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1、应用光学讲稿 第六章第六章 辐射度学与光度学基础辐射度学与光度学基础应用光学讲稿概述概述 光学系统是一个传输辐射能量的系统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，影响像的亮暗能量传输能力的强弱，影响像的亮暗辐射度学：研究辐射度学：研究电磁波辐射电磁波辐射的测试的测试计量计算的学科计量计算的学科光度学：在人眼视觉的基础上，研光度学：在人眼视觉的基础上，研究究可见光可见光的测试计量计算的学科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一、立体角的意义和单位平面上的角：平面上的角：1弧度弧度ABO应用光学
2、讲稿空间上的角：立体角空间上的角：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若在以r为半径的球面上截得的面积为半径的球面上截得的面积s= r2，则此立体角为则此立体角为1球面度。球面度。整个空间球面面积为整个空间球面面积为4 r2,对应立体角为对应立体角为 4 应用光学讲稿二、立体角的计算二、立体角的计算假定一个圆锥面的半顶角为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。，求该圆锥所包含的立体角大小。以以r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个为半径作一圆球，假定在圆球上取一个 对应的环带，环带宽度为对应的环带，环带宽度为
3、，环带半径，环带半径为为 ，所以环带长度为，所以环带长度为 ，环带总，环带总面积为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辐射度学中的基本量及其计量单位一、辐射通量一、辐射通量 单位时间内辐射体辐射的总能量单位时间内辐射体辐射的总能量-辐射功率辐射功率单位：瓦特单位：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 ：光谱密集度曲线光谱密集度曲线应用光学讲稿二、辐射强度二、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：符号： 单位：瓦每球面度（单位：瓦每球面度（W/
4、sr）表示辐射体在不同方向上的辐射特性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：符号： 单位：瓦每平方米单位：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的辐射特性上单位面积的辐射特性dsA应用光学讲稿四、辐射照度四、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被辐射体上某一点
5、附近某一微元面积上接收的总辐射通量符号：符号： 单位：瓦每平方米单位：瓦每平方米（W/m2）dsA应用光学讲稿五、辐射亮度五、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投影面积上发出的辐射通量符号：符号： 单位：瓦每球面度每平方米单位：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，可以产辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可以产生亮
6、暗感觉；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，定义了一个函数个函数 ，称为视见函数，又称光谱光视效率。，称为视见函数，又称光谱光视效率。应用光学讲稿 光线颜色光线颜色波长波长/nmV光线颜色光线颜色波长波长/nmV紫紫紫紫靛靛靛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黄黄黄黄黄4004104204304404504604704804905005105205305405505555605700.00040.00120
7、.00400.01160.02300.03800.06000.09100.13900.20800.32300.50300.71000.86200.95400.99501.00000.99500.9520黄黄黄黄橙橙橙橙橙橙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5805906006106206306406506606706806907007107207307407507600.87000.75700.63100.50300.38100.26500.17500.10700.06100.03200.01700.00820.00410.00210.001050.000520.0002
