第三章 光輻射與光源

輻射能—Qe輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J（焦耳）。輻射通量—

e輻射通量是單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能量，單位為W（瓦）。輻射基本概念輻射強度—Ie輻射強度定義為點輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射能量，單位為W/sr（瓦每球面度）。輻射基本概念輻射照度—Ee輻射照度為投射在單位面積上的輻射通量，單位為W/m2（瓦每平方米）。輻射出射度—Me輻射出射度為擴展輻射源單位面積輻射的通量，單位為W/m2（瓦每平方米）。輻射基本概念輻射亮度—Le輻射亮度定義為擴展源表面一點處的面元在給定方向上單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量，單位為W/srm2（瓦每球面度平方米）。輻射基本概念光譜輻射量光譜輻射通量

e()：輻射源發(fā)出的光在波長處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，單位為W/m（瓦每微米）。輻射基本概念光譜光視效率人眼對各種波長光的平均相對靈敏度，稱之為“標準光度觀察者”光譜光視效率，或稱為視見函數(shù)V(

)。光度的基本概念光度的基本物理量光度的基本概念輻射本領(lǐng)—M

(,T)輻射本領(lǐng)是輻射體表面在單位波長間隔單位面積內(nèi)所有輻射的通量，單位為W/mm2（瓦每微米平方米）。吸收率—

(,T)吸收率是在波長

到d間隔內(nèi)被物體吸收的通量和入射通量之比。熱輻射的基本物理量絕對黑體絕對黑體是一種完全的溫度輻射體，定義為吸收率

(,T)=1的物體為絕對物體。物體的發(fā)射率—

(,T)發(fā)射率定義為物體的輻射本領(lǐng)M

(,T)與絕對黑體輻射本領(lǐng)M

b(,T)之比

。熱輻射的基本物理量基爾霍夫定律在任一給定溫度的熱平衡條件下，任何物體的輻射發(fā)射本領(lǐng)M

(,T)和吸收率

(,T)的比值與物體的性質(zhì)無關(guān)，只是波長

和溫度T的普適函數(shù)，且恒等于同溫度下絕對黑體的輻射本領(lǐng)。熱輻射的基本定律蘭伯特定律若面積元dF在法線方向的輻射亮度為LN，則它在高低角的方向上得輻射亮度L

為熱輻射的基本定律距離平方反比定律點光源在傳輸方向上某點的輻照度和該點到點光源的距離平方成反比。熱輻射的基本定律亮度守恒定律在光束傳輸路徑上任取兩個面元1和2，面積分別為dA1和dA2，當(dāng)光輻射能在傳輸介質(zhì)中沒有損失時，表面2的輻射亮度與表面1的輻射亮度相等。熱輻射的基本定律普朗克定律黑體光譜輻射出射度與波長、絕對溫度之間的關(guān)系式。熱輻射的基本定律維恩位移定律黑體的光譜輻射出射度的峰值與絕對溫度的五次方成正比。熱輻射的基本定律斯忒藩—波爾茲曼定律溫度為T的黑體在單位面積上向半球空間輻射處的總功率與絕對溫度的四次方成正比。熱輻射的基本定律輻射效率在給定1

2波長范圍內(nèi)，某一光源發(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。發(fā)光效率對于可見光范圍，某一光源的發(fā)光效率與上述輻射效率相對應(yīng)。光源的基本特性參數(shù)常用光源的發(fā)光效率光源的基本特性參數(shù)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60～80表1-3常見光源的發(fā)光效率光譜功率分布光功率分布描述不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率。相對光譜功率分布：歸一化后的光譜分布。光源的基本特性參數(shù)空間光強分布若空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量長度與該方向的發(fā)光強度成正比。將各矢量的端點連起來，即配光曲線。

a.選擇照明方向

b.使用背光罩光源的基本特性參數(shù)光源的色溫分布溫度：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，該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。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。光源的基本特性參數(shù)光源的色溫相關(guān)色溫：在均勻色度圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。光源的基本特性參數(shù)光源的顏色色表：用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為色表。顯色性：當(dāng)用光源照射物體時，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照射下所呈現(xiàn)的顏色一致性。光源的基本特性參數(shù)對人工光源的要求原則：光源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的需要。光源選擇的基本要求光源與光電探測器之間光譜匹配系數(shù)

