光能及其計(jì)算

1、光有能，入瞳岀瞳就是限制能量的。對(duì)能的討論本不是應(yīng)用光學(xué)的范疇，但要 設(shè)計(jì)儀器，不又能不了解一些起碼的問(wèn)題，否則所設(shè)計(jì)的儀器可能是無(wú)用的，因?yàn)椴荒軅鬟f足夠的能量。我們要求光學(xué)系統(tǒng)傳遞的能量必須能被光能接收器所感 知。§6-1輻射能通量，光通量返回本章要點(diǎn)、輻射量1、輻射能以電磁輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的能量稱輻射能單位：焦耳（J），爾格（erg）單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的全部輻射能W2、輻射能通量由于輻射能總包含一定的光譜范圍，若已知能量的光譜分布曲 線爐二r尬弊二p/入貝寸任何輻射能接收器都只能接收某一光譜范圍內(nèi)的能量，即對(duì)不同光譜范圍有不同的靈敏度。如人眼，入=400-760nm為

2、可見(jiàn)光。在這個(gè)范圍內(nèi)，人眼能比較光譜波長(zhǎng)及能量大小。但各種波長(zhǎng)的光引起人眼感覺(jué)、靈敏度不同。光譜光視效率二、光譜光視效率（視見(jiàn)函數(shù)）人眼對(duì)入=555nm的黃光最靈敏，定返回本章要點(diǎn)陌=氏鼻=lunit入420510555610700V入0.0040.51.00.50.004& =這里 心表示：對(duì)單位波長(zhǎng)（1nm）內(nèi)具有P入瓦的輻射能通量，能感受到 入流明的光通量，即j = lm/WIm與輻射能通量 相當(dāng)?shù)墓舛葘W(xué)單位（光通量）任意波長(zhǎng)的K表示1W該波長(zhǎng)的光所相當(dāng)?shù)牧髅鲾?shù),為絕對(duì)靈敏度。對(duì)其它波長(zhǎng)有V入表征人眼的光譜靈敏度人眼的相對(duì)靈敏度稱光譜光視效率或視見(jiàn)函數(shù)三、光通量與發(fā)光效率返回本章

3、要點(diǎn)光通量一一是輻射能通量 的光量度，即若干輻射能相當(dāng)于多少光。得廠-;這是單位波長(zhǎng)內(nèi)的，因此整個(gè)光譜范圍內(nèi)有4 L珂7說(shuō)二強(qiáng)即#Kim）*4w發(fā)光效率一一輻射體（光源）發(fā)岀的總光通量與總 輻射能通量 之比光源發(fā)岀的總光通量/總輻射能通量§6-2發(fā)光強(qiáng)度，光照度，光出射度和光亮度、發(fā)光強(qiáng)度描述點(diǎn)光源的發(fā)光特性返回本章要點(diǎn)設(shè)點(diǎn)光源在元立體角 d3內(nèi)發(fā)出的光通量為d，則其發(fā)光強(qiáng)度為發(fā)光強(qiáng)度為單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量立體角（旳因此，整個(gè)空間=4打(sr)當(dāng)光源在各個(gè)方向上發(fā)光強(qiáng)度相同時(shí)，總光通量為 I- - |發(fā)光強(qiáng)度的單位一一坎德拉（是光度學(xué)的基本單位）光源在給定方向上1球面度立體角內(nèi)發(fā)

4、出 0.00146W波長(zhǎng)為555nm的單色光的能通量時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度1 cd = l lm/1 sr對(duì)555nm波長(zhǎng)，11m光通量相當(dāng)于0.00146W的輻射能通量，因此:、光照度光源發(fā)出的光投射到某表面，該表面上的亮暗程度定義為單位面積上得到的 光通量，即以返回本章要點(diǎn)若是點(diǎn)光源照明某個(gè)面積，有cosj討論：1. I越大則E越大；2. R越大則E越?。?與方向有關(guān)，當(dāng)i =0即垂直照明時(shí)E最大;4人眼具有分辨 E大小的能力三、光出射度一一描述面光源的發(fā)光特性，定義為發(fā)光表面單位面積上發(fā)出的光通量，即M =朋（單位與光照度相同）返回本章要點(diǎn)透射面或反射面接受 光通量，又可作為二次光源發(fā)岀光通量。此

