第二章热辐射定律以及辐射源

M vb (T ) C15e C2 / T
(1.3-6)
6.维恩位移定律 单色辐射出射度最大值对应的波长
mT 2897 .9(m K)
(1.3-7)
7.斯忒藩-玻尔兹曼定律
M vb (T ) T 4
(1.3-9)
其中 5.670 10 8 (J/m2 s K4 ) 为斯忒藩-玻尔兹曼常数。 斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只 与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。
在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比。对于不
透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即
(T ) (T ) 1
(1.3-1)
若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比 都等于1，即 (T) 1 ，则称该物体为绝对黑体（简称 黑体）。
2. 基尔霍夫辐射定律
• 标准光源是符合标准照明体光谱功率分布 的物理发光体。CIE先用相对光谱功率分布 定义了标准照明体，同时还规定了标准光 源，以实现标准照明体的相对光谱功率分 布。
标准照明体和标准光源
• 标准照明体：CIE规定的标准照明体是指特 定的光谱能量分布，是规定的光源颜色标 准。它并不是必须由一个光源直接提供， 也并不一定用某一光源来实现。为了实现 CIE规定的标准照明体的要求，还必须规定 标准光源，以具体实现标准照明体所要求 的光谱能量分布。
3. 普朗克公式
黑体处于温度T时，在波长 处的单色辐
射出射度由普朗克公式给出
2hc2 M vb (T ) 5 (ehc / kBT 1)
(1.3-3)
式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为 波尔兹曼常数。
40
2000K
单色 辐射 出射 度 Mvb(W/cm2m)
30
1800K
热辐射定律以及辐射源
第二章
热辐射基本定律
任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的 电磁波，这种由于物体中的分子、原子受 到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。 热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外 区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主 要决定于物体的温度。本节介绍热辐射的 一些基本定律。
1. 单色吸收比和单色反射比
20
1600K
10
1400K
1200K
1000K
0
0
1
2
3
4
5
6
(m)
图1-4 黑体辐射单色辐射出射度的波长分布
图 1-4为不 同 温度 条 件下 黑 体的 单 色辐 射 出射 度 （辐射亮度）随波长的变化曲线。可见：
⑴对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化， 且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而 温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出 射度（即曲线下的面积）。
常用激光器的类型
• 气体激光器 • 固体激光器 • 可调谐燃料激光器 • 半导体激光器
标准照明体和标准光源
• CIE（国际发光照明委员会）：原文为 Commission Internationale de L'Eclairage（法）
• 或International Commission on Illumination （英）。这个委员会创建的目的是要建立一套界 定和测量色彩的技术标准。可回溯到1930年， CIE标准一直沿用到数字视频时代，其中包括白 光标准（D65）和阴极射线管（CRT）内表面红、 绿、蓝三种磷光理论上的理想颜色。
任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐 射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能 量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则 还有一部分能量透射）。
吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸
收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比。
反射比：反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。
人工光的色温
光源 火柴光 蜡烛光
色 温（K） 光 源
色 温（K）
1700K
卤钨灯wenku.baidu.com
3200K左右
1850K
镝灯
5500K
白炽灯
（100W ～ 250W）
2600 ～ 1900K
白炽灯
（500W）
2900K
辐亮度温度
• 实际发射体在某一波长的光谱辐亮度和黑 体在某一温度同一波长下的光谱辅亮度相 同时，黑体温度为发射体的辅亮度温度。
• 灯泡点燃后需要稳定一段时间 • 灯泡进行老化处理：由于新的灯泡的辐射
通量变化较大 • 灯泡是非郎伯光源，其辐射特性与观测方
向有关 • 环境温度的影响
气体放电灯
• 电子与气体碰撞，受激电离，能级较高， 又回到了基态，发射出一定波长的光辐射
• 分成：低压、高压、超高压三类。 • 气体正常大气压下不导电，当气体的气压
8.色温
为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质， 常用到色温度这个量，单位为K。
色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的 辐射比率相同的黑体的温度。
色温度并非热辐射光源本身的温度。由于色温度 是按规定的两波长处的辐射比率来比较的，所以色温 度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定 的波长不同，色温度往往也不相同。至于非热辐射光 源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般 来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示 橙、红光的成分多些。
辐射源
• 人工标准黑体辐射源
自然光的色温
光源
色 温（K） 光 源
色 温（K）
日光
5500K
薄云遮日
7000
～
9000K
阳光（中午前后）5400K
阴天
6800
～
7500K
日出、日落时刻
2000 3000K
～ 晴朗的北方天空 10000K以上
日 出 后 日 落 前 1 3000
小时
4500K
～ 晴朗的南方天空 7500K左右
• CIE色品图，x坐标是红原色的比例，y坐标是绿原色的比例，代表蓝 原色的坐标z可由x＋y＋z＝1推出。图中弧线上的各点代表纯光谱色， 此弧线称为光谱轨迹。从400纳米(紫)到700纳米(红)的直线是光谱上 没有的紫-红颜色系列(非光谱色)。中心点C代表白色，相当于中午太 阳光的颜色，其色品坐标为 x＝0.3101，y＝0.3162。色品图上任给 一点S，就可立刻得到S点所代表的颜色的色调和饱和度。连结CS， 其延长线交光谱轨迹于O点， O点处的波长即颜色S的主波长，决定 了颜色S的色调。从C到S点和O点的距离之比CS／CO为该颜色的饱 和度。从光谱轨迹上任一点通过C点引一直线到达对侧光谱轨迹上的 另一点，则该直线两端的颜色互为补色。从代表非光谱色系列的直线 上任一点P通过C点引一直线，交光谱轨迹于Q点，Q点的颜色是P点 非光谱色的补色。非光谱色的表示方法是在它的补色波长后加一字母 c，例如528c代表波长为528纳米的绿色的补色，即紫红色。任何两 种颜色混合时，混合色的颜色点一定在前两颜色点的连线上。从色品 图可看出，红、绿、蓝三原色可合成任何颜色。CIE色品图有很大实 用价值，任何颜色，不论是光源色还是表面色，都可在色品图中标定 出来，这使颜色的描述既简便又准确，各色光的合成途径也一目了然。
在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的 单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等， 并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出 射度。即
M v1 (T )
v1 (T )

M v 2 (T )
v 2 (T )

M vb (T )
(1.3-2)
式中 M vb 为黑体的单色辐射出射度。
⑵单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而 增大。
⑶单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方 向移动。
