第1章 光輻射與光源

1、 牛頓牛頓 惠更斯惠更斯背景知識麥克斯韋（麥克斯韋（1831-1879） 1860年麥克斯韋年麥克斯韋（C.Maxwell)提出光是提出光是電磁波的理論。光在傳電磁波的理論。光在傳播時表現(xiàn)出波動性，如播時表現(xiàn)出波動性，如光的干涉、衍射、偏振、光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。反射、折射。 普朗克（普朗克（1858-1947） 1900年年,普朗克（普朗克（Max. Planck)提出了輻射的量子提出了輻射的量子論，將諧振子所發(fā)射或吸論，將諧振子所發(fā)射或吸收的電磁輻射能量加以量收的電磁輻射能量加以量子化，他稱呼這種離散能子化，他稱呼這種離散能量為量子。量為量子。按愛因斯坦理論，光子能量按愛因斯坦

2、理論，光子能量 式中，式中， 為普為普朗克常數(shù)，真空光速朗克常數(shù)，真空光速 /hch sJh3410626. 6smc/1099792458. 28 光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光子流。子流。1905年，愛因斯坦（年，愛因斯坦（Albert. Einstein)將量子論用于光電將量子論用于光電效應(yīng)之中，提出光子理論。效應(yīng)之中，提出光子理論。電磁波譜光學(xué)譜區(qū)光學(xué)譜區(qū) 整個電磁波譜，波長從整個電磁波譜，波長從10-101014m，包括宇宙射線（包括宇宙射線（10-1010-8m）、）、射線射線（10-4m）、）、x射線（射線（10-2m）、紫外）、紫外線（

3、線（210-20.40m）、可見光）、可見光（0.76m）、紅外光（）、紅外光（103m）、微波）、微波（106m）、無線電波（）、無線電波（1011m）、長）、長波電振蕩（波電振蕩（1014m）。）。 我們只研究光輻射波段（極遠(yuǎn)紫外我們只研究光輻射波段（極遠(yuǎn)紫外（0.1650.26）、遠(yuǎn)紫外（）、遠(yuǎn)紫外（0.30）、）、近紫外（近紫外（0.40）、）、紫（紫（0.455）、）、藍(lán)藍(lán)（0.492）、）、青（青（0.535）、）、綠綠（0.577）、）、黃（黃（0.597）、）、橙橙（0.622）、）、紅（紅（0.76）、）、近紅外近紅外（1.5）、中紅外（）、中紅外（6）、遠(yuǎn)紅外）、遠(yuǎn)紅外（4

4、0）、極遠(yuǎn)紅外（）、極遠(yuǎn)紅外（103）。）。單位（單位（m）光學(xué)譜區(qū)輻射類型波長(m)波長近似尺度頻率(Hz)針尖針尖 單細(xì)胞生物單細(xì)胞生物 分子分子 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(jī)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，都要使使用光學(xué)透鏡用光學(xué)透鏡 在光學(xué)中，用來定量的描述光輻射在光學(xué)中，用來定量的描述光輻射強(qiáng)度的量有兩類：強(qiáng)度的量有兩類： 輻射度學(xué)量輻射度學(xué)量，是用能量單位描述光輻射，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；能的客觀物理量； 光度學(xué)量光度學(xué)量，是描述光

5、輻射能為平均人眼，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(qiáng)度，即接收所引起的視覺刺激大小的強(qiáng)度，即光度學(xué)量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性的人光度學(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，它與人的眼所接收到的輻射量的度量，它與人的生理學(xué)生理學(xué)、心理學(xué)心理學(xué)特性直接相關(guān)。特性直接相關(guān)。 輻射度參量一般用下腳標(biāo)輻射度參量一般用下腳標(biāo)e e表示，光度表示，光度學(xué)參量則用下腳標(biāo)學(xué)參量則用下腳標(biāo)v v表示。表示。 還有一種與人的生理特性相聯(lián)系的描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)，叫做述輻射量的量度系統(tǒng)，叫做色度學(xué)色度學(xué)，它將，它將電磁輻射與人的眼睛的顏色視覺特性相聯(lián)電磁