5、時(shí)該二次光源的發(fā)光特性除與接受到的光通量有關(guān)外，還與自身的透射或反射率有關(guān)，有第.":p為透射率或反射率，與波長(zhǎng)有關(guān)，因而物體呈現(xiàn)彩色P十丄的吻體一白怵受四、光亮度一一描述有限大小光源的發(fā)光特性對(duì)有限大小光源，顯然厶=Li 光源在與法線成i角方向上的光亮度'* ' * r -4£=丄另一方面，考慮到可得"i方向單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度 單位：尼特一一面積1平方米的發(fā)光表面在法線方向的發(fā)光強(qiáng)度為 cd 時(shí)的亮度為 1 nt。1nt=1cd/m2某些光源，L不隨方向變，此時(shí)I隨方向變，可推得_ J;'這種光源稱為 余弦輻射體返回本章要點(diǎn)§

6、6-3光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化規(guī)律一、 點(diǎn)光源照明距離為R的表面時(shí)形成的照度 一一參見(jiàn)光照度二、 光亮度在同一介質(zhì)中的傳遞光束的光亮度返回本章要點(diǎn)發(fā)光的面光源為 dS1,接受光通量的面積為dS2,得元光管 因?yàn)楣庵本€傳播，光路可逆，也可看成dS2發(fā)光d 申二 d光束的光亮度光在同一介質(zhì)中傳播，忽略散射及吸收，則在傳播中的任一截面上, 亮度就是光源的亮度。光通量與亮度不變。光束的三、光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度返回本章要點(diǎn)忽略散射、吸收損失，有d=d'+血da = sin idtdip=Z"cose"近c(diǎn)按球坐標(biāo)定義反射時(shí)i ”= i ,因此d®” =chZ

7、'= flL入肘光售折射光管這里p是反射率。當(dāng)入射角不大時(shí)此二式相乘，可導(dǎo)岀為_(kāi) sinfrft1t/esin id；/?2cosj二”、得球坐標(biāo)反射損失膠合面一一n與n'差不多，可略且.,一I -e dS = rdi r sin td> = r2 j;in ididp:.畑=-sui ididp§-4光學(xué)系統(tǒng)光能損失的計(jì)算返回本章要點(diǎn)光學(xué)零件與空氣接觸面一一損失p能量損失吸收損失在空氣中的吸收 可略在光學(xué)零件中的吸收損失（1T漫反射、散射、多次反射 雜散光，應(yīng)改善材料及加工質(zhì)量反射面不完全反射的損失一一鍍膜反射面，損失（1-p）r = r 7據(jù)此，按面推導(dǎo)，可

8、得光學(xué)系統(tǒng)所通過(guò)的光能（亮度）為/、3a：h-1/ - V£'=2>1/-Ik系統(tǒng)總面數(shù)K 系統(tǒng)總透過(guò)率t為透過(guò)率，即當(dāng)光亮度為1，經(jīng)1cm傳播，剩下t若傳播dem,則 T為吸收率。一般玻璃中1 T =0.01空氣中T =1m金屬反射面數(shù)d近似取各光學(xué)零件的沿軸厚度§6-5成像光學(xué)系統(tǒng)像面的照度返回本章要點(diǎn)、通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光通量1.進(jìn)入系統(tǒng)的 光通量（設(shè)光源發(fā)出的光在各方向上L相同）物面上dS,在u方向d3立體角內(nèi)-L ggdE sin ududq>所以，dS發(fā)岀的能進(jìn)入系統(tǒng)的總 光通量sm u tuda如果系統(tǒng)的能量 透過(guò)率為K，則由岀瞳岀射的光通量-同理，從像面dS考慮，可得岀瞳岀射的光通量 ；"、軸上像點(diǎn)的光照度返回本章要點(diǎn)dS'上有'的光通量用二喬U = rL sin U根據(jù)LlKL5、2應(yīng)相等«S1IL Un'sxn IF正弦條件討論:E、因得0氏r三、軸外像點(diǎn)的光照度返回本章要點(diǎn)當(dāng)物面亮度均勻時(shí)光學(xué)系統(tǒng)孔徑越大，像面 照度越大sin U&#