照明光学设计基础知识PPT课件

照明光学基础知识 范长江南开大学现代光学研究所2008 1 21 第一章光度学照度学基础 研究可见光的测试 计量和计算称为 光度学 可见光光的辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域 这个区域从400纳米到760纳米 人眼观察辐射体时 其视觉强弱与辐射波长和辐射强度 某一方向 有关在可见光中不同波长的光所引起的视觉效应的灵敏度是不相同的 在光度学中 为了表示这种差别 定义V 为 视见函数 光谱光视效率 人眼的视见函数 视见函数把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准 其它色光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比 得出各种色光的相对视觉灵敏度 称为视见函数 用V 表示 把人眼最灵敏波长 555nm 的视见函数规定为1 即V 555 1V 1不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别 光通量是描述客观辐射通量所引起的人眼视觉强弱的物理量 是光度学中的基本物理量光通量的单位是流明 lm 一只40W白炽灯的全部辐射的光通量为500lm 而40W的荧光灯的全部辐射约为2300lm1lm表示在某一方向上的发光强度为1cd的发光体在单位立体角内的通光量 即 光通量 它表示在指定方向上光源发光的强弱 即单位立体角内发出的光通量 发光强度的单位为坎德拉 1lm sr 1cd 对于均匀点光源 发光强度 1cd 坎德拉 代表发光体发出的电磁波频率为540X1012Hz的单色辐射 波长为555nm 且在此方向上的辐射强度为 1 683 W sr1坎德拉等于光源在1个立体弧度内产生1流明的光通量坎德拉是光度学中最基本的单位 也是国际基本计量单位之一 当某一表面被发光体照明 用光照度E来表示被照明表面A处的照明强弱在均匀照明情况下 光照度 光照度表示被照明的表面单位面积上所接收的光通量 单位为勒克斯 lx 1lx等于1m2面积上发出或接收1lm的光能量 即 光亮度 前面所讲的概念并不能表示发光面不同方向的发光特性 用光亮度来表示发光表面不同位置和不同方向的发光特性 在该方向上单位投影面积的发光强度 L表示发光面上A点处在AO方向上的发光特性光亮度等于发光表面上某点周围的微面在给定方向上的发光强度除以该微面在垂直于给定方向的投影面积光亮度的单位为坎 德拉 米2 cd m2 光亮度表示发光面上单位投影面积在单位立体角内所发出的光通量 表示面光源物理量 立体角的定义 一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角 用 表示 立体角的意义和它在光度学中的应用 立体角定义图 以锥体顶点为球心 任意r为半径作一球面 此锥体在球面上的截面为S 则立体角表示为 立体角单位 以锥顶为球心 以r为半径作一圆球 若锥面在原球上所截出的面积等于r2 则该立体角为一个 球面度 sr 整个球面的面积为4 r2 对于整个空间有 即整个空间等于4 球面度 立体角是平面角向三维空间的推广 在二维空间 2 角度覆盖整个单位圆 在三维空间 4 的球面度立体角覆盖整个单位球面 从一个球面上去处1球面度立体角的圆锥 计算微元立体角的几何关系 几个概念 反射 折射 透射 吸收 1 据能量守衡定律 材料的反射系数 透射系数 吸收系数 1铝 普通 的反射系数为60 73 吸收系数为27 40 铝 电解抛光 的反射系数为75 84 光泽 62 70 无光 铬反射系数为65 吸收系数为35 2 光的反射分类 定向反射 SpecularReflection 散反射 SpreadReflection 漫反射 DiffuseReflection 混合反射 CompoundReflection 3 折射 水的临界折射角为48 5 玻璃的临界折射角为30 到40 玻璃的折射率为1 5左右 4 光的透射分类 定向透射 散透射 SpreadTransmission 漫透射 DiffuseTransmission 混合透射 MixedTransmission 