光輻射與光源

光輻射與光源第一頁，共九十頁，2022年，8月28日

牛頓

惠更斯背景知識第二頁，共九十頁，2022年，8月28日第三頁，共九十頁，2022年，8月28日麥克斯韋（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。

第四頁，共九十頁，2022年，8月28日

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。第五頁，共九十頁，2022年，8月28日按愛因斯坦理論，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之中，提出光子理論。第六頁，共九十頁，2022年，8月28日§1.

電磁波譜光學譜區(qū)第七頁，共九十頁，2022年，8月28日

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）。

第八頁，共九十頁，2022年，8月28日我們只研究光輻射波段（極遠紫外（0.165~0.26）、遠紫外（~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）、遠紅外（~40）、極遠紅外（~103）。單位（μm）第九頁，共九十頁，2022年，8月28日光學譜區(qū)輻射類型波長(m)波長近似尺度頻率(Hz)針尖單細胞生物分子第十頁，共九十頁，2022年，8月28日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。在實驗技術上，為了接收這些輻射，并聚焦成象，都要使用光學透鏡第十一頁，共九十頁，2022年，8月28日§2.

光輻射的基本概念

在光學中，用來定量的描述光輻射強度的量有兩類：輻射度學量，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；光度學量，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，即光度學量是具有標準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、心理學特性直接相關。

第十二頁，共九十頁，2022年，8月28日

輻射度參量一般用下腳標e表示，光度學參量則用下腳標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，它將電磁輻射與人的眼睛的顏色視覺特性相聯(lián)系。第十三頁，共九十頁，2022年，8月28日一、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］第十四頁，共九十頁，2022年，8月28日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第十五頁，共九十頁，2022年，8月28日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）第十六頁，共九十頁，2022年，8月28日單位立體角：以O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。第十七頁，共九十頁，2022年，8月28日[例]1、球面所對應的立體角：根據(jù)定義全球所對應的立體角(全球所對應的立體角是整個空間，又稱為4π空間.)同理，半球所對應的立體角為2π空間。第十八頁，共九十頁，2022年，8月28日用球坐標表示立體角微小面積dS則dS對應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第十九頁，共九十頁，2022年，8月28日

由輻射強度的定義可知，如果一個置于各向同性、均勻介質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，有第二十頁，共九十頁，2022年，8月28日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）。單位：［Wm-2］第二十一頁，共九十頁，2022年，8月28日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］第二十二頁，共九十頁，2022年，8月28日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)的輻射物理量第二十三頁，共九十頁，2022年，8月28日第二十四頁，共九十頁，2022年，8月28日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。

第二十五頁，共九十頁，2022年，8月28日光譜輻射通量

光譜輻照度光譜輻射出射度光譜輻射亮度一般的有

第二十六頁，共九十頁，2022年，8月28日表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第二十七頁，共九十頁，2022年，8月28日二光度學的基本物理量

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“標準光度觀察者”的光譜光視效率，或稱視見函數(shù)。人眼的感光細胞：桿狀細胞和錐狀細胞

第二十八頁，共九十頁，2022年，8月28日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胞的刺激所引起，的最大值在507nm處。

暗視覺光譜光視效率第二十九頁，共九十頁，2022年，8月28日2、光度學的物理量

光度量和輻射度量的定義、方程是一一對應的。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系由對應的光輻射度量乘以光譜光視效率表示。

第三十頁，共九十頁，2022年，8月28日光譜光視效率V(λ)曲線明視覺第三十一頁，共九十頁，2022年，8月28日

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，亦稱光功當量。

第三十二頁，共九十頁，2022年，8月28日

光度學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。

第三十三頁，共九十頁，2022年，8月28日最早定義是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量單位．從這個定義可以看出，發(fā)光強度不僅與燃料有關，而且還與燈芯、火焰高度等因素有關，因此它的復現(xiàn)性和穩(wěn)定性都不高。第三十四頁，共九十頁，2022年，8月28日

以后用標準燈來復現(xiàn)與保持發(fā)光強度單位，稱“國際燭光”，但復現(xiàn)度不高。以后以鉑凝固點黑體作為光度原始標準，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）第三十五頁，共九十頁，2022年，8月28日

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。

第三十六頁，共九十頁，2022年，8月28日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常用光度學量的名稱、符號與單位第三十七頁，共九十頁，2022年，8月28日耗電量8W第三十八頁，共九十頁，2022年，8月28日第三十九頁，共九十頁，2022年，8月28日1.

