輻射度學與光度學基礎(chǔ)

1、輻射度學與光度學基礎(chǔ)輻射度學與光度學基礎(chǔ)6-2 輻射度學的基本量輻射度學的基本量n 一、輻射通量一、輻射通量輻射體單位時間輻射的總能量，稱輻射通量，用輻射體單位時間輻射的總能量，稱輻射通量，用 表示。單位瓦特。表示。單位瓦特。輻射的能量其實是波長的函數(shù)，稱光譜密集度，用輻射的能量其實是波長的函數(shù)，稱光譜密集度，用 表示。表示。ee0)( dde0limeddedee06-2 輻射度學的基本量輻射度學的基本量n 二、輻射強度二、輻射強度單位立體角內(nèi)輻射的輻射通量，稱輻射強度，記作單位立體角內(nèi)輻射的輻射通量，稱輻射強度，記作eIeddddIee單位：瓦每球面度（單位：瓦每球面度（W/Sr）6-2

2、輻射度學的基本量輻射度學的基本量n 二、輻射出射度和輻照度二、輻射出射度和輻照度輻射體單位面積輻射的輻射通量，稱輻射出射度，記作輻射體單位面積輻射的輻射通量，稱輻射出射度，記作接受體單位面積接收到的輻射通量，稱輻照度，記作接受體單位面積接收到的輻射通量，稱輻照度，記作eMdddSdSAAeE單位：瓦每平方米（單位：瓦每平方米（W/m2）dSdMeedSdEee6-2 輻射度學的基本量輻射度學的基本量n 二、輻亮度二、輻亮度輻射體在某方向上單位面積單位立體角輻射的輻射通量，稱輻亮度，記輻射體在某方向上單位面積單位立體角輻射的輻射通量，稱輻亮度，記作作eL單位：瓦每球面度每平方米（單位：瓦每球面度

3、每平方米（W/Srm2）neneedSIdSddLAdScos dSdSn6-3 人眼的視見函數(shù)人眼的視見函數(shù)人眼可以感受的光譜區(qū)間人眼可以感受的光譜區(qū)間390-780nm，稱作可見光，稱作可見光人眼對不同波長輻射的的敏感度不同，敏感度與波長的關(guān)系，稱作視見人眼對不同波長輻射的的敏感度不同，敏感度與波長的關(guān)系，稱作視見函數(shù)，用函數(shù)，用V()表示表示人眼對人眼對555nm的黃綠光最敏的黃綠光最敏感，定義它的視見函數(shù)為感，定義它的視見函數(shù)為1，即即V(555)=1其它波長的視見函數(shù)，按相其它波長的視見函數(shù)，按相同觀察條件下，測得的結(jié)果與同觀察條件下，測得的結(jié)果與555nm下測得的結(jié)果之比，顯下測得

4、的結(jié)果之比，顯然然V(1人眼在明視覺和暗視覺下，人眼在明視覺和暗視覺下，視見函數(shù)有所不同視見函數(shù)有所不同6-3 人眼的視見函數(shù)人眼的視見函數(shù)6-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 一、發(fā)光強度和光通量一、發(fā)光強度和光通量對某一單色光對某一單色光，輻射體輻射的能量按視見函數(shù)提取的能量，稱作光通量，輻射體輻射的能量按視見函數(shù)提取的能量，稱作光通量，記作記作eVC)(對某一立體角對某一立體角dddVCdde)(Idd稱作發(fā)光強度稱作發(fā)光強度eIVCI)(6-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 一、發(fā)光強度和光通量一、發(fā)光強度和光通量發(fā)光強度發(fā)光強度I 的單位為坎德拉（坎，的單位為坎德拉（坎，

5、cd），為七個國際基本計量單位之一。），為七個國際基本計量單位之一。定義：定義：1cd為發(fā)光體發(fā)出為發(fā)光體發(fā)出555nm的單色波，且測得同方向的輻射強度為的單色波，且測得同方向的輻射強度為(1/683)W/Sr，則發(fā)光體在該方向上的發(fā)光強度為，則發(fā)光體在該方向上的發(fā)光強度為1cd1)555(VW/Sr6831eI68311cd1 C683CeIVCI)(eIVI)(6836-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 一、發(fā)光強度和光通量一、發(fā)光強度和光通量IddVde)(683光通量光通量單位：流明、單位：流明、lmSr1cd1lm16-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 一、發(fā)光強度和光通

