应用光学第五章光度学.ppt

第五章 辐射度学与光度学基础,作业： 1.有两薄透镜L1和L2的口径分别为6cm和4cm, ,在L1和L2距L2为2cm处有一直径为6cm的小孔光阑，物点位于L1前方12cm处，求孔径光阑、入射瞳孔、出瞳的位置及大小 2.(选作)两个薄透镜L1、L2的孔径为4.0cm，L1为凹透镜，L2为凸透镜，它们的焦距分别为8cm和6cm，镜间距离为3cm，光线平行于光轴入射。求系统的孔径光阑、入瞳和出瞳及视场光阑 3.照相物镜 ，对2m远处目标照相，假定底片上像点弥散斑直径小于0.05mm仍可认为成像清晰，问物空间能清晰成像的最远、最近距离各位多少？,4.人工照明下阅读时，纸面光亮度应大于10cd/m2,假定白纸的漫反射系数为0.75，用60w充气钨丝灯照明，光视效能为15lm/w,求当灯泡离纸面距离不大于多少时，才能产生所要求的光亮度（假定纸面与照射光线方向垂直）？ 5.面积为1cm2的单面发光圆盘是一个朗伯光源，光亮度为1500lm/(m2sr),求 最大发光强度I0，与发光面法线30度角方向上的发光强度I30 圆盘发出的总光通量及光出射度,5.1 辐射度学与光度学中基本量,光是具有能量的 激光焊接，激光致盲，太阳能热水器 光学系统是能量传输系统 前面几章研究了光学系统的成像问题，只是研究了能量的传播方向，本章解决能量的数量问题,可见光是波长在400nm-760nm范围内的电磁辐射，是能对人的视觉形成刺激，并被能被人感受到的电磁辐射，按视觉响应原则建立的表征可见光的量为光学量 描述电磁辐射的物理量为辐射量，也可描述可见光 可见光可用辐射量和光学量两种量值系统来度量,1. 立体角,发光体都是在它周围一定空间内辐射能量的，是立体空间问题 定义：一个任意形状的封闭锥面所包含的空间 计算公式：d =ds/r2 单位： 以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，如果锥面在圆球上所截出的面积等于r2,则该立体角为一个“球面度”（sr）。 例：整个球面的面积4r2,则这个空间为4 球面度 假定一个圆锥面的半顶角为,该圆锥所包含的立体角为 较小时，,2.辐射度学中的基本量,辐射量和光学量的对应关系,3.视见函数,人眼是一种可见光探测器 输入：用辐射度量表示的可见光辐射 输出：用光学量表示的光感受 人眼视觉的强弱： 辐射在该方向上的辐射强度 辐射的波长 具有相同辐射量而波长不同的可见光分别作用于人眼，人所感受到的明暗程度不同,视见函数V（）： 表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别 人眼视觉系统决定的 明视觉视见函数，暗视觉视见函数 规定V（555）1，555nm人眼最灵敏的波长 V（ ）I（ ）/I(555) 光学量与辐射量间的关系 d =KmdeV,4.光度学中的基本量,光能量 依人眼的感觉强弱，进行量度的辐射能, Q 光通量描写辐射通量引起人眼的视觉强度 =dQ/dt ，单位时间内，光源发出或通过一定面积的光能 对单色光源：d =KmdeV 单位：流明 lm Km的规定：1瓦555nm的单色光辐射通量683流明的光通量， Km 683流明/瓦，是光通量与功率的转换当量,发光效率（光视效能） 光源的光通量/该光源的耗电功率，表示发光体的发光特性 流明/瓦，辐射体每消耗1瓦电功率所发出的光通量 例：100瓦钨丝灯，光通量为1500流明，则15lm/w 40瓦荧光灯，光通量为2000流明，则50lm/w 光强度光源在各个方向上的发光特性 Id/d ，点光源沿某一给定方向上在单位立体角内发出的光通量 单位：坎德拉 Cd，1cd=1lm/sr，国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位都是导出单位,r,d,光出射度光源上不同位置的发光特性 用单位面积所发射的光通量描写光源上某点的发光本领 Md/ds，面光源上A附近的面积元ds辐射的光通量 单位：勒克斯，1lx=1lm/m2,透射面或反射面接受光通量，又可作为二次光源发出光通量。M= E，为透射率或反射率，与波长有关，因而物体呈现彩色 。 