8、50.000120.00006应用光学讲稿把把对人眼最灵敏的波长对人眼最灵敏的波长 的视见函数定为的视见函数定为1，即，即假定人眼同时观察两个位于相同距离上的辐射体假定人眼同时观察两个位于相同距离上的辐射体A和和B，这两这两个辐射体在观察方向上的辐射强度相等，个辐射体在观察方向上的辐射强度相等，A辐射的电磁波波长辐射的电磁波波长为为 ，B辐射的波长为辐射的波长为555nm，人眼对人眼对A的的视觉强度与人眼对视觉强度与人眼对B的视觉强度之比，作为的视觉强度之比，作为 波长的视见函数。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举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和和B，
9、假定辐射强度假定辐射强度相同，相同，A辐射波长为辐射波长为600nm, B辐射波长为辐射波长为500nm。V(600)=0.631 V(500)=0.323A对对人眼产生的视觉强度是人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的对人眼产生视觉强度的0.631/0.323倍，倍，近似近似2倍。倍。若要使若要使A和和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的的辐射强度辐射强度应该是辐射体应该是辐射体B强度的一半。强度的一半。应用光学讲稿6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量一、发光强度和光通量一、发光强度和光通量1、光通量定义、光通量定义C为单位换算常数。为单位换算常
10、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，其辐射通量为单色光，其辐射通量为 ，其中能够引起视觉的部分为光通，其中能够引起视觉的部分为光通量量-用人眼视觉强度来度量的辐射通量。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、发光强度发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。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。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
11、位：坎（德拉）单位：坎（德拉） cd应用光学讲稿常数常数C：CIE规定：当发光体发出的光全部是规定：当发光体发出的光全部是 的单色的单色光，在某一方向上辐射强度光，在某一方向上辐射强度 ，则发光体在此方向，则发光体在此方向上的发光强度为上的发光强度为1cd。代回发光强度表示式，代回发光强度表示式，若若 则则 流明（流明（lm）应用光学讲稿3、光谱光视效能、光谱光视效能 与与 的乘积称为光谱光视效能，用的乘积称为光谱光视效能，用 表表示。示。 表示人眼对不同波长光辐射的敏感度差别，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。表示辐射通量中有多少可以转变为光通量。
12、应用光学讲稿4、连续光谱的光通量计算、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常见光源的光视效能光源种类光源种类光视效能光视效能(lm/w)光源种类光源种类光视效能光视效能(lm/w)钨丝灯（真空）钨丝灯（真空）钨丝灯（充气）钨丝灯（充气）石英卤素灯石英卤素灯气体放电管气体放电管89.29.221301630日光灯日光灯高压水银灯高压水银灯超高压水银灯超高压水银灯钠光灯钠光灯2
13、74134454047.560应用光学讲稿计算举例：一个功率（辐射通量）为计算举例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯的钨丝充气灯泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。、求发光强度：总立体角为、求发光强度：总立体角为、求总光通量：、求总光通量：应用光学讲稿二、光出射度和光照度二、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。、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，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、光照