6、量一、發(fā)光強度和光通量Let)(683)()(VVCKK()稱為稱為的光譜光視效能的光譜光視效能eedKdVd)()(683全光譜光通量與輻射通量之間的關(guān)系全光譜光通量與輻射通量之間的關(guān)系dKdKdee000)()(定義：光視效能定義：光視效能00)(ddKKeee光視效能的單位為：光視效能的單位為：lm/W6-4 光度學中的基本量光度學中的基本量光源光視效能光源光視效能鎢絲燈(真空)8-9.2日光燈27-41鎢絲燈(充氣)9.2-21高壓水銀燈34-45石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈40-47.5氣體放大管16-30鈉光燈60常用光源的光視效能常用光源的光視效能6-4 光度學中的基本量光度學中的

7、基本量n 例：一個功率（輻射通量）為例：一個功率（輻射通量）為60W的鎢絲充氣燈泡，假定它在的鎢絲充氣燈泡，假定它在各個方向上均有發(fā)光，求它的發(fā)光強度。各個方向上均有發(fā)光，求它的發(fā)光強度。鎢絲充氣燈泡的光視效能，取平均值為鎢絲充氣燈泡的光視效能，取平均值為15lm/Wlm9006015eKcd62.714I6-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 二、光出射度和光照度二、光出射度和光照度發(fā)光體單位面積發(fā)射的光通量，稱光出射度，記作發(fā)光體單位面積發(fā)射的光通量，稱光出射度，記作接受體單位面積接收到的光通量，稱光照度，記作接受體單位面積接收到的光通量，稱光照度，記作MEdSdM dSdE SM S

8、E 光照度的單位為：勒克斯（光照度的單位為：勒克斯（lx）2/11mlmlx 6-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 二、光出射度和光照度二、光出射度和光照度發(fā)光體單位面積發(fā)射的光通量，稱光出射度，記作發(fā)光體單位面積發(fā)射的光通量，稱光出射度，記作接受體單位面積接收到的光通量，稱光照度，記作接受體單位面積接收到的光通量，稱光照度，記作MEdSdM dSdE SM SE 光照度的單位為：勒克斯（光照度的單位為：勒克斯（lx）2/11mlmlx 表表6-36-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 例：如圖所示，在例：如圖所示，在15m處照明直徑為的圓面積。要求像面平均照處照明直徑為的圓面積。要

9、求像面平均照度為度為50lx，聚光鏡的焦距為，聚光鏡的焦距為150mm，通光孔徑也為，通光孔徑也為150mm，求燈泡，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(nèi)的平均發(fā)光強度，的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。以及燈泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m像面總光通量：像面總光通量： lm24625. 1502ES0783. 015075. 025. 1) tan(u5 . 4 uSr0195. 02sin42ucd1026. 14I6-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 例：如圖所示，在例：如圖所示，在15m處照明直徑為的圓面

10、積。要求像面平均照處照明直徑為的圓面積。要求像面平均照度為度為50lx，聚光鏡的焦距為，聚光鏡的焦距為150mm，通光孔徑也為，通光孔徑也為150mm，求燈泡，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(nèi)的平均發(fā)光強度，的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。以及燈泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m像面總光通量：像面總光通量： lm246mm97.952) tan(-75mmulmm130l130mm-mm75)tan(u 30uI6-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 例：如圖所示，在例：如圖所示，在15m處照明直徑為的圓面積。

11、要求像面平均照處照明直徑為的圓面積。要求像面平均照度為度為50lx，聚光鏡的焦距為，聚光鏡的焦距為150mm，通光孔徑也為，通光孔徑也為150mm，求燈泡，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(nèi)的平均發(fā)光強度，的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。以及燈泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m若燈泡均勻發(fā)光：若燈泡均勻發(fā)光： lm36704I若用充氣鎢絲燈泡若用充氣鎢絲燈泡 lm/W15KW245Ke6-4 光度學中的基本量光度學中的基本量n 三、光亮度三、光亮度發(fā)光體在某方向上單位面積單位立體角發(fā)射的光通量，稱光亮度，記作發(fā)光體在

12、某方向上單位面積單位立體角發(fā)射的光通量，稱光亮度，記作L單位：坎每平方米（單位：坎每平方米（cd/m2）nndSIdSddLAdScos dSdSn表表6-46-5 光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律n 一、光照度公式一、光照度公式2cosldSdAdSddIdS面內(nèi)的光通量面內(nèi)的光通量: Idd2coslIdSd2coslIdSdEl6-5 光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律n 一、光照度公式一、光照度公式222211coscoslIlIEXXStandard sourcetested source1I2I1l2l121222IllI 6-

