第三章 光辐射与光源

辐射能—Qe辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为J（焦耳）。辐射通量—

e辐射通量是单位时间内发射、传播或接收的辐射能量，单位为W（瓦）。辐射基本概念辐射强度—Ie辐射强度定义为点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射能量，单位为W/sr（瓦每球面度）。辐射基本概念辐射照度—Ee辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，单位为W/m2（瓦每平方米）。辐射出射度—Me辐射出射度为扩展辐射源单位面积辐射的通量，单位为W/m2（瓦每平方米）。辐射基本概念辐射亮度—Le辐射亮度定义为扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量，单位为W/srm2（瓦每球面度平方米）。辐射基本概念光谱辐射量光谱辐射通量

e()：辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量，单位为W/m（瓦每微米）。辐射基本概念光谱光视效率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”光谱光视效率，或称为视见函数V(

)。光度的基本概念光度的基本物理量光度的基本概念辐射本领—M

(,T)辐射本领是辐射体表面在单位波长间隔单位面积内所有辐射的通量，单位为W/mm2（瓦每微米平方米）。吸收率—

(,T)吸收率是在波长

到d间隔内被物体吸收的通量和入射通量之比。热辐射的基本物理量绝对黑体绝对黑体是一种完全的温度辐射体，定义为吸收率

(,T)=1的物体为绝对物体。物体的发射率—

(,T)发射率定义为物体的辐射本领M

(,T)与绝对黑体辐射本领M

b(,T)之比

。热辐射的基本物理量基尔霍夫定律在任一给定温度的热平衡条件下，任何物体的辐射发射本领M

(,T)和吸收率

(,T)的比值与物体的性质无关，只是波长

和温度T的普适函数，且恒等于同温度下绝对黑体的辐射本领。热辐射的基本定律兰伯特定律若面积元dF在法线方向的辐射亮度为LN，则它在高低角的方向上得辐射亮度L

为热辐射的基本定律距离平方反比定律点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。热辐射的基本定律亮度守恒定律在光束传输路径上任取两个面元1和2，面积分别为dA1和dA2，当光辐射能在传输介质中没有损失时，表面2的辐射亮度与表面1的辐射亮度相等。热辐射的基本定律普朗克定律黑体光谱辐射出射度与波长、绝对温度之间的关系式。热辐射的基本定律维恩位移定律黑体的光谱辐射出射度的峰值与绝对温度的五次方成正比。热辐射的基本定律斯忒藩—波尔兹曼定律温度为T的黑体在单位面积上向半球空间辐射处的总功率与绝对温度的四次方成正比。热辐射的基本定律辐射效率在给定1

2波长范围内，某一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。发光效率对于可见光范围，某一光源的发光效率与上述辐射效率相对应。光源的基本特性参数常用光源的发光效率光源的基本特性参数光源种类发光效率(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60～80表1-3常见光源的发光效率光谱功率分布光功率分布描述不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率。相对光谱功率分布：归一化后的光谱分布。光源的基本特性参数空间光强分布若空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，即配光曲线。

a.选择照明方向

b.使用背光罩光源的基本特性参数光源的色温分布温度：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，该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。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。光源的基本特性参数光源的色温相关色温：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。光源的基本特性参数光源的颜色色表：用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为色表。显色性：当用光源照射物体时，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照射下所呈现的颜色一致性。光源的基本特性参数对人工光源的要求原则：光源发光的光谱特性必须满足检测系统的需要。光源选择的基本要求光源与光电探测器之间光谱匹配系数

，描述光谱特性之间的一致性。对人工光源的要求对光源发光强度的要求：在系统设计时，必须对探测器所需获得的最大，最小光通量进行正确估计，以此选择光源。对光源稳定性要求：不同的光电检测系统对光源的稳定性有着不同的要求。光源选择的基本要求对自然光源的要求不同自然光照在不同条件下的大致数量范围光源选择的基本要求天空情况照度（lx）天空情况照度（lx）阳光直射1～1.3×105暗晨昏朦影1日间晴天1～2×104满月10-1阴天103上、下弦月10-2浓云白天102无月晴空10-3晨昏朦影10无月阴空10-4星的亮暗程度用地面所接收到的照度来衡量，表示为星等数的大小。星等数愈大，对地面的照度愈弱。零等星对地面的照度为2.65×10-6lx。各星等间每差五等，其照度差100倍。比零等星更亮的星为负数，星等可以是非整数。光源选择的基本要求各自然辐射源的星等和地面的照度光源选择的基本要求比较人造光源与自然光源光源选择的基本要求光源及条件光亮度(cd/m2)光源及条件光亮度(cd/m2)太阳(大气外)1.9×1092500K黑体5.3×106太阳(海平面)1.6×109200W钨丝灯1.33×107月亮2.5×103碘钨灯5×107天空(夏平均)5×103碳弧灯1.8×108天空(秋平均)3×103超高压汞灯108～109氖灯103超高压氙灯1010低压汞灯2～3×10410000K黑体1.12×1010钠光灯1～2×105球形脉冲氙灯101150W钨丝灯4.08×106乙炔焰8×104热辐射光源发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可精确掌控发光和辐射性质。发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，使用的适用性强。采用适当的稳压或稳流供电，提高光源的的光输出获得高的稳定性。光电技术中常用的光源人造黑体辐射源波长范围：0.75μm～2.5μm0.75μm～6μm工作温度：大多2000K以下，最高3000K光电技术中常用的光源白炽灯连续光谱，在可见光中部和黑体辐射曲线相近。灯丝的热电阻远大于冷态时的电阻。气体放电光源利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。发光效率高，结构紧凑，寿命长，光色适应性强。

光电技术中常用的光源光电技术中常用的光源种类主要性能应用1.汞灯

(1)低压汞灯

a冷阴极辉光放电灯

b热阴极弧光放电灯辐射强的253.7nm远紫外线杀菌、荧光分析光谱仪波长基准c荧光灯253.7nm激光荧光分发光室内照明(2)高压汞灯

a紫外线高压汞灯主要辐射波长365.0nm的近紫外线保健理疗、塑料和橡胶试验、荧光分析b仪器高压汞灯光刻机、光学仪器c普通高压汞灯辐射404.7nm、435.8nm、546.1nm、577nm等光谱大面积照明d荧光高压汞灯汞的可见光谱，365nm激发的荧光辐射厂矿照明(3)超高压汞灯紫外可见辐射丰富、亮度高荧光分析、光刻、光学仪器固体发光光源固体在电场作用下将电能直接转换成光能的发光现象，也称为场致发光或电致发光。用途：全固化光源，全固化显示分类：三种形式：粉末：交流粉末；直流粉末。薄膜：高分辨率，成像质量高，显示对比度好，可制成各种形状，视角大，光线柔和，制备工艺简单，造价便宜等。发光二级管。光电技术中常用的光源激光器工作原理组成：工作性质，谐振腔，泵浦源产生的必要条件：粒子数反转分布，减少振荡模式数；产生的充分条件：阈值条件，增益饱和效应。光电技术中常用的光源气体激光器He-Ne激光器:632.8nm1.15μm3.39μm，1mw～数10mw氩离子激光器452.9nm476.5nm496.5nm488nm514.5nm；其中488和514.5nm最强，占80%CO2激光器

co2+N2+He：分子气体激光器，9～11μm，典型：10.6μm用途金属材料的切割和热处理，宝石加工，手术治疗光电技术中常用的光源固定激光器工作物质：具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。红宝石，钕玻璃，石榴石波长：694.3