5 光在玻璃表面垂直入射时 入射光在入射面被反射4 在透过面被反射3 4 被吸收2 8 透过率为80 90 6 材料的表面的光反射和光透射具有光谱选择性 照度 亮度图解读 通过照度图和亮度图可得到照明灯具的全部配光信息 灯具 照射面 灯具照明示意图 灯具照明中心垂直照射接收面 灯具 照射面 观察者位于灯具位置沿着光束中心线观察 如图所示灯具垂直照射接收面光束角度为 设此图是接收面的照度图 每种颜色代表一定强度范围内的光照度 绿色代表照度最大最大值为627 63lux 黑色照度最小 横坐标为接收面x方向坐标 纵坐标为接收面y方向坐标 原点处对应灯具中心到接收面垂线的垂足 可以得到人眼看到的光照范围 如图考虑到人眼仅对光强一半以上的有视觉效应 且视为均匀的 看到的光照范围光照中心为圆心 直径20mm范围内 再此之外范围虽然有光照度 但人眼感觉不到 如图示是光强分布曲线 此图对应灯具示意图中过原点yoz平面光强分布图光强最大值为0 17cd光束角为120度 光强半强所覆盖的范围 做为照明工程设计人员应该知道亮度学和照度学的分别为 前者是研究一个光源的发光特性 后者为被照物体的光照特性 前者的物理量有光通量 单位 lm 发光强度 单位 cd描述点光源 亮度 单位 cd m2描述面光源 后者的物理量为照度 单位 lux 辐射度学可作为了解 辐射度学基本概念 研究电磁波辐射的测试 计量和计算的学科称为 辐射度学 通过电磁光谱来处理辐射能的测量辐射度学主要研究频率为3 1011 3 1016Hz的光辐射 对应于0 01 1000 m微米的波长 波段范围包括红外 可见光 紫外线 亮度学是辐射度学中仅研究可见光部分的学科 一 辐射通量 辐射通量的定义 单位时间内辐射体所辐射的总能量 用 e表示 其计量单位用功率单位瓦特 表示了一个辐射体辐射的强弱辐射通量就是辐射体的辐射功率用辐射通量的光谱密集度来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性 用辐射通量的光谱密集度 e 来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性 辐射体总辐射通量即辐射体的总辐射功率为 其他表示 面积元ds的辐射通量 单位时间内面积元ds辐射出来的所有波长的光能量 分布函数 谱辐射通量密度 在单位时间内通过光源面积元的某一波长附近的单位波长间隔内的光能量 用e 表示 是波长的函数 其他表示 总辐射通量 从光源面积元ds辐射出来的波长在 d 间的辐射通量为 从光源面积元ds发出的各种波长光的总辐射通量为 二 辐射强度 辐射体在不同方向上的辐射特性用在给定方向上取立体角d 在d 范围内的辐射通量为d e 把d e与d 之比称为辐射体在该方向上的 辐射强度 Ie表示 单位立体角内发出的辐射通量辐射强度的单位为瓦每球面度 W sr 均匀点光源 三 辐 射 出射度 辐 射 照度 辐射强度不能表示辐射体表面不同位置的辐射特性表示辐射体表面上任意一点A处的辐射强弱 假定dS微面辐射出的辐射通量为d e 则A点的辐 射 出射度为Me称为 辐 射 出射度 单位为瓦每平方米 W m2 某点单位面积内发出的辐射通量 单位为瓦每平方米 W m2 如果某一物体表面被其它辐射体照射即为了表示A点被照射的强弱 假定物体所接受的辐射通量为d e 把dS接受的d e与dS之比称为 辐 射 照度 符号为Ee 即辐 射 照度与辐 射 出射度的单位一样 也为瓦每平方米 W m2 四 辐 射 亮度 用辐 射 亮度来表示辐射体表面不同位置和不同方向上的辐射特性 dS在AO垂直方向上的投影面积为dSn 若在AO方向上的辐射强度为Ie 把Ie与dSn之比称为 辐 射 亮度 符号为Le辐 射 亮度代表了辐射体不同位置和不同方向上的辐射特性 单位为瓦每球面度平方米 W sr m2 第二章几何光学基础知识 几何光学 以光线为基础 用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性 发光点 当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时 也可认为是一个点 在开发照明光学系统的时候 