对所有波长趋于0的物体，黑体,光照度被照表面不同位置的收光特性 单位面积上接收到的光通量大小 Ed/ds 单位：勒克斯，1lx=1lm/m2,d,A,光亮度发光表面不同位置和不同方向的发光特性 LI/dsn=I/（dscos） LI/dsn=d/（dscosd） 发光面上单位投影面积在单 位立体角内发出的光通量 单位：坎德拉/米2, cd/m2， 熙提（st）, 1st = 1cd/cm2,人们常说40w日光灯比40w钨丝灯亮，是否说明日光灯的光亮度比钨丝灯大？这里所说的“亮”是指什么？ 物体的光亮度就是人眼感到的明亮程度，这种说法对吗？,例： He-Ne激光器：P10mw, =632.8nm, 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/（dsd)=6.553107st L太阳1.5105st LHe-Ne=440L太阳 “勿对着眼睛照射” “激光致盲武器”,5.2朗伯余弦定律及朗伯源,发光强度空间分布可用式IINcos表示的的发光表面 只有绝对黑体是理想的余弦辐射体，具有粗糙表面的发光体与余弦发光体接近 对朗伯源，发光强度向量I端点轨迹是一个与发光面相切的球面 余弦辐射体在和法线成任意角度方向的光亮度,朗伯源的光亮度L与方向无关，只是I随变化而变化,余弦辐射体的光出射度M与光亮度L的关系,LM/，余弦辐射体的光亮度等于光出射度的分之一 单位面积的余弦辐射体，所发出的光通量为它在法线方向上，单位立体角内发出光通量的倍 。若光源两面发光，则M 2 L,本身并不发光，受发光体光照射经投射或反射形成的余弦辐射体，称做漫透射体和漫反射体 漫反射体称做朗伯散射表面或全扩散表面,设全扩散表面dA上的光照度为E，为反射系数，L和E的关系,5.3光照度计算,点光源 点光源S，r处有 dA平面， I， 法线与r成角 求点光源在dA面上 形成的照度 平方反比定律 实际应用的光照度公式,光源大小与距离l比较起来不大的情况，适用 单位：cd,m,lx;cd,cm,ph 测量光源的发光强度 光照度计,面光源的光照度 dAs光源的发光面积，光源亮度L，在距离为r的dA平面上形成的光照度E,注:dA以相同L发光照射dAs,则得出同样的光照度，即二者的L相同，可互易,d为dA对O点所张立体角,5.4 光学系统中光束的光亮度,均匀透明介质情形 折射情形 反射情形,假定A1A2直线为均匀透明介质中的一条光线 讨论：直线上任意两点A1和A2在光线前进方向上的L1和L2之间的关系,均匀透明介质情形,dS1输入到dS2内的光通量为d1 从dS2射出的d2 若不考虑光能损失,光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播中的任一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的亮度,dA位于n1介质内。入射光束的光亮度L1，在O点附近取一微元dA，则过dA输出的光通量： dA看作位于n2介质内。 dA输出的光通量： 不考虑界面损失， 也不考虑光束在传播中的光能损失,折射情形,当光线处于同一介质，同前L2L1 反射情形，L2L1 综上，光束在均匀介质中传播，或在两种介质分界面上的反射时的光亮度变化，都看成折射时的特例,折合光亮度,如果不考虑光束在传播中的光能损失，则位于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,理想成像，物点A发出的光线均通过像点A，物和像的光亮度 实际光学系统，考虑光能损失,当系统物象空间介质相同时，像的光亮度永远小于物 的光亮度 折射光的光亮度不仅与透射率的大小有关，也与二介质的折射率密切相关,5.5 成像系统像面的光照度,假设物体为余弦辐射体（它有L是定值的特点） 象平面上光轴周围微小面元dA所输出的光通量,轴上像点,阿贝正弦条件,轴外点,轴外像点M的主光线和光轴间的夹角 轴外点M的象方视场角 UM轴外点的象方孔径角,当物面亮度均匀时，,轴外像点的光照度随视场角的增大而降低,照相物镜象平面的光照度,像平面近似位于物镜的像方焦平面上,D/f称为物镜的相对孔径，是照相物镜的重要光学特性 改变光圈改变物镜的相对孔径 分度的方法：每一刻度值对应的象平面光照度依次减少一半，相对孔径按,等比级数变化,光圈值按 等比级数变化,底片单位面积上接受的曝光量HEt 为了使底片曝光，要求底片达到一定的曝光量。 