6、輻射與人的眼睛的顏色視覺特性相聯(lián)系。系。1 輻射能輻射能 Q Qe e 一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位：焦耳受的能量。單位：焦耳J2 輻射通量輻射通量e是輻射能的時間變化率，單位時間內(nèi)通過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，又稱一定面積發(fā)射、傳播或接受的能量，又稱輻射功率輻射功率Pe。單位：瓦。單位：瓦3 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 Ie 點輻射源在給定方向上通過單位立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：體角內(nèi)的輻射通量。單位：W Sr-1deddSSdPIdd 立體角立體角是以圓錐體的頂點為球心半徑為1的

7、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 其中為dS 與投影面積 dA的夾角，R為O 到dS中心的距離。2cosRdSd 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4空間.) 同理，半球所對應(yīng)的立體角為2空間。2RS4422RR 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

8、即可。ddrdSsin2dddsinddSdS 由輻射強(qiáng)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(qiáng)度I是常量，有4PI 4 輻射照度輻射照度 Ee 投射在單位面積上的輻射通量。單位：投射在單位面積上的輻射通量。單位：W m-25 輻射出射度輻射出射度 Me 擴(kuò)展輻射源單位面積所輻射的通量擴(kuò)展輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：W m-26 輻射亮度輻射亮度 Le 輻射表面給定方向上單位投影面積輻射表面給定方向上單位投影面積內(nèi)發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：內(nèi)發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：W m-2

9、Sr-1cosdddcosdd2SSIL7 光譜輻射量光譜輻射量 也稱輻射量的也稱輻射量的光譜輻射密度光譜輻射密度。由于輻射。由于輻射源發(fā)出的光輻射由許多不同波長的單色輻射源發(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。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，光譜輻射量是輻射量隨波長的變化率，是波長的函數(shù)是波長的函數(shù)。即。即單位波長間隔內(nèi)的輻射物單位波長間隔內(nèi)的輻射物理量理量輻射一般由各種波長組成，每種波長的輻輻射一般由各種波長組成，每種波長的輻通量各不

10、相同?？偟妮椡繛楦鱾€組成波通量各不相同?？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長的輻通量的總和。下圖為某輻通量的連續(xù)分布曲線。續(xù)分布曲線。 光譜輻射通量光譜輻射通量 ddee)(dee)(0光譜輻照度光譜輻照度ddEEee)(光譜光譜輻射出射度輻射出射度ddMMee)(光譜光譜輻射亮度輻射亮度ddLLee)(一般的有一般的有dxxddxxeeee)(,)(0 表表11 基本輻射度量的名稱、符號和定義方程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e瓦特W輻射強(qiáng)度e瓦特球面度Wsr-1輻射亮度e 瓦特球面度平方米Wm-2 sr

11、-1輻射出射度e瓦特平方米Wm-2輻射照度e瓦特平方米Wm-2dtdQeddIeedsdEeedsdMeecos2dsddLee 1 1、光譜光視效率、光譜光視效率V V（ ） 視神經(jīng)對各種不同波長的光的感光靈敏視神經(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，對度是不一樣的。人眼對綠光感光最靈敏，對紅光、藍(lán)光靈敏度較低。人眼對各種波長光紅光、藍(lán)光靈敏度較低。人眼對各種波長光的平均相對靈敏度，稱之為的平均相對靈敏度，稱之為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者者”的的光譜光視效率光譜光視效率，或稱，或稱視見函數(shù)視見函數(shù) 。人眼的感光細(xì)胞：桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞人眼的感光細(xì)胞：桿狀細(xì)胞和錐

12、狀細(xì)胞 明視覺光譜光視效率明視覺光譜光視效率 亮度大于亮度大于3 cd m-2時的視覺主要由時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的錐體細(xì)胞的刺激所人眼視網(wǎng)膜上分布的錐體細(xì)胞的刺激所引起。引起。V（）的最大值在）的最大值在555nm處。處。 亮度小于亮度小于0.001 cd m-2時的暗視覺光時的暗視覺光譜光視效率，用譜光視效率，用表示表示 ，此時視覺，此時視覺主要由桿體細(xì)胞的刺激所引起，主要由桿體細(xì)胞的刺激所引起， 的的最大值在最大值在507nm處。處。 V V暗視覺光譜光視效率暗視覺光譜光視效率2、光度學(xué)的物理量、光度學(xué)的物理量 光度量和輻射度量的定義、方程是一光度量和輻射度量的定義、方程是一 一

