應用光學 chapter 5

1、1輻射度學和光度學基礎輻射度學和光度學基礎2問題提出光具有能量如激光焊接，激光致盲，太陽能熱水器光學系統(tǒng)是能量傳輸系統(tǒng)前面幾章研究了光學系統(tǒng)的成像問題，只是研究了能量的傳播 方向，本章解決能量的測量、計量和計算問題研究電磁波輻射的測試、計量和計算的學科稱為“輻射度學”研究可見光的測試、計量和計算的學科稱為“光度學”可見光可用輻射量和光學量兩種量值系統(tǒng)來度量描述電磁輻射的物理量為輻射量可見光是波長在400nm-760nm范圍內的電磁輻射，是能對人的 視覺形成刺激，并被能被人感受到的電磁輻射，按視覺響應原 則建立的表征可見光的量為光學量3輻射度學與光度學中基本量q立體角4整個球面的面積4r2,則這

2、個空間為4 球面度4422rr立體角用孔徑角表示 假定一個圓錐面的半頂角為,該圓錐所包含的立體角為 較小時，2sin4225q輻射度量6ddIee 輻射強度定義：輻射通量與立體角的比值，表示輻射體在不同方向上的輻射特性（單位：W/sr）dde7dSdMee 輻射出射度、輻射照度 （單位：W/m2）dSdEeedAds定義：輻射通量與A點處微面的比值，表示輻射體表面上任意一點A處的輻射強弱Adds8needSIL 輻射亮度（單位：W/(srm2）cos dSdSn定義：輻射強度與A點處微面投影面積的比值，表示輻射體表面上不同位置和方向上的輻射特性9q視見函數l表示人眼對不同波長輻射的敏感度差別表

3、示人眼對不同波長輻射的敏感度差別l人眼視覺系統(tǒng)決定的人眼視覺系統(tǒng)決定的l明視覺視見函數，暗視覺視見函數明視覺視見函數，暗視覺視見函數l規(guī)定規(guī)定V（555）1，555nm人眼最靈敏的波長人眼最靈敏的波長lV V（ ）I(555)/ II(555)/ I（ ）問題：輻射體問題：輻射體A輻射波長為輻射波長為600nm，輻射體，輻射體B輻射波長為輻射波長為500nm，欲使，欲使兩者對人眼產生相同的視覺強度，兩者的輻射強度應該怎樣？兩者對人眼產生相同的視覺強度，兩者的輻射強度應該怎樣？10明視覺與暗視覺函數明視覺與暗視覺函數1112q光度量光度量1314例：一個功率(輻射通量)為60W的鎢絲充氣燈泡，假

4、定它在各個方向上均勻發(fā)光，求它的發(fā)光強度。解：取光效視能為15lm/W,則總光通量：Ke=1560900lm發(fā)光強度為I/= /4=71.62cd151617光亮度發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)光特性 lLI/dsn=I/（dscos）lLI/dsn=d/（dscosd）l發(fā)光面上單位投影面積在單 位立體角內發(fā)出的光通量l單位：坎德拉/米2, cd/m2， 熙提（sb）, 1st = 1cd/cm2 人們常說40w日光燈比40w鎢絲燈亮，是否說明日光燈的光亮度比鎢絲燈大？這里所說的“亮”是指什么？ 物體的光亮度就是人眼感到的明亮程度，這種說法對嗎？18例： He-Ne激光器：P10mw, =6

5、32.8nm, V=0.24, d=1mm,=1mSr(毫弧度)，求L d=683Vde=6830.241010-3=1.6152流明 d =2=3.14 (10-3)2 L=d/（dsd)=6.553107st L太陽1.5105st LHe-Ne=440L太陽 “勿對著眼睛照射” “激光致盲武器”19例：如下照明器，在15m遠的地方照明直徑為2.5m的圓面積，要求達到平均照度為50lx，聚光鏡的焦距為150mm，通光直徑也等于150mm，試求燈泡的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。解：均勻照明下：lmES246)25. 1 (502照明范圍對應

6、的光錐角u為：05 . 40783. 015075. 025. 1) (uutg根據理想光學系統(tǒng)中光路計算公式：fnhntgutgun20有：030u對應的立體角為：srusru845. 0)15(sin42sin40195. 0)25. 2(sin42sin4022022照明空間的平均發(fā)光強度和燈泡的發(fā)光強度為分別：cdIcdI292845. 02461026. 10195. 02464燈泡發(fā)出的總光通量：WI24529244燈泡的功率：WKe245153670燈泡的位置：mmtguhl130578. 07521光傳播過程中光學量的變化規(guī)律 22232425朗伯余弦定律及朗伯源余弦輻射體co

