光电技术与试验 第1章 光辐射与光源_光源

色温低
问题：
1. 发出连续光谱的白炽灯 2. 发出带状光谱的光源
同色异谱
同色异谱
白光
即同一色温可由不同的光谱能量 分 布构成
荧光灯谱线
红绿蓝
（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)。
第1章 光辐射与光源 ——光源
王 霞 副教授
北京理工大学光电学院 光电成像与信息工程研究所
第1章 光辐射与光源
1.1 辐射的基本概念 1.1.1 辐射度量 1.1.2 光度量 1.1.3 朗伯辐射体及其辐射特性 1.1.4 典型光辐射量计算 1.2 热辐射基本定律 1.2.1 基本定律 1.2.2辐亮度和基本辐亮度守恒 1.3 光源基本特性参数和光源的 选择 1.3.1 光源基本特性参数 1.3.2 光源的选择 1.3.3 光源的分类 1.4 常用光源 1.5 标准照明体和标准光源

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。
L( , T ) ( , T ) L0 ( , T ) L0 ( , Tb )
（3）辐亮度温度
若c2/T>>1，用维恩近似公式，有
( , T )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱe
Φe 100 0 0 P
v
Φv P
辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm· W-1]。
对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率
Φ d 1 e 100 0 P
2
e
0
2. 光谱功率分布
光源发出的大都是单色光组成的复色光，而且在不同 频率上辐射出的光功率大小不同。常用光谱功率分布 来描述光功率和频率的这种关系，经过归一化后的光 功率分布称为相对光谱功率分布。如果被考虑的光源 是一个黑体，它的光谱功率分布可以用普朗克公式计 算出来。 在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要 求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐 射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得 较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤 钨灯、氙灯等，在紫外光光度计中，通常使用氙灯、 汞氙灯等紫外辐射较强的光源。
光辐射源分类:
自然光源 人工光源
介绍：
--被动探测系统
--主动探测系统
热辐射光源 气体放电光源 激光器 发光二极管
1.3.1 光源的基本特性参数
1 辐(射)效率与发光效率 光源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给光源的功率P之比 称为光源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与提供的功 率P之比称为发光效率ηv。它们分别为
（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 1 一点对应的黑体温度就 6 MRD 10 是发射体的色温。 T 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)。
4. 光源的颜色
光源的颜色包含两方面的含义，即色表和显色性。 用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例 如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。 当光源照射物体时，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体照射下 所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。白炽灯、 卤钨灯等几种光源的显色性较好，使用于辨色要求较高的 场合，如彩色电影、彩色电视的拍摄和放映、燃料、彩色 印刷等行业。
T Tb / 4 (T )
式中， (T)是材料的平均发射率。 同样，因为 (T)总小于1，故T >Tb。 (T)越接近1，T 和Tb在数值上越接近。
1.3.2 光源选择的基本要求
1）对光源发光光谱特性的要求 一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要。 为增大光电检测系统的信号和信噪比，这里引入光源和光 电探测器之间光谱匹配系数的概念，以此描述两光谱特性间 的重合程度或一致性。光谱匹配系数α定义为：
c2 c c ) 15 exp( 2 ) T Tb 1 1 1 ln[ ] Tb T c2 ( , T ) exp( 5 c1
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。
M ( ) 2 } d min aM 0 ( , Tb ) a , Tb
（1） 分布温度
并非所有的光源都可求其分布温度，例如线状或带状 的不连续光谱光源，其光谱辐射特性与黑体相差很大，求 出的分布温度已没有实际意义。故一般仅限于光源光谱能 量分布和黑体的相差不大于5％的情况。 灰体的分布温度就是其真实 温度, 但是对于发射率是波长函 数的发射体, 分布温度和其真实 温度有所差别。例如白炽灯, 由 于钨的发射率在短波部分比在 长波部分高, 由维恩位移定律， L(, T) 的光谱辐亮度曲线将和 峰值波长为m、温度为T1(>T)的 黑体光谱辐射出射度成比例。
（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。
如果热辐射光源发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。
色温的意义
在一定温度下，黑体 的光谱辐射分布曲线 是唯一的。 －－比较基准
色温的实例
太阳：
太阳的色温 -- 5900K
色温图
色 温 升 高
色温与生活
色温高
沉稳、恬静的人适合 选择6500～9000K的 色温 热情奔放的人适于选 用4000～5600K的色温
的辐射。通常把发出可见光为主的物体叫作光源，而把 发以非可见光为主的物体叫做辐射源。
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1.3.3 光源的分类
按照光波在时间、空间上的相位特征，一般将光源分成相 干光源、非相干光源还有低相干光源如图所示： 按照发光机理，光源又可以分成热辐射光源、气体发光光源、 固体发光光源和激光器四种。 1）热辐射光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的 光源。包括白炽灯和卤钨灯两种。 2）气体发光光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放 电而发光的光源。气体放电有弧光放电和辉光放电两种。 3）固体发光光源：电场作用下，使固体物质发光的光源，电能 直接转变为光能。包括场致发光光源和发光二极管（LED）两种。 4）激光器：按工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、 燃料激光器和半导体激光器。
亮度变化的比例，表征了辐射测温的灵敏度。 (b) 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。
（3）辐亮度温度
(c) 环境辐射的影响 在测量中，由于(,T) < 1，环境温度辐射也作为一个 辐射源在待测物体表面反射而进入测量系统, 因此环境温度 的影响必须考虑。假定辐射体为朗伯源时，则
5 辐射体的温度
一般地，各种发射辐射能的物体表面在不同 的温度下可能具有不同的光谱辐射特性，其发射 的辐射能比黑体发射的辐射能小，且发射率是波 长、温度的函数。在辐射度学和光度学及其应用 中，常常需要类似于黑体那样，用温度描述光源、 辐射体等的某些辐射特性。常用的有分布温度、 色温(相关色温)、亮温和辐射温度。
讨论：研究光辐射源的意义
光电探测系统的基本组成：
光源、光学系统、调制器、传输介质、光电探 测器和电子系统等基本环节。
讨论：研究光辐射源的意义
光辐射源
辐射强度 辐射光谱 ··· ···
光电探测器
灵 敏 度 响应光谱 ··· ···
光辐射源分类:
自然光源 人工光源
讨论： 举例说明
--被动探测系统 --主动探测系统
漆黑环境中的人和铁丝网的温差
温度低
温度高 －－自然光源，如太阳、导弹尾焰、人体等，可组成
被动探测系统，其信息源直接来自目标自身的辐射或外 来光辐射，它没有人为的光发射系统，如天文光电探测、 红外跟踪制导、微光夜视仪······
半 导 体 激 光 器
－－人工光源，如黑体辐射器、白炽灯、激光器等，
可组成主动探测系统，其信息源来自人造光源对目标的 反射、透射和散射等光辐射，它一般需要人为精心设计 光发射系统，如激光制导、光电精密微小尺寸测量、光 电磁场测量······
电。当要求较高时，可采用稳流电源供电，所用光源应预先
进行老化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然 后反馈控制光源的输出。计量用标准光源通常采用高精度仪 器控制下的稳流源供电
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4)对光源其它方面的要求 广义来说，任何发出光辐射的物体都可以叫作光辐
射源。这里所指的光辐射包括紫外光、可见光和红外光
（1） 分布温度
光源分布温度是在一定谱段范围内光源光谱辐亮度曲 线和黑体的光谱辐亮度曲线成比例或近似地成比例时的黑 体温度，因而分布温度可描述光源的光谱能量分布特性。 与黑体光谱能量分布近 似的发射体可用分布温度的 概念，例如白炽灯在可见谱 段内的光谱辐射特性和黑体 的十分近似。

