北京理工大学应用光学课件第六章ppt

应用光学讲稿第六章辐射度学与光度学基础应用光学讲稿概述▲光学系统是一个传输辐射能量的系统▲能量传输能力的强弱，影响像的亮暗▲辐射度学：研究电磁波辐射的测试计量计算的学科▲光度学：在人眼视觉的基础上，研究可见光的测试计量计算的学科应用光学讲稿§6-1立体角的意义和它在光度学中的应用一、立体角的意义和单位平面上的角：1弧度ABOrABAOB应用光学讲稿空间上的角：立体角Ωso一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角Ω＝2rs若在以r为半径的球面上截得的面积s=r2，则此立体角为1球面度。整个空间球面面积为4πr2,对应立体角为Ω＝＝4π2rs应用光学讲稿二、立体角的计算假定一个圆锥面的半顶角为，求该圆锥所包含的立体角大小。以r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个对应的环带，环带宽度为，环带半径为，所以环带长度为，环带总面积为drdsinrsin2r220222sin4)cos1(2cos2cos2sin2sin2sin2较小时，或者将上式积分得它对应的立体角为dddrdsddrrrdds应用光学讲稿§6-2辐射度学中的基本量及其计量单位一、辐射通量单位时间内辐射体辐射的总能量-----辐射功率e单位：瓦特（W）反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分dddeee00limΦeλ：光谱密集度曲线应用光学讲稿二、辐射强度辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量符号：单位：瓦每球面度（W/sr）eIddIee表示辐射体在不同方向上的辐射特性应用光学讲稿三、辐射出射度辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量符号：单位：瓦每平方米（W/m2）eMeddsdMee不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同位置上单位面积的辐射特性dsA应用光学讲稿四、辐射照度辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐射通量符号：单位：瓦每平方米（W/m2）eEeddsdEeedsA应用光学讲稿五、辐射亮度辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位投影面积上发出的辐射通量符号：单位：瓦每球面度每平方米（W/sr.m2）eLcosdsdsdsILnnee描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性应用光学讲稿§6-3人眼的视见函数•辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可以产生亮暗感觉；•可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同•光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数，称为视见函数，又称光谱光视效率。V应用光学讲稿光线颜色波长/nmVλ光线颜色波长/nmVλ紫紫靛靛靛蓝蓝蓝蓝蓝绿绿绿绿黄黄黄黄黄4004104204304404504604704804905005105205305405505555605700.00040.00120.00400.01160.02300.03800.06000.09100.13900.20800.32300.50300.71000.86200.95400.99501.00000.99500.9520黄黄橙橙橙橙橙橙红红红红红红红红红红红5805906006106206306406506606706806907007107207307407507600.87000.75700.63100.50300.38100.26500.17500.10700.06100.03200.01700.00820.00410.00210.001050.000520.000250.000120.00006应用光学讲稿把对人眼最灵敏的波长的视见函数定为1，即nm5551)555(V假定人眼同时观察两个位于相同距离上的辐射体A和B，这两个辐射体在观察方向上的辐射强度相等，A辐射的电磁波波长为，B辐射的波长为555nm，人眼对A的视觉强度与人眼对B的视觉强度之比，作为波长的视见函数。应用光学讲稿举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和B，假定辐射强度相同，A辐射波长为600nm,B辐射波长为500nm。V(600)=0.631V(500)=0.323A对人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的0.631/0.323倍，近似2倍。若要使A和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的辐射强度应该是辐射体B强度的一半。应用光学讲稿§6-4光度学中的基本量一、发光强度和光通量1、光通量定义ededVCd)(C为单位换算常数。光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定有一单色光，其辐射通量为，其中能够引起视觉的部分为光通量--------用人眼视觉强度来度量的辐射通量。应用光学讲稿2、发光强度发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。也可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是发光强度。eeIVCddCVddI)()(单位：坎（德拉）cd应用光学讲稿常数C：CIE规定：当发光体发出的光全部是的单色光，在某一方向上辐射强度，则发光体在此方向上的发光强度为1cd。nm555)/(6831srWIe)(683/683111WsrcdcsrWccd代回发光强度表示式，eIVI)(683若则流明（lm）111IddsrdcdI应用光学讲稿3、光谱光视效能与的乘积称为光谱光视效能，用表示。