7、sdSIdSILNl發(fā)光強度空間分布可用式IINcos表示的的發(fā)光表面l只有絕對黑體是理想的余弦輻射體，具有粗糙表面的發(fā)光體與余弦發(fā)光體接近。26l對朗伯源，發(fā)光強度向量I端點軌跡是一個與發(fā)光面相切的球面l余弦輻射體在和法線成任意角度方向的光亮度ConstdAIdAIdAILnncoscoscos朗伯源的光亮度朗伯源的光亮度L與方向無關，只是與方向無關，只是I隨隨變化而變化變化而變化27l余弦輻射體發(fā)光微面發(fā)出的光通量余弦輻射體發(fā)光微面發(fā)出的光通量LdA20IdLdAuLdAu22sin兩面發(fā)光兩面發(fā)光28光學系統(tǒng)中光束的光亮度均勻透明介質情形假定A1A2直線為均勻透明介質中的一條光線討論：直

8、線上任意兩點A1和A2在光線前進方向上的L1和L2之間的關系A1A229ldS1輸入到dS2內的光通量為d1l從dS2射出的d2l若不考慮光能損失21dd22211111111coscoscosldSdSLddSLd21122222222coscoscosldSdSLddSLd21LL 結論：光在同一介質中傳播，忽略散射及吸收，則在傳播結論：光在同一介質中傳播，忽略散射及吸收，則在傳播中的任一截面上，光通量與亮度不變。光束的亮度就是光源的中的任一截面上，光通量與亮度不變。光束的亮度就是光源的亮度亮度 30ldA位于n1介質內。入射光束的光亮度L1，在o點附近取一微元dA，則過dA輸出的光通量：

9、ldA看作位于n2介質內。 dA輸出的光通量：ddIIIdALdIdALd11111111sincoscosddIIIdALdIdALd22222222sincoscos 折射情形折射情形31l不考慮界面損失， 也不考慮光束在傳播中的光能損失2221111221sincossincosdIIIdIIILLdd2221112211coscossinsindIIndIInInIn211222nLnL212212nnLL結論：當光線處于同一介質，同前L2L132l綜上，光束在均勻介質中傳播，或在兩種介質分界面上綜上，光束在均勻介質中傳播，或在兩種介質分界面上的反射時的光亮度變化，都看成折射時的特例的

10、反射時的光亮度變化，都看成折射時的特例02222211.LnLnLnLkn折合光亮度折合光亮度 結論：如果不考慮光束在傳播中的光能損失，則位于同結論：如果不考慮光束在傳播中的光能損失，則位于同一條光線上的所有各點，在該光線傳播方向上的折合光亮度不一條光線上的所有各點，在該光線傳播方向上的折合光亮度不變變 反射情形反射情形33l理想成像，物點理想成像，物點A發(fā)出的光線均通過像點發(fā)出的光線均通過像點A，物和，物和像的光亮度像的光亮度l實際光學系統(tǒng)，考慮光能損失實際光學系統(tǒng)，考慮光能損失2)(nnLL2)(nnLL 1當系統(tǒng)物象空間介質相同時，像的光亮度永遠小于物的光亮當系統(tǒng)物象空間介質相同時，像的

11、光亮度永遠小于物的光亮度度 2 折射光的光亮度不僅與透射率的大小有關，也與二介質的折射光的光亮度不僅與透射率的大小有關，也與二介質的折射率密切相關折射率密切相關LL234成像系統(tǒng)的像面照度 353637特廣角鏡頭設計難！特廣角鏡頭設計難！38照相物鏡象平面的光照度2sinmaxfDu像平面近似位于物鏡的像方焦平面上像平面近似位于物鏡的像方焦平面上204fDLEF制光制光圈圈39分度的方法：每一刻度值對應的象平面光照度依次減少一半，相對孔徑按分度的方法：每一刻度值對應的象平面光照度依次減少一半，相對孔徑按2/ 1等比級數變等比級數變化化40例 在晴朗的白天進行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量H

12、0.4lxs，假定取曝光時間t=1/100s,物鏡的透過率=0.85,問應選多大的光圈數？（晴朗白天天空的光亮度為5000cd/m2)1 . 9111. 0012. 0500085. 04044)(4010014 . 02fDLEfDlxtHE解：光圈數選8或1141 投影物鏡象平面的光照度2sinfDU 物平面近似位于物鏡的物方焦平面上物平面近似位于物鏡的物方焦平面上12sinfDU 22014fDLEsinsinUU投影物鏡的放大率像面的照度公式42434445l例 在晴朗的白天進行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量H0.4lxs，假定取曝光時間t=1/100s,物鏡的透過率=0.85,問應選多大的光圈數？（晴朗白天天空的光亮度為5000cd/m2)1 . 9111. 0012. 0500085. 04044)(4010014 . 02fDLEfDlxtHE解：光圈數選8或11461.人工照明下閱讀時，紙面光亮度應大于10cd/m2,假定白紙的漫反射系數為0.75，用60w充氣鎢絲燈照明，光視效能為15lm/w,求當燈泡離紙面距離不大于多少時，才能產生所要求的光亮度（假定紙面與照射光線方向垂直）？思考