《應(yīng)用光學(xué)：第六章 輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ).pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《應(yīng)用光學(xué)：第六章 輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ).pdf（81頁珍藏版）》請?jiān)趨R文網(wǎng)上搜索。

1、第六章 輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ) 6.1 輻射度學(xué)與光度學(xué)中基本量 光是具有能量的 激光焊接，激光致盲，太陽能熱水器 光學(xué)系統(tǒng)是能量傳輸系統(tǒng) 前面幾章研究了光學(xué)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(jì)量和計(jì)算問題 研究電磁波輻射的測試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱為“輻射度學(xué)”研究可見光的測試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱為“光度學(xué)”可見光可用輻射量和光學(xué)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(nèi)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(yīng)原則建立的表征可見光的量為光學(xué)量 1.立體角 發(fā)光體都是在它周圍一定空間內(nèi)

2、輻射能量的，是立體空間問題 定義：一個(gè)任意形狀的封閉錐面所包含的空間 計(jì)算公式：d =ds/r2 d 單位：以錐頂為球心，以r為半徑作一圓球，如果錐面在圓球上所截出的面積等于r2,則該立體角為一個(gè)“球面度”（sr）。例：整個(gè)球面的面積4r2,則這個(gè)空間為4 球面度 4422rr 假定一個(gè)圓錐面的半頂角為,該圓錐所包含的立體角為 較小時(shí)，2sin4222.輻射度學(xué)和光度學(xué)中的基本量 輻射能 輻射通量 輻射強(qiáng)度 輻出射度 輻照度 輻亮度 U e Ie Me Ee Le 光能量 光通量 發(fā)光強(qiáng)度 光出射度 光照度 光亮度 Q I M E L 輻射量和光學(xué)量的對應(yīng)關(guān)系輻射量和光學(xué)量的對應(yīng)關(guān)系 dee0

3、ded3.輻射度學(xué)中的基本量 輻射通量（單位：W）e 光譜密集度：定義：單位時(shí)間內(nèi)該輻射體所輻射的總能量 功率 ddIee 輻射強(qiáng)度（單位：W/sr）d de 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。dSdMee 輻射出射度、輻射照度（單位：W/m2）dSdEeed A ds 定義：輻射通量與A點(diǎn)處微面的比值，表示輻射體表面上任意一點(diǎn)A處的輻射強(qiáng)弱 A d ds needSIL 輻射亮度（單位：W/(srm2）cos dSdSn定義：輻射強(qiáng)度與A點(diǎn)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 4.視見函數(shù) 人眼是一種可見光探測器 輸入：用輻射度量表示

4、的可見光輻射 輸出：用光學(xué)量表示的光感受 人眼視覺的強(qiáng)弱：輻射在該方向上的輻射強(qiáng)度 輻射的波長 具有相同輻射量而波長不同的可見光分別作用于人眼，人所感受到的明暗程度不同 視見函數(shù)V（）：表示人眼對不同波長輻射的敏感度差別 人眼視覺系統(tǒng)決定的 明視覺視見函數(shù) 規(guī)定V（555）1，555nm人眼最靈敏的波長 V（）I（）/I(555)-暗視覺視見函數(shù) V（）I（）/I(507)問題：輻射體A輻射波長為600nm，輻射體B輻射波長為500nm，欲使兩者對人眼產(chǎn)生相同的視覺強(qiáng)度，兩者的輻射強(qiáng)度應(yīng)該怎樣？5.光度學(xué)中的基本量 光通量描寫輻射通量引起人眼的視覺強(qiáng)度 若Ie為人眼觀察方向上的輻射強(qiáng)度，d人眼

5、瞳孔對輻射體所張的立體角，則人眼接收到的輻射通量d e=Ie d 引起人眼視覺強(qiáng)度的光通量d =C de V()光強(qiáng)度光源在各個(gè)方向上的發(fā)光特性 Id/d ，點(diǎn)光源沿某一給定方向上在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量 單位：坎德拉 cd，1cd=1lm/sr，國際單位制中七個(gè)基本單位之一，光度學(xué)中其它單位都是導(dǎo)出單位 d r d 5.光度學(xué)中的基本量 光通量描寫輻射通量引起人眼的視覺強(qiáng)度 若Ie為人眼觀察方向上的輻射強(qiáng)度，d人眼瞳孔對輻射體所張的立體角，則人眼接收到的輻射通量d e=Ie d 人眼接收到的光通量d =C de V()單位：流明 lm 發(fā)光強(qiáng)度表示在指定方向上光源發(fā)光的強(qiáng)弱 Id/d 單位