13、對應(yīng)的。所不同的只是光度量只適用于一對應(yīng)的。所不同的只是光度量只適用于可見光區(qū)段（可見光區(qū)段（0.40 0.78m），），而光輻而光輻射度量在整個電磁波譜范圍內(nèi)都有意義。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應(yīng)的光輻射度量乘以光譜光視效率表示。 光譜光視效率光譜光視效率V()曲線曲線明視覺明視覺 emVkdVkem)()(78.038.0dVkem)()(78. 038. 0 式中式中K Km m稱稱明視覺明視覺最大光譜光視效能最大光譜光視效能，它表，它表示人眼對波長為示人眼對波長為555555n

14、mnm波長的光輻射產(chǎn)生的光波長的光輻射產(chǎn)生的光感覺，其值為感覺，其值為683683lm/Wlm/W，亦稱亦稱光功當(dāng)量光功當(dāng)量。 光度學(xué)中光度學(xué)中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度的單的單位位坎德拉坎德拉（cdcd）, ,它是國際單位制中七它是國際單位制中七個基本單位之一，理論性定義，個基本單位之一，理論性定義，其定義是其定義是發(fā)出頻率為發(fā)出頻率為54054010101212HzHz（波長為波長為555555nmnm）的的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為（1/6831/683）W/W/SrSr時，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度時，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為為1 1

15、cdcd。 最早定義是最早定義是1米燭光米燭光：將一磅鯨魚油脂：將一磅鯨魚油脂制成六支蠟燭，以每小時制成六支蠟燭，以每小時120格令的速度燃格令的速度燃燒時，在水平方向的發(fā)光強(qiáng)度為燒時，在水平方向的發(fā)光強(qiáng)度為1燭光。燭光。（此時在距蠟燭（此時在距蠟燭1米處的照度是米處的照度是1 lx）,上述定上述定義中的格令為質(zhì)量單位從這個定義可以看義中的格令為質(zhì)量單位從這個定義可以看出，發(fā)光強(qiáng)度不僅與燃料有關(guān)，而且還與燈出，發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)以后用標(biāo)準(zhǔn)燈來復(fù)

16、現(xiàn)與保持發(fā)光強(qiáng)度單位，稱度單位，稱“國際燭光國際燭光”，但復(fù)現(xiàn)度不，但復(fù)現(xiàn)度不高。以后以鉑凝固點黑體作為光度原始高。以后以鉑凝固點黑體作為光度原始標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其亮度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其亮度為60熙提（熙提（1熙提熙提=1燭光燭光/厘米），這種發(fā)光強(qiáng)度單位稱厘米），這種發(fā)光強(qiáng)度單位稱坎坎德拉德拉（cd） 操作性定義：在操作性定義：在101325牛頓牛頓/平方平方米的壓力下，處于米的壓力下，處于鉑凝固溫度鉑凝固溫度的絕對的絕對黑體（黑體（2024K）的的1/600000平方米表平方米表面在垂直方向（法線）上的面在垂直方向（法線）上的發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度為為1cd。1坎就是坎就是在單位立體角內(nèi)發(fā)出在單位立體角內(nèi)

17、發(fā)出1流明的光流明的光。 名稱符號單位符號光量Qv流明秒lms光通量 v流明lm發(fā)光強(qiáng)度v坎德拉cd光亮度v坎每平方米 cdm-2光出射度v流每平方米lmm-2光照度（光強(qiáng)度）v勒克司Lx表表12 常用光度學(xué)量的名稱、符號與單位常用光度學(xué)量的名稱、符號與單位耗電量 8W1. 熱輻射熱輻射(heat radiation)： 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。 輻射能量按輻射能量按頻率的分布頻率的分布隨隨溫度溫度而變而變 2. 熱輻射的基本性質(zhì)熱輻射的基本性質(zhì) 任何物體任何物體(氣、液、固氣、液、固)

