介紹

輻射源性能的評(píng)估必須涉及輻射測(cè)量——與輻射相關(guān)的量的測(cè)量。對(duì)于該領(lǐng)域的新手來(lái)說(shuō)，輻射度、輻照度和輻射通量等單位和術(shù)語(yǔ)可能不熟悉。此外，諸如亮度、輻射功率、通量和強(qiáng)度等非標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)也經(jīng)常被隨意使用而沒有解釋。最后，在討論輻射測(cè)量情況時(shí)，諸如亮度之類的光度測(cè)量術(shù)語(yǔ)經(jīng)常被誤用。

本應(yīng)用筆記試圖解釋輻射測(cè)量術(shù)語(yǔ)和單位，將它們與光度測(cè)量術(shù)語(yǔ)區(qū)分開來(lái)，并澄清常見的非標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)。此外，我們將說(shuō)明輻射測(cè)量術(shù)語(yǔ)如何幫助為特定應(yīng)用選擇合適的光源。

輻射測(cè)量和光度測(cè)量的定義

輻射測(cè)量是測(cè)量電磁頻譜任何部分的輻射能量的科學(xué)。實(shí)際上，該術(shù)語(yǔ)通常僅限于使用光學(xué)儀器測(cè)量紫外線 (UV)、可見光 (VIS) 和紅外線 (IR) 輻射。

光度測(cè)定是測(cè)量可見輻射(光)的科學(xué)，其單位根據(jù)人眼的敏感度進(jìn)行加權(quán)。它是一門定量科學(xué)，基于在精心控制的條件下人類對(duì)光的視覺感知(眼睛敏感度曲線)的統(tǒng)計(jì)模型。

發(fā)射 UV-VIS-IR 波長(zhǎng)輻射的寬帶輻射源，例如 Energetiq 的激光驅(qū)動(dòng)光源 (LDLS?)，可使用輻射測(cè)量及其單位進(jìn)行表征。另一方面，工業(yè)照明和家用照明產(chǎn)品(燈)和照明設(shè)計(jì)使用光度測(cè)定及其單位來(lái)表征。

常用輻射測(cè)量單位的定義

SI 系統(tǒng)(Système International d'unités)定義了六個(gè)輻射單位，其中三個(gè)最常用于描述光源和光學(xué)系統(tǒng)之間輻射耦合的有效性。這些最常用的單位是： (1) 輻射度; (2) 輻照度; (3)輻射通量。輻射度通常被隨意稱為“亮度”，該術(shù)語(yǔ)也用于光度測(cè)定中，用于描述人眼看著光源的感知。下一節(jié)將給出亮度感知的示例。

輻射

輻射亮度的 SI 單位為瓦特每平方米每球面度 [W/m2-sr]。由于實(shí)驗(yàn)室中使用的許多輻射源的發(fā)射面積在平方毫米范圍內(nèi)，因此通常使用毫瓦每平方毫米每球面度 [mW/mm2-sr] 的單位來(lái)表示輻射率。如圖1所示，光源發(fā)射區(qū)域(A)的輻射亮度(R)等于從A發(fā)射并以立體角Ω?jìng)鞑サ妮椛涔β?P)除以面積A和立體角Ω： R = P / (A x Ω)。

圖 1 光源的輻射率 (R) 是從光源發(fā)射區(qū)域 (A) 發(fā)射并以立體角 (Ω) 傳播的功率 (P)。

球面度 [sr] 是測(cè)量立體角的 SI 單位，由投影在半徑為 r 的球體表面上的立體角 (Ω) 定義，其面積 (A) 等于 r2 (Ω = A/ r 2 = r 2 /r 2 = 1 [sr])。它描述了三維空間中的角度跨度，類似于弧度 [rad] 描述二維平面中的角度的方式。空間中一點(diǎn)的總立體角為 4π 球面度。

圖 2.球面度 [sr] 是測(cè)量立體角 (Ω) 的單位，由投影在球體表面的立體角定義，半徑為 r，面積為 A = r 2 (Ω = A/r 2 = r 2 / r 2 = 1 [sr])。

通過(guò)增加光源的發(fā)射功率、減小光源的發(fā)射面積或?qū)⑤椛浒l(fā)射到更小的立體角，可以增加光源的輻射率。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，輻射率是在發(fā)射表面上的每個(gè)點(diǎn)處定義的，作為位置的函數(shù)和觀察角度的函數(shù)。通常，如上面的示例所示，我們使用光源的輻射亮度來(lái)表示在有限尺寸的孔徑和某個(gè)感興趣的立體角上的平均輻射亮度。

