光源及照明方式

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。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PdΦPΦeee)(21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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。780380()()vmevKVdpP光源的基本特性参数光源的基本特性参数表3－1常用光源的发光效率图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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。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：（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。11),(/512vTcveecTL光源的基本特性参数热辐射源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。热辐射源1.太阳太阳可看成是一个直径为1.392×109m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．热辐射源图3－3太阳的光谱能量分布曲线2.黑体模拟器在许多军用红外光电信息技术和光电系统中，往往需要这样一种辐射源，它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。热辐射源图3－4黑体模拟器的结构热辐射源3.白炽灯白炽灯是照明工程和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体射曲线相差约0.5%，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%。此外，白炽灯使用和量值复现方便，它的发光特性稳定，寿命长，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。图3-5是用于光计量的几种标准光源。图(a)所示为BDQ型发光强度标准灯，用来传递和复现发光强度单位(cd)的量值。发光强度标准灯是通过精确控制流过灯丝的直流电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法线方向上的光强度。图(b)是BDT型光通量标准灯，用来传递和复现光通量值．光通量标准灯的灯丝是旋转对称的，这样使电压与灯参数的变化曲线其光分布在各旋转方向尽可能一致。图(c)为BW型温度标准灯，它的发光体是一条狭长的钨带，当通以电流时，钨带炽热发光。主要工作在800～25000C范围内，复现和验定光学高温计及某些以光学高温计作标准的温度源，也可以代替能量标准灯使用。热辐射源图3－5几种标准灯的外形白炽灯的灯压决定了灯丝的寿命，供电电流决定了灯丝的直径，100W的钨丝发出的光通量大约200lm。白炽灯的供电电压对灯的参数（电流、功率、寿命和光通量）有很大的影响。)()()(0278.05.00000nUUUUIIUU式中分别为灯泡的额定电压、电流、发光效率、光通量和寿命；相应的其它参数为分别为使用值。000,,,,00UUIU对于充气灯泡n=0.0714，真空灯泡n=0.0769.例如将额定电压220V的灯泡降压到180V使用，其发光的光通量降低到62%，但其寿命延长13.6倍。气体放电光源3.1.3.气体放电光源利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量，当它们再与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，如此碰撞不断进行。在这一过程中会使一些原子跃迁到高能级，引起原子的激发，由于能寄的不稳定性，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。这样的发光机制被称为气体放电原理。气体放电光源具有下列共同的特点：（1）发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高2~10倍，因此具有节能的特点；（2）结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；（3）寿命长。一般比白炽灯寿命长2~10倍；（4）光色适应性强，可在很大范围内变化。气体放电光源图3－6几种气体放电灯的外形图表3－2常用气体放电灯的种类、性能和主要应用领域1、卤钨灯（1）原理白炽灯的钨丝在热辐射过程中蒸发并附着在灯泡内壁，使灯泡射出伪光通愈来愈低。为了减缓这种进程，通常在灯泡内充以惰性气体以抑制钨丝的蒸发。气体放电光源如果在玻壳内所充填的惰性气体另加入微量的卤素物质，利用卤钨的再生循环作用，被蒸发的钨与卤素结合成卤化钨，因灯管内壁具有很高的温度而不能附着其上，通过扩散或对流到高温的灯丝附近又被分解为卤素和钨，其中钨吸附在灯丝表面，卤素又和蒸发出来的钨反应，防止管壁发黑。灯管所充的卤素为碘或溴。溴比磺的化学性活泼，所以清洁管壁的效果更好。溴乃无色透明，故溴钨灯较碘钨灯的光效高，色温也有所提高。（2）特点它与白炽灯比较，光效提高30％，寿命增长50%。卤钨灯具有体积小、功率大、能够瞬时点燃、可调光、无频闪效应、显色性好和光通维持性好等特点。这种灯多用于较大空间、要求高照度的场所，其色温特别适用于电视转播摄象照明。2、金属卤化物灯金属卤化物灯是近年发展起来的所谓第三代光源，它与高压汞灯类似，但在放电管中除了充有汞和氢气外，还加充发光的金属卤化物（以碘化物为主）。金属卤化物灯发光效率高、显色性能好、但平均寿命短。（1）镝灯（2）钠铊铟灯气体放电光源3.汞灯按玻壳内气压的高低分，汞灯通常分为低压汞灯、高压汞灯和球形超高压汞灯，分别简介如下。(1)低压汞灯。图3－7(b)气体放电光源（2）高压汞灯当汞灯内的蒸气压达到1～5大气压时，汞灯电弧的辐射光谱就会产生明显变化，光谱线加宽，出现弱的连续光谱，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加，其光谱分布如图3－7(6)所示。（3）球形超高压汞灯在球形超高压汞灯中，如果启动气体改为高气压的氙气，则此时称为球形超高压汞氙灯。灯一经启动就辐射出强烈的连续光谱，并且远紫外区光谱明显增加．高压汞灯（2）特点高压汞灯具有光效高、耐震、耐热、寿命长等特点。但启动时间较长，不宜于作室内照明光源，也不能单独做为事故照明光源。多用于车间、礼堂、展览馆等室内照明，或道路、广场的室外照明。高压汞灯的寿命通常是按每启动一次点燃5小时计算的，如果开关频繁则寿命缩短。4、高压钠灯（2）特点高压钠灯具有光效高、紫外线辐射小、透雾性能好、光通维持性好、可任意位置点燃、耐震等特点，但显色性差，平均显色指数为21。它广泛用于道路照明，当与其它光源混光后，可用于照度要求高的高大空间场所。5.氙灯氙灯是由充有惰性气体——氙的石英泡壳内两个钨电极之间的高温电弧放电，从而发出强光。高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近(图3－8)，色温为6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种。气体放电光源图3－8短弧氙灯光谱能量分布图3－9短弧氙灯的电弧亮度分布氘灯长弧氙灯短弧氙灯空心阴极灯气体放电光源3.空心极灯空心阴极灯属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。该灯的外形如图3—10所示，其阴极由金属元素或其它合金制成空心圆柱形，圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。空心阴极灯也叫做原子光谱灯，阴极材料根据所需的谱线选择相应的金属；窗口有石英玻璃和普通玻璃两种，则根据辐射的原于光谱波长而定。空心阴极灯是原子吸收分光光度计上必不可少的光源。由于这种