第1章光辐射与光源_光源
第一章光的基本概念
第⼀章光的基本概念第⼀章光的基本概念1.1 光的性质就⼈的视觉来说，没有光也就没有⼀切。
什么是光？光是指辐射能的⼀部分，即具有刺激视觉器官特性的辐射能。
从物理学的观点说，光是电磁波谱的⼀部分，波长范围在380～780nm（纳⽶）之间，这个范围在视觉上可能稍有些差异。
任何物体发射或反射⾜够数量合适波长的辐射能，作⽤于⼈眼睛的感受器官，就可看见该物体。
⼀般辐射能波谱的范围，可见光谱辐射能的波长在即380～780nm 之间，仅是辐射能中很⼩的⼀部分。
在室内设计中，光不仅是为满⾜⼈们视觉的功能，还是⼀个重要的美学因素。
光可以形成空间，改变空间或者破坏空间。
因此，室内照明是室内设计的重要组成部分之⼀，在设计之初就应该加以考虑。
1.2 光度量1、光通量光源在单位时间内向周围空间辐射出去的并能使⼈眼产⽣光感的能量，称为光通量。
单位为流明（lm）。
光通量=光效X功率。
2、发光强度（光强）光源在空间某⼀⽅向上单位⽴体⾓内发射的光通量与该⽴⽅体⾓的⽐值，称为光源在这⼀⽅向上发光强度，简称光强，单位为坎德拉（cd）。
3、照度照度是⽤来说明被照⾯（⼯作⾯）上被照射的程度，通常⽤其单位⾯积内所接受的光通量来表⽰，单位为勒克斯（lx）或流明每平⽅⽶（lm/m2）。
4、亮度亮度也是⽤来表⽰物体表⾯发光（或反光）强弱的物理量，被视物体发光⾯在视线⽅向上的发光强度与发光⾯在垂直于该⽅向上的投影⾯积的⽐值，称为发光⾯的表⾯亮度，单位为坎德拉每平⽅⽶（cd/m2）。
1.3 光与颜⾊1、⾊温将⼀标准⿊体加热(如⽩炽灯中的钨丝)，随着温度升⾼⿊体的颜⾊开始沿着深红-浅红-橙-黄-⽩-蓝逐渐改变，当某光源发出的光的颜⾊与标准⿊体处于某温度的颜⾊相同时，我们将⿊体当时的绝对温度称为光源的⾊温，以绝对温度K 来表⽰。
基本⾊表:早霞3000k 黄昏 4000k正午5500k-5600k 其它⽩天时段 4800k（晴天时）阴天6500k左右⽩天正午的阴影和⽉夜 6700k左右⽩⾊路灯下偏紫⾊⾊温⽩炽灯⼟黄⾊聚光灯 3200k 烛光 1850k新闻灯 3200k 三基⾊⽇光灯 3200k商场⽇光灯 4500k2、显⾊性光源对物体本⾝颜⾊呈现的程度称为显⾊性，也就是颜⾊逼真的程度，显⾊性⾼的光源对颜⾊表现较好，我们所见到的颜⾊也就接近⾃然⾊，显⾊性低的光源对颜⾊再现较差，我们所见到的颜⾊偏差也较⼤，⽤显⾊指数（Ra）表⽰。
第一章-光辐射与发光源
W／(m2·μm)
二、光度的基本物理量
• 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光 辐射计量单位。
（人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射
度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）
• 辐射度学的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee • 光频区光度基本物理量Qv、Φv、Iv、Mv、Lv、Ev
• 定义完全一一对应，其关系如表l—2所示。
光视 效 率
0.4
0.2
0.0 400
500
600
700
800
波 长 (nm)
• 光通量与辐射通量之间的关系
v Kme V
• 光度量与辐射度量的关系式的一般函数式
X v
Km
780 380
X
e
V
d
• 在光度学体系中，基本单位是发光强度Iv，其单位 是坎德拉cd。
• 坎德拉cd定义： • 当单色辐射光源频率为540×1012Hz，
表1-2 辐射度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
光度量物理量
物理量名称
符号 定义或定义式
单位
物理量名称 符号 定义或定义式
单位
辐射能
Qe
hν
J
辐射通量
Φe
Φe=d Qe/dt
W
光量
Qv
Qv=∫Φvdt
lm·s
光通量
Φv
Φv=∫ IvdΩ
lm
辐射出射度
Me Me＝dΦe／dS W／m2
光出射度
Mv Mv＝dΦv／dS lm／m2
3. 绝对黑体(简称黑体)：
• 在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收 率等于l，即αλ（T）≡l
第一章 光波与光源 光的电磁理论 激光的原理、特性和应用 发概要
五、激光器的种类 种类分固体激光器、气体激光器、染料激光器。 固体激光器：以绝缘晶体或玻璃为工作物质。 少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃， 经光泵激励后产生受激辐射作用。主要有红宝石激 光器、钛宝石激光器、半导体激光器。 气体激光器：如He-Ne激光器、氩离子激光器、 CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在适当的溶剂中溶入有机染 料作为激光器的工作物质。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的 激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质 原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足 两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受 激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优 势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
2、N2/ N1>1时，高能级E2上原子数大于低能级E1 上原子数，称粒子数反转分布，有dN21 > dN12，表 明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数大于受 激吸收的光子数，宏观效果表现为光被放大，或称 光增益。能引起粒子数反转分布的介质称为激活介 质或增益介质。实现粒子数反转分布是产生激光的 必要条件。 设增益介质的增益系数为G，在此介质z处的光强 为I(z),经dz距离后光强改变dI，则dI=GIdz ，积分得 I ( z) I 0eGz I0为z=0处的光强
