光度与色度学-第2章_热辐射定律及辐射源1

第2章 热辐射定律及辐射源,物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。热辐射是自然界中普遍存在的现象，一切物体，只要其温度高于绝对零度(-273.15C)都将产生辐射。 黑体(或称绝对黑体)是一个能完全吸收入射在它上面的辐射能的理想物体，其在辐射度学中占有十分重要的地位。黑体辐射在辐射度学中起到了基准的作用。 黑体本身也不是一个抽象的概念。现实世界中许多光源可认为或近似认为是黑体。,2.1 黑体辐射的基本定律,(1) 基尔霍夫定律 当辐射能入射到物体表面时，一部分能量被物体吸收，一部分能量从物体表面反射，一部分透射。 1859年基尔霍夫指出：物体的辐射出射度M和吸收本领a的比值M/a与物体的性质无关，都等于同一温度下绝对黑体(a=1)的辐射出射度M0基尔霍夫定律基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射，而且对波长为的任何单色辐射都是正确的，即,2.1黑体辐射的基本定律,基尔霍夫定律是一切物体热辐射的普遍定律: 吸收本领大的物体，其发射本领也大, 如果物体不能发射某波长的辐射，则也不能吸收该波长的辐射。绝对黑体对于任何波长在单位时间，单位面积上发出或吸收的辐射能都比同温度下的其它物体要多。,引入辐射发射率或比辐射率 0 1 是、T和表面性质的函数 黑体，=1； 灰体，= 1，与波长无关 选择体， T)的黑体光谱辐射出射度成比例。,2.3.2 色温和相关色温,色温是颜色温度的简称。当发射体和某温度的黑体有相同的颜色时, 黑体温度称为发射体的色温。即色温是人眼主观色度感觉上把光源作为一定温度的黑体来描述。色温的概念不仅限于人眼色觉上的一致, 可扩展到任意波长。 根据色度学, 色具有同色异谱的性质, 即相同的颜色可由具有不同的光谱能量分布特性的光构成。因此, 色温不能象分布温度那样近似说明光源的光谱能量分布特性, 但对于具有不连续光谱的发射体或具有连续光谱但其光谱能量分布特性与黑体相差甚大的发射体, 可用色温来描述。 任意光源的色只能说与某一温度黑体的色相近，不可能完全相同。相关色温就是发射体和某温度的黑体有最相近的色时黑体的温度。,2.3.2 色温和相关色温,国际照明委员会1960-UCS均匀色度图,由不同黑体温度对应的色坐标点所连成的曲线普朗克轨迹。只要发射体的色坐标落在普朗克轨迹上，则这一点对应的黑体温度就是发射体的色温。 与普朗克轨迹正交的一组直线族称为等相关色温线。线上标出的数值是麦尔德(Mired)值，简写成MRD(Micro Reciprocal Degrees)。,2.3.2 色温和相关色温,所谓“和黑体有相近色”并不严格，相近可表示很接近，也可以是相差甚远但却能找到一个与某温度黑体的色最近似的相关色温值，因此上图中直线族的长度是有限度的，约与15麦克亚当(MacAdam)阈值单位(表示人眼恰能分辨色差异阈值的单位)相当；“色差异多大就不能用相关色温表示”也是不完全准确，等相关色温线提供了衡量待测色和黑体色之间近似差异程度的可能，任意发射体的色坐标离普朗克轨迹越远，用黑体色来描述发射体色的可能性就越小。 当光源的光谱分布和黑体相近时, 光源的色温就与其分布温度一致。在可见光谱范围内, 大多数金属/非金属的发射率随波长增加而下降/增长，其色温比真实温度稍高/低。,2.3.3 辐亮度温度,实际发射体在某一波长(窄谱段范围内)的光谱辐亮度和黑体在某一温度同一波长下的光谱辐亮度相等时，黑体温度称为发射体的辐亮度温度。如果波长在可见光谱范围内用人眼(或具有人眼光谱光视效率响应的探测器)来判断其间亮度相等时，则称为亮度温度(简称亮温)。,在波长处，温度为Tb的黑体辐亮度L0(, Tb)与温度为T的辐射物体辐亮度L(, T)相等，则Tb就是辐射物体的辐亮度温度。,2.3.3 辐亮度温度,若c2/T1，用维恩近似公式，有,若己知辐射体在选定波长的发射率，则由测得的辐亮度温度Tb可求出辐射体的真实温度T 辐射测温基本公式 由于待测辐射体的温度是客观的，若取不同的测量波长值, 则辐亮度温度值可能随着改变。因此, 工业光学高温计常用中心波长为0.65m的一个窄谱段来测温。,2.3.3 辐亮度温度,(1) 测温灵敏度,物理意义：c2/T表示辐射体单位相对温度变化引起相对辐亮度变化的比例，表征了辐射测温的灵敏度。