，描述光譜特性之間的一致性。對人工光源的要求對光源發(fā)光強度的要求：在系統(tǒng)設(shè)計時，必須對探測器所需獲得的最大，最小光通量進行正確估計，以此選擇光源。對光源穩(wěn)定性要求：不同的光電檢測系統(tǒng)對光源的穩(wěn)定性有著不同的要求。光源選擇的基本要求對自然光源的要求不同自然光照在不同條件下的大致數(shù)量范圍光源選擇的基本要求天空情況照度（lx）天空情況照度（lx）陽光直射1～1.3×105暗晨昏朦影1日間晴天1～2×104滿月10-1陰天103上、下弦月10-2濃云白天102無月晴空10-3晨昏朦影10無月陰空10-4星的亮暗程度用地面所接收到的照度來衡量，表示為星等數(shù)的大小。星等數(shù)愈大，對地面的照度愈弱。零等星對地面的照度為2.65×10-6lx。各星等間每差五等，其照度差100倍。比零等星更亮的星為負數(shù)，星等可以是非整數(shù)。光源選擇的基本要求各自然輻射源的星等和地面的照度光源選擇的基本要求比較人造光源與自然光源光源選擇的基本要求光源及條件光亮度(cd/m2)光源及條件光亮度(cd/m2)太陽(大氣外)1.9×1092500K黑體5.3×106太陽(海平面)1.6×109200W鎢絲燈1.33×107月亮2.5×103碘鎢燈5×107天空(夏平均)5×103碳弧燈1.8×108天空(秋平均)3×103超高壓汞燈108～109氖燈103超高壓氙燈1010低壓汞燈2～3×10410000K黑體1.12×1010鈉光燈1～2×105球形脈沖氙燈101150W鎢絲燈4.08×106乙炔焰8×104熱輻射光源發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進行精確的估算，即可精確掌控發(fā)光和輻射性質(zhì)。發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，使用的適用性強。采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，提高光源的的光輸出獲得高的穩(wěn)定性。光電技術(shù)中常用的光源人造黑體輻射源波長范圍：0.75μm～2.5μm0.75μm～6μm工作溫度：大多2000K以下，最高3000K光電技術(shù)中常用的光源白熾燈連續(xù)光譜，在可見光中部和黑體輻射曲線相近。燈絲的熱電阻遠大于冷態(tài)時的電阻。氣體放電光源利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。發(fā)光效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長，光色適應(yīng)性強。

光電技術(shù)中常用的光源光電技術(shù)中常用的光源種類主要性能應(yīng)用1.汞燈

(1)低壓汞燈

a冷陰極輝光放電燈

b熱陰極弧光放電燈輻射強的253.7nm遠紫外線殺菌、熒光分析光譜儀波長基準c熒光燈253.7nm激光熒光分發(fā)光室內(nèi)照明(2)高壓汞燈

a紫外線高壓汞燈主要輻射波長365.0nm的近紫外線保健理療、塑料和橡膠試驗、熒光分析b儀器高壓汞燈光刻機、光學(xué)儀器c普通高壓汞燈輻射404.7nm、435.8nm、546.1nm、577nm等光譜大面積照明d熒光高壓汞燈汞的可見光譜，365nm激發(fā)的熒光輻射廠礦照明(3)超高壓汞燈紫外可見輻射豐富、亮度高熒光分析、光刻、光學(xué)儀器固體發(fā)光光源固體在電場作用下將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的發(fā)光現(xiàn)象，也稱為場致發(fā)光或電致發(fā)光。用途：全固化光源，全固化顯示分類：三種形式：粉末：交流粉末；直流粉末。薄膜：高分辨率，成像質(zhì)量高，顯示對比度好，可制成各種形狀，視角大，光線柔和，制備工藝簡單，造價便宜等。發(fā)光二級管。光電技術(shù)中常用的光源激光器工作原理組成：工作性質(zhì)，諧振腔，泵浦源產(chǎn)生的必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，減少振蕩模式數(shù)；產(chǎn)生的充分條件：閾值條件，增益飽和效應(yīng)。光電技術(shù)中常用的光源氣體激光器He-Ne激光器:632.8nm1.15μm3.39μm，1mw～數(shù)10mw氬離子激光器452.9nm476.5nm496.5nm488nm514.5nm；其中488和514.5nm最強，占80%CO2激光器

co2+N2+He：分子氣體激光器，9～11μm，典型：10.6μm用途金屬材料的切割和熱處理，寶石加工，手術(shù)治療光電技術(shù)中常用的光源固定激光器工作物質(zhì)：具有特殊能力的高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，里面摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。紅寶石，釹玻璃，石榴石波長：694.3