14、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。积接收的光通量。dsA被照表面均匀照明情况下，被照表面均匀照明情况下，（lx）单位：勒克司单位：勒克司 1 lx=1 lm/m2应用光学讲稿观看仪器的示值观看仪器的示值一般阅读及书写一般阅读及书写精细工作（修表等）精细工作（修表等）摄影场内拍摄电影摄影场内拍摄电影照相制版时的原稿照相制版时的原稿明朗夏日采光良好的室内明朗夏日采光良好的室内太阳直照时的地面照度太阳直照时的地面照度满月在天顶时的地面照度满月在天顶时的地面照度无月夜天光在地面产生的照度无月夜天光在地面产生的照度3050 lx50701002001万万3万万4万万10050
15、010万万0.23104 常见物体的光照度值常见物体的光照度值应用光学讲稿计算举例：照明器在计算举例：照明器在15m的地方照亮直径为的地方照亮直径为2.5m的圆，要求达到的圆，要求达到的照度为的照度为50lx，聚光镜焦距为聚光镜焦距为150mm，通光直径也为通光直径也为150mm，求：求：1、灯泡发光强度；、灯泡发光强度； 2、灯泡通过聚光镜后在、灯泡通过聚光镜后在照明范围内的平均发光强度，照明范围内的平均发光强度，以及灯泡的功率和位置。以及灯泡的功率和位置。2.5m15m-u150mm-u思路：像方照度思路：像方照度 像方接收的总光通量像方接收的总光通量 像方立体角像方立体角 像方孔径角像方
16、孔径角 物方立体角物方立体角 像方发光强度像方发光强度 灯泡发灯泡发光强度光强度 总光通量总光通量 灯泡功率、位置灯泡功率、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。内发出的光通量。单位：坎单位：坎/米米2发光体某点在给定方向上的发光发光体某点在给定方向上的发光特性。特性。应用光学讲稿 常见物体的光亮度值常见物体的光亮度值光源名称光源名称光亮度光亮度(cd/m2)光源名称光源名称光亮度光亮度(cd/m2)在地球上看到的太阳在地球上看到的太阳普通电
17、弧普通电弧钨丝白炽灯灯丝钨丝白炽灯灯丝太阳照射下漫射的白色表面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在地球上看到的月亮表面人工照明下书写阅读时的纸面人工照明下书写阅读时的纸面白天的晴朗天空白天的晴朗天空2.5103105103应用光学讲稿计算举例：有一均匀磨砂球形灯计算举例：有一均匀磨砂球形灯,直径为直径为17cm,光通量为光通量为2000lm,求该求该灯的光亮度灯的光亮度.解解:根据光亮度与发光强度的关系来求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光照度公式和发光强度余弦定律一、光照度公式一、光照
18、度公式假定点光源照明微小平面假定点光源照明微小平面ds，ds离开光源距离为离开光源距离为l，表面法线表面法线方向与照明方向成方向与照明方向成 ，若光源在此方向上发光强度为，若光源在此方向上发光强度为I，求光求光源在源在ds上的上的光照度。光照度。光照度公式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，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。就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度又
19、可以应用。问题：同样一间屋子，用问题：同样一间屋子，用60W钨丝灯比用钨丝灯比用40W钨丝灯照明显钨丝灯照明显得亮？得亮？发光效率发光效率K相同，相同，应用光学讲稿应用：测定光源发光强度应用：测定光源发光强度标准光源标准光源待测光源待测光源I1I2l1l2两个完全相同的漫反射表面，两个完全相同的漫反射表面，标准光源标准光源I1，l1已知已知,用眼睛观察两表面，由光照度用眼睛观察两表面，由光照度公式公式移动待测光源，改变移动待测光源，改变l2,即改变即改变E2，当眼睛观察两表面同样亮当眼睛观察两表面同样亮时时(E相等相等)，测出，测出l2，由由得出得出可以求得可以求得I2应用光学讲稿计算举例计算
20、举例1：桌面：桌面OB上方有一盏上方有一盏100W钨丝充气灯泡钨丝充气灯泡P，光源在各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，多高时，B点（点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？处的光照度最大，该光照度等于多少？POl1mBx应用光学讲稿二、发光强度余弦定律二、发光强度余弦定律在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。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