6、：坎德拉 cd，1cd=1lm/sr，國際單位制中七個(gè)基本單位之一，光度學(xué)中其它單位都是導(dǎo)出單位 d r d C=683(cd sr)/W I=683V()Ie 令k()=C V()，稱為 波長的“光譜光視效能”，則Km683(cd sr)/W Km的規(guī)定：1瓦555nm的單色光輻射通量683流明的光通量，Km 683流明/瓦，是光通量與功率的轉(zhuǎn)換當(dāng)量 對單色光源：d =K()de 對準(zhǔn)單色光或多色光，00)(ddKKeee發(fā)光效率發(fā)光效率 例：一個(gè)功率(輻射通量)為60W的鎢絲充氣燈泡，假定它在各個(gè)方向上均勻發(fā)光，求它的發(fā)光強(qiáng)度。解：取光效視能為15lm/W,則總光通量：K e=156090

7、0lm 發(fā)光強(qiáng)度為 I/=/4=71.62cd 光出射度光源上不同位置的發(fā)光特性 用單位面積所發(fā)射的光通量描寫光源上某點(diǎn)的發(fā)光本領(lǐng) Md/ds，面光源上A附近的面積元ds輻射的光通量 單位：勒克斯，1lx=1lm/m2 A d ds 透射面或反射面接受光通量，又可作為二次光源發(fā)出光透射面或反射面接受光通量，又可作為二次光源發(fā)出光通量。通量。M=E，為透射率或反射率，與波長有關(guān)，因而物體呈為透射率或反射率，與波長有關(guān)，因而物體呈現(xiàn)彩色現(xiàn)彩色。對所有波長對所有波長趨于趨于0 0的物體，的物體，黑體黑體 光照度被照表面不同位置的收光特性 單位面積上接收到的光通量大小 Ed/ds 單位：勒克斯，1lx

8、=1lm/m2 d A ds 計(jì)算舉例：如下照明器，在15m遠(yuǎn)的地方照明直徑為2.5m的圓面積，要求達(dá)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(qiáng)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(qiáng)度，以及燈泡的功率和位置。解：均勻照明下：lmES246)25.1(50205.40783.015075.025.1)(uutg照明范圍對應(yīng)的光錐角u為：fnhntgutgun根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)中光路計(jì)算公式：于是：030usrusru845.0)15(sin42sin40195.0)25.2(sin42sin4022022對應(yīng)的立體角為：cdIcdI2928

9、45.02461026.10195.02464照明空間的平均發(fā)光強(qiáng)度和燈泡的發(fā)光強(qiáng)度為分別：燈泡發(fā)出的總光通量：WI24529244WKe245153670燈泡的功率：mmtguhl130578.075燈泡的位置：光亮度發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)光特性 LI/dsn=I/（ds cos）LI/dsn=d/（ds cos d）發(fā)光面上單位投影面積在單 位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量 單位：坎德拉/米2,cd/m2，熙提（st）,1st=1cd/cm2 物體的光亮度就是人眼感到的明亮程度，這種說法對嗎？物體的光亮度就是人眼感到的明亮程度，這種說法對嗎？例：He-Ne激光器：P10mw,=632.8nm

10、,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/（ds d)=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”光照度計(jì)算公式：點(diǎn)光源 實(shí)際應(yīng)用的光照度公式 光源大小與距離l比較起來不大的情況，適用 測量光源的發(fā)光強(qiáng)度,光照度計(jì) 222211coscoslIlI222211lIlI 面光源的光照度 dAs光源的發(fā)光面積，光源亮度L，在距離為r的dA平面上形成的光照度E 6.2朗伯余弦定律及朗伯源 1、余弦輻射體 cosNIIL

11、dAdA 發(fā)光強(qiáng)度空間分布可用式IINcos表示的的發(fā)光表面 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。對朗伯源，發(fā)光強(qiáng)度向量I端點(diǎn)軌跡是一個(gè)與發(fā)光面相切的球面 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(guān)，只是與方向無關(guān)，只是I隨隨變化而變化變化而變化 余弦輻射體發(fā)光微面發(fā)出的光通量 LdA20IdLdAuLdAu22sin兩面發(fā)光：單面發(fā)光：余弦輻射體的光出射度M與光亮度L的關(guān)系 ML，余弦輻射體的光亮度等于光出射度的，余弦輻射體的光亮度等于光出射度的分分之一之一;若光源兩

