第五章光度学概念.ppt

1 辐射能通量和光通量 一 辐射能通量和光通量在辐射度学中一个最基本的量是辐射能通量 辐射体 辐射源向四周空间作辐射时不断地发出辐射能 显然同一辐射体 辐射时间越长 发出的辐射能也就越多 为了说明各种辐射体的能量状况引进辐射通量的概念 1 辐射通量P 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 一种辐射如果由各种波长的辐射组成 则其总辐射通量为用P代表辐射能通量 p 代表辐射能的频率分布 2 视见函数v 人眼对各种不同波长的光有不同的灵敏度 为了研究客观辐射通量对人眼引起的主观感觉的强度之间的关系 首先必须了解人眼对各种波长光的灵敏度 但是 辐射通量使人眼产生亮暗感觉的程度是无法作出定量比较的 幸好人的视觉能相当精确的判断两种颜色光的亮暗感觉是否相同 所以确定人眼的光谱响应可将各种波长的光引起相同亮暗感觉所需要的辐射通量进行比较 对大量具有正常视力的观察者所做的实验表明 在比较明亮的环境 人眼视觉对 555nm左右的黄绿光最敏感 2 视见函数v 设任何一种波长为 的光和 555nm的黄绿光产生同样亮暗感觉所需的辐射通量分别为P 和P555 比值V 就称为人眼视见函数 3 光通量 能引起视觉的那一部分辐射通量称为光通量 其单位为流明 符号lm 光通量等于辐射通量与视见函数的乘积 在整个波段的范围内总光通量 4 发光效率 一个辐射体或光源发出的总的光通量与总辐射能量之比称为发光效率用 表示 表示每瓦辐射能通量所产生的光通量 一般不用上式计算 因为p 和V 难以用函数形式表示 2 发光强度 一个向各方发射光能量的点光源C 在某一个方向上划出一个无限小的立体角d 它可以这样确定 以点光源C为中心作任意半径为r的球面 球面上被立体角限定范围所截的面积ds和半径r平方之比就是立体角的大小立体角的单位是球面度 记作sr 整个空间的立体角 如果在d 立体角范围内传递的光通量为d 那么称为该点光源在这个方向上的发光强度 如果光源是各向同性的 那么其发光强度在所有方向上都相同 则上式的d 可用有限立体角 来代替 于是对于各向同性光源对于各向同性光源 一个发光强度为I0的各向同性点光源向四面八方发出的总光通量为 发光强度的单位是坎德拉Candle 记作Cd 图6 3立体角和发光强度 3 光照度与面发光度 我们在研究许多问题时 需要知道射在物体某一表面上的光通量有多少 受照表面的明亮程度如何 为此引入称为光照度的物理量 1 光照度E投射在受照面上的ds面元上的总的光通量d 与该面元的比值光照度在数值上等于照射在物体单位面积上的总的光通量 对于大面积的均匀照明光照度的单位是lux 称为勒克斯 记作lx 勒克斯 流明 平方米 2 面发光度 光出射度 从一发光表面的单位面积上发出的光通量称为该表面的光出射度 以M表示 光出射度和光照度E是一对相同意义的物理量 只是前者是发出而后者是接收光通量 两者的单位本质上是相同的 光出射度的单位是 发光表面可以是本身发光的 也可以是受外来照射后投射或反射发光的 可以是实际发光体 也可以是其象面 对于后一种情况 其发光度则与该面接收的辐射通量有关 即与表面的照度有关 令 表示该面的反射率 1 M E 4 光源的光亮度 有时候我们需要了解发光元面积ds上发出的某一方向上的元立体角d 范围内传递出去的光通量的情况 实验表明 这个光通量d i与元立体角d 及元面光源ds在该方向垂直平面上的投影ds cosi成正比 见图6 7 i为发光元面积ds的法线N和元立体角d 的方向的夹角 d i正比与d ds cosi 或者写成其中Li为与元表面ds发光特性有关的量 称为元面光源ds在i方向上的光亮度 它在数值上等于单位面积的光源表面在i方向投影和i方向单位立体角内传递出去的光通量 注意式中的d i与发光强度和面发光度中d 之间的区别 如果以表示i方向面光源ds中一点的发光强度 代入上式 光亮度可以看成把光源ds投影到i方向后单位面积上的发光强度 光亮度的单位为熙提stilb 记为sb 一般情况下Li是与i有关的量 是一个空间角度的函数 但是有一些特殊的光源 其光亮度不随方向而边的 即对任意的i角Li是常数式中LN是面元法线方向的光亮度 可得上式表明 光亮度为常数的光源在各方向上的发光强度随方向角的余弦而变 如图6 8 图中对IN旋转360度均适用的 满足式的发光强度规律的面发光提称为朗伯发光体或余弦辐射体 朗伯发光体也可以是反射体 如白纸 白墙等表面 这类接近理想的漫射面也可看做是余弦发光体 在实际上我们常把许多发光的表面近似看做余弦发光体 而使问题大大简化 5 光通过介质传递时的损失 光能在光学系统中传播时总要通过不同的介质 如空气 玻璃 通过不同介质的分界面会产生折射 反射等情况 光能在传递过程中将有损失 一 透射面的反射损失光线从一介质透射到另一介质时 在抛光界面处必然伴随有反射损失 从物理光学知 一个抛光界面透射时反射损失近似地为 式中 n n 是界面前 后介质的折射率 称为折射时的反射率 它是该面的反射光通量与入射光通量之比 1 称为该面的透过率 上式是近似计算式 适用于入 折射角小于的场合 从该式可见 当界面两边的折射率差较大时 例如空气与玻璃的界面 不论光线由光疏介质进入光密介质或是反之 都有一部分光被反射损失 设入射光通量为 通过第一个与空气接触的折射面后 透过的光通量为0 95 再经第二个与空气接触的折射面后 透过的光通量将为 依次类推 若整个系统中玻璃与空气接触的折射界面总数为k1个 则整个系统由这一原因造成的透过率为 如果光学系统内包含大量的空气与玻璃接触的透射界面 反射损失相当严重 下表是按每面损失0 04算出的结果 为了减少反射损失 常在与空气接触的透射表面镀上一层增透膜 此时每面的反射率 可降到0 02 0 01以下 即 0 98 0 99 20个镀增透膜面的透过率可提高到 反射损失下降到0 18 例题 1 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的孔径角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 求平均发光强度 解答 习题 1 一个40W的钨丝灯发出的总的光通量为500lm 设