21、为余弦辐射体或朗伯辐射体。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应用：求发光微面发出的光通量dsLu已知：发光微面已知：发光微面ds，光亮度为光亮度为L，求它在半顶角为求它在半顶角为u的圆锥内所的圆锥内所辐射的总光通量。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计算举例：假定一个钨丝充气灯泡功率为300W，光视效能为光视效能为20lm/W,灯丝尺寸为灯丝尺寸为8x8.5mm，双面发光，求在灯丝面内的平均光双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。亮度。应用光学讲稿例题例题2：一支功率为：一支功率为5mW的氦氖激光器，光视效能为的
22、氦氖激光器，光视效能为152lm/W,发光面直径为发光面直径为1mm，发散角（光束半顶角）为发散角（光束半顶角）为1mrad, 求：求：1、激光器发出的总光通量和发光强度；、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；、激光器发光面的光亮度；3、激光束在、激光束在5m远处屏幕上产生的光照度。远处屏幕上产生的光照度。应用光学讲稿计算举例计算举例3：直径为直径为17cm的磨砂球形灯泡的磨砂球形灯泡，辐射出的光通量为辐射出的光通量为2000lm, 在灯泡正下方在灯泡正下方1m处的水平面上产生的光照度为处的水平面上产生的光照度为159lx,求求灯泡的光亮度。灯泡的光亮度。Ads1m17o
23、应用光学讲稿6-6 全扩散表面的光亮度全扩散表面的光亮度问题：墙壁有没有光亮度？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。样，所以也产生光亮度。应用光学讲稿一、全扩散表面的定义一、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
24、为全扩散表面。光亮度都相同，则称这样的表面为全扩散表面。白纸白纸喷粉的墙壁喷粉的墙壁白灰白灰电影银幕电影银幕雪雪应用光学讲稿二、全扩散表面的光亮度二、全扩散表面的光亮度已知：全扩散表面面积已知：全扩散表面面积ds，光照度光照度E求：全扩散表面光亮度求：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物体表面的漫反射系数值照明表面照明表面漫反射系数漫反射系数%照明表面照明表面漫反射系漫反射系数数%氧化镁氧化镁石灰石灰雪雪白纸白纸白砂白砂969178708025粘土粘土月亮月亮黑土黑土黑呢绒黑呢绒黑丝绒黑丝绒161020510140.21应用光学讲稿计算举例：发光强度为计算举例：发光强度为1
25、00cd的白炽灯照射在墙壁上，墙壁和光的白炽灯照射在墙壁上，墙壁和光线照射方向距离为线照射方向距离为3m，墙壁的漫发射系数为墙壁的漫发射系数为0.7，求与光线照射，求与光线照射方向相垂直的墙面上的光照度及墙面的光亮度。方向相垂直的墙面上的光照度及墙面的光亮度。应用光学讲稿6-7 光学系统中光束的光亮度光学系统中光束的光亮度一、在均匀介质中一、在均匀介质中结论：在均匀透明介质中，如果不考虑光能损失，位于同一条光结论：在均匀透明介质中，如果不考虑光能损失，位于同一条光线上的各点，在光线进行的方向上光亮度不变。线上的各点，在光线进行的方向上光亮度不变。应用光学讲稿二、折射情形二、折射情形Pn1n2分
26、析：分析：讨论入射光亮度讨论入射光亮度L1时，时，ds1应该在分界面附近应该在分界面附近取，取， 也应该是这个面对应的立体角。也应该是这个面对应的立体角。ds应用光学讲稿入射光光亮度入射光光亮度折射光光亮度折射光光亮度应用光学讲稿应用光学讲稿三、反射情形三、反射情形反射可以看成反射可以看成n=-n的折射，的折射，综上：光束的光亮度综上：光束的光亮度L存在以下普遍关系式存在以下普遍关系式折合光亮度折合光亮度如果不考虑光束在传播过程中的光能损失，则位在同一条光线上如果不考虑光束在传播过程中的光能损失，则位在同一条光线上的所有各点，在该光线传播方向上的折合光亮度不变。的所有各点，在该光线传播方向上的
27、折合光亮度不变。应用光学讲稿四、理想光学系统中像的光亮度四、理想光学系统中像的光亮度像点像点A和物点和物点A的亮度关系的亮度关系物像方折射率相同时，物像方折射率相同时，L=L实际光学系统中，考虑到光能损失，实际光学系统中，考虑到光能损失，为光学系统的透过率。为光学系统的透过率。应用光学讲稿6-8 像平面的光照度像平面的光照度一、轴上点的光照度一、轴上点的光照度已知：成像物体光亮度已知：成像物体光亮度L, 像方孔径角为像方孔径角为u求求:像面光照度像面光照度E应用光学讲稿二、轴外像点的光照度公式二、轴外像点的光照度公式像平面上轴外点的光照度一定小于轴上点的像平面上轴外点的光照度一定小于轴上点的光
