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第六章光能及其计算 辐射能光通量光通量视见函数发光效率 应用光学 一 辐射能 1 辐射能 以电磁辐射形式发射 传输或接收的能量称辐射能 指的是在给定时间辐射的总能量 2 辐射能通量 在单位时间内通过某一面积的辐射能量的大小称为辐射通量 单位是w 瓦 用P表示 接收器对不同波长电磁辐射的反应程度称为光谱响应度或光谱灵敏度 人对不同波长光响应的灵敏度 称之为 视见函数 V V 510 610 420 700 0 5 0 5 0 004 0 004 二 接收器的光谱响应 从光谱光效率函数的定义可知 不同波长的辐射所引起人眼的视觉感觉强度不同 即光谱灵敏度不同 而光谱灵敏度要受到所处环境亮度水平的影响 光亮度在几个cd m2 光亮度的单位 以上时 正常人眼的适应状态叫明适应 此时的视觉叫明视觉 1924年国际照明委员会 CIE 公布了明视觉光谱光效率函数V 当亮度在百分之几cd m2以下时 正常人眼的适应状态叫暗视应 相应暗视应的视觉称为暗视觉 1951年国际照明委员会 CIE 公布了暗视觉的光谱光效率函数V 各种波长的光谱光效率值见表1 国际照明委员会 CIE 正式推荐两种光谱光视效率 明视觉光谱光视效率和暗视光谱光视效率 表一 眼睛的视觉特性 三 光通量和发光效率 1 光通量光源表面的客观辐射能量中能引起人眼视觉的那一部分辐射通量 单位为流明 lm 1 表达式 2 表示在明视觉条件下 波长时 波长间隔内 的辐射通量引起人眼感觉的光通量为 2 发光效率定义 一个辐射体或光源发出的总光通量与总辐射通量之比 物理含义 表示每瓦辐射通量所产生的光通量表达式 举例 白炽灯发光效率 14lm w荧光灯发光效率 50lm w 发光强度 1 立体角 球面上所截取的面积ds除以半径r的平方即为立体角 单位 球面度 符号Sr 2 立体角的计算其中u是孔径角 而 是立体角 发光强度的单位 坎德拉 光度学的基本单位 七个国际基本单位 cd 4 光通量的单位 流明 lumen 定义 发光强度1坎德拉的点光源在单位立体角内发出的光通量为1lm 3 发光强度 单位立体角内发出的光通量 例题 1 一个100w的钨丝灯 发出总光通量为1400lm 求发光效率 解 例题 2 有一个聚光镜 sinu 0 5 求进入系统能量占全部能量的百分比 解 一点周围的全部空间立体角为 则 例题 3 一个6v 15w的钨丝灯 已知 14lm w 该灯与一聚光镜联用 灯丝中心对聚光镜所张角度U sinU 0 25 若设灯丝是各向均匀发光 求1 灯泡总的光通量及进入聚光镜的能量2 求发光强度 解 1 总的光通量 进入系统的能量 则 发光强度 一 光照度 1 物理含义 光源发出的光投射在某表面 该表面的亮暗程度 2 定义 单位面上所接收到的光通量 3 单位 勒克斯 lx 辐脱 ph 1勒克斯相当于1流明的光通量均匀地分布在1平方米的面积上所产生的照度 1ph 1lm 1cm2 104lx4 平均光照度 二 距离平方反比律 点光源直接照射一平面时产生的光照度 则 1 光照度与点光源的发光强度成正比 2 与面元的距离r的平方成反比 3 与面元法线和照射光束方向的夹角的余弦成正比 当角度等于0时 光照度最大 等与90度时 光照度最小 三 光出射度 1 定义 离开表面一点处的面元的光通量除以面元的面积 用M表示 2 M和E是一对相对意义的物理量 前者是发出光通量 后者则是接收光通量 3 对于非均匀辐射的发光表面 对于均匀辐射的发光表面 4 说明 发光表面可以是自身发光 也可以是受外光束照射后透射或者发射发光 一 光亮度的定义 描述有限大小光源的发光特性 1 定义 L 在发光表面上取一块微面积ds 设此微面积在与表面法线N夹i角方向上立体角d 内发出的光通量为d i 微面积ds在i方向的光亮度Li定义为 微面积在i方向上的发光强度与此微面积在垂直于该方向的平面上的投射面积dscosi之比 单位 坎德拉每平方米 尼特 nt 西提 sb 二 余弦辐射体 发光强度空间分布可用式表示的发光表面为余弦辐射体 余弦辐射体在各方向的光亮度相同 余弦辐射体向平面孔径角为的立体角范围内发出的光通量可用下式计算 黑体是严格的余弦辐射体 漫反射近似为余弦辐射体 表2列出了常见发光体表面光亮度的近似值 表3为常见受照物体表面光照度值 两表所列数值仅供参考 表2 表3 一 在同一介质的元光管中光通量和光亮度的传递 光束通过微面积元ds1的光通量为 光束通过微面积元ds2的光通量为 若不考虑能量损失光通量和光亮度不变 二 距离平方反比律 面光源直接照射一平面时所产生的光照度 发光面ds1在被照面上ds2上造成的光照度E2 则 1 E2与L和光源面积大小成正比 2 与距离平方成反比 3 与cosi1与cosi2成正比 三 光束经界面反射和折射后的光通量和光亮度的传递 入射光的光通量为 反射光的光通量为 折射光的光通量为 对于反射光束 则 对于折射光 故有 说明 光束经过理想折射后 光亮度与对应介质折射率的平方之比为常数 主要原因 透明介质折射界面的光反射介质对光的吸收反射面对光的透射和吸收等所造成的光能损失 1 光在两透明介质界面上的反射损失光垂直入射到两介质分界面时的反射率 该面的反射光通量与入射光通量之比 该面的透过率 经过k个面后的透过光通量 2 介质吸收造成的光能损失 穿过厚度为1cm的玻璃后被吸收损失的光通量百分比称为吸收率 以表示 入射时的光