介紹

輻射源性能的評估必須涉及輻射測量——與輻射相關的量的測量。對于該領域的新手來說，輻射度、輻照度和輻射通量等單位和術語可能不熟悉。此外，諸如亮度、輻射功率、通量和強度等非標準術語也經常被隨意使用而沒有解釋。最后，在討論輻射測量情況時，諸如亮度之類的光度測量術語經常被誤用。

本應用筆記試圖解釋輻射測量術語和單位，將它們與光度測量術語區分開來，并澄清常見的非標準術語。此外，我們將說明輻射測量術語如何幫助為特定應用選擇合適的光源。

輻射測量和光度測量的定義

輻射測量是測量電磁頻譜任何部分的輻射能量的科學。實際上，該術語通常僅限于使用光學儀器測量紫外線 (UV)、可見光 (VIS) 和紅外線 (IR) 輻射。

光度測定是測量可見輻射(光)的科學，其單位根據人眼的敏感度進行加權。它是一門定量科學，基于在精心控制的條件下人類對光的視覺感知(眼睛敏感度曲線)的統計模型。

發射 UV-VIS-IR 波長輻射的寬帶輻射源，例如 Energetiq 的激光驅動光源 (LDLS?)，可使用輻射測量及其單位進行表征。另一方面，工業照明和家用照明產品(燈)和照明設計使用光度測定及其單位來表征。

常用輻射測量單位的定義

SI 系統(Système International d'unités)定義了六個輻射單位，其中三個最常用于描述光源和光學系統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”，該術語也用于光度測定中，用于描述人眼看著光源的感知。下一節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]。由于實驗室中使用的許多輻射源的發射面積在平方毫米范圍內，因此通常使用毫瓦每平方毫米每球面度 [mW/mm2-sr] 的單位來表示輻射率。如圖1所示，光源發射區域(A)的輻射亮度(R)等于從A發射并以立體角Ω傳播的輻射功率(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) 是從光源發射區域 (A) 發射并以立體角 (Ω) 傳播的功率 (P)。

球面度 [sr] 是測量立體角的 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。空間中一點的總立體角為 4π 球面度。

圖 2.球面度 [sr] 是測量立體角 (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])。

通過增加光源的發射功率、減小光源的發射面積或將輻射發射到更小的立體角，可以增加光源的輻射率。嚴格來說，輻射率是在發射表面上的每個點處定義的，作為位置的函數和觀察角度的函數。通常，如上面的示例所示，我們使用光源的輻射亮度來表示在有限尺寸的孔徑和某個感興趣的立體角上的平均輻射亮度。

輻射度是光學系統中的守恒量，因此以入射到檢測器上每單位立體角單位面積瓦數測量的輻射度不會超過發射器處的輻射度。實際上，對于將發射器映射到檢測器的任何光線束，在檢測器處看到的輻射將因沿途被吸收或從到達檢測器的光線束的立體角散射的光而減弱。

讓我們考慮一個例子。假設用眼睛觀察一盞 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 弧光燈發出的可見光功率明顯低于 60W 熒光燈管。)哪種光源被認為更亮，或者從輻射角度來看，具有更高的輻射率?盡管 35W 弧光燈發出的功率比 60W 熒光燈少，但 Xe 短弧燈被認為更亮。這是因為與熒光燈的非常大的發射面積相比，短弧燈的發射面積 (A) 要小得多，而眼睛以大致相同的立體角 (Ω) 接收輻射當眼睛和光源之間的距離相同時。眼睛的晶狀體在視網膜的一小塊區域上形成明亮的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。盡管弧光燈發出的功率較少，但它的亮度比熒光燈高得多。

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

Energetiq 的激光驅動光源因其小發射區域(直徑約 100 μm)而具有超高輻射率。來自這種高輻射率和小發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。對于其他具有小孔徑和有限接受立體角的光學系統(具有小“光學擴展量”的光學系統)，例如單色儀的窄縫，也是如此。 (有關集光率的進一步討論，請參閱應用說明#002-2-14-2011，集光率和光吞吐量計算。)

輻照度

輻照度是輻射測量術語，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 ]。 (輻照度有時稱為強度，但這種用法會導致與另一個標準但不常用的輻射測量單位——輻射強度——混淆，以瓦/球面度為單位進行測量。)

如果點輻射源向所有方向均勻地發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，因為總功率是恒定的，并且它分布在隨著距離而增加的區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。此類測量通常使用 50 厘米的距離。

對于必須向大面積供電的應用來說，輻照度是一種有用的測量方法。例如，照亮教室或足球場主要是每平方米提供一定瓦數的問題。這可以通過使用單個高功率源來實現。然而，由于輻照度不依賴于立體角，因此可以組合多個光源，從不同角度照亮墻壁或場地。

在設計從光源收集輻射然后將輻射傳送到光學儀器的高效光學耦合系統時，光源的輻照度并不是最有用的測量方法。這種光學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

輻射通量是單位時間的輻射能，也稱為輻射功率[W、mW 或μW]。輻射通量通常用來描述輻射源輸出的輻射功率，或光學儀器接收到的輻射功率。輻射通量的例子有：穿過針孔的輻射功率;光纖耦合激光器的光纖發出的輻射功率;功率檢測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儀器。在我們前面的示例中，60W 熒光燈管比 35W 氙弧燈發出更大的輻射通量(功率)。但是，通過適當的聚焦光學器件，弧光燈將為 200μm 直徑的光纖提供更高的輻射通量。激光驅動光源，例如 Energetiq 的 EQ-99，發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

上面討論的三個術語是用于表征特定波長帶(UV、VIS 和/或 IR)內的輻射的量。通常還會考慮光譜中單位波長(每納米)的這些值。對于每單位波長的輻射功率，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]。對于入射到表面上的輻射，使用術語“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]。對于來自單位發射面積和單位波長的單位立體角內的輻射功率，該術語是光譜輻射率，最常見的單位為[mW/mm 2 -nm-sr]。

光譜輻射率是為應用選擇光源時的一個關鍵指標。一般來說，大多數輻射源在其發射光譜上表現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 激光驅動光源的兩個版本 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。

對于我們之前照明 200 μm 光纖的示例，我們假設我們希望比較圖 3 中的四個光源向光纖傳輸 200 nm 波長輻射的情況。由于關鍵參數是光源在 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 燈高出大約一個數量級(“更亮”)，而 LDLS 光源則更進一步。比氙燈高一個數量級。使用相同的聚焦光學器件將來自每個光源的光耦合到 200 μm 光纖中，傳輸到光纖中的輻射通量也會類似地變化相同的數量級。

結論

在光學儀器的設計中，選擇光源的科學家和工程師將接觸到各種光源規格和輻射術語。重要的是要了解規范的性質，并用輻射術語來表達它們，以便做出適當的設計決策。一般來說，對于典型的光學儀器應用，例如光譜學和成像，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儀器。通過仔細地將儀器與適當的輻射源相匹配，可以設計出理想的系統。

審核編輯 黃宇