28、照度。光照度。应用光学讲稿1、由于轴外光束倾斜后，出瞳在光束垂直方向上、由于轴外光束倾斜后，出瞳在光束垂直方向上的投影面积减小。轴外点的发光强度比轴上点的的投影面积减小。轴外点的发光强度比轴上点的发光强度发光强度I0小。小。2、照明距离比轴上点的照明距离增加，、照明距离比轴上点的照明距离增加，代回代回得得由于轴上点光照度由于轴上点光照度所以所以应用光学讲稿 不同视场角的不同视场角的E/E0值值1020300.9410.7800.5634050600.3440.1710.063系统中存在斜光束渐晕时，系统中存在斜光束渐晕时，应用光学讲稿6-9 照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度
29、和光圈数HFDUmax一、像平面光照度一、像平面光照度代入代入得得物镜的相对孔径物镜的相对孔径应用光学讲稿二、光圈、光圈数二、光圈、光圈数光圈：相对孔径光圈：相对孔径 分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。相对孔径按相对孔径按 等比级数变化。等比级数变化。光圈数：相对孔径的倒数，用光圈数：相对孔径的倒数，用F表示。表示。F制光圈制光圈应用光学讲稿三、曝光量三、曝光量假定像面照度为假定像面照度为E， 曝光时间为曝光时间为t,底片上单位面积接受的曝光亮底片上单位面积接受的曝光亮H为为 H=E t (lx .s)T制光圈制光圈假定某个透镜透过
30、率为假定某个透镜透过率为 ，相对孔径为，相对孔径为 这样，像平面光照度公式可以写为这样，像平面光照度公式可以写为应用光学讲稿一、基本概念一、基本概念定义：外界物体对人眼的刺激强度。定义：外界物体对人眼的刺激强度。主观光亮度可以用具体的光度学的量来表示主观光亮度可以用具体的光度学的量来表示不同的外界物体对应不同的物理量不同的外界物体对应不同的物理量特点：人眼对亮暗的感觉，属于主观范畴。特点：人眼对亮暗的感觉，属于主观范畴。表示方法：表示方法：1、主观光亮度、主观光亮度 人眼的主观光亮度人眼的主观光亮度 6-10应用光学讲稿发光点发光点发光体对人眼的视角很小，在视网膜上所成的象小于发光体对人眼的视
31、角很小，在视网膜上所成的象小于一个视神经细胞的直径一个视神经细胞的直径发光面发光面发光体对人眼张角较大，在视网膜上所成的象有一定发光体对人眼张角较大，在视网膜上所成的象有一定面积面积2、外界物体的分类、外界物体的分类应用光学讲稿二、人眼直接观察发光点时的主观光亮度二、人眼直接观察发光点时的主观光亮度1、衡量标准：、衡量标准：进入人眼的进入人眼的光通量光通量All=f 应用光学讲稿由光通量公式：由光通量公式：而而因此因此All =f 2、计算公式、计算公式应用光学讲稿结论：结论： 主观光亮度与物体发光强度主观光亮度与物体发光强度 I 、人眼瞳孔人眼瞳孔 直径直径 a 的平方成正比的平方成正比举例
32、：举例：观察两颗星星观察两颗星星观察马路边的一排路灯观察马路边的一排路灯 与距离平方成反比与距离平方成反比应用光学讲稿三、人眼对发光面的主观光亮度三、人眼对发光面的主观光亮度像平面光照度公式像平面光照度公式 眼睛的透过率物体光亮度 n1 n =n眼1.336应用光学讲稿人眼对发光面的主观光亮度：人眼对发光面的主观光亮度：讨论：日常生活中感觉不管是发讨论：日常生活中感觉不管是发光点还是发光面，距离越远越暗，光点还是发光面，距离越远越暗，越近越亮，与上式是否矛盾？越近越亮，与上式是否矛盾？应用光学讲稿问题：夜晚直接用人眼观察星星以及用望远镜观问题：夜晚直接用人眼观察星星以及用望远镜观察，察， 哪种
33、情况感觉亮？如果观察的是月亮呢？哪种情况感觉亮？如果观察的是月亮呢？通过望远镜观察的主观光亮度通过望远镜观察的主观光亮度 6-11应用光学讲稿一、发光点一、发光点1、D a: 望远镜出瞳小于等于眼睛瞳孔直径望远镜出瞳小于等于眼睛瞳孔直径进入仪器的光通量进入仪器的光通量从仪器出来的光通量从仪器出来的光通量通过仪器观察的主观光亮度通过仪器观察的主观光亮度应用光学讲稿如果发光强度如果发光强度I一定，则口径一定，则口径 越大，观察距离可以越大，观察距离可以越大，即可以发现更远的星星越大，即可以发现更远的星星通过仪器观察的主观光亮度通过仪器观察的主观光亮度如果观察距离一定，则口径如果观察距离一定，则口径
34、 越大，发光强度越大，发光强度I可以可以更小，即可以发现发光更微弱的星星更小，即可以发现发光更微弱的星星总之，对天文望远镜来说，口径越大越好总之，对天文望远镜来说，口径越大越好应用光学讲稿2、D a: 望远镜出瞳大于眼睛瞳孔直径望远镜出瞳大于眼睛瞳孔直径D DaaD 应用光学讲稿比较：将两种情况下的主观光亮度与人眼直比较：将两种情况下的主观光亮度与人眼直 接观察时对比：接观察时对比：Da 时的主观光亮度之比时的主观光亮度之比Da 时的主观光亮度之比时的主观光亮度之比Da/a应用光学讲稿例：某天文台有一天文望远镜，口径为例：某天文台有一天文望远镜，口径为2.16米，米，人眼瞳孔在夜晚为人眼瞳孔在
