后以铂凝固点黑体作为光度原始标准，规定其亮度为60熙提（1熙提=1烛光/厘米），这种发光强度单位称坎德拉（cd）第三十五页，共九十页，2022年，8月28日

操作性定义：在101325牛顿/平方米的压力下，处于铂凝固温度的绝对黑体（2024K）的1/600000平方米表面在垂直方向（法线）上的发光强度为1cd。1坎就是在单位立体角内发出1流明的光。

第三十六页，共九十页，2022年，8月28日名称符号单位符号光量Qv流明秒lm·s光通量

Φv流明lm发光强度Ｉv坎德拉cd光亮度Ｌv坎每平方米cd·m-2光出射度Ｍv流每平方米lm·m-2光照度（光强度）Ｅv勒克司Lx表1—2常用光度学量的名称、符号与单位第三十七页，共九十页，2022年，8月28日耗电量8W第三十八页，共九十页，2022年，8月28日第三十九页，共九十页，2022年，8月28日1.

热辐射(heatradiation)：

任何固体或液体，由于其分子中含有带电粒子，分子的热运动将导致该物体不断地向外发射电磁波。这种辐射因为与物体的温度有关，故称为热辐射。辐射能量按频率的分布随温度而变

三、

热辐射的基本物理量第四十页，共九十页，2022年，8月28日

2.热辐射的基本性质任何物体(气、液、固)在任何温度下都有热辐射；热辐射是连续光谱各种频率都有，但强度不同；

辐射总功率(单位时间辐射总能)和T有关T

(辐射的能量)

热辐射按频率(波长)的分布和T有关

T

短波长的电磁波的比例。第四十一页，共九十页，2022年，8月28日

红外辐射热象图

炼钢的热辐射第四十二页，共九十页，2022年，8月28日例如，加热铁块，随着温度的升高，由开始发光→暗红→橙色→兰白色。

逐渐升温

第四十三页，共九十页，2022年，8月28日

3.

平衡热辐射

物体除了具有发射电磁波的本领外，还具有吸收和反射电磁波的本领，物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量，物体达到热平衡，这种热辐射就称为平衡热辐射。

辐射达到平衡时，物体具有固定的温度。以下只讨论平衡热辐射。

第四十四页，共九十页，2022年，8月28日4.

光谱辐射出射度Mλ

也称单色辐射出射度。

Mλ定义：

单位时间内从物体单位表面发出的波长在

附近单位波长间隔内的

电磁波的辐射通量第四十五页，共九十页，2022年，8月28日MλdMdλ=

T单位面积（单位时间内）dM(λ+dλ)第四十六页，共九十页，2022年，8月28日5.

辐射本领(辐射出射度)M(T)在单位时间内从物体表面单位面积上所辐射的各种波长电磁波能量的总和，称为该物体的辐射出射度，简称辐出度。用M(T)表示，单位为W·m-2

M(T)

和T有关；和发射体材料及表面情况有关。第四十七页，共九十页，2022年，8月28日

在一定温度T时，物体的辐射出射度和单色辐出度的关系为第四十八页，共九十页，2022年，8月28日物体在温度T时，在到+d

范围内的吸收和反射电磁波能量与相应波长的入射电磁波能量之比，称为该物体的单色吸收比和单色反射比，分别用(，T)和(,T)表示。6.

吸收比和反射比(，T)+(,T)=1第四十九页，共九十页，2022年，8月28日

7.

发射率

物体的辐射本领与绝对黑体的辐射本领之比

第五十页，共九十页，2022年，8月28日

在任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1的物体称为绝对黑体。8.绝对黑体(blackbody)：

对于绝对黑体

0(，T)=1

0(，T)=0第五十一页，共九十页，2022年，8月28日对于平衡热辐射，物体辐射的能量和吸收的能量相同，因此

黑体也能辐射各种频率的电磁波它的辐射本领最大(和非黑体相比),且与组成黑体的材料无关

研究热辐射规律，应利用Mλ

与材料及表面状态无关的物体。第五十二页，共九十页，2022年，8月28日实验表明：一个好的吸收体也是一个好的发射体

室温下，反射光

1100K，自身辐射光一个黑白花盘子的两张照片第五十三页，共九十页，2022年，8月28日9.

模拟黑体不透明材料空腔开一个小孔。小孔面积远小于空腔内表面积，射入的电磁波能量几乎全被吸收。小孔能完全吸收各种频率的入射电磁波而成为模拟黑体。

第五十四页，共九十页，2022年，8月28日打开的窗子近似黑体第五十五页，共九十页，2022年，8月28日10.

黑体的光谱辐射出射度

Mλ

的实验曲线

实验装置

黑体

热电偶测M(T)光栅光谱仪T第五十六页，共九十页，2022年，8月28日第五十七页，共九十页，2022年，8月28日实验曲线特点：

1、是连续谱

2、Mν和、T有关

3、每条曲线有一极值频率

m(极值波长m)

T

m

m4、曲线下面积即为M

，随T单调增加。第五十八页，共九十页，2022年，8月28日四.光辐射的基本定律

1.

