应用光学__第六章__光能及其计算.

第六章光能及其计算•研究光学系统的辐射能量有两个方面需要关注：•辐射能的传播方向；•传播过程中辐射能的大小。•分两个出发点：•辐射度学：对电磁能进行计算、测量的研究•光度学：对可见光进行计算、测量的研究第一节辐射能通量和光通量一、辐射度学1、辐（射能）通量辐通量：在单位时间内通过某一面积的辐射能量的大小称为辐射通量。单位是w（瓦）。用表示。2、辐[射]出[射]度辐射源单位发射面积发出的辐通量，通常以表示，单位为瓦特每平方米。以电磁辐射形式发射、传播或接收的能量eeeMeMdsdMee3、辐[射]照度辐射照射面单位受照面积上接受的辐通量，以表示。假定受照面的微面积上接受的辐通量为，则辐照度为eEeEdseddsdEeeThespacecontainedinaclosedconicalsurface(锥形面)ofanyshapeiscalledthesolidangle.•4、辐[射]强度•点辐射源向各方向发出辐射，在某一方向，在元立体角内发出的辐通量为，则辐强度为•辐射强度的单位为瓦特每球面度（W/sr）。dedddIeeTheunitofthesolidangle•Wetakethetopofaconeasthecenterofasphereandaradiusofrtodrawasphere.Iftheconicoidcutsanareaofonthesphereandtheangleisasterad(球面度)(sr).2r•5、辐[射]亮度•元面积为的辐射面，在和表面法线成角方向，在元立体角内发出的辐通量为，则辐亮度为•单位是瓦特每球面度平方米。eL有限尺寸辐射源dsNdeddsddLeecos二、光度学•1、光通量•辐射能中能引起人眼视觉的那一部分辐射通量，单位为流明（lm）。•2、光出射度•光源单位发光面积发出的光通量，单位为流明每平方米（）。VVM2/mlmdsdMVV•3、光照度单位受照面积接受的光通量，单位名称是勒克斯（）。•4、发光强度点光源的发光强度等于点光源在单位立体角内发出的光通量，单位为坎德拉（）。VElx2/11mlmlxdsdEVVVIddIVVcd7个国际单位制基本单位之一•5、光亮度发光面的元面积，在和发光表面法线成角的方向，在元立体角内发出的光通量为，则光亮度为NdVLdsddLVcosVd发光强度dsILVcos=单位是：坎德拉每平方米2/mcd三、光学量和辐射量间的关系•1、光谱光视效率•接收器对不同波长电磁辐射的反应程度称为光谱响应度或光谱灵敏度。人对不同波长光响应的灵敏度，称之为“视见函数”V(λ)（“光谱光视效率SpectralLuminousEfficiency”）。•实验表明，观察场明暗不同时，光谱光视效率亦稍有不同。国际照明委员会（CIE）正式推荐两种光谱光视效率：明视觉光谱光视效率和暗视觉光谱光视效率)(V)(V•2、光学量和辐射量间的关系•明视觉条件下，光通量和辐通量之间的关系•表示在明视觉条件下，波长时，波长间隔内，的辐射通量引起人眼感觉的光通量为dVKdemV)()()()(Vd)(eWlmKm/683nm555W1dlm683•对于整个可见辐射范围内的总光通量dVKemV)()(780380第二节光传播过程中光学量的变化规律•这是对所有光学仪器进行光能量计算，进行相关设计的基础。•1、点光源在与之距离为处的表面上形成的照度••照度平方反比关系。rcos2rIEdsdEIdd2cosrdsd2cosrdsIdcos2rIE•2、面光源在与之距离为处的表面上形成的照度r221coscosrLdsdsdEs•3、在同一介质的元光管中光通量和光亮度的传递22211111111coscoscosridsdsiLddsiLd21122222222coscoscosridsdsiLddsiLd21211222222111coscoscoscosLLridsdsiLridsdsL若不考虑能量损失光通量和光亮度不变•4、光束经界面反射和折射后的光通量和光亮度的传递LL122)1(nnLL022nLnL光束经理想反射，光亮度变化，但不变2nL•5、余弦辐射体•发光强度空间分布可用式表示的发光表面为余弦辐射体。•余弦辐射体在各方向的光亮度相同。•余弦辐射体向平面孔径角为的立体角范围内发出的光通量可用下式计算iIINicos常数dsIidsiIidsILNNiicoscoscos200cossinUididiLdsULds2sin•Ifthesurfaceofthelightedobjecthasthesameluminance(光亮度)inalldirections,wecallthiskindofsurfaceperfectdiffusivesurface(全扩散表面).Thiskindofsurfacehascharacteristicsofcosineradiation(余弦辐射特性).第三节成像系统像面的光照度•一、轴上像点的光照度ULds2sinUsdL2sinULds2sin光学系统存在能量损失，透过率为•轴上像点照度为•轴上像点的照度与孔径角正弦的平方成正比，和线放大率的平方成反比。UsddsLsdE2sin21sddsULE22sin1UnUnsinsinULnnE222sin•Fromcameralens,wehave••SubstitutingtheaboverelationintotheEqabove,wehave•220max'sin'4'DELuLf'maxsin/2'UDf2)TheRelativeAperture(相对孔径)和FNumber(光圈数)•D/f’intheEqaboveiscalledtherelativeaperture(相对孔径)ofthecameralens,shownbythesignofA.Theilluminanceoftheimageplaneofthecameralensisproportionaltothesquareoftherelativeaperture.(即，照相物镜的像平面的光照度和相对孔径的平方成比例。)•3）Themethodofcalibration(镜圈上的分度法)isusuallytocuthalfoftheilluminanceoftheimageplanesuccessivelycorrespondingtoeveryscalevalue(刻度值).•Becausetheilluminanceoftheimageplaneisproportionaltothesquareoftherelativeaperture,therelativeaperturechangeswiththegeometricprogression(等比级数).Theusualscalevalue(刻度值)is•1:11:1.41:21:2.81:4•1:5.61:81:111:161:221:322/1•Toputitsimply,thescalevalueontheframeisnotreallytherelativeaperture,butthereciprocal(倒数的)oftherelativeaperture,(f’/D),whichiscalledtheFnumber(光圈数，也称为F数),shownasF.Therefore,theactualscalevalueontheframeis•11.422.845.6811162232二、轴外像点的照度MMULnnEsin22•当较小时，有•轴外像点的光照度随视场角的增大而降低。2020cossin2coscoscos2tansinUlDlDUUMMMU出瞳直径像面到出瞳的距离40cosEEMULnnE2220sin010．9410．7800．5630．3440．1710．0630/EEM010020030040050060三、光通过光学系统时的能量损失•主要原因：•透明介质折射界面的光反射•介质对光的吸收•反射面对光的透射和吸收等所造成的光能损失1、光在两透明介质界面上的反射损失•光垂直入射到两介质分界面时的反射率2nnnn该面的反射光通量与入射光通量之比1该面的透过率k•=′经过k个面后的透过光通量2、介质吸收造成的光能损失•穿过厚度为1cm的玻璃后被吸收损失的光通量百分比称为吸收率，以表示。•入射时的光通量为，通过厚度为厘米的光学材料后出射的光通量为d1d3、金属反射面的光能损失•设每一反射面的反射率为，若光学系统中共有个反射面2k2k4、光学系统的总透过率•一个光学系统有个折射面；光通过光学元件中心厚度为；系统有个反射面。若入射光通量为，则出射光通量为1kd2kKdkkK)1(21光学系统的透过率