第1章 光輻射與光源

第一章

光輻射與光源

牛頓

惠更斯背景知識麥克斯韋（1831-1879）

1860年麥克斯韋（C.Maxwell)提出光是電磁波的理論。光在傳播時表現(xiàn)出波動性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。

普朗克（1858-1947）

1900年,普朗克（Max.Planck)提出了輻射的量子論，將諧振子所發(fā)射或吸收的電磁輻射能量加以量子化，他稱呼這種離散能量為量子。按愛因斯坦理論，光子能量

式中，為普朗克常數(shù)，真空光速

光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光子流。1905年，愛因斯坦（Albert.Einstein)將量子論用于光電效應(yīng)之中，提出光子理論。§1.

電磁波譜光學(xué)譜區(qū)

整個電磁波譜，波長從10-10~1014μm，包括宇宙射線（10-10~10-8μm）、γ射線（~10-4μm）、x射線（~10-2μm）、紫外線（2×10-2~0.40μm）、可見光（~0.76μm）、紅外光（~103μm）、微波（~106μm）、無線電波（~1011μm）、長波電振蕩（~1014μm）。

我們只研究光輻射波段（極遠(yuǎn)紫外（0.165~0.26）、遠(yuǎn)紫外（~0.30）、近紫外（~0.40）、紫（~0.455）、藍（~0.492）、青（~0.535）、綠（~0.577）、黃（~0.597）、橙（~0.622）、紅（~0.76）、近紅外（~1.5）、中紅外（~6）、遠(yuǎn)紅外（~40）、極遠(yuǎn)紅外（~103）。單位（μm）光學(xué)譜區(qū)輻射類型波長(m)波長近似尺度頻率(Hz)針尖單細(xì)胞生物分子光輻射波段又分紫外、可見光、紅外光區(qū)，把它們放在一起研究的原因是，它們有相同的輻射與吸收機理，許多輻射源的光譜分布和接收器的靈敏域都同時覆蓋這三個波段。在實驗技術(shù)上，為了接收這些輻射，并聚焦成象，都要使用光學(xué)透鏡§2.

光輻射的基本概念

在光學(xué)中，用來定量的描述光輻射強度的量有兩類：輻射度學(xué)量，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；光度學(xué)量，是描述光輻射能為平均人眼接收所引起的視覺刺激大小的強度，即光度學(xué)量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性的人眼所接收到的輻射量的度量，它與人的生理學(xué)、心理學(xué)特性直接相關(guān)。

輻射度參量一般用下腳標(biāo)e表示，光度學(xué)參量則用下腳標(biāo)v表示。

還有一種與人的生理特性相聯(lián)系的描述輻射量的量度系統(tǒng)，叫做色度學(xué)，它將電磁輻射與人的眼睛的顏色視覺特性相聯(lián)系。一、輻射度的基本物理量

1

輻射能Qe

一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位：焦耳[J]2輻射通量Φe是輻射能的時間變化率，單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的能量，又稱輻射功率Pe。單位：瓦［Ｗ］3輻射強度

Ie

點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：［WSr-1］θdP立體角立體角是以圓錐體的頂點為球心半徑為1的球面被錐面所截得的面積來度量的度量單位。單位為球面度（steradian或者Sr）單位立體角：以O(shè)為球心、R為半徑作球，若立體角Ω截出的球面部分的面積為R2，則此球面部分所對應(yīng)的立體角稱為一個單位立體角，或一球面度。對于一個給定頂點O和一個隨意方向的微小面積dS，它們對應(yīng)的立體角為其中θ為dS與投影面積dA的夾角，R為O到dS中心的距離。[例]1、球面所對應(yīng)的立體角：根據(jù)定義全球所對應(yīng)的立體角(全球所對應(yīng)的立體角是整個空間，又稱為4π空間.)同理，半球所對應(yīng)的立體角為2π空間。用球坐標(biāo)表示立體角微小面積dS則dS對應(yīng)的立體角為計算某一個立體角時，在一定范圍內(nèi)積分即可。dSdS

由輻射強度的定義可知，如果一個置于各向同性、均勻介質(zhì)中的點輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是P，則該點輻射體在各個方向的輻射強度I是常量，有4輻射照度Ee

投射在單位面積上的輻射通量。單位：［Wm-2］5輻射出射度Me

擴展輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：［Wm-2］6輻射亮度Le

輻射表面給定方向上單位投影面積內(nèi)發(fā)射的輻射強度。單位：［Wm-2Sr-1］7光譜輻射量

也稱輻射量的光譜輻射密度。由于輻射源發(fā)出的光輻射由許多不同波長的單色輻射所組成，為了研究不同波長的輻射，需對某一波長的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。

