第三章光源及照明方式

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2. 光谱功率分布 自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。 不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常 用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光 谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱 功率分布称为相对光谱功率分析。
光源的基本特性参数
表3－1
常用光源的发光效率
光源的基本特性参数
图 3－1 四种典型的光谱功率分布
光源的基本特性参数


光源的光谱功率分布通常可分成四种情况，如图3－1所 示。图中（a）称为线状光谱，由若干条明显分隔的细线 组成，如低压汞灯。图（b）称为带状光谱，它由一些分 开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压 汞灯、高压钠灯就属于这种分布。图（c）为连续光谱， 所有热辐射光源的光谱都是连续光谱，如白炽灯、卤素 灯等.图（d）是混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混 合而成，一般荧光灯的光谱就属于这种分布。 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。在紫外分光光度计中，通常使用氚灯、紫外汞氙 灯等紫外辐射较强的光源，在光纤技术中，通常使用发 光二极管和半导体激光器等光源 。
光源的基本特性参数

一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的， 都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等， 在天文学电探测中，常常会遇到这些光辐射的测量。人造光 源是人为将各种形式能量（热能、电能、化学能）转化成光 辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。 在一般光电测量系统中，电光源是最常见的光源。


3.1.1 光源的基本特性参数
1. 辐射效率和发光效率 在给定波长范围内，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，称为该光源在规定光谱范围内的 辐射效率，于是 2 1 e e e
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光源的基本特性参数

相应地，对于可见光范围，某一光源的发光效率ηv 为所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率 之比，就是该光源的光效率，即
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（2）色温。辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的 颜色相同时，黑体的这一温度称为该辐射源的色温。辐射源发射 光的颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们 的相对光谱功率分布不一定相同。 （3）相关色温。对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体 辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示，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。
热辐射源



5. 光源的颜色 光源的颜色包含了两方面的含义，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。 3.1.2 热辐射源 任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量， 其辐射特性与温度有关。 热辐射光源有三个特点： （1）它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估 算，即可以精确掌握和控制它们的发光或辐射性质； （2）它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽， 因此使用的适应性强。但在通常情况下，紫外辐射含量很 少，这又限制了这类光源的使用范围； （3）采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光获得 很高的稳定度。
光源的基本特性参数


3. 空间光强分布 对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不 相同的，若在空间某一截面上，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。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曲线，即配光 曲线。图3－2是超高压球形氙灯的光强分布。 在有的情况下，为了提高光的利用率，一般选择发光强度 高的方向作为照明方向。为了进一步利用背面方向的光辐 射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光罩的焦点位于 光源的发光中心上。 4. 光源的色温 黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射， 它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似地表示。对于 一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。
第三章 光源及照明方式
§3.1 光电信息技术中常用 的光源
光源原理与设计，周太明，周详，蔡伟新编著，复旦大学出版社
光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应 用，在物质的成分分析、材料的结构研究、光 电检测、照明工程中，都离不开一定形式的光 源。在光电信息技术中，光是信息的携带者， 光的光谱辐射能量（或强度）、频率、振幅均 可携带、传输各种信息。而光源在光电信息技 术中往往起着关键的作用，因此，了解常用光 源的基本特性和参数，并按照实际工作需求选 择合适的光源，往往是光电信息技术工作中解 决具体问题成功的关键。
热辐射源



1. 太阳 太阳可看成是一个直径为1.392 ×109 m的光球。它到地球的 年平均距离是1.49×1011m．因此从地球上观看太阳时，太阳 的张角只有0.5330。因此可以看成一个很好的平行光源。 大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射 (图3—3)。其平均辐亮度为2.01×l07Wm-2sr-1平均亮度为 1.95×109cdm-2。 射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，使太 阳辐射在光谱和空间分布、能量大小、偏振状态等都发生了 变化。大气的吸收光谱比较复杂，其中氧(O2)、水汽(H2O)、 臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳氢化合物 (如CH4)等，都在不同程度上吸收了大阳辐射，而且它们都是 光谱选择性的吸收介质．在标准海平面上太阳的光谱辐射照 度曲线，如图3—3所示，其中的阴影部分表示大气的光谱吸 收带．


光源的基本特性参数
图3－2
超高压球形氙灯光强分布
光源的基本特性参数
（1）分布温度。辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱分布， 与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体 的温度就称为该辐射源的分布温度。这种辐射体的光谱辐亮度可 表示为：
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