第三章 光辐射与光源

1、辐射能Qep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 ep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）。辐射强度Iep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）。辐射照度Eep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Mep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）。辐射亮度Lep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）。光谱辐射量p光谱辐射通量e

2、()：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）。光谱光视效率p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()。光度的基本物理量辐射本领M(, T)p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)p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。绝对黑体p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)p发射率定义为物体的辐射本领M(, T) 与绝对黑体辐射本领Mb(, T)之比 。基尔

3、霍夫定律p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。兰伯特定律p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cosNLL 距离平方反比定律p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。亮度守恒定律p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。普朗克定律p黑体光谱辐射出射度与波长、绝对温度之间的关系式。25/21( , )1e

4、bhc k ThcMTe维恩位移定律p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。255,5/28981( , )12898eb mCC TMTbTe斯忒藩波尔兹曼定律p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。40,ebMMT dT辐射效率p在给定12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p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。常用光源的发光效率光源种类光源种类发光效率发光效率(lm/W) 光源种类光源种类发光效率发光效率(lm/W)普通钨丝灯普通钨丝灯818高压汞灯高压汞灯3040卤钨灯卤钨

5、灯1430高压钠灯高压钠灯90100普通荧光灯普通荧光灯3560球形氙灯球形氙灯3040三基色荧光灯三基色荧光灯5590金属卤化物灯金属卤化物灯6080光谱功率分布p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。p相对光谱功率分布：归一化后的光谱分布。空间光强分布p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. 选择照明方向选择照明方向 b. 使用背光罩使用背光罩光源的色温p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。p色

6、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。光源的色温p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。光源的颜色p色表：用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为色表。p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。对人工光源的要求p原则：光源发光的光谱特性必须满足检测系统的需要。 p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p对光源发光强度的要求：在系统设计

7、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。p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。对自然光源的要求p不同自然光照在不同条件下的大致数量范围天空情况天空情况照度（照度（lx）天空情况天空情况照度（照度（lx）阳光直射阳光直射11.3105暗晨昏朦影暗晨昏朦影1日间晴天日间晴天12104满月满月10-1阴天阴天103上、下弦月上、下弦月10-2浓云白天浓云白天102无月晴空无月晴空10-3晨昏朦影晨昏朦影10无月阴空无月阴空10-4p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。p星等数愈大，对地面的照度愈弱。p零等星对地面的照

8、度为2.6510-6lx。p各星等间每差五等，其照度差100倍。p比零等星更亮的星为负数，星等可以是非整数。p各自然辐射源的星等和地面的照度p比较人造光源与自然光源光源及条件光源及条件光亮度光亮度(cd/m2)光源及条件光源及条件光亮度光亮度(cd/m2)太阳太阳(大气外大气外)1.91092500K黑体黑体5.3106太阳太阳(海平面海平面)1.6109200W钨丝灯钨丝灯1.33107月亮月亮2.5103碘钨灯碘钨灯5107天空天空(夏平均夏平均)5103碳弧灯碳弧灯1.8108天空天空(秋平均秋平均)3103超高压汞灯超高压汞灯108109氖灯氖灯103超高压氙灯超高压氙灯1010低压汞

9、灯低压汞灯2310410000K黑体黑体1.121010钠光灯钠光灯12105球形脉冲氙灯球形脉冲氙灯101150W钨丝灯钨丝灯4.08106乙炔焰乙炔焰8104热辐射光源p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。p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。p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。人造黑体辐射源p波长范围：0.75m2.5 m 0.75m6 mp工作温度：大多2000K以下，最高3000K 白炽灯p连续光谱，在可见光中部和黑体辐射曲线相近。p灯丝的热电阻远大于冷态时的电阻。气体放电光源p利用气体放电原理制成

10、的光源称为气体放电光源。p发光效率高，结构紧凑，寿命长，光色适应性强。 种类种类主要性能主要性能应用应用1.汞灯汞灯 (1) 低压汞灯低压汞灯 a 冷阴极辉光放电灯冷阴极辉光放电灯 b 热阴极弧光放电灯热阴极弧光放电灯辐射强的辐射强的253.7nm远紫外远紫外线线杀菌、荧光分析杀菌、荧光分析光谱仪波长基准光谱仪波长基准 c 荧光灯荧光灯 253.7nm激光荧光分发光激光荧光分发光室内照明室内照明 (2) 高压汞灯高压汞灯 a 紫外线高压汞灯紫外线高压汞灯 主要辐射波长主要辐射波长365.0nm的的近紫外线近紫外线保健理疗、塑料和橡保健理疗、塑料和橡胶试验、荧光分析胶试验、荧光分析 b 仪器高压

11、汞灯仪器高压汞灯光刻机、光学仪器光刻机、光学仪器 c 普通高压汞灯普通高压汞灯 辐射辐射404.7nm、435.8nm、546.1nm、577nm等光谱等光谱大面积照明大面积照明 d 荧光高压汞灯荧光高压汞灯汞的可见光谱，汞的可见光谱，365nm激激发的荧光辐射发的荧光辐射厂矿照明厂矿照明 (3) 超高压汞灯超高压汞灯紫外可见辐射丰富、亮度紫外可见辐射丰富、亮度高高荧光分析、光刻、光荧光分析、光刻、光学仪器学仪器固体发光光源p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。p用途：全固化光源，全固化显示p分类：三种形式：p粉末：交流粉末；直流粉末。p薄膜：高分辨率，成

12、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。p发光二级管。激光器p工作原理p 组成：工作性质，谐振腔，泵浦源p 产生的必要条件：粒子数反转分布，减少振荡模式数；p产生的充分条件：阈值条件，增益饱和效应。气体激光器pHe-Ne 激光器 : 632.8nm 1.15m 3.39m，1mw数10mwp氩离子激光器 452.9nm 476.5nm 496.5nm 488nm 514.5nm；其中488和514.5nm最强，占80%pCO2激光器 co2+N2+He： 分子气体激光器，911m，典型：10.6mp用途金属材料的切割和热处理，宝石加工，手术治疗固定激光器工作物质：具有特殊能力的高质量