光学设计第2讲光度学.

光学设计基础理论第2讲光度学基础1可见光2人的视觉3光度学基础1可见光粒子-反射、折射、吸收—几何光学波动-干涉、衍射、偏振（横波）--波动光学—电磁波波粒二象性—光量子（爱因斯坦光电效应实验解释）红780nm~630nm橙630nm~590nm黄590nm~570nm绿570nm~500nm青500nm~460nm蓝460nm~430nm紫430nm~380nm1可见光可见光谱：在电磁辐射范围内，只有从380-780(nm)波长的电磁辐射能够引起人的视觉，这段波长叫做可见光谱。1可见光光学辐射：指波长为1纳米到1毫米范围的电磁辐射，它主要包括紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。分为：可见辐射和不可见辐射。可见辐射（可见光）：对于人来说，能为眼睛感受并产生视觉的光学辐射称为可见辐射。这种来及外界的可见光辐射刺激人的视觉器官，在脑中产生光、颜色、形状等视觉印象，而获得对外界的认识。不可见辐射（紫外线、红外线）：不能为眼睛感受，也不产生视觉的光学辐射称为不可见辐射。这种辐射刺激眼睛时不产生视觉，而作用在皮肤上有时会产生其它感觉，如紫外线产生疼痛感觉，红外线长生灼热感觉。2人的视觉1、视觉光作用于视觉器官，使其感受细胞兴奋，其信息经视觉神经系统加工后便产生视觉。人的视觉器官不但反映光的强度，而且也能反映光的波长特性。前者表现为亮度的感觉，后者表现为颜色的感觉。通过视觉，人和动物感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静，获得对机体生存具有重要意义的各种信息，至少有80％以上的外界信息经视觉获得，视觉是人和动物最重要的感觉。2人的视觉视神经盘（视神经乳头）（盲点）黄斑（密集着椎体细胞的区域，颜色呈黄色）中央凹（最敏感的地方）视神经乳头双极细胞神经节细胞杆体细胞锥体细胞锥体与杆体细胞的混合系统2人的视觉光线进入人眼的视网膜,杆状细胞和锥状细胞起作用。杆体细胞和锥体细胞经电化学作用产生脉冲信号。脉冲信号通过视神经传送到大脑。从而产生视觉效应，使人们能看到物体。1.2人的视觉2、人眼视网膜上有二种感光细胞：杆体细胞和锥体细胞。杆体细胞：只在较暗条件下（在亮度为0.001cd/m2以下）起作用，适宜于微光视觉，感光灵敏度高，仅能分辨明暗，不能分辨颜色和细节。杆体细胞不能分辨色彩的原因是因为它只含有一种类型的感光色素，这些感光细胞集中在视网膜的外围部分，引起的是外围视觉。2人的视觉锥体细胞:在光亮（亮度为3cd/m2以上）条件下，能够分辨颜色和物体的细节。其原因：在高亮度条件下，杆体细胞响应饱和，视觉完全由锥体细胞引起，锥体细胞可能含有敏红素、敏绿素和敏蓝素三种感光色素中的一种，分别称为L型（长波，590nm）、M型（中波，540nm）以及S型（短波，450nm）锥体细胞。由于光谱灵敏度不同，这些感光色素使我们能够区分色彩。锥体细胞集中在视网膜的中心部分，密度在外围下降。锥体细胞灵敏度较低但空间分辨率较高。2人的视觉3、明视觉、暗视觉、中间视觉1912，冯·凯斯（J.VonKries）根据上述现象，提出了视觉的二重功能学说，认为视觉有两重功能：视网膜中央的“锥体细胞视觉”和视网膜边缘的“杆体细胞视觉”，也叫做“明视觉”和“暗视觉”。当环境亮度介于0.001cd/m2和3cd/m2之间称为中间视觉。此时视网膜上的锥体细胞和杆体细胞同时起作用，蓝光比红光更为明亮。1.2人的视觉总结：视网膜：杆体细胞+锥体细胞杆体细胞：感光灵敏度高（暗视觉），不能分辨细节，不能分辨色彩。锥体细胞：感光灵敏度低（明视觉），能分辨细节，能分辨色彩。锥体细胞可分敏红、敏绿、敏蓝细胞2人的视觉4、视觉适应在变化的各种亮度、光谱分布、视觉刺激下，视觉系统会相应地做出调整以适应这种变化过程。