輻射度是光學(xué)系統(tǒng)中的守恒量，因此以入射到檢測(cè)器上每單位立體角單位面積瓦數(shù)測(cè)量的輻射度不會(huì)超過(guò)發(fā)射器處的輻射度。實(shí)際上，對(duì)于將發(fā)射器映射到檢測(cè)器的任何光線束，在檢測(cè)器處看到的輻射將因沿途被吸收或從到達(dá)檢測(cè)器的光線束的立體角散射的光而減弱。

讓我們考慮一個(gè)例子。假設(shè)用眼睛觀察一盞 35W 氙 (Xe) 短弧燈，然后觀察一盞 60W 直管熒光燈，兩者的距離相似，均為幾米。 (作為背景信息，35W 弧光燈發(fā)出的可見光功率明顯低于 60W 熒光燈管。)哪種光源被認(rèn)為更亮，或者從輻射角度來(lái)看，具有更高的輻射率?盡管 35W 弧光燈發(fā)出的功率比 60W 熒光燈少，但 Xe 短弧燈被認(rèn)為更亮。這是因?yàn)榕c熒光燈的非常大的發(fā)射面積相比，短弧燈的發(fā)射面積 (A) 要小得多，而眼睛以大致相同的立體角 (Ω) 接收輻射當(dāng)眼睛和光源之間的距離相同時(shí)。眼睛的晶狀體在視網(wǎng)膜的一小塊區(qū)域上形成明亮的Xe弧圖像，眼睛感覺不舒服。較大面積的熒光燈將在視網(wǎng)膜上形成更大的圖像，眼睛可以更舒適地忍受。盡管弧光燈發(fā)出的功率較少，但它的亮度比熒光燈高得多。

再舉一個(gè)例子，想象一下使用氙氣燈和熒光燈來(lái)照亮一個(gè)小區(qū)域，例如直徑為 200 μm 的光纖的末端。由于光源輻射亮度更高，35W 氙弧燈發(fā)出的輻射可以更有效地收集并聚焦到光纖中。相比之下，無(wú)論使用哪種類型的聚焦光學(xué)器件，低輻射率 60W 熒光燈都無(wú)法有效地將其輻射能量耦合到光纖中。

Energetiq 的激光驅(qū)動(dòng)光源因其小發(fā)射區(qū)域(直徑約 100 μm)而具有超高輻射率。來(lái)自這種高輻射率和小發(fā)射面積源的輻射甚至可以更有效地耦合到上述200μm直徑的光纖中。對(duì)于其他具有小孔徑和有限接受立體角的光學(xué)系統(tǒng)(具有小“光學(xué)擴(kuò)展量”的光學(xué)系統(tǒng))，例如單色儀的窄縫，也是如此。 (有關(guān)集光率的進(jìn)一步討論，請(qǐng)參閱應(yīng)用說(shuō)明#002-2-14-2011，集光率和光吞吐量計(jì)算。)

輻照度

輻照度是輻射測(cè)量術(shù)語(yǔ)，表示入射到表面的電磁輻射每單位面積的功率。輻照度的 SI 單位為瓦每平方米 [W/m 2 ] 或毫瓦每平方毫米 [mW/mm 2 ]。 (輻照度有時(shí)稱為強(qiáng)度，但這種用法會(huì)導(dǎo)致與另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)但不常用的輻射測(cè)量單位——輻射強(qiáng)度——混淆，以瓦/球面度為單位進(jìn)行測(cè)量。)

如果點(diǎn)輻射源向所有方向均勻地發(fā)射輻射并且沒有吸收，則輻照度與距源的距離的平方成比例下降，因?yàn)榭偣β适呛愣ǖ模⑶宜植荚陔S著距離而增加的區(qū)域上距輻射源的平方。為了比較不同光源的輻照度，必須考慮到光源的距離。此類測(cè)量通常使用 50 厘米的距離。

對(duì)于必須向大面積供電的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，輻照度是一種有用的測(cè)量方法。例如，照亮教室或足球場(chǎng)主要是每平方米提供一定瓦數(shù)的問題。這可以通過(guò)使用單個(gè)高功率源來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，由于輻照度不依賴于立體角，因此可以組合多個(gè)光源，從不同角度照亮墻壁或場(chǎng)地。

在設(shè)計(jì)從光源收集輻射然后將輻射傳送到光學(xué)儀器的高效光學(xué)耦合系統(tǒng)時(shí)，光源的輻照度并不是最有用的測(cè)量方法。這種光學(xué)儀器將具有有限的入口孔徑和有限的接收立體角。在這種情況下，最有用的是光源的輻射度(其“亮度”)。