12、面發(fā)光，則若光源兩面發(fā)光，則M 2 L 假定一個(gè)鎢絲充氣燈泡的功率為假定一個(gè)鎢絲充氣燈泡的功率為300W300W，光，光視效能為視效能為20lm/W,20lm/W,燈絲尺寸為燈絲尺寸為8 88.5mm28.5mm2，雙面發(fā)光，雙面發(fā)光，求在燈絲面內(nèi)的平均光亮度。求在燈絲面內(nèi)的平均光亮度。例：lmKe6000300*20由于燈絲兩面發(fā)光，則由于燈絲兩面發(fā)光，則 2733/104.1105.8108260002mcddsL解：發(fā)光面所發(fā)出的總光通量為解：發(fā)光面所發(fā)出的總光通量為 本身并不發(fā)光，受發(fā)光體光照射經(jīng)投射或反射形成的余弦輻射體，稱做漫透射體和漫反射體 漫反射體稱做朗伯散射表面或全擴(kuò)散表面

13、2、全擴(kuò)散表面 ELLdAEdAddEdAd1 設(shè)全擴(kuò)散表面設(shè)全擴(kuò)散表面dA上的光照度為上的光照度為E，為反射系數(shù)，求不發(fā)光物體表面的為反射系數(shù)，求不發(fā)光物體表面的光亮度，即求光亮度，即求L L和和E E的關(guān)系的關(guān)系 6.3 光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度 均勻透明介質(zhì)情形 折射情形 反射情形 假定A1A2直線為均勻透明介質(zhì)中的一條光線 討論：直線上任意兩點(diǎn)A1和A2在光線前進(jìn)方向上的L1和L2之間的關(guān)系 一、均勻透明介質(zhì)情形一、均勻透明介質(zhì)情形 dS1輸入到dS2內(nèi)的光通量為d1 從dS2射出的d2 若不考慮光能損失 21dd22211111111coscoscosldSdSLddSLd211222

14、22222coscoscosldSdSLddSLd21LL 結(jié)論：光在同一介質(zhì)中傳播，忽略散射及吸收，則在傳播中的結(jié)論：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，光通量與亮度不變。光束的亮度就是光源的亮度任一截面上，光通量與亮度不變。光束的亮度就是光源的亮度 dA可看作位于n1介質(zhì)內(nèi)，則過dA輸出的光通量：dA看作位于n2介質(zhì)內(nèi)。dA輸出的光通量：coscos sindLdAIdLdAIIdIdcoscossindLdAI dLdAII dI d 二、折射情形二、折射情形 22sinsindSrId rdIdIdIdrr 不考慮界面損失，也不考慮光束在傳播中的光能損失 ,co

15、ssincossinddII dILLII dI sinsincoscosnInInIdInI dI22LLnn22LnLn結(jié)論：當(dāng)光線處于同一介質(zhì)，同前L2L1 三、反射情形，L2L1 綜上，光束在均勻介質(zhì)中傳播，或在兩種介質(zhì)分界面上的反射時(shí)的光亮度變化，都看成折射時(shí)的特例 02222211.LnLnLnLkn折合光亮度折合光亮度 結(jié)論：如果不考慮光束在傳播中的光能損失，則位于同一條光結(jié)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(diǎn)，在該光線傳播方向上的折合光亮度不變線上的所有各點(diǎn)，在該光線傳播方向上的折合光亮度不變 理想成像，物點(diǎn)A發(fā)出的光線均通過像點(diǎn)A，物和像的光亮度

16、 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，考慮光能損失 2)(nnLL 2)(nnLL 1當(dāng)系統(tǒng)物象空間介質(zhì)相同時(shí)，像的光亮度永遠(yuǎn)小于物的光亮當(dāng)系統(tǒng)物象空間介質(zhì)相同時(shí)，像的光亮度永遠(yuǎn)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(guān)，也與二介質(zhì)的折射光的光亮度不僅與透射率的大小有關(guān)，也與二介質(zhì)的折射率密切相關(guān)折射率密切相關(guān) LL26.4 像平面的光照度 假設(shè)物體為余弦輻射體假設(shè)物體為余弦輻射體（L是定值的特點(diǎn)是定值的特點(diǎn)）象平面上光軸周圍微小面元象平面上光軸周圍微小面元dA所輸出的光通量所輸出的光通量 一、軸上像點(diǎn)一、軸上像點(diǎn) sin2udALsin)(220unnLEsin20uLE其光照度為：其光照度為：其中，其中，uunn2222sin1sin)(sinsinunun這是實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)對垂軸小面積以寬光束成理想像的這是實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)對垂軸小面積以寬光束成理想像的條件，這里從能量的角度也得出，表示無光能分散條件，這里從能量的角度也得出，表示無光能分散 討論：E sin2U，光學(xué)系統(tǒng)孔徑越大，像面照度越大；E 1/2 系統(tǒng)放大倍率越小，像面照度越大。二、軸外像點(diǎn) 軸外像點(diǎn)軸外像點(diǎn)B的主光線和光軸間的夾角的