光譜輻射量是輻射量隨波長的變化率，是波長的函數(shù)。即單位波長間隔內(nèi)的輻射物理量輻射一般由各種波長組成，每種波長的輻通量各不相同?？偟妮椡繛楦鱾€組成波長的輻通量的總和。下圖為某輻通量的連續(xù)分布曲線。

光譜輻射通量

光譜輻照度光譜輻射出射度光譜輻射亮度一般的有

表1—1基本輻射度量的名稱、符號和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能Qe焦耳J輻射通量，輻射功率Φe瓦特W輻射強度Ｉe瓦特／球面度Wsr-1輻射亮度Ｌe

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1輻射出射度Ｍe瓦特／平方米Wm-2輻射照度Ｅe瓦特／平方米Wm-2二光度學(xué)的基本物理量

1、光譜光視效率V（l）

視神經(jīng)對各種不同波長的光的感光靈敏度是不一樣的。人眼對綠光感光最靈敏，對紅光、藍光靈敏度較低。人眼對各種波長光的平均相對靈敏度，稱之為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率，或稱視見函數(shù)。人眼的感光細(xì)胞：桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞

明視覺光譜光視效率

亮度大于3cdm-2時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的錐體細(xì)胞的刺激所引起。V（λ）的最大值在555nm處。

亮度小于0.001cdm-2時的暗視覺光譜光視效率，用表示，此時視覺主要由桿體細(xì)胞的刺激所引起，的最大值在507nm處。

暗視覺光譜光視效率2、光度學(xué)的物理量

光度量和輻射度量的定義、方程是一一對應(yīng)的。所不同的只是光度量只適用于可見光區(qū)段（0.40~0.78μm），而光輻射度量在整個電磁波譜范圍內(nèi)都有意義。

光度量與光輻射度量之間的關(guān)系由對應(yīng)的光輻射度量乘以光譜光視效率表示。

光譜光視效率V(λ)曲線明視覺

式中Km稱明視覺最大光譜光視效能，它表示人眼對波長為555nm波長的光輻射產(chǎn)生的光感覺，其值為683lm/W，亦稱光功當(dāng)量。

光度學(xué)中最基本的單位是發(fā)光強度的單位——坎德拉（cd）,它是國際單位制中七個基本單位之一，理論性定義，其定義是發(fā)出頻率為540×1012Hz（波長為555nm）的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為（1/683）W/Sr時，在該方向上的發(fā)光強度為1cd。

最早定義是1米燭光：將一磅鯨魚油脂制成六支蠟燭，以每小時120格令的速度燃燒時，在水平方向的發(fā)光強度為1燭光。（此時在距蠟燭1米處的照度是1lx）,上述定義中的格令為質(zhì)量單位．從這個定義可以看出，發(fā)光強度不僅與燃料有關(guān)，而且還與燈芯、火焰高度等因素有關(guān)，因此它的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性都不高。

以后用標(biāo)準(zhǔn)燈來復(fù)現(xiàn)與保持發(fā)光強度單位，稱“國際燭光”，但復(fù)現(xiàn)度不高。以后以鉑凝固點黑體作為光度原始標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其亮度為60熙提（1熙提=1燭光/厘米），這種發(fā)光強度單位稱坎德拉（cd）

操作性定義：在101325牛頓/平方米的壓力下，處于鉑凝固溫度的絕對黑體（2024K）的1/600000平方米表面在垂直方向（法線）上的發(fā)光強度為1cd。1坎就是在單位立體角內(nèi)發(fā)出1流明的光。

名稱符號單位符號光量Qv流明秒lm·s光通量

Φv流明lm發(fā)光強度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（光強度）Ｅv勒克司Lx表1—2常用光度學(xué)量的名稱、符號與單位耗電量8W1.

熱輻射(heatradiation)：

任何固體或液體，由于其分子中含有帶電粒子，分子的熱運動將導(dǎo)致該物體不斷地向外發(fā)射電磁波。這種輻射因為與物體的溫度有關(guān)，故稱為熱輻射。輻射能量按頻率的分布隨溫度而變

三、

熱輻射的基本物理量

2.熱輻射的基本性質(zhì)任何物體(氣、液、固)在任何溫度下都有熱輻射；熱輻射是連續(xù)光譜各種頻率都有，但強度不同；

輻射總功率(單位時間輻射總能)和T有關(guān)T

(輻射的能量)

熱輻射按頻率(波長)的分布和T有關(guān)

T

短波長的電磁波的比例。

紅外輻射熱象圖

煉鋼的熱輻射例如，加熱鐵塊，隨著溫度的升高，由開始發(fā)光→暗紅→橙色→蘭白色。

逐漸升溫

3.

