第2章第1节

2.月亮、星光与天空
月亮、星光与天空也是一个重要的自然光源。 如图2-2所示，月 亮、行星的最佳光谱辐 射与波长的分布。除此 之外，天空也是不可忽 略的光源，它由黄道光 （约占15％）、银河光 （约占5％）、夜空光 （约占40％）、上述各 光源的散射光（约占 10％）、直射和散射星 光（约占30％）、以及 银河系以外辐射（约占 1％）构成。
表2-1 白天和夜间各种条件下自然光源在地面上形成的照度
自然条件 直射日光 完全白天光 白天（阴） 很暗的白天 黄昏（黎明）
照度值（Lx）
(1 ~ 1.3) 105
(1 ~ 2) 104
103 102 10
自然条件 深黄昏 满月 弦月 星光 星光（阴天）
照度值（Lx） 1
10-1 10-2 10-3 10-4
图2-1 表示了太阳在大气层外和在海平面的光谱辐出度 （照度）与波长的关系曲线。由图可以看出，在大气层外的 光谱辐照度曲线很接近5900 K黑体的光谱辐出度曲线。大气 中的H2O、CO2 和O3形成许多吸收峰，使得海平面上的辐 照度大为降低。可以看出，大气在可见光谱范围内为一透明 度较高的窗口。
在许多情 况下，直接或 间接利用太阳 作光源时（例 如地形、地貌 勘测分析，空 气质量监测 等），都必须 考虑到天气变 化对测量结果 的影响。
2.1光源的分类
光源的种类很多，分类方式各异。总结光电传感器应用技 术领域中所用的光源特征将其分为自然光源与电光源两大类。
2.1.1自然光源
1.太阳 太阳光是最典型和能量最强的自然光源，人类的视觉观察
活动几乎主要是在太阳的照明下进行的。我们是在地球上研究 和利用太阳的辐射，必然受到地球公转与自转的影响引起所接 收太阳光的时相变化。地球大气的状态变化以及观察者地理位 置、纬度与海拔的不同，都将引起所接收太阳辐射量的差异。
表2-3不同温度下钨丝在真空中的蒸发率和寿命的关系
温度T （K）
2 000 2 200 2 400 2 600 2 800 3 000
蒸发率 直径为0.1mm钨
rm(g/(cm2•s) 丝的寿命τ（h）
rm·τ
15.5
1.04×107 16.1×10-8
22.4
7.20×104 16.1×10-8
表2-2各种条件下接近地平线天空的光亮度值
自然条件 光亮度值（cd/m2）
自然条件
光亮度值（cd/m2）
晴朗的白日
104
日落后1/2小时
10-1
白天（阴）
103
相当明亮的月光
10-2
白天（阴得很重）
102
无月（晴朗夜空）
10-3
日落时（阴天）
10
无月（阴天夜空）
10-4
日落后1/4小时
1
（晴天）
2.2钨丝灯
0.278
N
n
(2-2)
对于真空白炽灯泡，发光效率ηv= 0.0769，对于充气灯泡， 发光效率ηv＝0.0714。
④ 白炽灯的色彩与调光特性
普通白炽灯可以调光，没有限制。调光使灯丝温度降低， 从而使灯的色温降低，光效降低，但寿命延长。因此，长寿命 是以牺牲光效率为代价的。当要求连续调整白炽灯的光照情况 下，一般采用功率较低的白炽灯为好。
② 钨丝白炽灯的功率、光通量和发光效率
图2-5 为钨丝白炽灯的功函数与温度的关系曲线。
当钨丝白炽灯的供电电 压变化时，对白炽灯的电流、 光通量、灯的功率损耗、灯 的寿命等都有很大影响。如 果电压增加，则灯丝温度上 升，光通量增加，发光效率 提高。但是，灯丝温度太高 时，则钨丝的蒸发加快、加 剧，使灯丝的某些局部迅速 变细，从而电阻值增大，局 部功耗加大，并很快被烧断。
为了给图像传感器创造良好、稳定的成像和测量条件，制 造了许多种人工光源，辅助自然光源的各种不足，钨丝灯光源 最古老、最普遍。本节主要介绍钨丝灯的发光特性及特性。钨 丝灯种类很多，将其归纳为两类—钨丝白炽灯与卤钨灯。
2.2.1 钨丝白炽灯
1. 普通钨丝白炽灯的结构
2. 钨丝白炽灯的特性 ① 发光光谱
钨丝白炽灯在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属
于热辐射体。在低温时，热辐射体的发射系数较小，且随波长
的增长而减少。当温度升高时，光谱发射系数随波长的变化减
少，最后在温度很高时趋向于1，服从黑体辐射定律。
M e TT 4
（2-1）
如图2-4 所示为标准钨丝灯 的相对光谱辐射功率随波长 的分布特性曲线。从图中可 以看出，波长在1.0μm 处标 准钨丝灯的光谱辐射出射度 值最高，即标准钨丝灯光谱 辐射出射度的波长为1.0μm。
13.8
1.11×103 16.1×10-8
41.7
3.86×10
16.1×10-8
8.33
1.9
15.8×10-8
10.5
0.15
15.7×10-8
通过实验得到，灯的电压变化使灯的电流I、发光效率ηv、 光通量φv、寿命τ均发生变化。它们之间的关系为
UN U
IN I
2
外发射出可见光的现象称为发光。但对 光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的 辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射 和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为热辐 射，后者称为激发辐射，激发辐射的光源常被称为冷光源。
从应用的角度简单地介绍各类光源的特性、发光光谱，并 重点介绍各种电光源的发光机理和供电电路是本章的宗旨。
当白炽灯工作在标称电压的50%以下时，灯几乎不发光。 然而，此时的能量损耗依然不小。因此，当调光到这种程度时 应该将它熄灭。
白炽灯的灯丝温度常在2800K，远比太阳表层的温度 6000K低得多，因此，它的色温偏低，颜色偏红。