了解辐射度（亮度）、辐照度和辐射通量

介绍

辐射源性能的评估必须涉及辐射测量——与辐射相关的量的测量。对于该领域的新手来说，辐射度、辐照度和辐射通量等单位和术语可能不熟悉。此外，诸如亮度、辐射功率、通量和强度等非标准术语也经常被随意使用而没有解释。最后，在讨论辐射测量情况时，诸如亮度之类的光度测量术语经常被误用。

本应用笔记试图解释辐射测量术语和单位，将它们与光度测量术语区分开来，并澄清常见的非标准术语。此外，我们将说明辐射测量术语如何帮助为特定应用选择合适的光源。

辐射测量和光度测量的定义

辐射测量是测量电磁频谱任何部分的辐射能量的科学。实际上，该术语通常仅限于使用光学仪器测量紫外线 (UV)、可见光 (VIS) 和红外线 (IR) 辐射。

光度测定是测量可见辐射(光)的科学，其单位根据人眼的敏感度进行加权。它是一门定量科学，基于在精心控制的条件下人类对光的视觉感知(眼睛敏感度曲线)的统计模型。

发射 UV-VIS-IR 波长辐射的宽带辐射源，例如 Energetiq 的激光驱动光源 (LDLS™)，可使用辐射测量及其单位进行表征。另一方面，工业照明和家用照明产品(灯)和照明设计使用光度测定及其单位来表征。

常用辐射测量单位的定义

SI 系统(Système International d'unités)定义了六个辐射单位，其中三个最常用于描述光源和光学系统之间辐射耦合的有效性。这些最常用的单位是： (1) 辐射度; (2) 辐照度; (3)辐射通量。辐射度通常被随意称为“亮度”，该术语也用于光度测定中，用于描述人眼看着光源的感知。下一节将给出亮度感知的示例。

辐射

辐射亮度的 SI 单位为瓦特每平方米每球面度 [W/m2-sr]。由于实验室中使用的许多辐射源的发射面积在平方毫米范围内，因此通常使用毫瓦每平方毫米每球面度 [mW/mm2-sr] 的单位来表示辐射率。如图1所示，光源发射区域(A)的辐射亮度(R)等于从A发射并以立体角Ω传播的辐射功率(P)除以面积A和立体角Ω： R = P / (A x Ω)。

图 1 光源的辐射率 (R) 是从光源发射区域 (A) 发射并以立体角 (Ω) 传播的功率 (P)。

球面度 [sr] 是测量立体角的 SI 单位，由投影在半径为 r 的球体表面上的立体角 (Ω) 定义，其面积 (A) 等于 r2 (Ω = A/ r 2 = r 2 /r 2 = 1 [sr])。它描述了三维空间中的角度跨度，类似于弧度 [rad] 描述二维平面中的角度的方式。空间中一点的总立体角为 4π 球面度。

图 2.球面度 [sr] 是测量立体角 (Ω) 的单位，由投影在球体表面的立体角定义，半径为 r，面积为 A = r 2 (Ω = A/r 2 = r 2 / r 2 = 1 [sr])。

通过增加光源的发射功率、减小光源的发射面积或将辐射发射到更小的立体角，可以增加光源的辐射率。严格来说，辐射率是在发射表面上的每个点处定义的，作为位置的函数和观察角度的函数。通常，如上面的示例所示，我们使用光源的辐射亮度来表示在有限尺寸的孔径和某个感兴趣的立体角上的平均辐射亮度。

辐射度是光学系统中的守恒量，因此以入射到检测器上每单位立体角单位面积瓦数测量的辐射度不会超过发射器处的辐射度。实际上，对于将发射器映射到检测器的任何光线束，在检测器处看到的辐射将因沿途被吸收或从到达检测器的光线束的立体角散射的光而减弱。

让我们考虑一个例子。假设用眼睛观察一盏 35W 氙 (Xe) 短弧灯，然后观察一盏 60W 直管荧光灯，两者的距离相似，均为几米。 (作为背景信息，35W 弧光灯发出的可见光功率明显低于 60W 荧光灯管。)哪种光源被认为更亮，或者从辐射角度来看，具有更高的辐射率?尽管 35W 弧光灯发出的功率比 60W 荧光灯少，但 Xe 短弧灯被认为更亮。这是因为与荧光灯的非常大的发射面积相比，短弧灯的发射面积 (A) 要小得多，而眼睛以大致相同的立体角 (Ω) 接收辐射当眼睛和光源之间的距离相同时。眼睛的晶状体在视网膜的一小块区域上形成明亮的Xe弧图像，眼睛感觉不舒服。较大面积的荧光灯将在视网膜上形成更大的图像，眼睛可以更舒适地忍受。尽管弧光灯发出的功率较少，但它的亮度比荧光灯高得多。

再举一个例子，想象一下使用氙气灯和荧光灯来照亮一个小区域，例如直径为 200 μm 的光纤的末端。由于光源辐射亮度更高，35W 氙弧灯发出的辐射可以更有效地收集并聚焦到光纤中。相比之下，无论使用哪种类型的聚焦光学器件，低辐射率 60W 荧光灯都无法有效地将其辐射能量耦合到光纤中。