E2 E1 h
光发射的三种跃迁过程
1 自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低 能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图； 2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下， 处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时 发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； 两种辐射过程特点的比较： 自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播 方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向 均与外来的光波相同， 辐射的光波是相干光。
光学第一章总结
第一章 光和光的传播§1光和光学一、光的本性光是一种波长极短、频率极高的电磁波，具有波粒二象性: 光在传播过程中，表现出波动性；光在与物质相互作用过程中表现出光的粒子性（量子性）。
二、 光源与光谱（1）热（辐射）光源 热能转变为辐射的光源。
任何温度下，任何固体或液体中原子、分子热运动能量改变时辐射出各种波长的电磁波（光波）。
光波为连续谱。
如太阳，白炽灯等。
由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度，所以称为热辐射。
注意：1.物体由大量原子组成，热运动引起原子碰撞使原子激发而辐射电磁波。
原子的动能越大，通过碰撞引起原子激发的能量就越高，从而辐射电磁波的波长就越短。
2.任何物体在任何温度下都有热辐射，波长自远红外区连续延伸到紫外区（连续谱）。
（2）非热光源A 气体放电光源B 金属蒸气电弧光源C 固态发光体 —红宝石 蓝宝石 YAG 激光器D 同步辐射光源：高强度，宽波谱，高准直性，脉冲性，偏振性 三、热光源与非热光源的区别（1）本质上 在热光源中是原子、分子的热运动能量转化为光辐射；而非热光源是电子跃迁产生辐射。
（2）光谱上 热光源为连续谱；而非热光源是各原子独立发光，为分立的线光谱。
（3）温度上 热光源辐射的光谱与物质无关，强度与物质的表面温度有关；而非热光源与温度无关。
四、光强A.能流：单位时间内垂直通过某一面积 S 的能量.B.平均能流：能流也是周期性变化的，其在一个周期内的平均值称为平均能流。
能流(功率)单位：瓦特WC.能流密度 ( 光的强度 ) 单位时间，垂直通过单位面积的平均能量。
注意:在波动光学中常把振幅的平方所表征的光照度叫光强度。
五、 光谱W wSu =W wSu =WI S=u A 2221ωρ=2A I =光谱：非单色光的光强按波长的分布 i ~ λ.有连续光谱，线状光谱，带状光谱谱线宽度 Δλ：单位波长区间的光强，又称为谱密度。
六、光是电磁波的一部分（1）长波段表现出显著的波动性。
光电子技术(第5版)第一章 光辐射与发光光源
同的黑体的温度；
➢ 色温度并非热辐射光源本身的温度；
➢ 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；
➢ 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
光电子技术（第5版）
第一章
本章内容
1.1 电磁波谱与光辐射
1.2 辐度学与光度学基本知识
1.3 热辐射基本定律
1.4 激光基本原理
1.5 典型激光器
1.6 光频电磁波的基本理论和定律
1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱
EH k
横波特性
电场、磁场、传播方向构成右手螺旋系
偏振特性
电场、磁场分别在各自平面内振动
T 2698μm K
➢
时，
维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。
M v (T )
0 得到
➢ 单色辐射出射度最大值对应的波长λm,由
mT 2897.9(μm K)
1.3.7 斯忒藩-玻尔兹曼定律
➢ 黑体的辐射出射度
0
0
M eb (T ) M eb (T )d
黑体：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αλ (T)
恒等于1。
1.3.2 基尔霍夫辐射定律
• 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。
M e1 (T ) M e 2 (T )
e1 (T ) e 2 (T )
第1章 光辐射与光源_基本定律
1.2.1 热辐射基本定律 ——基尔霍夫定律
当辐射能入射到物体表面时，一部分能量被物体吸收， 一部分能量从物体表面反射，一部分透射。 1859年基尔霍夫指出：物体的辐射出射度M和吸收本领a 的比值M/a与物体的性质无关，都等于同一温度下绝对黑体 (a=1)的辐射出射度M0—基尔霍夫定律
M1 M 2 = = ... = M0 = f (T ) a1 a2
第1章 光辐射与光源 —热辐射基本定律
物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。热辐射是自然 界中普遍存在的现象，一切物体，只要其温度高于绝对零度 (-273.15°C)都将产生辐射。 黑体(或称绝对黑体) 是一个能完全吸收入射在它上面的 辐射能的理想物体，其在辐射度学中占有十分重要的地位。 黑体辐射在辐射度学中起到了基准的作用。 黑体本身也不是一个抽象的概念。现实世界中许多光源 可认为或近似认为是黑体。
1.2.2 辐亮度和基本辐亮度守恒
辐射能的传输一般是指辐射能由光源 (光源的自发射或者物体 表面反射、透射、散射辐射能)经过传输介质而投射到接收系统或探 测器上。在辐射能的传输路径上，会遇到传输介质和接收系统的折 射、反射、散射、吸收、干涉等，使辐射能在到达接收系统前，在 空间分布、波谱分布、偏振程度、相干性等方面将会发生变化。
例1： 已知太阳峰值辐射波长λm＝0.48µm，日地平均距离 L＝1.495×108 km，太阳半径Rs＝6.955×105 km，如将太阳 和地球均近似看作黑体，求太阳和地球的表面温度。 解：太阳黑体，故λm⋅Ts＝2898，即太阳的表面温度 Ts＝6037.5 (K)