35、夜晚为a=8mm。Da 时的主观光亮度之比时的主观光亮度之比Da 时的主观光亮度之比时的主观光亮度之比Da/aDa情形：例如视放大率为情形：例如视放大率为10，则可以提高约，则可以提高约100倍倍应用光学讲稿二、发光面二、发光面1、D a: 望远镜出瞳小于瞳孔直径望远镜出瞳小于瞳孔直径进入眼睛光束进入眼睛光束 D望远镜的像的光亮度望远镜的像的光亮度LL =仪L应用光学讲稿主观光亮度主观光亮度与人眼直接观察时对比：与人眼直接观察时对比：应用光学讲稿2、D a: 望远镜出瞳大于等于瞳孔直径望远镜出瞳大于等于瞳孔直径与人眼直接观察时对比：与人眼直接观察时对比：应用光学讲稿DaD=a进入的光束进入的光
36、束DD=a;面积大了面积大了2倍，倍，d大大2倍；倍；视网膜上的像大了视网膜上的像大了倍，面积大了倍，面积大了2 倍；倍；光照度不变。但望远镜有吸收反射损失，所以照度有下降光照度不变。但望远镜有吸收反射损失，所以照度有下降应用光学讲稿aD进入的光束进入的光束DDa;面积放大不到面积放大不到2倍；倍；视网膜上的像还是大了视网膜上的像还是大了倍，面积大了倍，面积大了2 倍；倍；光照度减小。再加上望远镜有吸收反射损失，光照度减小。再加上望远镜有吸收反射损失，主观光亮度降低主观光亮度降低Da主观光亮度降低的少一些主观光亮度降低的少一些a应用光学讲稿6-12 光学系统中光能损失的计算光学系统中光能损失的
37、计算一、光能损失的原因一、光能损失的原因1”1”2”21、光束在光学零件表面的反射；、光束在光学零件表面的反射；2、光束通过介质时的吸收。、光束通过介质时的吸收。影响：光学系统成像光亮度降低影响：光学系统成像光亮度降低 像的清晰度下降像的清晰度下降 形成寄生像形成寄生像应用光学讲稿二、反射损失计算二、反射损失计算反射系数反射系数 ：介质分界面反射光通量和入射光通量之比：介质分界面反射光通量和入射光通量之比1”1”2”2应用光学讲稿二、反射损失计算二、反射损失计算1”1”2”2应用光学讲稿三、吸收损失计算三、吸收损失计算ldl1+d 2实验表明：入射光通量越大，吸收越大，光线所实验表明：入射光通
38、量越大，吸收越大，光线所走路程越长，吸收越大走路程越长，吸收越大应用光学讲稿三、吸收损失计算三、吸收损失计算ldl1+d 2应用光学讲稿如果同时考虑光能的反射和吸收损失，则有如果同时考虑光能的反射和吸收损失，则有应用光学讲稿实际情况下：实际情况下：是分界面两边介质：是分界面两边介质n, n和光束入射角和光束入射角I的函数。的函数。介质折射率变化介质折射率变化变化曲线变化曲线应用光学讲稿光束入射角光束入射角I改变时改变时的变化曲线的变化曲线冕牌玻璃：冕牌玻璃：0.04 火石牌玻璃：火石牌玻璃：0.05I 40度时，反射系数基本不变，可以不考虑由于入射角度时，反射系数基本不变，可以不考虑由于入射角
39、的变化而引起的变化。的变化而引起的变化。应用光学讲稿对于具有金属镀层的反射镜，由于反射层的吸收和散射，也要产对于具有金属镀层的反射镜，由于反射层的吸收和散射，也要产生光能损失。光能损失的大小与所镀物质有关。生光能损失。光能损失的大小与所镀物质有关。l镀铝镀铝 0.85l镀银镀银 0.90：透明系数平均值：透明系数平均值 0.99综合考虑，代入公式综合考虑，代入公式应用光学讲稿透过率公式透过率公式其中：其中：N1：镀铝面数镀铝面数N2：镀银面数镀银面数N3：冕牌玻璃和空气接触面数冕牌玻璃和空气接触面数N4：火石玻璃和空气接触面数火石玻璃和空气接触面数 ：沿：沿光轴计算的玻璃总厚度（以厘米为单位）
40、光轴计算的玻璃总厚度（以厘米为单位）应用光学讲稿为了减少光学零件表面的反射损失，可以在光学零件表面为了减少光学零件表面的反射损失，可以在光学零件表面镀增透膜。镀增透膜。最常见的化学镀增透膜使反射损失降到最常见的化学镀增透膜使反射损失降到0.01, 此时，公式此时，公式变为变为应用光学讲稿例：计算周视瞄准镜的透过系数例：计算周视瞄准镜的透过系数应用光学讲稿零件零件号号名称名称材料材料透镜厚度或棱透镜厚度或棱镜展开厚度镜展开厚度(cm)与与空气接空气接触的表面触的表面数数镀银镀银面数面数1234567保护玻璃保护玻璃直角棱镜直角棱镜道威棱镜道威棱镜物镜正透镜物镜正透镜物镜负透镜物镜负透镜屋脊棱镜屋
41、脊棱镜分划板分划板目镜第一透镜目镜第一透镜目镜第二透镜目镜第二透镜目镜第三透镜目镜第三透镜目镜第四透镜目镜第四透镜冕冕冕冕冕冕冕冕火石火石冕冕冕冕火石火石冕冕冕冕火石火石0.32.65.280.350.22.90.30.10.520.520.1222112211111应用光学讲稿由此可见，光能损失非常大，镀膜以后，透过率为由此可见，光能损失非常大，镀膜以后，透过率为镀膜以后，透过率大大提高镀膜以后，透过率大大提高如果不镀膜，透过率为如果不镀膜，透过率为应用光学讲稿投影系统及其光能计算投影系统及其光能计算10-5 投影仪的作用及其类别投影仪的作用及其类别10-6 投影仪中的照明系统投影仪中的照明