18、在任何溫度下在任何溫度下 都有都有熱輻射熱輻射； 熱輻射是熱輻射是連續(xù)光譜連續(xù)光譜 各種各種頻率頻率都有，但都有，但強(qiáng)度強(qiáng)度不同；不同； 輻射總功率輻射總功率(單位時間輻射總能單位時間輻射總能)和和T有關(guān)有關(guān) T (輻射的能量輻射的能量) 熱輻射按頻率熱輻射按頻率(波長波長)的分布和的分布和T有關(guān)有關(guān) T 短波長的電磁波的比例短波長的電磁波的比例 。 紅外輻射熱象圖紅外輻射熱象圖 煉鋼的熱輻射煉鋼的熱輻射例如，加熱鐵塊，隨著溫度的升高，由開始發(fā)光暗紅橙色蘭白色。 逐漸升溫逐漸升溫 3. 平衡熱輻射平衡熱輻射 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)，物物體體輻射的能量輻射的

19、能量等于在同一時間內(nèi)所等于在同一時間內(nèi)所吸吸收的能量收的能量，物體達(dá)到，物體達(dá)到熱平衡熱平衡，這種熱輻射就稱為平衡熱輻射平衡熱輻射。 輻射達(dá)到平衡時， 物體具有固定的溫度。 以下只討論以下只討論平衡熱輻射平衡熱輻射。 4. 光譜輻射出射度光譜輻射出射度M 也稱也稱單色輻射出射度單色輻射出射度。 M定義：定義： 單位時間內(nèi)從單位時間內(nèi)從 物體單位表面發(fā)出的物體單位表面發(fā)出的 波長在波長在 附近附近單位波長間隔單位波長間隔內(nèi)的內(nèi)的 電磁波的輻射通量電磁波的輻射通量M dMd= T單位面積單位面積（單位時間內(nèi)）（單位時間內(nèi)）dM(+d)5. 輻射本領(lǐng)輻射本領(lǐng)(輻射出射度輻射出射度) 在單位時間內(nèi)從物

20、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Wm-2 M(T) 和和T有關(guān)；有關(guān)； 和和發(fā)射體材料及表面情況發(fā)射體材料及表面情況有關(guān)。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0)d()(d)(TMTMTM 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. 吸收比和反射比吸收比和反射比 ( ，T ) + ( , ,T )=1 7. 發(fā)射率發(fā)射率 物體的輻射本領(lǐng)物體的輻射本領(lǐng) 與絕對黑體的輻射本領(lǐng)與

21、絕對黑體的輻射本領(lǐng) 之比之比 T,TMe,TMeb,TMTMTebe, 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. 絕對黑體絕對黑體(blackbody)： 對于絕對黑體 0 0( ，T ) = 1 0 0( ，T ) = 0 0 對于平衡熱輻射，物體輻射的能量對于平衡熱輻射，物體輻射的能量和吸收的能量相同，因此和吸收的能量相同，因此 黑體也能輻射各種頻率的電磁波黑體也能輻射各種頻率的電磁波 它的輻射本領(lǐng)最大它的輻射本領(lǐng)最大(和非黑體相比和非黑體相比) , 且且與組成黑體的材料無關(guān)與組成黑體的材料無關(guān) 研究熱輻射規(guī)律，應(yīng)利用研究熱輻射規(guī)律，應(yīng)利用M 與材與材料

22、及表面狀態(tài)無關(guān)的物體。料及表面狀態(tài)無關(guān)的物體。實驗表明：實驗表明：一個好的吸收體一個好的吸收體 也是一個好的發(fā)射體也是一個好的發(fā)射體 室溫下，反射光室溫下，反射光 1100K，自身輻射光，自身輻射光一個黑白花盤子的兩張照片一個黑白花盤子的兩張照片 不透明材料空腔不透明材料空腔開一個小孔。小孔開一個小孔。小孔面積遠(yuǎn)小于空腔內(nèi)面積遠(yuǎn)小于空腔內(nèi)表面積，射入的電表面積，射入的電磁波能量幾乎全被吸收。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小孔能完全吸收各種頻率的入射電磁波而成為而成為模擬黑體模擬黑體。 O打開的窗子打開的窗子近似黑體近似黑體實驗裝置實驗裝置 黑體黑體 熱電偶熱電偶 測