余弦定律

对理想漫射表面：在任意发射（漫射、透射）方向上辐射亮度不变。即对任意θ角Leθ为定值。通常把具有这种表面的物体叫朗伯辐射体。第五十九页，共九十页，2022年，8月28日

在朗伯辐射体表面上任取一面元ds，由辐亮度的定义，在法线方向上如其辐射强度为I0，则其辐亮度为而沿与表面成θ角方向，则所以第六十页，共九十页，2022年，8月28日2.

基尔霍夫定律在任一给定温度的热平衡条件下，任何物体的光谱辐射发射本领和吸收率的比值与物质的性质无关，只是波长及温度的普适函数，且恒等于同温度下绝对黑体的辐射本领。第六十一页，共九十页，2022年，8月28日

若用M0(T)

表示温度T下的绝对黑体的单色辐出度,则上式可简记为

任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比,等于同一温度绝对黑体的单色辐出度,即基尔霍夫定律。第六十二页，共九十页，2022年，8月28日由基尔霍夫定律所以，强吸收体必然是强发射体。

由物体发射率定义第六十三页，共九十页，2022年，8月28日第六十四页，共九十页，2022年，8月28日第六十五页，共九十页，2022年，8月28日五.光源的基本特性参数

在光电技术中，光源往往起着关键的作用。因此，了解光源的基本特性参数，按实际需要选择光源，是我们设计光电系统和解决具体光电检测问题时成功的关键之一。

第六十六页，共九十页，2022年，8月28日1.辐射效率和发光效率在给定的λ1—λ2波长范围内，光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率。所以：我们应尽量选用辐射效率较高的光源。

第六十七页，共九十页，2022年，8月28日在可见光范围，发光效率定义为：

第六十八页，共九十页，2022年，8月28日表1—3常见光源的发光效率光源种类发光效率（Lm/W）光源种类发光效率（Lm/W）普通钨丝灯8~18高压汞灯30~40卤钨灯14~30高压钠灯90~100普通荧光灯35~60球形氙灯30~40三基色荧光灯55~90金属卤化物灯60~80LED灯100~150激光170第六十九页，共九十页，2022年，8月28日2.光谱功率分布自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。第七十页，共九十页，2022年，8月28日常见的有4种光谱分布：线状：原子光谱带状：分子光谱连续谱热光源光谱混合谱冷光源光谱，如荧光灯等第七十一页，共九十页，2022年，8月28日第七十二页，共九十页，2022年，8月28日3.空间光强分布对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了进一步利用背面方向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于光源的发光中心上。

第七十三页，共九十页，2022年，8月28日

某超高压球形氙灯的配光曲线第七十四页，共九十页，2022年，8月28日4.光源的色温黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射特性来近似地表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示

(1)分布温度

辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度

第七十五页，共九十页，2022年，8月28日

(2)色温

辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。

(3)相关色温

对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。

第七十六页，共九十页，2022年，8月28日5.光源的颜色

光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色(也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉)与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。国际照明委员会(CIE)规定了14种特殊物体作为检验光源显色性的“试验色”。在我们国家标准中，增加了我国女性面部肤色的色样，作为第15种“试验色”。

第七十七页，共九十页，2022年，8月28日白炽灯、卤钨灯、镝灯等几种光源的显色性较好，适用于辨色要求较高的场合，如彩色电影、彩色电视的拍摄和放映，染料、彩色印刷等行业。高压汞灯、高压钠灯等光源的显色性差一些，一般用于道路、隧道、码头等辨色要求较低的场合。第七十八页，共九十页，2022年，8月28日六.光源选择的基本要求

1.对光源发光光谱特性的要求

除去那些直接检测中规定了光源或辐射源特性的光电检测系统外，总是要求光源特性满足检测的需要。其中重要的要求之一，就是光源发光的光谱特性必须满足检测系统的需要。按照检测任务的不同，要求的光谱范围亦不同，如可见光区、紫外光区或红外光区等。有时要求连续的光谱，有时又要求几个特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时给以满足。第七十九页，共九十页，2022年，8月28日

为增大光电检测系统的信号和信噪比，这里引入光源和光电探测器之间光谱匹配系数的概念，以此描述两者之间光谱特性的重合程度或一致性。光谱匹配系数a定义为第八十页，共九十页，2022年，8月28日式中为波长λ附近单位波长区间的光辐射通量，即光谱辐射通量；是光电探测器灵敏度（波长的函数）。实际选择时，应综合兼顾二者的特性，使匹配系数α尽量大，以充分利用光源。

第八十一页，共九十页，2022年，8月28日2.对光源发光强度的要求应能保证光电探测系统正常工作。过低，信噪比太小，无法正常检测；过高，可能出现非线性，损坏系统。

第八十二页，共九十页，2022年，8月28日3.对光源稳定性的要求对脉冲量，要求脉冲频率、脉冲持续时间、脉冲峰值稳定；对相位检测，与前同；对光量（通量、照度、强度等）检测，要求光照无脉动。4.其它方面的要求

如灯丝的结构与形状；发光面积的大小及构成；灯泡玻壳的形状及均匀性；光源发光效率及空间强度分布等。

第八十三页，共九十页，2022年，8月28日表1—4地面景物的自然照度

天空情况照度（lx）天空情况照度（lx）阳光直射1~1.3（105）满月10-1日间晴天（无直射阳光）1~2（104