《北京理工大学应用光学课件第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京理工大学应用光学课件第六章（121页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、应用光学讲稿第六章 辐射度学与光度学基础应用光学讲稿概述 光学系统是一个传输辐射能量的系统 能量传输能力的强弱，影响像的亮暗辐射度学：研究电磁波辐射的测试 计量计算的学科光度学：在人眼视觉的基础上，研 究可见光的测试计量计算的学科应用光学讲稿6-1 立体角的意义和它在光度学中的应用一、立体角的意义和单位平面上的角：1弧度ABO应用光学讲稿空间上的角：立体角so一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角若在以r为半径的球面上截得的面积s= r2，则此立体角为1球面度。整个空间球面面积为4 r2,对应立体角为 4 应用光学讲稿二、立体角的计算假定一个圆锥面的半顶角为 ，求该圆锥所包含的立体角大小
2、。以r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个 对应的环带，环带宽度为 ，环带半径 为 ，所以环带长度为 ，环带总 面积为应用光学讲稿6-2 辐射度学中的基本量及其计量单位一、辐射通量单位时间内辐射体辐射的总能量-辐射功率单位：瓦特 （W）反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分e ：光谱密集度曲线应用光学讲稿二、辐射强度辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量符号： 单位：瓦每球面度（W/sr）表示辐射体在不同方向上的辐射特性应用光学讲稿三、辐射出射度辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量符号： 单位：瓦每平方米（W/m2）不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同位置 上单位面积
3、的辐射特性dsA应用光学讲稿四、辐射照度辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，而是 被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐射通量符号： 单位：瓦每平方米（W/m2）dsA应用光学讲稿五、辐射亮度辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位 投影面积上发出的辐射通量符号： 单位：瓦每球面度每平方米（W/sr.m2）描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性应用光学讲稿6-3 人眼的视见函数 辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可以产 生亮暗感觉；可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一 个函数 ，称为视见
4、函数，又称光谱光视效率。应用光学讲稿光线颜线颜 色 波长长/nmV光线颜线颜 色 波长长/nmV 紫 紫 靛 靛 靛 蓝蓝 蓝蓝 蓝蓝 蓝蓝 蓝蓝 绿绿 绿绿 绿绿 绿绿 黄 黄 黄 黄 黄400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 555 560 5700.0004 0.0012 0.0040 0.0116 0.0230 0.0380 0.0600 0.0910 0.1390 0.2080 0.3230 0.5030 0.7100 0.8620 0.9540 0.9950 1.0000 0.9950 0.95
5、20黄 黄 橙 橙 橙 橙 橙 橙 红红 红红 红红 红红 红红 红红 红红 红红 红红 红红 红红580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 7600.8700 0.7570 0.6310 0.5030 0.3810 0.2650 0.1750 0.1070 0.0610 0.0320 0.0170 0.0082 0.0041 0.0021 0.00105 0.00052 0.00025 0.00012 0.00006应用光学讲稿把对人眼最灵敏的波长 的视见函数定为1，即假定人眼同时观察两个位
6、于相同距离上的辐射体A和B，这两 个辐射体在观察方向上的辐射强度相等，A辐射的电磁波波长 为 ，B辐射的波长为555nm，人眼对A的视觉强度与人眼对 B的视觉强度之比，作为 波长的视见函数。应用光学讲稿举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和B，假定辐射强度 相同，A辐射波长为600nm, B辐射波长为500nm。V(600)=0.631 V(500)=0.323A对人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的0.631/0.323倍 ，近似2倍。若要使A和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的辐射强度 应该是辐射体B强度的一半。应用光学讲稿6-4 光度学中的基本量一、发光强度和光通量1、光
7、通量定义C为单位换算常数。光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定有一 单色光，其辐射通量为 ，其中能够引起视觉的部分为光通 量-用人眼视觉强度来度量的辐射通量。应用光学讲稿2、发光强度发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。也 可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是发光强度。单位：坎（德拉） cd应用光学讲稿常数C：CIE规定：当发光体发出的光全部是 的单色 光，在某一方向上辐射强度 ，则发光体在此方向 上的发光强度为1cd。代回发光强度表示式，若 则 流明（lm）应用光学讲稿3、光谱光视效能与 的乘积称为光谱光视效能，用 表 示。