23、測 M (T )光柵光譜儀光柵光譜儀T實驗曲線特點：實驗曲線特點： 1、是連續(xù)譜、是連續(xù)譜 2、M和和 、T有關(guān)有關(guān) 3、每條曲線有一極值頻率、每條曲線有一極值頻率 m (極值波長極值波長 m) T m m 4、曲線下面積即為、曲線下面積即為M ，隨，隨T單單調(diào)增加。調(diào)增加。 1. 余弦定律余弦定律 對理想漫射表面：對理想漫射表面：在任意發(fā)射（漫射、透在任意發(fā)射（漫射、透射）方向上輻射亮度不變。射）方向上輻射亮度不變。即對任意即對任意角角Le為定值。為定值。通常把具有這種表面的物體叫通常把具有這種表面的物體叫朗伯輻射體朗伯輻射體。 在朗伯輻射體表面上任取一面元在朗伯輻射體表面上任取一面元ds，

24、由輻亮度的定義，在法線方向上如其輻由輻亮度的定義，在法線方向上如其輻射強(qiáng)度為射強(qiáng)度為I0，則其輻亮度為，則其輻亮度為dsILe0cosdsILe而沿與表面成而沿與表面成角方向，則角方向，則所以cos0II 2. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 在任一給定溫度的熱平衡條件下，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)任何物體的光譜輻射發(fā)射本領(lǐng) 和吸收率和吸收率 的比值與的比值與物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只是波長及溫度的物質(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普適函數(shù)，且恒等于同溫度下絕對黑體的輻射本領(lǐng)。體的輻射本領(lǐng)。T,TMeb,),(),()(),()(2211TITTM

25、TTM)(),()(TMTTMo 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任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比, ,等于等于同一溫度絕對黑體的單色輻出度同一溫度絕對黑體的單色輻出度,即基爾霍夫定律。TTMTMeeb,TMTMTebe,TT,由基爾霍夫定律由基爾霍夫定律所以，強(qiáng)吸收體必然是強(qiáng)發(fā)射體。所以，強(qiáng)吸收體必然是強(qiáng)發(fā)射體。 由物體發(fā)射率定義由物體發(fā)射率定義 在光電技術(shù)中，光源往往起著關(guān)鍵的在光電技術(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)，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

26、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)鍵統(tǒng)和解決具體光電檢測問題時成功的關(guān)鍵之一。之一。 1. 輻射效率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率 在給定的在給定的12波長范圍內(nèi)，光源發(fā)出的波長范圍內(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)的輻射效率比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。所以：。所以：我們應(yīng)盡量選用輻射效率較高的光源。我們應(yīng)盡量選用輻射效率較高的光源。 PdPeee21 PdVkPemvv760400在可見光范圍，發(fā)光效率定義為：在可見光范圍，發(fā)光效率定義為： 表表13 常見

27、光源的發(fā)光效率常見光源的發(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 818高壓汞燈3040鹵鎢燈1430高壓鈉燈90100普通熒光燈3560球形氙燈3040三基色熒光燈5590金屬鹵化物燈6080LED燈100150激光1702. 光譜功率分布光譜功率分布 自然光源和人造光源大都是由單色光組成自然光源和人造光源大都是由單色光組成的的復(fù)色光復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用的光譜功率，常用光譜功率分布光譜功率分布來描述。若令來描述。若令其最大值為其最大值為1，將光譜功率分布進(jìn)行，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化歸一化，那

28、，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜相對光譜功率分布功率分布。 常見的有常見的有4種光譜分布：種光譜分布：線狀：線狀： 原子光譜原子光譜帶狀：帶狀： 分子光譜分子光譜連續(xù)譜連續(xù)譜 熱光源光譜熱光源光譜混合譜混合譜 冷光源光譜，如熒光燈等冷光源光譜，如熒光燈等3. 空間光強(qiáng)分布空間光強(qiáng)分布 對于對于各向異性各向異性光源，其光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不同的間各方向上是不同的。若在空間某一截面。若在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。