光圈下降一档，象平面的光照度E就减小一半，欲获得同样的曝光量，曝光时间就需要增加一倍 例 在晴朗的白天进行外景摄影，要求天空在底片上的曝光量H0.4lxs，假定取曝光时间t=1/100s,物镜的透过率=0.85,问应选多大的光圈数？（晴朗白天天空的光亮度为5000cd/m2),用一投影物镜将荧光屏上的图像放大20倍成像在屏幕上,如图所示, 假定物镜焦距为150mm，相对孔径1：1，透过率0.8。要求屏幕中心光照度不小于30lx,求荧光屏的光亮度多大？,太阳表面的辐亮度为2*107w/（sr*m2),要求通过聚光镜所成亮斑像的中心辐照度为1.5*107w/m2，问聚光镜相对孔径应取多大？假定聚光镜焦距为50mm,问集中在太阳光斑像上的辐射通量多大?,5.6人眼的主观光亮度,当人眼直接观察外界物体时，外界物体在视网膜上的像对人眼的刺激强度称为“主观光亮度” 发光点 在视网膜上成的像小于1个视神经细胞的物体称之为“发光点”，例如星星 发光点对人眼的刺激强度应取决于该细胞接收的光通量,晚上观察发光强度相同、距离不同的两个电灯时 距离远的感觉暗，近的感觉亮,发光面 在人眼视网膜上所成像有较大面积的发光体称作“发光面”，太阳、月亮等 发光面对人眼的刺激强度取决于视网膜上的光照度,同时观察两个发光面时，瞳孔的直径a显然相同， 不论物体的距离如何，感觉明亮的发光面的光亮度就一定大,(1)与l无关 （2）a/f不变时，与L成正比 （3）L一定时，a增大，主观亮度增大,5.6望远系统的主观光亮度,讨论使用望远镜直接观察时人眼的主观光亮度 发光点,仪器观察时 仪器的出瞳直径D，眼睛的瞳孔直径a D a,则进入仪器的光通量都能进入眼睛 Da,则进入仪器的光通量不能全部进入眼睛,人眼直接观察时,D a 假定仪器的入瞳直径为D,发光点的发光强度为I， 它离观察者的距离为l,则进入仪器的光通量 进入眼睛的光通量,讨论：a.当d仪和I 一定时，观察距离l和D成 正比 使用望远镜以后，有可能大大增加观察距离 为了观察到更远的宇宙星体，要求采用更大口径的望远镜 b.在一定的观察距离l内，D越大，I可以越小 使用大口径的望远镜可以观察到更为微弱的发光点 c. 使用望远镜可以大大提高对发光点的主观光亮度,D a 进入眼睛的有效光束由眼睛的瞳孔所确定，有效的入射光束口径D= 进入眼睛的有效光通量,讨论：当Da时，通过望远镜观察时的主观亮度等人眼直接观察时主观亮度的2倍,发光面 Da 人眼直接观察 通过仪器观察 通过仪器观察的主观光亮度E大大小于用眼睛直接观察的主观光亮度E,D a 通过仪器观察 EE 当使用望远镜观察发光面时的主观光亮度,永远小于眼睛直接观察时的主观光亮度. 和发光点的情形不同,5.7 光学系统中光能损失的计算,光能损失的原因 透射面的反射损失 透射材料的吸收损失 反射面的光能损失,任何实际光学系统都不可能完全透明 永远小于，即系统的透过率永远小于1 为求出光学系统成像的实际光亮度和光照度，必须求出,透射面的反射损失,P代表光通过单位厚度1cm介质层时出射光通量与入射光通量之比，称为介质的透明率,透射材料的吸收损失,反射面的光能损失,造成光能损失的主要原因是反射损失 几乎所有的光学零件表明都要镀增透膜,第六章 色度学基础,色度学是对颜色刺激进行测量、计算和评价的学科,6.1 颜色的分类和特性,一 颜色及其分类 颜色：不同波长可见光辐射作用于人的视觉器官后所产生的心里感受 颜色和波长的关系并不是完全固定的 光谱上除572nm（黄）、503nm(绿)和478nm(蓝)是不变的颜色外，其它颜色在光强增加时都略向红色或蓝色变化 “贝楚德朴尔克效应” 色度学则是将主观的颜色感受和客观的物理刺激联系起来的科学,非彩色:白色、黑色及灰色 彩色:各种光谱色 颜色形成的物理机制 光源色：自发光形成的颜色 物体色：自身不发光，凭借其它光源照明，通过反射或透射而形成的颜色 荧光色：物体受光照射激发所产生的荧光与反射或投射光共同形成的颜色,二 颜色的表观特征 明度：表示颜色明亮的程度 对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关 物体色，和物体的透射比或反射比有关 色调：区分不同彩色的特征 饱和度：颜色接近光谱色的程度，彩色的纯洁性,彩色具备以上3个特征 非彩色只有明度值差别、没有色调区分，饱和度为0 用一个三维纺锤体可将颜色的三个基本特征表示出来,6.2 颜色混合,颜色混合 色光混合：加混 色料混合：减混色 格拉斯曼颜色混合定律