8、表示人眼对不同波长光辐射的敏感度差别， 表示辐射通量中有多少可以转变为光通量。应用光学讲稿4、连续光谱的光通量计算有了光谱光视效能后，光通量公式可写成总的光通量应该等于整个波长范围内上式的积分发光体的发光特性：光视效能应用光学讲稿常见光源的光视效能光源种类类光视视效能(lm/w)光源种类类光视视效能(lm/w)钨丝钨丝 灯（真空）钨丝钨丝 灯（充气）石英卤卤素灯气体放电电管89.29.221301630日光灯高压压水银银灯超高压压水银银灯钠钠光灯274134454047.560应用光学讲稿计算举例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯 泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。、求发光
9、强度：总立体角为、求总光通量：应用光学讲稿二、光出射度和光照度、光出射度：发光体表面某点附近单位面积发出的光通量。dsA发光表面均匀发光情况下，（lm/m2）应用光学讲稿2、光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位面 积接收的光通量。dsA被照表面均匀照明情况下，（lx）单位：勒克司 1 lx=1 lm/m2应用光学讲稿观观看仪仪器的示值值一般阅读阅读 及书书写精细细工作（修表等）摄摄影场场内拍摄电摄电 影照相制版时时的原稿明朗夏日采光良好的室内太阳直照时时的地面照度满满月在天顶时顶时 的地面照度无月夜天光在地面产产生的照度3050 lx50701002001万3万4万10050010
10、万0.23104常见物体的光照度值应用光学讲稿计算举例：照明器在15m的地方照亮直径为2.5m的圆，要求达到 的照度为50lx，聚光镜焦距为150mm，通光直径也为150mm，求：1、灯泡发光强度；2、灯泡通过聚光镜后在照明范围内的平均发光强度，以及灯泡的功率和位置。2.5m15m-u150mm-u思路：像方照度 像方接收的总光通量 像方立体角 像方孔径角 物方立体角 像方发光强度 灯泡发 光强度 总光通量 灯泡功率、位置应用光学讲稿15m-u150mm-u2.5m应用光学讲稿三、光亮度发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角 内发出的光通量。单位：坎/米2发光体某点在给定方向上的发光
11、 特性。应用光学讲稿常见物体的光亮度值光源名称光亮度 (cd/m2)光源名称光亮度 (cd/m2)在地球上看到的太阳普通电电弧钨丝钨丝 白炽炽灯灯丝丝太阳照射下漫射的白色表面1.51091.5108(515)1063104在地球上看到的月亮表面人工照明下书书写阅读时阅读时 的纸纸面白天的晴朗天空2.5103105103应用光学讲稿计算举例：有一均匀磨砂球形灯,直径为17cm,光通量为2000lm,求该 灯的光亮度.解:根据光亮度与发光强度的关系来求.应用光学讲稿6-5 光照度公式和发光强度余弦定律一、光照度公式假定点光源照明微小平面ds，ds离开光源距离为l，表面法线 方向与照明方向成 ，若光
12、源在此方向上发光强度为I，求光 源在ds上的光照度。光照度公式应用光学讲稿注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离 相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明 ，就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度又可以应用。问题：同样一间屋子，用60W钨丝灯比用40W钨丝灯照明显 得亮？发光效率K相同，应用光学讲稿应用：测定光源发光强度标准光源待测光源I1I2l1l2两个完全相同的漫反射表面， 标准光源I1，l1已知,用眼睛观察两表面，由光照度 公式移动待测光源，改变l2,即改变 E2，当眼睛观察两表面同样亮 时(E相等)，测出l2，由得出可以求得I2应用光学讲稿计算举例1
13、：桌面OB上方有一盏100W钨丝充气灯泡P，光源在各 方向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面 多高时，B点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？POl1mBx应用光学讲稿二、发光强度余弦定律在各个方向上的光亮度都近似一致的均匀发光体称为朗伯辐射体。I0Ids发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定 律的发光体称为余弦辐射体或朗伯辐射体。dsI0I应用光学讲稿应用：求发光微面发出的光通量ds Lu已知：发光微面ds，光亮度为L，求它在半顶角为u的圆锥内所 辐射的总光通量。应用光学讲稿计算举例：假定一个钨丝充气灯泡功率为300W，光视效能为 20lm/W,灯丝尺寸为8
14、x8.5mm，双面发光，求在灯丝面内的平均光 亮度。应用光学讲稿 例题2：一支功率为5mW的氦氖激光器，光视效能为 152lm/W,发光面直径为1mm，发散角（光束半顶角）为 1mrad, 求：1、激光器发出的总光通量和发光强度；2、激光器发光面的光亮度；3、激光束在5m远处屏幕上产生的光照度。应用光学讲稿计算举例3：直径为17cm的磨砂球形灯泡，辐射出的光通量为 2000lm, 在灯泡正下方1m处的水平面上产生的光照度为159lx,求 灯泡的光亮度。A ds1m17o应用光学讲稿6-6 全扩散表面的光亮度问题：墙壁有没有光亮度？自然界大多数物体本身并不发光，被其 它发光体照明时，对入射光线进行漫反 射，表面存在光照度，同时由于它又把 光线漫反射出去，也像一个发光光源一 样，所以也产生光亮度。应用光学讲稿一、全扩散表面的定义如果被照明物体表面由于漫反射的作用使它在各个方向上 光亮度都相同，则称这样的表面为全扩散表面。白纸喷粉的墙壁白灰电影银幕雪应用光学讲稿二、全扩散表面的光亮度已知：全扩散表面面积ds，光照度E求：全扩散表面光亮度L应用光学讲稿物体表面的漫反射系数值照明表面漫反射系数 %照明表面漫反射系 数%氧化镁镁石灰雪白纸纸白砂969178708025粘土月亮黑土黑呢绒绒