42、系统10-7 投影物镜投影物镜10-8 投影系统中的光能计算投影系统中的光能计算应用光学讲稿10-5 投影仪的作用及其类别投影仪的作用及其类别作用：把一定大小的物体用光源照明后成像到屏幕上进行作用：把一定大小的物体用光源照明后成像到屏幕上进行观察和测量观察和测量种类：电影放映机，幻灯机，投影仪等种类：电影放映机，幻灯机，投影仪等要求：成像清晰；物像相似要求：成像清晰；物像相似 像面有足够的光照度，分布均匀像面有足够的光照度，分布均匀应用光学讲稿二、投影系统的组成二、投影系统的组成1、投影物镜：把一定大小的物体成像在屏幕上，使成像清、投影物镜：把一定大小的物体成像在屏幕上，使成像清晰，物象相似晰
43、，物象相似yy2、照明系统：照明物体，充分利用光源发出的光能，并、照明系统：照明物体，充分利用光源发出的光能，并使照明均匀。使照明均匀。应用光学讲稿三、投影系统的分类三、投影系统的分类第一类：临界照明第一类：临界照明:光源通过照明系统成像在物平面上，照亮物光源通过照明系统成像在物平面上，照亮物体；物体在经投影物镜成像在屏幕上。电影放映机体；物体在经投影物镜成像在屏幕上。电影放映机照明系统照明系统光源光源投影物镜投影物镜屏幕屏幕ABBA应用光学讲稿反射照明反射照明透射照明透射照明应用光学讲稿第二类：柯勒照明第二类：柯勒照明:光源通过照明系统成像在投影物镜的入瞳上；光源通过照明系统成像在投影物镜的
44、入瞳上；物体在经投影物镜成像在屏幕上。幻灯机，放大机物体在经投影物镜成像在屏幕上。幻灯机，放大机应用光学讲稿计量用的投影仪，为避免调焦不准，采用物方远心光路计量用的投影仪，为避免调焦不准，采用物方远心光路应用光学讲稿10-6 投影仪中的照明系统投影仪中的照明系统一、聚光照明系统的作用和要求一、聚光照明系统的作用和要求l提高光源的利用率，使光源发出的光能尽可能多地进入投影物镜；提高光源的利用率，使光源发出的光能尽可能多地进入投影物镜；l充分发挥投影物镜的作用，使照明光束能充满物镜的口径；充分发挥投影物镜的作用，使照明光束能充满物镜的口径；l使投影物平面照明均匀，即物平面上各点地照明光束口径尽可能
45、一致。使投影物平面照明均匀，即物平面上各点地照明光束口径尽可能一致。应用光学讲稿二、照明系统的基本结构型式二、照明系统的基本结构型式偏转角偏转角U-U 2020303050应用光学讲稿非球面透镜：简化结构，消球差非球面透镜：简化结构，消球差螺纹透镜：消球差螺纹透镜：消球差应用光学讲稿10-7 投影物镜投影物镜一、一、投影物镜的作用投影物镜的作用 将被光源照明的投影物体成像在屏幕上将被光源照明的投影物体成像在屏幕上保证成像清晰、物像相似保证成像清晰、物像相似与照明系统合理配合，保证屏幕上有足够的光照度与照明系统合理配合，保证屏幕上有足够的光照度投影物镜的光学特性投影物镜的光学特性视场，相对孔径，
46、放大率，工作距离视场，相对孔径，放大率，工作距离应用光学讲稿(一一)、视场、视场 线视场：投影物体的最大尺寸线视场：投影物体的最大尺寸例如：一个例如：一个100100倍的投影物镜，屏幕尺寸为倍的投影物镜，屏幕尺寸为15001500mmmm，线视场为线视场为应用光学讲稿(二二)、相对孔径、相对孔径 通常，屏幕距投影物镜距离与物镜焦距相比，达数十倍，因此投通常，屏幕距投影物镜距离与物镜焦距相比，达数十倍，因此投影物平面近似为物镜的物方焦平面影物平面近似为物镜的物方焦平面因为因为所以所以光照度与相对孔径的平方成正比光照度与相对孔径的平方成正比光照度与垂轴放大率的平方成反比光照度与垂轴放大率的平方成反
47、比应用光学讲稿(三三)、放大率、放大率 放大率越大，屏幕上的像越大，测量精度越高放大率越大，屏幕上的像越大，测量精度越高有有所以，焦距一定时，放大率增大，像距加大，物像之间的距所以，焦距一定时，放大率增大，像距加大，物像之间的距离加大，系统结构尺寸加大。离加大，系统结构尺寸加大。应用光学讲稿(四四)、工作距离、工作距离 与屏幕共轭的物平面到投影物镜第一面的距离叫做工作距离与屏幕共轭的物平面到投影物镜第一面的距离叫做工作距离工作距离太小，会影响使用工作距离太小，会影响使用工作距离与物镜放大率，物像之间的共轭距有关工作距离与物镜放大率，物像之间的共轭距有关物镜焦距一定，放大率低，工作距离就长；物镜
48、焦距一定，放大率低，工作距离就长；当放大率一定时，物像之间的共轭距大，工作距离就长当放大率一定时，物像之间的共轭距大，工作距离就长应用光学讲稿二、投影物镜的结构型式二、投影物镜的结构型式投影物镜与照相物镜同属一类光学系统投影物镜与照相物镜同属一类光学系统 视场较小时：校正球差，彗差，轴向色差视场较小时：校正球差，彗差，轴向色差视场较大时：还需校正像散，场曲视场较大时：还需校正像散，场曲例如：长工作距离物镜例如：长工作距离物镜应用光学讲稿例如：大相对孔径物镜例如：大相对孔径物镜用于反射式，物体不透明，光能量很低，相对孔径需很大用于反射式，物体不透明，光能量很低，相对孔径需很大 应用光学讲稿10-