Φ s M s 4π Rs2 2 4 2 太阳发射的辐射强度为 = I0 = T Rs = MsR = σ s s 4π 4π 4 2 I0 T Rs σ 2 s 地球吸收太阳的辐射通量为 Φ ea= ESe= 2 π Re2= R π e L L2
光辐射与发光源 立体角
一个任意形状的封闭锥
面所包含的空间称为立
Ω
体角，用Ω表示。
以锥体顶点为球心，任意 r为半径作一球面，此锥 体在球面上的截面为S， 则立体角表示为
S r2
S Or
➢ 立体角单位：以锥顶为球心，以r为半径作一圆球， 若锥面在圆球上所截出的面积等于r2，则该立体角为 一个“球面度”（sr）。整个球面的立体角是多少？
➢整个球面的面积为4πr2, 对于整个空间有
即整个空间等于4 π球面度
Hale Waihona Puke 4r 2r24
▪立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间， 2π角度覆盖整个单位圆。
▪在三维空间， 4π的球面度立体角覆盖整个单位 球面。
从一个球面上去处1球面度立体角的圆锥
球坐标系下微元立体角的几何关系
微小面积
dS r2 sin d d
则dS对应的立体角为
d sin d d
计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可
d
光与光源的认识
光与光源的认识光与光源的认识一、光的产生1、光的辐射光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质。
因为实物是由大量的带电粒子组成的，粒子在不断地运动，当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。
我们用比较简单的孤立原子来说明这个问题。
原子内有若干电子围绕原子核不断运动，其运动有多种可能状态，都是稳定的且有一定的能量。
不同运动状态的电子具有不同能量，常用“能级”一词来代表电子绕原子核的运动状态。
在原子内，这些能级的能量是不连续的，或者说是一系列分立的能级，能量大的称为高能级，小的则为低能级，最低能级称为“基态”。
如果有外来的激励，把适合的能量传给电子，电子就可能从低能级进入较高的能级。
这个过程是瞬时完成的，称它为“跃迁”。
电子受激励“跃迁”到较高能级（激发态）只能维持很短的一段时间，很快就要回到低能级。
这个从激发态向下回到低能级的过程中，必然释放出多余的能量。
在极大多数情况下，释放的能量是以光子的形式发射出来的。
下图代表电子的两个运动状态E0为基态，电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态时，能量E1从变到E0，此时发射光子的频率为：式中h为普朗克常数，h= 6.62 X 10-27尔格·秒=4.13 X 10-15电子伏·秒。
因为原子中有很多可能的能级，因此原子受激后可发射出多种频率的光。
这些频率是分立的，分立的线光普称为“原子光谱”，其中每一条谱线代表一个频率的光。
为“原子光谱”，其中每一条谱线代表一个频率的光。
气体或汽态物质可看成是由许多孤立原子组成，每个原子受激后都可能发射出光子。
各个原子发射光子过程基本上是互相独立的，即使是完全相同的两个能级之间的跃迁，光子发射的时间也有先后，发射的方向也不尽相同，电场振动的方向也有各种可能，即光子发射的时间、方向、电场相位和偏振方向都是随机的，这样的光就是非连续的“自然光”。
在固体中，情况就不同了，固体包含着大量互相紧密连系的原子，原子之间相互作用使能级发生迁移。
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（2） 色温和相关色温
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。
λ1
aM 0 (λ,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，
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
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
∫ ηe∆λΒιβλιοθήκη =Φ λ2λ1 eλ
dλ
P
×100
0 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。
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······
光辐射源分类:
自然光源
--被动探测系统
人工光源 --主动探测系统
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 --被动探测系统 人工光源 --主动探测系统
讨论： 举例说明
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······
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
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
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。
（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。
∫ λ2 {1− M (λ) }2dλ ⇒ min
L(λ, T)的光谱辐亮度曲线将和 峰值波长为λm、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。
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。
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。
介绍： 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
ηe
=
Φe P
×100 0 0
ηv
=
Φv P