29、將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)發(fā)光強(qiáng)度曲線光強(qiáng)度曲線，即，即配光曲線配光曲線。 在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。為了進(jìn)一步利用背面方向的光輻射，還可為了進(jìn)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，反光罩的焦以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點位于光源的點位于光源的發(fā)光中心發(fā)光中心上。上。 某超高壓球形氙燈的配光曲線某超高壓球形氙燈的配光曲線4. 光源的色溫光源的色溫 黑體的溫度決定了它的黑體的溫度決定了它的光輻射特性光

30、輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w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，輻射特性來近似地表示。對于一般光源，經(jīng)常用經(jīng)常用分布溫度分布溫度、色溫色溫或或相關(guān)色溫相關(guān)色溫表示表示 (1)分布溫度分布溫度 輻射源在輻射源在某一波長范圍內(nèi)某一波長范圍內(nèi)輻射的輻射的相對相對光譜功率分布光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布的相對光譜功率分布一致一致，那么，那么該黑體的該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度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

31、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。 光源的顏色包含了兩方面的含義，即光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表色表和和顯色性顯色性。用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱。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，熒為光源的色表。例如高壓鈉燈

32、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，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)的顏色物體呈現(xiàn)的顏色(也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺的顏色感覺)與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性的顏色的一致性，稱為，稱為該光源的顯色性該光源的顯色性。國際照。國際照明委員會明委員會(CIE)規(guī)定了規(guī)定了1 4種特殊物體作為檢驗光種特殊物體作為檢驗光源顯色性的源顯色性的“試驗色試驗色”。在我們國家標(biāo)準(zhǔn)中，增在我們國家標(biāo)準(zhǔn)中，增加了我國女性面部膚色的色樣，作為第加了我國女性面部膚色的色樣，作為第1 5種種“試

33、試驗色驗色”。 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。1.1.對光源發(fā)光光譜特性的要求對光源發(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。源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的需要。

34、按照檢測任務(wù)的不同，要求的光譜范圍亦不同，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。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)在選擇光源時給以系統(tǒng)對光譜范圍的要求都應(yīng)在選擇光源時給以滿足。滿足。 00ddS 為增大光電檢測系統(tǒng)的信號和信噪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，以此描述譜匹配系數(shù)的概念，以此描述兩者之間兩者之間光譜特性的重合程度或一致性光譜特性的重合程度或一致

35、性。光譜匹光譜匹配系數(shù)配系數(shù)a定義為定義為 式中式中 為波長為波長附近單位波長區(qū)間的光附近單位波長區(qū)間的光輻射通量，即光譜輻射通量；輻射通量，即光譜輻射通量； 是光電是光電探測器靈敏度（波長的函數(shù)）。探測器靈敏度（波長的函數(shù)）。實際選實際選擇時，應(yīng)綜合兼顧二者的特性，使匹配擇時，應(yīng)綜合兼顧二者的特性，使匹配系數(shù)系數(shù)盡量大，以充分利用光源。盡量大，以充分利用光源。 S2. 對光源發(fā)光強(qiáng)度的要求對光源發(fā)光強(qiáng)度的要求 應(yīng)能保證光電探測系統(tǒng)正常工作。過應(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，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)?？赡艹霈F(xiàn)非線性，損壞系

36、統(tǒng)。 3. 對光源穩(wěn)定性的要求對光源穩(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、脈沖峰值穩(wěn)定；對相位檢測，與前同；對光量（通量、照度、強(qiáng)度等）檢測，要求光照無量（通量、照度、強(qiáng)度等）檢測，要求光照無脈動。脈動。4. 其它方面的要求其它方面的要求 如燈絲的結(jié)構(gòu)與形狀；如燈絲的結(jié)構(gòu)與形狀；發(fā)光面積的大小及發(fā)光面積的大小及構(gòu)成構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀及均勻性燈泡玻殼的形狀及均勻性；光源發(fā)光效光源發(fā)光效率及空間強(qiáng)度分布等率及空間強(qiáng)度分布等。 表表14 地面景物的自然照度地面景物的自然照度 天空情況 照度（lx） 天空情況