49、8 投影系统中的光能计算投影系统中的光能计算l 已知投影系统结构参数，求像平面光照度已知投影系统结构参数，求像平面光照度l 已知像平面光照度，求投影系统和照明系统结构参数已知像平面光照度，求投影系统和照明系统结构参数应用光学讲稿【例【例1】假定一个假定一个35mm的电影放映机，采用电弧作光源，要求的电影放映机，采用电弧作光源，要求屏幕照度为屏幕照度为100lx，放映机离开银幕的距离为放映机离开银幕的距离为50m，银幕银幕宽宽7m，求放映物镜的焦距和相对孔径。求放映物镜的焦距和相对孔径。35mm电影机的片框尺寸电影机的片框尺寸 为为2116mm2，要要求放映物镜的放大率为求放映物镜的放大率为根据
50、放大率公式根据放大率公式 由于像距比焦距大得多，所以由于像距比焦距大得多，所以xl=50000mm。将将=-333代入以上公式，得代入以上公式，得f=x/=-50000/(-333)=150mm应用光学讲稿根据像平面光照度公式有根据像平面光照度公式有假定系统的透过率为假定系统的透过率为0.5，电弧的光亮度由表，电弧的光亮度由表6-4查得为查得为代入代入 上式，得上式，得要求物镜的口径为要求物镜的口径为放映物镜的相对孔径为放映物镜的相对孔径为应用光学讲稿照明系统光学特性的计算照明系统光学特性的计算D反反850f假假 定片门离照明反射镜的距离为定片门离照明反射镜的距离为850mm反射镜的口径反射镜
51、的口径D反反为：为：设电弧焰口的直径为设电弧焰口的直径为9mm，片门的对角线尺寸为片门的对角线尺寸为27mm，为使照明反射为使照明反射镜镜 所成的像大于投影面积，假定反所成的像大于投影面积，假定反 射镜将电弧放大射镜将电弧放大3.5，焰口像的最大，焰口像的最大尺寸为尺寸为y=y=3.59=31.5mm应用光学讲稿由放大率由放大率=-3.5，像距像距l=850mm，就可以求得照明反射镜的焦距。就可以求得照明反射镜的焦距。对反射的情形对反射的情形n=-n，得得l=-l/=-850/(-3.5)=243mm将将l、l、f=f 代入高斯公式，得代入高斯公式，得照明反射镜照明反射镜 焦距为焦距为189m
52、m 口径口径370mmf=189mm应用光学讲稿例例2一个小型投影仪采用一个小型投影仪采用6V30W的白炽灯照明。灯泡的光视效能为的白炽灯照明。灯泡的光视效能为15lx/W灯丝为直径灯丝为直径 3mm，长长3mm的螺线管。投影物镜的焦距为的螺线管。投影物镜的焦距为50mm，相对孔径相对孔径1 3.5，放大，放大 率为率为15，投影仪的光学系统如图，投影仪的光学系统如图10-44所示。所示。采用第二种照明方式，照明系统的放大率采用第二种照明方式，照明系统的放大率 为为2，系统的透过率，系统的透过率=0.6，求像平面的光照度。求像平面的光照度。应用光学讲稿光源发出的总光通量为光源发出的总光通量为=
53、Ke=1530=450lm 考虑到后面加了球面反光镜，使平均光亮度提高考虑到后面加了球面反光镜，使平均光亮度提高50%，则得到发光体，则得到发光体的平均光亮度为的平均光亮度为L=1.54106=6106cd/m2假定各方向均匀发光，发光强度为假定各方向均匀发光，发光强度为 I=450/4=35.8cd光亮度光亮度 L=I/dSn=35.8/(0.0030.003)=4106cd/m2应用光学讲稿照明器的放大率为照明器的放大率为2，因此，投影物镜的有效通光面积为，因此，投影物镜的有效通光面积为S=66=36mm2投影物镜的放大率为投影物镜的放大率为-15，焦距为，焦距为50mm，像距像距l为：为
54、： l =f+x=f(1-)=50(1+15)=800mm相当的通光口径相当的通光口径D为为D2/4=36或或D=6.77mm应用光学讲稿对应的像方孔径角为对应的像方孔径角为即投影仪像面的光照度为即投影仪像面的光照度为200lx。将已知的将已知的L、 和和代入公式代入公式(6-38)，得，得应用光学讲稿总结：总结：1.计算投影物镜像平面光照度公式，容易和计算照相物镜光照度计算投影物镜像平面光照度公式，容易和计算照相物镜光照度公式混淆。对照相物镜来说物距公式混淆。对照相物镜来说物距l 物镜入瞳物镜入瞳D,即灯丝像充满入瞳，则取即灯丝像充满入瞳，则取h=D/2, 若灯丝像若灯丝像d入瞳直径入瞳直径
55、D，有效口径为有效口径为 d,则取则取h=d/2.3. L=I/dSn 其中其中dSn 为光源发光面在与照明方向相垂直方向上为光源发光面在与照明方向相垂直方向上的投影面积，而不是发光体的全部表面积，例如球形灯的投影面积，而不是发光体的全部表面积，例如球形灯丝直径丝直径d=2r, 它的发光总面积它的发光总面积 ，而在与照明，而在与照明方向相垂直方向上的投影面积为球体的最大截圆面积，方向相垂直方向上的投影面积为球体的最大截圆面积，即即应用光学讲稿应用光学讲稿灯泡灯泡聚光镜聚光镜星孔星孔平行光管物镜平行光管物镜被检物镜被检物镜被检物镜被检物镜观察显微镜观察显微镜举例：星点检验举例：星点检验星点发出的进入系统光通量星点发出的进入系统光通量应用光学讲稿应用光学讲稿