(2) 真实温度与辐亮度温度 由于辐射体的发射率总小于1，故T Tb，即辐射体的实际温度高于辐亮度温度。对具有确定工作波长的测温仪，可通过预先标定的温度修正表，对测得的辐亮度温度和辐射体的发射率进行查表，得到实际温度的修正值。,2.3.3 辐亮度温度,(3) 环境辐射的影响 在测量中，由于(,T) Tb。 (T)越接近1，T和Tb在数值上越接近。,2.4 辐射源,2.4.1 人工标准黑体辐射源2.4.2 自然辐射源 2.4.3 人工辐射源 2.4.4 标准照明体和标准光源 2.4.5 色温变换及光谱能量分布特性的改变,2.4.1 人工标准黑体辐射源,自然界中并不存在能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的绝对黑体，但用人工方法可制成尽可能接近绝对黑体的辐射源。(1) 腔型黑体辐射源 腔型黑体辐射源是一种黑体模型器，其辐射发射率非常接近1。通常按使用要求分为高温、中温和低温黑体源。,腔式黑体,其中, 0和S分别为腔内壁的材料发射率和面积(包括开孔面积)；S为开孔面积； 为黑体开孔面积所对应腔底的立体角。,2.4.1 人工标准黑体辐射源,热成像系统的校准和红外辐射计量需要采用大面积的面型黑体辐射源。面型黑体源主要用于均匀性和系统响应等的测量或标定，常采用差分黑体源(Differential Blackbody)方式作为热成像系统信号响应和性能测量的辐射源。,面型温差黑体源,2.4.2 自然辐射源,(1) 太阳：大气层外的太阳辐射的光谱分布大致与5900K绝对黑体的光谱分布相似。 (2) 地球：地球辐射主要处于波长814m大气窗口，该波段大气吸收很小，成为热成像系统的主要工作波段。地球水面辐射取决于温度和表面状态。无波浪时的水面，反射良好，辐射很小；只有当出现波浪时，海面才成为良好的辐射体。,2.4.2 自然辐射源,(3) 月球：(4) 星球：(5) 夜天光：,星光及其散射光 30% 银河光 5%黄道光 15%大气辉光 40%后三项的散射光 10%,太阳对地球表面的照度,不同自然条件下地面景物照度,2.4.3 人工辐射源,光辐射测量中所使用的光源种类繁多，除了黑体辐射源外，常用的有白炽灯、气体放电灯、发光二极管LED、激光等辐射源。它们除用作光源外，也作为辐射度量测量和量值传递的标准，用来测量或标定测量系统的性能参数。发射已知光谱的线谱光源，常常用作波长标定的标准源，因而，光源在光辐射测量中占有很重要的地位。,2.4.3 人工辐射源,光辐射测量中所使用的光源种类繁多，除了黑体辐射源外，常用的有白炽灯、气体放电灯、发光二极管LED、激光等辐射源。它们除用作光源外，也作为辐射度量测量和量值传递的标准，用来测量或标定测量系统的性能参数。发射已知光谱的线谱光源，常常用作波长标定的标准源，因而，光源在光辐射测量中占有很重要的地位。,2.4.3 人工辐射源,光辐射测量中所使用的光源种类繁多，除了黑体辐射源外，常用的有白炽灯、气体放电灯、发光二极管LED、激光等辐射源。它们除用作光源外，也作为辐射度量测量和量值传递的标准，用来测量或标定测量系统的性能参数。发射已知光谱的线谱光源，常常用作波长标定的标准源，因而，光源在光辐射测量中占有很重要的地位。,2.4.3 人工辐射源,(1) 白炽灯 白炽灯是光辐射测量中最普遍的光源之一。白炽灯发射连续光谱, 在可见光谱段中部与黑体辐射分布相差约0.5%，而在整个可见谱段内与黑体辐射分布平均相差2%。然而, 白炽灯在使用和量值传递上却是十分方便的，且其发射特性稳定，寿命长，因而广泛被用作各种辐射度量的标准光源。 常用作光源和标准光源的白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和各种卤钨灯，白炽灯实用只用作0.252.6m的紫外、可见和近红外的光谱辐照度、光谱辐亮度的标准灯以及光度标准灯。,2.4.3 人工辐射源,(2) 气体放电灯 气体放电灯是一种用途十分广泛的光源，尤其是近二三十年里，各种新型气体放电灯相继问世，且发展很快。 根据工作气压不同，可把气体放电分成低压、高压和超高压三大类。低压放电工作气压大致在10-2102Pa之间，高压放电在10210Pa之间，而超高压灯工作气压则在10Pa以上。 在光辐射测量中，由于低压气体放电灯属于原子发光，发射线光谱，故主要用作波长标准灯和单色灯。按照充气和金属蒸汽压的不同，有发射出各种单色谱线的灯，如低压汞灯、低压钠灯、氦灯、镉灯等。,常用气体放电灯的种类、性能