平衡熱輻射

物體除了具有發(fā)射電磁波的本領(lǐng)外，還具有吸收和反射電磁波的本領(lǐng)，物體輻射的能量等于在同一時間內(nèi)所吸收的能量，物體達到熱平衡，這種熱輻射就稱為平衡熱輻射。

輻射達到平衡時，物體具有固定的溫度。以下只討論平衡熱輻射。

4.

光譜輻射出射度Mλ

也稱單色輻射出射度。

Mλ定義：

單位時間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出的波長在

附近單位波長間隔內(nèi)的

電磁波的輻射通量MλdMdλ=

T單位面積（單位時間內(nèi)）dM(λ+dλ)5.

輻射本領(lǐng)(輻射出射度)M(T)

在單位時間內(nèi)從物體表面單位面積上所輻射的各種波長電磁波能量的總和，稱為該物體的輻射出射度，簡稱輻出度。用M(T)表示，單位為W·m-2

M(T)

和T有關(guān)；和發(fā)射體材料及表面情況有關(guān)。

在一定溫度T時，物體的輻射出射度和單色輻出度的關(guān)系為物體在溫度T時，在到+d

范圍內(nèi)的吸收和反射電磁波能量與相應(yīng)波長的入射電磁波能量之比，稱為該物體的單色吸收比和單色反射比，分別用(，T)和(,T)表示。6.

吸收比和反射比(，T)+(,T)=1

7.

發(fā)射率

物體的輻射本領(lǐng)與絕對黑體的輻射本領(lǐng)之比

在任何溫度下對任何波長的入射輻射能的吸收比都等于1的物體稱為絕對黑體。8.絕對黑體(blackbody)：

對于絕對黑體

0(，T)=1

0(，T)=0

對于平衡熱輻射，物體輻射的能量和吸收的能量相同，因此

黑體也能輻射各種頻率的電磁波它的輻射本領(lǐng)最大(和非黑體相比),且與組成黑體的材料無關(guān)

研究熱輻射規(guī)律，應(yīng)利用Mλ

與材料及表面狀態(tài)無關(guān)的物體。實驗表明：一個好的吸收體也是一個好的發(fā)射體

室溫下，反射光

1100K，自身輻射光一個黑白花盤子的兩張照片9.

模擬黑體不透明材料空腔開一個小孔。小孔面積遠(yuǎn)小于空腔內(nèi)表面積，射入的電磁波能量幾乎全被吸收。小孔能完全吸收各種頻率的入射電磁波而成為模擬黑體。

打開的窗子近似黑體10.

黑體的光譜輻射出射度

Mλ

的實驗曲線

實驗裝置

黑體

熱電偶測M(T)光柵光譜儀T實驗曲線特點：

1、是連續(xù)譜

2、Mν和、T有關(guān)

3、每條曲線有一極值頻率

m(極值波長m)

T

m

m4、曲線下面積即為M

，隨T單調(diào)增加。四.光輻射的基本定律

1.

余弦定律

對理想漫射表面：在任意發(fā)射（漫射、透射）方向上輻射亮度不變。即對任意θ角Leθ為定值。通常把具有這種表面的物體叫朗伯輻射體。

在朗伯輻射體表面上任取一面元ds，由輻亮度的定義，在法線方向上如其輻射強度為I0，則其輻亮度為而沿與表面成θ角方向，則所以2.

基爾霍夫定律在任一給定溫度的熱平衡條件下，任何物體的光譜輻射發(fā)射本領(lǐng)和吸收率的比值與物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只是波長及溫度的普適函數(shù)，且恒等于同溫度下絕對黑體的輻射本領(lǐng)。

若用M0(T)

表示溫度T下的絕對黑體的單色輻出度,則上式可簡記為

任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比,等于同一溫度絕對黑體的單色輻出度,即基爾霍夫定律。由基爾霍夫定律所以，強吸收體必然是強發(fā)射體。

由物體發(fā)射率定義五.光源的基本特性參數(shù)

