電子科大應(yīng)用光學(xué)chapter-05-2014-2015

2014-2015學(xué)年應(yīng)用光學(xué)

AppliedOptics第五章

輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)2第五章輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)3光是具有能量的激光切割激光致盲太陽(yáng)能熱水器光學(xué)系統(tǒng)是能量傳輸系統(tǒng)光線方向代表能量傳輸方向第五章輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)4光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須了解基本的光能問題系統(tǒng)傳遞能量的多少能量能否被接收器接收……前幾章主要研究光學(xué)系統(tǒng)的成像問題，集中于能量的傳播方向，本章解決能量的數(shù)量問題。第五章輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)5第一節(jié)輻射量和光學(xué)量第二節(jié)光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律第三節(jié)成像系統(tǒng)像面的光照度第五章輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)6第一節(jié)輻射量和光學(xué)量第二節(jié)光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律第三節(jié)成像系統(tǒng)像面的光照度輻射量和光學(xué)量7可見光是波長(zhǎng)在380~760nm范圍內(nèi)的電磁輻射。輻射量——描述電磁輻射 可見光對(duì)人的視覺形成刺激。光學(xué)量——以視覺感受表征可見光可見光可用輻射量和光學(xué)量來度量：作為純物理現(xiàn)象研究——輻射量研究與視覺有關(guān)問題——光學(xué)量立體角發(fā)光體向周圍空間輻射能量，是立體空間問題。能量在立體錐角范圍內(nèi)傳播，其角度的量度不再是平面角而是立體角。定義輻射量和光學(xué)量及其單位8一個(gè)任意形狀的封閉錐面所包含的空間角，稱為立體角，Ω。輻射量和光學(xué)量9立體角度量大?。阂藻F頂O為球心，以r為半徑作一球面。此錐體的邊界在球面上所截的面積dS與半徑r的平方之比，即為立體角的大小。單位：球面度（sr）頂點(diǎn)周圍全部空間范圍內(nèi)的立體角輻射量和光學(xué)量10立體角計(jì)算輻射量和光學(xué)量11立體角計(jì)算當(dāng)U很小時(shí)輻射量和光學(xué)量12立體角計(jì)算例利用積分求整個(gè)空間的立體角輻射量和光學(xué)量13輻射學(xué)基本量輻射能，Qe可見光輻射是一種能量傳播形式。定義：以電磁輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，稱為輻射能，Qe。單位：焦[耳]（J）輻射學(xué)基本量輻[射能]通量，Φe定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間dt內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能dQe，稱為輻通量，Φe。單位：瓦[特]（W）輻射量和光學(xué)量14輻射量和光學(xué)量15輻射學(xué)基本量輻[射]出[射]度，Me定義：微元面積dS發(fā)出的輻通量dΦe。單位：瓦[特]每平方米（W/m2）輻[射]照度，Ee定義：微元面積dS接收的輻通量dΦe。單位：瓦[特]每平方米（W/m2）輻射量和光學(xué)量16輻射學(xué)基本量輻[射]強(qiáng)度，Ie定義：點(diǎn)光源在某一方向元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的輻通量dΦe，稱為輻強(qiáng)度，Ie。單位：瓦[特]每球面度（W/sr）輻射量和光學(xué)量17輻射學(xué)基本量輻[射]強(qiáng)度，Ie點(diǎn)光源在一個(gè)較大的立體角范圍內(nèi)均勻輻射點(diǎn)光源在整個(gè)空間范圍內(nèi)均勻輻射單位：瓦[特]每球面度平方米[W/(sr·m2)]輻射量和光學(xué)量18輻射學(xué)基本量輻[射]亮度，Le定義：微元面積dS在和表面法線N成θ角方向的元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的輻通量dΦe，稱為輻亮度，Le。輻射量和光學(xué)量19輻射學(xué)基本量輻[射]亮度，Le輻亮度Le可看成是微元面積dS在垂直于θ方向平面上的投影面積dSn在θ方向的輻射強(qiáng)度Ie。輻射量和光學(xué)量20光度學(xué)基本量光通量，Φv表征可見光對(duì)人眼的視覺刺激程度，與輻通量Φe對(duì)應(yīng)。單位：流[明]（lm）輻射量和光學(xué)量21光度學(xué)基本量發(fā)光強(qiáng)度，Iv定義點(diǎn)光源在某一方向元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的光通量dΦv，稱為發(fā)光強(qiáng)度，Iv。單位：坎[德拉]（cd）點(diǎn)光源發(fā)光強(qiáng)度Iv與光通量Φv的關(guān)系各向均勻發(fā)光的點(diǎn)光源輻射量和光學(xué)量22光度學(xué)基本量發(fā)光強(qiáng)度，Iv例1常用的220伏40瓦的鎢絲燈泡，發(fā)射的總光通量為480lm，求其發(fā)光效率η和平均發(fā)光強(qiáng)度I。輻射量和光學(xué)量23光度學(xué)基本量發(fā)光強(qiáng)度，Iv例2儀器使用6伏15瓦的鎢絲燈泡，其發(fā)光效率η=14