Energetiq 的激光驱动光源因其小发射区域(直径约 100 μm)而具有超高辐射率。来自这种高辐射率和小发射面积源的辐射甚至可以更有效地耦合到上述200μm直径的光纤中。对于其他具有小孔径和有限接受立体角的光学系统(具有小“光学扩展量”的光学系统)，例如单色仪的窄缝，也是如此。 (有关集光率的进一步讨论，请参阅应用说明#002-2-14-2011，集光率和光吞吐量计算。)

辐照度

辐照度是辐射测量术语，表示入射到表面的电磁辐射每单位面积的功率。辐照度的 SI 单位为瓦每平方米 [W/m 2 ] 或毫瓦每平方毫米 [mW/mm 2 ]。 (辐照度有时称为强度，但这种用法会导致与另一个标准但不常用的辐射测量单位——辐射强度——混淆，以瓦/球面度为单位进行测量。)

如果点辐射源向所有方向均匀地发射辐射并且没有吸收，则辐照度与距源的距离的平方成比例下降，因为总功率是恒定的，并且它分布在随着距离而增加的区域上距辐射源的平方。为了比较不同光源的辐照度，必须考虑到光源的距离。此类测量通常使用 50 厘米的距离。

对于必须向大面积供电的应用来说，辐照度是一种有用的测量方法。例如，照亮教室或足球场主要是每平方米提供一定瓦数的问题。这可以通过使用单个高功率源来实现。然而，由于辐照度不依赖于立体角，因此可以组合多个光源，从不同角度照亮墙壁或场地。

在设计从光源收集辐射然后将辐射传送到光学仪器的高效光学耦合系统时，光源的辐照度并不是最有用的测量方法。这种光学仪器将具有有限的入口孔径和有限的接收立体角。在这种情况下，最有用的是光源的辐射度(其“亮度”)。

辐射通量

辐射通量是单位时间的辐射能，也称为辐射功率[W、mW 或μW]。辐射通量通常用来描述辐射源输出的辐射功率，或光学仪器接收到的辐射功率。辐射通量的例子有：穿过针孔的辐射功率;光纤耦合激光器的光纤发出的辐射功率;功率检测器接收到的辐射功率。

辐射通量的单位不包括面积或立体角，因此无助于确定具有特定辐射通量的特定光源是否可用于将其功率传递给光学仪器。在我们前面的示例中，60W 荧光灯管比 35W 氙弧灯发出更大的辐射通量(功率)。但是，通过适当的聚焦光学器件，弧光灯将为 200μm 直径的光纤提供更高的辐射通量。激光驱动光源，例如 Energetiq 的 EQ-99，发射的辐射通量可能低于 35W 弧光灯，但其较高的辐射亮度使其能够向 200 μm 直径的光纤传递比 35W 弧光灯更高的辐射通量弧光灯。

光谱辐射度、光谱辐照度和光谱辐射通量

上面讨论的三个术语是用于表征特定波长带(UV、VIS 和/或 IR)内的辐射的量。通常还会考虑光谱中单位波长(每纳米)的这些值。对于每单位波长的辐射功率，光谱辐射通量以瓦每米 [W/m] 为 SI 单位，或更常见的是毫瓦每纳米 [mW/nm]。对于入射到表面上的辐射，使用术语“光谱辐照度”，其SI单位为[W/m 3 ]，或更常见的单位为[mW/mm 2 -nm]。对于来自单位发射面积和单位波长的单位立体角内的辐射功率，该术语是光谱辐射率，最常见的单位为[mW/mm 2 -nm-sr]。

光谱辐射率是为应用选择光源时的一个关键指标。一般来说，大多数辐射源在其发射光谱上表现出光谱辐射率的变化。图 3 显示了 30W 氘灯 (D2)、75W 高亮度 Xe 弧光灯以及 Energetiq 激光驱动光源的两个版本 EQ-99 和 EQ-1500 的光谱辐射亮度。

图 3： EQ-99X LDLS、EQ-77 LDLS、EQ-400、LDLS、75W 短弧氙灯、钨灯和 D2 灯的光谱辐射亮度。

对于我们之前照明 200 μm 光纤的示例，我们假设我们希望比较图 3 中的四个光源向光纤传输 200 nm 波长辐射的情况。由于关键参数是光源在 200 nm 处的光谱辐射亮度，我们从图 3 中可以看出，Xe 灯的光谱辐射亮度比 D2 灯高出大约一个数量级(“更亮”)，而 LDLS 光源则更进一步。比氙灯高一个数量级。使用相同的聚焦光学器件将来自每个光源的光耦合到 200 μm 光纤中，传输到光纤中的辐射通量也会类似地变化相同的数量级。

结论

在光学仪器的设计中，选择光源的科学家和工程师将接触到各种光源规格和辐射术语。重要的是要了解规范的性质，并用辐射术语来表达它们，以便做出适当的设计决策。一般来说，对于典型的光学仪器应用，例如光谱学和成像，最需要了解的是光源的辐射亮度和光谱辐射亮度。对于孔径和立体角有限的仪器，光源的辐射率决定了有多少辐射穿过仪器。通过仔细地将仪器与适当的辐射源相匹配，可以设计出理想的系统。

审核编辑 黄宇