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，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第四十頁，共九十頁，2022年，8月28日

2.熱輻射的基本性質任何物體(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T

(輻射的能量)

熱輻射按頻率(波長)的分布和T有關

T

短波長的電磁波的比例。第四十一頁，共九十頁，2022年，8月28日

紅外輻射熱象圖

煉鋼的熱輻射第四十二頁，共九十頁，2022年，8月28日例如，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

第四十三頁，共九十頁，2022年，8月28日

3.

平衡熱輻射

物體除了具有發(fā)射電磁波的本領外，還具有吸收和反射電磁波的本領，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。

第四十四頁，共九十頁，2022年，8月28日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

電磁波的輻射通量第四十五頁，共九十頁，2022年，8月28日MλdMdλ=

T單位面積（單位時間內(nèi)）dM(λ+dλ)第四十六頁，共九十頁，2022年，8月28日5.

輻射本領(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；和發(fā)射體材料及表面情況有關。第四十七頁，共九十頁，2022年，8月28日

在一定溫度T時，物體的輻射出射度和單色輻出度的關系為第四十八頁，共九十頁，2022年，8月28日物體在溫度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第四十九頁，共九十頁，2022年，8月28日

7.

發(fā)射率

物體的輻射本領與絕對黑體的輻射本領之比

第五十頁，共九十頁，2022年，8月28日

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第五十一頁，共九十頁，2022年，8月28日對于平衡熱輻射，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最大(和非黑體相比),且與組成黑體的材料無關

研究熱輻射規(guī)律，應利用Mλ

與材料及表面狀態(tài)無關的物體。第五十二頁，共九十頁，2022年，8月28日實驗表明：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第五十三頁，共九十頁，2022年，8月28日9.

模擬黑體不透明材料空腔開一個小孔。小孔面積遠小于空腔內(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。

第五十四頁，共九十頁，2022年，8月28日打開的窗子近似黑體第五十五頁，共九十頁，2022年，8月28日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第五十六頁，共九十頁，2022年，8月28日第五十七頁，共九十頁，2022年，8月28日實驗曲線特點：

1、是連續(xù)譜

2、Mν和、T有關

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。第五十八頁，共九十頁，2022年，8月28日四.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。第五十九頁，共九十頁，2022年，8月28日

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，則所以第六十頁，共九十頁，2022年，8月28日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)射本領和吸收率的比值與物質的性質無關，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。第六十一頁，共九十頁，2022年，8月28日

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。第六十二頁，共九十頁，2022年，8月28日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)射率定義第六十三頁，共九十頁，2022年，8月28日第六十四頁，共九十頁，2022年，8月28日第六十五頁，共九十頁，2022年，8月28日五.光源的基本特性參數(shù)

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

第六十六頁，共九十頁，2022年，8月28日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：我們應盡量選用輻射效率較高的光源。

第六十七頁，共九十頁，2022年，8月28日在可見光范圍，發(fā)光效率定義為：

第六十八頁，共九十頁，2022年，8月28日表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170第六十九頁，共九十頁，2022年，8月28日2.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。第七十頁，共九十頁，2022年，8月28日常見的有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，如熒光燈等第七十一頁，共九十頁，2022年，8月28日第七十二頁，共九十頁，2022年，8月28日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。

第七十三頁，共九十頁，2022年，8月28日

某超高壓球形氙燈的配光曲線第七十四頁，共九十頁，2022年，8月28日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?？捎煤隗w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

第七十五頁，共九十頁，2022年，8月28日

(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，這時的光源用相關色溫表示。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色溫。

第七十六頁，共九十頁，2022年，8月28日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”。在我們國家標準中，增加了我國女性面部膚色的色樣，作為第15種“試驗色”。

第七十七頁，共九十頁，2022年，8月28日白熾燈、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。第七十八頁，共九十頁，2022年，8月28日六.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在選擇光源時給以滿足。第七十九頁，共九十頁，2022年，8月28日

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定義為第八十頁，共九十頁，2022年，8月28日式中為波長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。

第八十一頁，共九十頁，2022年，8月28日2.對光源發(fā)光強度的要求應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)。

第八十二頁，共九十頁，2022年，8月28日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

如燈絲的結構與形狀；發(fā)光面積的大小及構成；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。

第八十三頁，共九十頁，2022年，8月28日表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