13、5 光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律n 二、發(fā)光強度余弦定律二、發(fā)光強度余弦定律大多數(shù)均勻發(fā)光的物體，在各個方向上的光亮度都近似一致。大多數(shù)均勻發(fā)光的物體，在各個方向上的光亮度都近似一致。AdSI0Icos0dSIdSILcos0II 符合上式（發(fā)光強度余弦定律符合上式（發(fā)光強度余弦定律或朗伯定律）的發(fā)光體稱作或朗伯定律）的發(fā)光體稱作“余余弦輻射體弦輻射體”或或“朗伯輻射體朗伯輻射體”。dS0IIAudSL6-5 光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律n 二、發(fā)光強度余弦定律二、發(fā)光強度余弦定律發(fā)光強度發(fā)光強度ddI Idd000cos dII

14、dcos2 ddudI00coscos2uLdSuI220sin)cos1 (單面發(fā)光單面發(fā)光u=90LdS雙面發(fā)光雙面發(fā)光LdS26-5 光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律n 例：假定一個鎢絲充氣燈泡的功率為例：假定一個鎢絲充氣燈泡的功率為300W，光視效能為，光視效能為20lm/W，燈絲尺寸為，雙面發(fā)光，求在燈絲面內(nèi)的平均光亮度。燈絲尺寸為，雙面發(fā)光，求在燈絲面內(nèi)的平均光亮度。8mm總光通量總光通量lm600030020eK兩面發(fā)光兩面發(fā)光LdS22733cd/m104 . 1105 . 8108260002dSL6-6 全擴散表面的光亮度全擴散表面的光亮度n 全

15、擴散表面：光線在物體表面進行漫反射，如果被照明物體表面全擴散表面：光線在物體表面進行漫反射，如果被照明物體表面各方向上的光亮度相同，稱此表面為全擴散表面。全擴散表面具有各方向上的光亮度相同，稱此表面為全擴散表面。全擴散表面具有余弦輻射特性，或叫朗伯體。余弦輻射特性，或叫朗伯體。ddSEEdSd dS面接收的光通量面接收的光通量若漫反射表面的反射系數(shù)為若漫反射表面的反射系數(shù)為 ，則它反射的光通量為，則它反射的光通量為EdSdd對朗伯體對朗伯體EdSLdSdEL1全擴散表面的光亮度公式全擴散表面的光亮度公式6-6 全擴散表面的光亮度全擴散表面的光亮度常見物體表面的漫反射系統(tǒng)常見物體表面的漫反射系統(tǒng)

16、照明表面照明表面漫反射系統(tǒng)漫反射系統(tǒng)/%照明表面照明表面漫反射系統(tǒng)漫反射系統(tǒng)/%氧化鎂96黏土16石灰91月亮10-20雪78黑土5-10白紙70-80黑呢絨1-4白砂25黑絲絨0.2-16-7 光學系統(tǒng)中光束的光亮度光學系統(tǒng)中光束的光亮度n 一、均勻透明介質(zhì)情形一、均勻透明介質(zhì)情形cosdSddL光亮度定義光亮度定義:dSLdd1d2d22111111ldSdSLdSdLd21222222ldSdSLdSdLd21dd 21LL 元光管元光管無光能損失無光能損失6-7 光學系統(tǒng)中光束的光亮度光學系統(tǒng)中光束的光亮度1111cos ISdLd空間1n211211sinrdIrrdIrdSdddI

17、IISLd11111sincosddIIISLd22222sincos空間2n21dd 無光能損失無光能損失22211112sincossincosdIIIdIIILL6-7 光學系統(tǒng)中光束的光亮度光學系統(tǒng)中光束的光亮度22211112sincossincosdIIIdIIILLSnell law2211sinsinInIn微分微分222111coscosdIIndIIn212212nnLL211222nLnL6-7 光學系統(tǒng)中光束的光亮度光學系統(tǒng)中光束的光亮度211222nLnL1. 當當12nn 21LL 2. 當當21LL 12nn3. 對光學系統(tǒng)對光學系統(tǒng)2222211kknLnLnL

18、4. 物像空間物像空間LnnL25. 有光能損失有光能損失LnnL26-8 像平面的光照度像平面的光照度n 一、軸上點的光照度公式一、軸上點的光照度公式L LdSn nmaxUmaxUmax2sinUdSL像面光通量：像面光通量：像面光照度：像面光照度：max22max20sinsinUnnLULdSELnnL2When nn max20sinULE6-8 像平面的光照度像平面的光照度n 二、軸外像點的光照度公式二、軸外像點的光照度公式22coscoslIlIE0EEl0lcos0II cos0ll coscos404200ElIE6-8 像平面的光照度像平面的光照度n 二、軸外像點的光照度公