lm/W。該燈泡和一聚光鏡聯(lián)用，燈絲中心對(duì)聚光鏡所張的孔徑角u≈sinU=0.25。若燈絲可以看成各向均勻發(fā)光的點(diǎn)光源，求燈泡的總光通量以及進(jìn)入聚光鏡的光通量。輻射量和光學(xué)量24光度學(xué)基本量光出射度，Mv定義：微元面積dS發(fā)出的光通量dΦv。單位：流[明]每平方米（lm/m2）光照度，Ev定義：微元面積dS接收的光通量dΦv。單位：勒[克斯]（lx）1lx=1lm/m2輻射量和光學(xué)量25光度學(xué)基本量光照度，Ev例40瓦的鎢絲燈泡，總光通量為500lm，各向發(fā)光強(qiáng)度相等。求以燈絲為中心，半徑分別為1m，2m，3m的球面上的光照度。輻射量和光學(xué)量26光度學(xué)基本量光亮度，Lv定義：微元面積dS在和表面法線N成θ角方向的元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的輻通量dΦv，稱為光亮度，Lv。單位：坎[德拉]每平方米（cd/m2）輻射量和光學(xué)量27光度學(xué)基本量光亮度，Lv光亮度Lv可看成是微元面積dS在垂直于θ方向平面上的投影面積dSn在θ方向的發(fā)光強(qiáng)度Iv。輻射量和光學(xué)量28光度學(xué)基本量光亮度，Lv光源光亮度（cd/m2）在地球上看到的太陽(yáng)1.5×109普通電弧1.5×108鎢絲白熾燈燈絲（3~15）×106太陽(yáng)照射下漫射的白色表面3×104白天的晴朗天空5×103在地球上看到的月亮表面2.5×103人工照明下書寫閱讀時(shí)的紙面10輻射量和光學(xué)量29光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光譜光效率函數(shù)人眼——可見光探測(cè)器人眼的視覺特性決定了光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系。光譜光效率函數(shù)人眼的視覺不僅取決于觀察方向上的輻射強(qiáng)度（輻通量），而且與輻射的可見光的波長(zhǎng)有關(guān)。光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù)表征人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光響應(yīng)的靈敏度的函數(shù)，稱為光譜光效率函數(shù)（視見函數(shù)），V(λ)。輻射量和光學(xué)量30觀察條件（明暗）不同，視見函數(shù)稍有不同：明視覺V(λ)&暗視覺V′(λ)輻射量和光學(xué)量31光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù)明視覺峰值

V(555nm)=1暗視覺峰值

V′(507nm)=1通過光譜光效率函數(shù)，可比較不同波長(zhǎng)的輻射體對(duì)人眼產(chǎn)生視覺的強(qiáng)弱。輻射量和光學(xué)量32光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光譜光效率函數(shù)例明視覺條件下，波長(zhǎng)為660nm的紅光（V(660nm)=0.061）需要多少倍的功率（輻射通量）才能得到與555nm的黃光同樣明暗程度的視覺刺激？輻射通量相差約16.4倍。輻射量和光學(xué)量33光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光學(xué)量和輻射量的關(guān)系單一波長(zhǎng)明視覺暗視覺連續(xù)光譜明視覺暗視覺光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光學(xué)量和輻射量的關(guān)系系數(shù)K,K′K=683lm/W——明視覺條件下，λ=555nm，V(λ)=1單色光的絕對(duì)光譜光效率值K′=1755lm/W——暗視覺條件下，λ=507nm，V′(λ)=1單色光的絕對(duì)光譜光效率值發(fā)光強(qiáng)度Iv與輻射強(qiáng)度Ie的關(guān)系輻射量和光學(xué)量34第五章輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)35第一節(jié)輻射量和光學(xué)量第二節(jié)光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律第三節(jié)成像系統(tǒng)像面的光照度光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律36點(diǎn)光源照度已知：點(diǎn)光源S的發(fā)光強(qiáng)度I接收端元面積dS光源與接收面中心的距離r發(fā)光方向與接收面法線夾角θ求：點(diǎn)光源S在接收面dS上的照度E光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律37點(diǎn)光源照度被照明表面的光照度E∝I，E∝cosθ，E∝1/r2