在光電技術(shù)中，光源往往起著關(guān)鍵的作用。因此，了解光源的基本特性參數(shù)，按實際需要選擇光源，是我們設(shè)計光電系統(tǒng)和解決具體光電檢測問題時成功的關(guān)鍵之一。

1.輻射效率和發(fā)光效率在給定的λ1—λ2波長范圍內(nèi)，光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。所以：我們應(yīng)盡量選用輻射效率較高的光源。

在可見光范圍，發(fā)光效率定義為：

表1—3常見光源的發(fā)光效率光源種類發(fā)光效率（Lm/W）光源種類發(fā)光效率（Lm/W）普通鎢絲燈8~18高壓汞燈30~40鹵鎢燈14~30高壓鈉燈90~100普通熒光燈35~60球形氙燈30~40三基色熒光燈55~90金屬鹵化物燈60~80LED燈100~150激光1702.光譜功率分布自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分布。常見的有4種光譜分布：線狀：原子光譜帶狀：分子光譜連續(xù)譜熱光源光譜混合譜冷光源光譜，如熒光燈等3.空間光強分布對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不同的。若在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該方向的發(fā)光強度成正比。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強度曲線，即配光曲線。在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。為了進一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點位于光源的發(fā)光中心上。

某超高壓球形氙燈的配光曲線4.光源的色溫黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性常可用黑體輻射特性來近似地表示。對于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示

(1)分布溫度

輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度

(2)色溫

輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。

(3)相關(guān)色溫

對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關(guān)色溫表示。在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。

5.光源的顏色

光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。例如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。當(dāng)用這種光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色(也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺)與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。國際照明委員會(CIE)規(guī)定了14種特殊物體作為檢驗光源顯色性的“試驗色”。在我們國家標(biāo)準(zhǔn)中，增加了我國女性面部膚色的色樣，作為第15種“試驗色”。

白熾燈、鹵鎢燈、鏑燈等幾種光源的顯色性較好，適用于辨色要求較高的場合，如彩色電影、彩色電視的拍攝和放映，染料、彩色印刷等行業(yè)。高壓汞燈、高壓鈉燈等光源的顯色性差一些，一般用于道路、隧道、碼頭等辨色要求較低的場合。六.光源選擇的基本要求

1.對光源發(fā)光光譜特性的要求

除去那些直接檢測中規(guī)定了光源或輻射源特性的光電檢測系統(tǒng)外，總是要求光源特性滿足檢測的需要。其中重要的要求之一，就是光源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的需要。按照檢測任務(wù)的不同，要求的光譜范圍亦不同，如可見光區(qū)、紫外光區(qū)或紅外光區(qū)等。有時要求連續(xù)的光譜，有時又要求幾個特定的光譜段。系統(tǒng)對光譜范圍的要求都應(yīng)在選擇光源時給以滿足。

為增大光電檢測系統(tǒng)的信號和信噪比，這里引入光源和光電探測器之間光譜匹配系數(shù)的概念，以此描述兩者之間光譜特性的重合程度或一致性。光譜匹配系數(shù)a定義為式中為波長λ附近單位波長區(qū)間的光輻射通量，即光譜輻射通量；是光電探測器靈敏度（波長的函數(shù)）。實際選擇時，應(yīng)綜合兼顧二者的特性，使匹配系數(shù)α盡量大，以充分利用光源。

2.對光源發(fā)光強度的要求應(yīng)能保證光電探測系統(tǒng)正常工作。過低，信噪比太小，無法正常檢測；過高，可能出現(xiàn)非線性，損壞系統(tǒng)。

3.對光源穩(wěn)定性的要求對脈沖量，要求脈沖頻率、脈沖持續(xù)時間、脈沖峰值穩(wěn)定；對相位檢測，與前同；對光量（通量、照度、強度等）檢測，要求光照無脈動。4.其它方面的要求

如燈絲的結(jié)構(gòu)與形狀；發(fā)光面積的大小及構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀及均勻性；光源發(fā)光效率及空間強度分布等。

表1—4地面景物的自然照度

天空情況照度（lx）天空情況照度（lx）陽光直射1~1.3（105）滿月10-1日間晴天（無直射陽光）1~2（104）上下弦月10-2陰天103無月晴空10-3濃云白天102無月陰空10-4晨昏朦影101工作場所50~300暗晨昏朦影1讀書場所100~500表1—5常見光源的亮度：W?Sr-1?m-2光源亮度光源亮度滿月2.5×103太陽15×108鎢絲燈絲5~15×106乙炔焰8×104碳弧