19、式二、軸外像點的光照度公式cos40EE100.941400.344200.780500.171300.563600.063coscos/ 0EE/ 0EE如果存在漸暈，面漸暈系數(shù)為如果存在漸暈，面漸暈系數(shù)為Kcos40KEE6-9 照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)6-9 照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)max20sinULEmaxUD f2sinmaxfDU220144FLfDLE相對孔徑相對孔徑: fDF數(shù)數(shù):DfF像面照度按減少一半變化，則相對孔徑按像面照度按減少一半變化，則相對孔徑按 變化，即變化，即:211:11:1.4 1:2

20、1:2.8 1:41:5.6 1:81:116-9 照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)DfF11.422.845.6811204fDLEF制光圈制光圈22fDfDTFTFFF204fDLET6-9 照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)TFFFn 例：有一照相物鏡透過率為，例：有一照相物鏡透過率為，T制光圈為制光圈為1:2，求，求F制光圈。制光圈。85. 02TF84. 1TFFFF制光圈制光圈6-9 照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)n 曝光量：如照相物鏡像平面光照度為曝光量：如照相物鏡像平面光照度為E，曝光時間為，曝

21、光時間為t，定義底片，定義底片單位面積接收的曝光量為單位面積接收的曝光量為HEtH 單位：勒克斯單位：勒克斯秒、秒、lx s6-9 照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)n 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為例：在晴朗的白天進行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量為H=0.4lx s，假定曝光時間，物鏡的透過率為，求應選多大的光圈，假定曝光時間，物鏡的透過率為，求應選多大的光圈數(shù)數(shù)slx4 . 0Hs01. 0tlx40tHE85. 0晴朗的白天天空光亮度為晴朗的白天天空光亮度為: 5000cd/m2204fDLE012. 02fD1 . 9111.

22、0fD選哪一個光圈？選哪一個光圈？6-10 人眼的主觀光亮度人眼的主觀光亮度n 一、發(fā)光點一、發(fā)光點dla224laIIdd主觀光亮度由光通量決定：主觀光亮度由光通量決定：路燈路燈6-10 人眼的主觀光亮度人眼的主觀光亮度n 二、發(fā)光面二、發(fā)光面max22sinUnnLE主觀光亮度由光照度決定：主觀光亮度由光照度決定：maxUafl n n物體位于空氣中：物體位于空氣中：1n336. 1n2sinmaxfaU24 . 1faLE與距離無關(guān)與距離無關(guān)6-11 通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度n 一、發(fā)光點一、發(fā)光點224laId人眼直接觀察時的主觀光亮度為：人眼直接觀察時

23、的主觀光亮度為：1. aD D入瞳直徑入瞳直徑D出瞳直徑出瞳直徑Da224lDId儀224lDId儀儀2aDdd儀儀6-11 通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度n 一、發(fā)光點一、發(fā)光點224laId人眼直接觀察時的主觀光亮度為：人眼直接觀察時的主觀光亮度為：1. aD aaDaDa2222244laIlDIda儀儀儀2dd儀儀6-11 通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度n 二、發(fā)光面二、發(fā)光面1. aD 人眼直接觀察時的主觀光亮度為：人眼直接觀察時的主觀光亮度為：24 . 1faLE用儀器觀察時：用儀器觀察時：LL儀aD24 . 1 fDLE儀2 a

24、DEE儀6-11 通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度n 二、發(fā)光面二、發(fā)光面1. aD 人眼直接觀察時的主觀光亮度為：人眼直接觀察時的主觀光亮度為：24 . 1faLE用儀器觀察時：用儀器觀察時：LL儀aa24 . 1 faLE儀儀 EE6-11 通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度n Conclusions:用望遠鏡觀察點發(fā)光物體的主觀光亮度，大于用眼睛直徑觀察時用望遠鏡觀察點發(fā)光物體的主觀光亮度，大于用眼睛直徑觀察時的主觀光亮度；的主觀光亮度；2. 用望遠鏡觀察面發(fā)光物體的主觀光亮度，小于用眼睛直徑觀察時用望遠鏡觀察面發(fā)光物體的主觀光亮度，小于用眼睛直徑觀察時的主觀光亮度的主觀光亮度.6-12 光學系統(tǒng)中光能損失的計算光學系統(tǒng)中光能損失的計算入12 11 2出反射損失反射損失傳輸吸收傳輸吸收6-12 光學系統(tǒng)中光能損失的計算光學系統(tǒng)中光能損失的計算n 一、反射損失一、反射損失定義：反射光通