——照度平方反比定律垂直照射（θ

=0）

Emax

=I/r2掠射（θ=90°）

Emin=0光源大小遠(yuǎn)小于距離r時(shí)，此公式適用。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律38點(diǎn)光源照度例直徑3m的圓桌中心上方2m吊一平均發(fā)光強(qiáng)度為200cd的燈泡，求圓桌中心與邊緣的光照度。燈絲體積遠(yuǎn)小于2m，可視為點(diǎn)光源。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律39面光源照度已知：面光源dSe的光亮度L接收端元面積dS光源與接收面中心的距離r發(fā)光面法線、接收面法線與發(fā)光方向的夾角θ1,θ2求：面光源dSe在dS上的照度E光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律40面光源照度被照明表面的光照度E∝LE∝dSeE∝cosθ1,cosθ2E∝1/r2

dS以相同光亮度L發(fā)光照射dSe，得到同樣的光照度E。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律41元光管兩個(gè)面積很小的截面構(gòu)成的直紋曲面包圍的空間單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞光在元光管內(nèi)的傳播截面dS1,dS2；光亮度L1,L2；距離r；夾角θ1,θ2通過dS1的光通量通過dS2的光通量光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律42單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞光在元光管內(nèi)的傳播光在元光管內(nèi)傳播，無光能損耗，即dΦ1=dΦ2。光在元光管內(nèi)傳播，光束的亮度不變。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律43光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度入射光束入射角i；立體角dΩ；光亮度L出射光束出射角i1；立體角dΩ1；光亮度L1折射光束折射角i′；立體角dΩ′；光亮度L′光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律44光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度反射對(duì)于入射光束對(duì)于反射光束光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度反射根據(jù)反射定律，反射角等于入射角，i1=i而dΦ1/dΦ=ρ

(界面反射比)光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律45反射光束亮度等于入射光束亮度與界面反射比之積。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律46光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射對(duì)于入射光束對(duì)于折射光束光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律47光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射根據(jù)能量守恒定律根據(jù)折射定律nsini=n?sini?光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射當(dāng)ρ

=0時(shí)折射光束亮度與界面反射比以及界面兩邊折射率有關(guān)。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律48光束經(jīng)理想折射后，光亮度發(fā)生變化，但L

/n2恒定不變。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律49光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射光在兩界面發(fā)生折射時(shí)，如不考慮光能損失，則在傳播方向上的任意截面內(nèi)光通量不變，而光亮度發(fā)生改變，但當(dāng)n′=n時(shí)，L′=L。與光在單一介質(zhì)元光管內(nèi)傳遞時(shí)結(jié)論一致。當(dāng)光在界面發(fā)生反射（n′