4.瑞利-琼斯公式
当 T 很大时，eC2 / T 1 C2 ，可得到适合于长波长区
的瑞利-琼斯公式
T
5.维恩公式
M
vb
(T )

C1 C2
T4
(1.3-5)
当 T 很小时， eC2 / T 1 eC2 / T ，可得到适合于短波 长区的维恩公式
•
CIE的总部位于奥地利维也纳。
CIE标准照明体和标准光源
• 为了达到颜色度量与评价的一致性，需要 在共同约定的几种具有代表性的光源下标 定物体的颜色。为此，CIE推荐了标准照明 体和标准光源。
• 标准照明体和标准光源是两个不同的概念：
标准照明体和标准光源
• 标准照明体是指特定的光谱功率分布，这 种标准的光谱功率分布不必由一个光源直 接提供，也不一定能真正地实现。
约0.5%,在可见光波范围内平均相差2%,因 此可以作为辐射度量的标准光源。 • 作为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白炽灯。特点： 显色性好，寿命长，额定功率范围大，价 格便宜等。
白炽灯
• 真空钨丝白炽灯：工作温度2400k-2600K,光效能 10lm/w
• 充气钨丝白炽灯，工作温度可以提高到
相关色温线
• 与普朗克轨迹正交的一组直线成为等相关色温线。 线上标出的数值是Mired值
MRD 1 106 T
光源色在均匀色度图的坐标点可在等相关色温线间 用距离内插法找到相关的色温值
辐亮度温度
• 实际发射体在某一波长的光谱辐亮度和黑 体在某一温度同一波长下的光谱辅亮度相 同时，黑体温度为发射体的辅亮度温度。
2700k-3000K,光效能17lm/w
• 卤钨灯：灯泡中充入一定卤化物体，形成卤化钨 气体，使灯泡发光强度增加。
• 特点：○灯泡体积小、光通量稳定；
•
○透光性能好，色温在3200K左右；
•
○灯泡温度较高，具有高光效。 30lm/w
标准光度量的标准灯的问题
• 保持灯丝电压或电流的稳定：微小的电流 变化（0.05%）将引起辐射通量的较大变化 (0.4%) 。
色品图
• 以不同位置的点表示各种色品的平面图。1931年由国际 照明委员会(CIE)制定，故称CIE色品图。描述颜色品质的 综合指标称为色品，色品用如下3个属性来描述：①色调。 色光中占优势的光的波长称主波长，由主波长的光决定的 主观色觉称色调。②亮度。由色光的能量所决定的主观明 亮程度。③饱和度。描述某颜色的组分中纯光谱色所占的 比例，即颜色的纯度。由单色光引起的光谱色认为是很纯 的颜色，在视觉上称为高饱和度颜色。单色光中混有白光 时纯度降低，相应地饱和度减小。例如波长为650纳米的 色光是很纯的红色，把一定量白光加入后，混合结果产生 粉红色，加入的白光越多，混合色就越不纯，视觉上的饱 和度就越小。
下降到一定的气压时，气体密度很小，在 电压作用下，电子从放电灯由阴极向阳极 加速运动与气体原子碰撞，碰撞次数决定 了形成的数倍。受激电离从激发态到基态， 发出一定波长的辐射能。
气体放电灯
• 高压和超高压氙灯是用途广泛的气体放电 光源，有高压长弧氙灯和高压短弧氙灯两 大类。
• 从紫外到近红外较宽谱段范围内的连续光 谱。
• 氙灯可以用做日光的模拟光源：色温6000k 最大亮度几十万cd/cm2 称为小太阳。
半导体发光二极管
• 工作温度低于Imax,,发光二极管的发光亮度与 正向电流之间两者基本成线性关系。电流 超过Imax时，由于PN结发热使亮度饱和，可 以采用脉冲工作方式，减小结发热的影响， 使线性范围扩大。通过改变电流的大小， 对发光量进行调制。
月球的辐射接近于绝对黑体，峰值波长为 7.24m
自然辐射源
• 大气辉光：产生于70km以上的大气层中，是夜 天辐射的重要组成部分。1 3m 的短红外波段具 有较高的大气辉光，这个波段也是也是成像波 段。
• 夜天空辐射：由各种自然光源共同形成。除了 可见光以外，还包括近红外辐射。
人工辐射源
• 1、白炽灯：又称钨丝灯。 • 由于在可见光谱中段与黑体辐射分布相差
自然辐射源
• 太阳：与5900K的绝对黑体的光谱分布相似 • 地球：主要由反射和散射的太阳光以及自身的热辐
射组成，光谱辐射的峰值有两个，一个是 0.5m 处的太阳辐射，一个是 10m 的自身辐射。主要处
8 14m 大气窗口，成为热成象系统的主要波段 月球：一是反射的太阳辐射，另外是月球自身的辐射，
• 响应速度快，具有良好的频率特性，调制 频率可以很高。
半导体发光二极管
• 发光二极管的工作电压很低，只有2v左右， 能直接与集成电路匹配使用
• 小巧轻便、耐振动寿命长 • 发光效率很低
激光光源
• 方向性和准直性好 • 单色性和相干性好：氦氖激光器的的相干
长度可以达到几十到数百米 • 亮度大，比太阳高 产生激光的条件： 粒子数反转与谐振腔
光源的光谱分布