明适应：黑暗环境到明亮环境暗适应：明亮环境到黑暗环境明适应的时间较短，通常为10-3s-2min暗适应的时间较长，通常为20分钟到一个小时引起光感觉的最小亮度和最低光出射角度应用：隧道路灯照明3光度学基础3.1辐射度学与光度学3.2辐通量与光通量3.3发光强度3.4亮度3.5光出射度3.6照度3.7发光效率3.8各个物理量的关联3.1辐射度学与光度学辐射度学（Radiometry）：当外界物理辐射以能量（或功率）为单位来评价时，定义为辐射量，这是纯物理量，属于辐射度学研究的范畴。光度学（Photometry）：物理辐射作用在观察者的视觉器官是产生光的感觉，当辐射量与人眼的视觉特性相联系而被评价时，定义为光度量，属于光度学研究的范畴。光度学处理的是光亮度的视觉，测量的是视觉响应。3.1辐射度学与光度学3.2辐通量与光通量1、辐通量Φe（辐射功率）：单位时间内光源发出或通过一定接收截面的辐射能，单位为W（瓦特）。dee)(谱密度，光谱分布3.2辐通量与光通量)(SdSKSe)()()(SKSe3.2辐通量与光通量3.2辐通量与光通量3.2辐通量与光通量2、光谱光效率函数用来度量辐射能所引起的视觉能力的量称为光谱光效率函数，（即光谱不同波长的能量对人眼产生光感觉的效率）。它主要是评价人体视觉对各种颜色的灵敏度。光谱光效率函数是光度学计算的重要依据。1933年国际计量委员会采用光谱光效率函数作为光度量的标准。1.3.2辐通量与光通量InternationalCommissiononIllumination（国际照明委员会），简称CIE一般用表示明视觉的光谱光效率函数；)(V明视觉光谱光效率函数是1924年国际照明委员会(CIE)根据吉普逊(Gibson)等几组科学家对200多名观察者测定的结果推荐的，适合于2度视场观察条件，其峰值在555nm，也就是说对波长为555nm的黄绿光的感受效率最高，同样对其它波长的光的感受效率较低。)(V暗视觉光谱光效率函数(ScotopicVision)是CIE于1951年推荐的，是在克拉福特(Craford)和沃尔特(Wald)实验数据基础上综合后推出的，它的峰值在507nm，也就是说对波长为507nm的蓝绿光的感受效率最高。)('V一般用表示暗视觉的光谱光效率函数；)('V光谱光视效率3.2辐通量与光通量光谱光效率函数归一化：光谱光视效率与波长的关系曲线。引起的明亮感觉的程度的单色辐射所波长的相对值代表等能光谱和)(V)(V')('V)(V在月色朦胧的夜晚，总感到周围一切笼罩一层蓝灰色的色彩WmvWvmeeV1)(1)(|)(|)()(3.2辐通量与光通量3、光通量（Flux）Φv（流明，lm）按照CIE标准光度观察者的视觉特性来评价的辐射通量，即为光通量，它表示光源的发光能力。dVKemv)()()()()(VKemvKm为辐射的光谱光效能的最大值，单位：流明每瓦特（lm/W）。）（此时暗视觉：）（此时明视觉：nm507/1753nm555/683WlmKWlmKmm3.2辐通量与光通量3.2辐通量与光通量例如：对于555nm的绿光，1瓦特=683流明，440nm的光的视觉函数为0.023，那么，1W的440nm的光对应多少流明？)()()(VKemv683lm/W*1W*0.023=15.71lm3.2辐通量与光通量常用灯具的电功率与光通量3.3发光强度发光强度（LuminousIntensity）：点光源在给定方向上单位立体角内发射的光通量，也可解释为在一定方向上单位立体角内所发出的光通量。单位：流明/球面度（lm/sr）或坎德拉（cd）。坎德拉是国际单位制（SI）的基本单位，等于一个发射频率5.4X1014Hz（555nm）的单色光，辐射强度为1/683(W/sr)的光源的发光强度。注意：发光强度的概念不能直接应用于不可看作为点光源的众多光源。