C)(V)(K。称为最大光谱光视效能sr/W683cd即K1时，K(λ)最大，当V(λ)683V(λ)K(λ)m表示人眼对不同波长光辐射的敏感度差别，)(V)(K表示辐射通量中有多少可以转变为光通量。应用光学讲稿4、连续光谱的光通量计算有了光谱光视效能后，光通量公式可写成eedKdCVd)()(总的光通量应该等于整个波长范围内上式的积分000)()(dKdKdee发光体的发光特性：光视效能00)(ddKKeee应用光学讲稿常见光源的光视效能光源种类光视效能(lm/w)光源种类光视效能(lm/w)钨丝灯（真空）钨丝灯（充气）石英卤素灯气体放电管8~9.29.2~213016~30日光灯高压水银灯超高压水银灯钠光灯27~4134~4540~47.560应用光学讲稿计算举例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。２、求发光强度：总立体角为１、求总光通量：lmKe90060154cdI62.714900应用光学讲稿二、光出射度和光照度１、光出射度：发光体表面某点附近单位面积发出的光通量。dsdMddsA发光表面均匀发光情况下，sM（lm/m2）应用光学讲稿2、光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位面积接收的光通量。dsdEddsA被照表面均匀照明情况下，sE（lx）单位：勒克司1lx=1lm/m2应用光学讲稿观看仪器的示值一般阅读及书写精细工作（修表等）摄影场内拍摄电影照相制版时的原稿明朗夏日采光良好的室内太阳直照时的地面照度满月在天顶时的地面照度无月夜天光在地面产生的照度30~50lx50~70100~2001万3万~4万100~50010万0.23×10–4常见物体的光照度值应用光学讲稿计算举例：照明器在15m的地方照亮直径为2.5m的圆，要求达到的照度为50lx，聚光镜焦距为150mm，通光直径也为150mm，求：1、灯泡发光强度；2、灯泡通过聚光镜后在照明范围内的平均发光强度，以及灯泡的功率和位置。2.5m15m-u150mm-u’思路：像方照度像方接收的总光通量像方立体角像方孔径角物方立体角像方发光强度灯泡发光强度总光通量灯泡功率、位置应用光学讲稿mmtguhlWKlmIcdIcdIsrutgufhnntgutgunsruutglmSEe130245367042921026.1''845.02sin4578.0'/'''0195.02'sin4'0783.015075.025.1)'(246)25.1(504222灯泡位置率采用钨丝灯照明时，功发出的总光通量为若各向均匀发光，灯泡失，灯泡发光强度为假定忽略聚光镜光能损照明空间平均发光强度立体角为算公式：由理想光学系统光路计立体角为像方光锥角解：像方接收总光通量总15m-u150mm-u’2.5m应用光学讲稿三、光亮度发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角内发出的光通量。cosdsdddsILn单位：坎/米2发光体某点在给定方向上的发光特性。应用光学讲稿常见物体的光亮度值光源名称光亮度(cd/m2)光源名称光亮度(cd/m2)在地球上看到的太阳普通电弧钨丝白炽灯灯丝太阳照射下漫射的白色表面1.5×1091.5×108(5~15)×1063×104在地球上看到的月亮表面人工照明下书写阅读时的纸面白天的晴朗天空2.5×103105×103应用光学讲稿计算举例：有一均匀磨砂球形灯,直径为17cm,光通量为2000lm,求该灯的光亮度.解:根据光亮度与发光强度的关系来求.ndsIL2322222/1071027.215.1591027.2)217.0(15.15942000mcdLmRdscdIn灯应用光学讲稿§6-5光照度公式和发光强度余弦定律一、光照度公式假定点光源照明微小平面ds，ds离开光源距离为l，表面法线方向与照明方向成，若光源在此方向上发光强度为I，求光源在ds上的光照度。222coscoscoslIElIdsdldsdIdddSdE光照度公式应用光学讲稿注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明，就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度又可以应用。问题：同样一间屋子，用60W钨丝灯比用40W钨丝灯照明显得亮？发光效率K相同，EIKee应用光学讲稿应用：测定光源发光强度标准光源待测光源I1I2l1l2两个完全相同的漫反射表面，标准光源I1，l1已知,用眼睛观察两表面，由光照度公式移动待测光源，改变l2,即改变E2，当眼睛观察两表面同样亮时(E相等)，测出l2，由得出可以求得I22coslIE222211coscoslIlI222121llII应用光学讲稿计算举例1：桌面OB上方有一盏100W钨丝充气灯泡P，光源在各方向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多高时，B点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？POl1mBx表示出来即可。将由lIlIE,cos,,cos2cdKIe36.11941001541cos,1,22xxlxxlxOP则令1)1/(22xxxIEE公式得代入lxEEmxllxmxxdxdEB94.45225.117071.00210max22此时，表示式得代入将整理化简后得点光照度最大，令要使应用光学讲稿二、发光强度余弦定律在各个方向上的光亮度都近似一致的均匀发光体称为朗伯辐射体。I0Idscoscos000IIdsIdsILIds一致，发光体在各方向光亮度的发光强度为在与该微面垂直方向上假定发光微面发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定律的发光体称为余弦辐射体或朗伯辐射体。dsI0I应用光学讲稿应用：求发光微面发出的光通量dsLu已知：发光微面ds，光亮度为L，求它在半顶角为u的圆锥内所辐射的总光通量。0IduIdd＝的圆锥对应的立体角为半顶角为量为解：微小立体角内光通co