=-n）時(shí)，L′=L。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律50光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射綜上，光在均勻介質(zhì)中傳遞，或在兩介質(zhì)分界面發(fā)生反射時(shí)的光亮度變化，都可看作折射時(shí)的特例。 ——折合光亮度不考慮光束傳播中的光能損失，則位于同一條光線上的各點(diǎn)，在該光線傳播方向上的折合光亮度L0不變。光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律51折射理想成像時(shí)，物點(diǎn)A發(fā)出的光線均通過像點(diǎn)A′。物像光亮度關(guān)系實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，須考慮光能損失。折射光的光亮度不僅與透射率大小有關(guān)，也與介質(zhì)折射率相關(guān)；系統(tǒng)物像空間介質(zhì)相同時(shí)，像的光亮度永遠(yuǎn)小于物的光亮度。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律52余弦輻射體發(fā)光強(qiáng)度的空間分布符合余弦定律的發(fā)光表面——余弦輻射體（朗伯輻射體）。發(fā)光強(qiáng)度矢量端點(diǎn)軌跡是一個(gè)與發(fā)光面相切的球面。任意方向上的光亮度余弦輻射體在各方向的光亮度相同。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律53余弦輻射體可以是自發(fā)光面（絕對(duì)黑體、平面狀鎢絲燈），也可以是透射或反射體——漫透/反射體。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律54余弦輻射體絕對(duì)黑體是理想的余弦輻射體；平面狀鎢絲燈是雙面余弦發(fā)光體；一般漫反射面近似具有余弦輻射特性。光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律55余弦輻射體余弦輻射體的光通量光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律56余弦輻射體余弦輻射體的光通量發(fā)光面為單面發(fā)光面為雙面光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律57余弦輻射體余弦輻射體的光通量比較點(diǎn)光源在孔徑角U內(nèi)的光通量余弦輻射面光源在孔徑角U內(nèi)的光通量第五章輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)58第一節(jié)輻射量和光學(xué)量第二節(jié)光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律第三節(jié)成像系統(tǒng)像面的光照度成像系統(tǒng)像面的光照度59軸上像點(diǎn)的光照度成像系統(tǒng)像面的光照度60軸上像點(diǎn)的光照度物方軸上點(diǎn)附近微面dS孔徑角U光亮度L像方軸上點(diǎn)附近微面dS′孔徑角U′光亮度L′成像系統(tǒng)像面的光照度61軸上像點(diǎn)的光照度物方進(jìn)入系統(tǒng)的光通量像方離開系統(tǒng)的光通量光學(xué)系統(tǒng)透射比為τ，則成像系統(tǒng)像面的光照度62軸上像點(diǎn)的光照度軸上像點(diǎn)的光照度若系統(tǒng)滿足成像系統(tǒng)像面的光照度63軸上像點(diǎn)的光照度

孔徑角越大，像面照度越大。

系統(tǒng)放大倍率越小，像面照度越大。成像系統(tǒng)像面的光照度64軸外像點(diǎn)的光照度物面光亮度均勻軸上、軸外點(diǎn)發(fā)出的光束截面積相等UM′

較小時(shí)成像系統(tǒng)像面的光照度65軸外像點(diǎn)的光照度E0′——像面軸上點(diǎn)照度軸外像點(diǎn)光照度<軸上像點(diǎn)光照度軸外像點(diǎn)光照度隨視場(chǎng)角ω′增大而降低ω′010°20°30°40°50°60°EM′/E0′10.9410.7800.5630.3440.1710.063成像系統(tǒng)像面的光照度66光學(xué)系統(tǒng)的能量損失任何光學(xué)系統(tǒng)都不可能完全透明（無光能損失）

由系統(tǒng)出射的光通量

Φ′<進(jìn)入系統(tǒng)的Φ造成光能損失的原因透射面的反射損失透射材料的吸收損失反射面的光能損失系統(tǒng)透射比成像系統(tǒng)像面的光照度67光學(xué)系統(tǒng)的能量損失透射面的反射損失系統(tǒng)反射比，ρΦ1——反射光通量

Φ——入射光通量i——入射角

i′——折射角

光近似垂直界面入射成像系統(tǒng)像面的光照度68光學(xué)系統(tǒng)的能量損失透射面的反射損失系統(tǒng)反射比ρ

空氣-冕牌玻璃（n=1.5）

ρ1=0.04

空氣-火石玻璃（n=1.6）

ρ2=0.05

膠合面

ρ

≈0成像系統(tǒng)像面的光照度69光學(xué)系統(tǒng)的能量損失透射面的反射損失例

一個(gè)系統(tǒng)有N1

個(gè)空氣-冕牌玻璃界面，N2

個(gè)空氣-火石玻璃界面，入射光通量為Φ，只考慮反射損失情況下，求系統(tǒng)的出射通量Φ′

成像系統(tǒng)像面的光照度70光學(xué)系統(tǒng)的能量損失透射材料的吸收損失光通量為Φ的光束通過厚度為dl

的材料，被吸收的光通量dΦ

與Φ

和