2
1
{1
（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。
线状光谱 带状光谱
连续光谱 混合光谱
实验测得的He-Ne 激光谱线
－－带状光谱
实验中测得的溴钨灯谱线
－－连续光谱
实验中测得的荧光灯谱线
－－混合光谱
3. 空间光强分布
常用发光强度矢量和发光强度曲 线来描述光源的这种特性。在空 间某一截面上自原点向各径向取 矢量，矢量的长度与该方向的发 光强度成正比，称其为发光强度 矢量。将各矢量的端点连起来， 就得到光源在该截面上的发光强 度分布曲线，也称配光曲线。右 图是气体发光光源光强分布。
L( , T ) (1 ) L(, Ta ) L(, Tb )
当环境温度 Ta=T 时， Ta=T=Tb ，即测得辐亮度温度就是 辐射体的真实温度，与其发射率无关；反之，当TaT时，环 境温度对T的测量产生影响。越小，环境的影响就越大。
（4）辐射温度
辐射温度是在整个光辐射的谱段范围内的辐亮度与某 温度黑体辐亮度相等时黑体的温度，即 (T ) T 4 Tb4 ，解 之得
A1
W S d / W d
0 0
A2
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2）对光源发光强度的要求
为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的
光源或辐射源的强度有一定的要求 3）对光源稳定性的要求 不同的光电位测系统对光源的稳定性有着不同的要求。 稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供
（3）辐亮度温度
(a) 测温灵敏度
d L0 ( , T ) L0 ( , T ) d T c2 exp(c2 / T ) T T exp(c2 / T ) 1
d L0 ( , T ) c2 d T L0 ( , T ) T T
物理意义：c2/T表示辐射体单位相对温度变化引起相对辐