ddIvv3.3发光强度国际单位制（SI）7个基本单位长度单位——米(m)质量单位——千克(kg)时间单位——秒(s)电流单位——安培(A)热力学温度单位——开尔文(K)物质的量单位——摩尔(mol)发光强度单位——坎德拉(cd)3.3发光强度国际单位制（SI）2个辅助单位平面角单位—弧度（1rad=180°/3.142）立体角单位—球面度（sr）a弧长r半径ra2rA)(4)(2srsr全空间：半空间：3.3发光强度3.3发光强度3.3发光强度3.3发光强度3.4亮度1、亮度（Luminance）：离开，到达或者穿过某一表面，单位立体角单位投影面积上的光通量。单位：坎德拉每平方米（cd/m2，也可用尼特（nt）表示）。coscos**dSIdSIdSdddSddLvvvvIv是指扩展光源表面的每块面元dS沿某方向r有一定的发光强度3.4亮度亮度可描述有限尺寸的发光体发出的可见光在空间分布的情况，也可描述光路中的任意一个截面的光分布。一个不发光但反射的物体明亮程度的视觉可以用它对某个光源发射光的反射来表征。当亮度低于10-3cd/m2时，暗视觉其主要作用，若亮度超过3cd/m2，则完全是明视觉。从海平面上看太阳的平均亮度为1.6X109cd/m2月亮的亮度大约是2500cd/m2蜡烛的亮度约为（0.5-1.0）X104cd/m2蓝天的亮度为0.8X104cd/m2。无月的夜空约10-4cd/m23.4亮度3.4亮度表室内外照明的亮度分布情况亮度（cd/m2）亮度分类1推荐的道路亮度2刚能识别人脸部特征的亮度51020能满意辨认50墙和天棚的优选亮度优选的作业亮度1002005001,000一般照明灯具允许的亮度值2,0005,00010,0003.4亮度2、朗伯（Lambert）定律—余弦发射体、漫反射体如果有一个面积为A的均匀发光面，它在某一方向上的亮度为L，则它在这个方向上的发光强度I应为cosALIcosALI：发光面的法线与所指定的方向的夹角。假若这个面光源的亮度在各个方向上都相等，即亮度不依赖于方向角，则现定义I0为这个面光源法线方向上的发光强度，即I0＝L·A。上式变为cos0II3.4亮度一个朗伯发射面，它向空间两个任意1和2之间所发出的光通量：对于半球体应取1=0°，2=90°，可得)2cos2(cos2sincos2cos2100021IdIdI0I若朗伯发射面的面积为A，则因I0＝LA，可得LA若朗伯发射面为漫反射的二次发光面，其入射照度为E，则,,EALALE3.4亮度朗伯发光体：太阳（天空）、LED朗伯反射体：积雪、刷粉的白墙、粗糙白纸INIθθ(a)INIθθ(b)3.5光出射度光出射度：光源表面上单位面积发出的光通量，单位为lm/m2。dSdvvM因透射或反射的二次发光面：vvvvEEMM透射发光反射发光上的照度为被照面的二次发光面透射比），为被照面的透射系数（反射比），为被照面的反射系数（vE照度：被照面所接收到的光通量的表面密度，光出射度：发光面发出的光通量的表面密度。dLvvcosM3.5光出射度理想漫反射面的出射度：)1(,MLLEvvθ1θ2(a)(b)(c)3.6照度1、照度（Illuminance）：投射在单位面积上的光通量。单位：流明每平方米（lm/m2，也称为勒克斯lx，即1lm/m2=1lx）dAdEvv注意：1）1lx的照度是比较小的，在此照度下只能大致辨认周围物体。通常，满月夜晚的地面照度约为0.2lx，白天采光良好的室内照度为100－500lx，晴朗的室外太阳非直射下的地面照度为103－104lx，而中午太阳直射下的地面照度可达105lx。2）照度越高，眼睛分辨细节、低反差以及色调的能力越强。因此，不同活动需要不同的照度级别。3.6照度在通常照明条件下，将20lx的平均照度取为非工作区的最小照度，它相