輻射通量

輻射通量是單位時(shí)間的輻射能，也稱為輻射功率[W、mW 或μW]。輻射通量通常用來(lái)描述輻射源輸出的輻射功率，或光學(xué)儀器接收到的輻射功率。輻射通量的例子有：穿過(guò)針孔的輻射功率;光纖耦合激光器的光纖發(fā)出的輻射功率;功率檢測(cè)器接收到的輻射功率。

輻射通量的單位不包括面積或立體角，因此無(wú)助于確定具有特定輻射通量的特定光源是否可用于將其功率傳遞給光學(xué)儀器。在我們前面的示例中，60W 熒光燈管比 35W 氙弧燈發(fā)出更大的輻射通量(功率)。但是，通過(guò)適當(dāng)?shù)木劢构鈱W(xué)器件，弧光燈將為 200μm 直徑的光纖提供更高的輻射通量。激光驅(qū)動(dòng)光源，例如 Energetiq 的 EQ-99，發(fā)射的輻射通量可能低于 35W 弧光燈，但其較高的輻射亮度使其能夠向 200 μm 直徑的光纖傳遞比 35W 弧光燈更高的輻射通量弧光燈。

光譜輻射度、光譜輻照度和光譜輻射通量

上面討論的三個(gè)術(shù)語(yǔ)是用于表征特定波長(zhǎng)帶(UV、VIS 和/或 IR)內(nèi)的輻射的量。通常還會(huì)考慮光譜中單位波長(zhǎng)(每納米)的這些值。對(duì)于每單位波長(zhǎng)的輻射功率，光譜輻射通量以瓦每米 [W/m] 為 SI 單位，或更常見的是毫瓦每納米 [mW/nm]。對(duì)于入射到表面上的輻射，使用術(shù)語(yǔ)“光譜輻照度”，其SI單位為[W/m 3 ]，或更常見的單位為[mW/mm 2 -nm]。對(duì)于來(lái)自單位發(fā)射面積和單位波長(zhǎng)的單位立體角內(nèi)的輻射功率，該術(shù)語(yǔ)是光譜輻射率，最常見的單位為[mW/mm 2 -nm-sr]。

光譜輻射率是為應(yīng)用選擇光源時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)輻射源在其發(fā)射光譜上表現(xiàn)出光譜輻射率的變化。圖 3 顯示了 30W 氘燈 (D2)、75W 高亮度 Xe 弧光燈以及 Energetiq 激光驅(qū)動(dòng)光源的兩個(gè)版本 EQ-99 和 EQ-1500 的光譜輻射亮度。

圖 3： EQ-99X LDLS、EQ-77 LDLS、EQ-400、LDLS、75W 短弧氙燈、鎢燈和 D2 燈的光譜輻射亮度。

對(duì)于我們之前照明 200 μm 光纖的示例，我們假設(shè)我們希望比較圖 3 中的四個(gè)光源向光纖傳輸 200 nm 波長(zhǎng)輻射的情況。由于關(guān)鍵參數(shù)是光源在 200 nm 處的光譜輻射亮度，我們從圖 3 中可以看出，Xe 燈的光譜輻射亮度比 D2 燈高出大約一個(gè)數(shù)量級(jí)(“更亮”)，而 LDLS 光源則更進(jìn)一步。比氙燈高一個(gè)數(shù)量級(jí)。使用相同的聚焦光學(xué)器件將來(lái)自每個(gè)光源的光耦合到 200 μm 光纖中，傳輸?shù)焦饫w中的輻射通量也會(huì)類似地變化相同的數(shù)量級(jí)。

結(jié)論

在光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)中，選擇光源的科學(xué)家和工程師將接觸到各種光源規(guī)格和輻射術(shù)語(yǔ)。重要的是要了解規(guī)范的性質(zhì)，并用輻射術(shù)語(yǔ)來(lái)表達(dá)它們，以便做出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)決策。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于典型的光學(xué)儀器應(yīng)用，例如光譜學(xué)和成像，最需要了解的是光源的輻射亮度和光譜輻射亮度。對(duì)于孔徑和立體角有限的儀器，光源的輻射率決定了有多少輻射穿過(guò)儀器。通過(guò)仔細(xì)地將儀器與適當(dāng)?shù)妮椛湓聪嗥ヅ洌梢栽O(shè)計(jì)出理想的系統(tǒng)。

審核編輯 黃宇