往往以点光源或者等效点光源来做初步设计 几何光学的基本定律 光的直线传播定律 在各向同性的均匀透明介质中 光线沿直线传播光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇时 彼此互不影响 在光线的相会点上 光的强度是各光束的简单叠加 离开交会点后 各个光束按原方向传播 光的折射定律 I 入射角 I 折射角 1 折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内 折射光线和入射光线分居法线两侧 2 入射角的正弦和折射角的正弦之比与两角度的大小无关 仅决定于介质的性质 为一恒量 即 2 入射角I和反射角I 的绝对值相同 可表示为 1 反射光线在由入射光线和法线所决定的平面内 符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧 光的反射定律 光线由光密介质入射到光疏介质 在分界面将发生反射和折射现象 随着入射角的增大 折射光线消失的现象称为全反射现象 当光由光密介质射向光疏介质时 全反射 按照反射定律在介面上全部被反射回原介质 对应于的入射角被称为临界角 记为 可知 全反射的两个条件 1 光密到光疏介质 2 入射角大于临界角 全反射的应用 1 制成各种全反射棱镜 用于折转光路 代替平面反射镜 2 制造光导纤维 3 照明光学中制造全反射透镜 第三章共轴球面系统的物像关系 透镜是构成光学系统最基本的成像元件 它由两个球面或一个球面和一个平面所构成 光线在通过透镜时会在这些面上发生折射 照明光学系统亦是一个成像系统 目前应该以成像光学为主 结合光能量的利用率来解决照明问题 因此有必要研究了解球面的成像规律 符号规则 C 球面曲率中心 OE 透镜球面 也是两种介质n与n 的分界面 OC 球面曲率半径 r O 顶点 h 光线投射高度 E O h C n n r 子午面 包含物点 或物体 和光轴的光路截面 单个折射球面的结构参数 r n n 给定了结构参数和物点A后 即可确定A点的像 A E O h C n n r U 物点A在光轴上 其到顶点O的距离OA为物方截距 用L表示 入射光线AE与光轴的夹角为物方倾斜角也叫物方孔径角 用U表示 A E O h C n n r L 折射光线EA 由以下参量确定 像方截距 顶点O到折射光线与光轴交点 用L 表示 像方倾斜角 折射光线EA 与光轴的夹角 也叫像方孔径角 用U 表示 A E O h C n n r L U A L U 像方参数与对应的物方参数所用的字母相同 并加以 相区别 只知道无符号的参数 光线可能有四种情况 要确定光线的位置 仅有参量是不够的 还必须对符号作出规定 符号规则 一 光路方向 从左向右为正向光路 反之为反向光路 正向光路 反向光路 二 线段 沿轴线段 从起点 原点 到终点的方向与光线传播方向相同 为正 反之为负 即线段的原点为起点 向右为正 向左为负 原点规定 1 曲率半径r 以球面顶点O为原点 球心C在右为正 在左为负 2 物方截距L和像方截距L 也以顶点O为原点 到光线与光轴交点 向右为正 向左为负 3 球面间隔d以前一个球面的顶点为原点 向右为正 向左为负 在折射系统中总为正 在反射和折反系统中才有为负的情况 d d d 2 垂轴线段 以光轴为界 上方为正 下方为负 三 角度 角度的度量一律以锐角来度量 由起始边顺时针转到终止边为正 逆时针为负 起始边规定如下 1 光线与光轴的夹角 如U U 以光轴为起始边 U U 2 光线与法线的夹角 如I I 以光线为起始边 3 入射点法线与光轴的夹角 球心角 以光轴为起始边 当结构参数r n n 给定时 只要知道L和U 就可求L 和U 当n n r和L U已知时 由上述四个公式可依次求出U 和L 球面焦距公式 空气中 意义 表示光学系统对光束会聚 或发散 的本领 f 或f越小 越大 称为光学系统的光焦度 讨论 3 平行平板 f 为 对光束不起会聚或发散作用 1 0 f 0 会聚光组 愈大 汇聚本领愈大 反之亦然 2 0 f 0 发散光组 绝对值愈大 发散本领愈大 反之亦然 光焦度的单位 也叫屈光度 D 例 f 2米 1 f 0 5Df 200mm 1 f 5D f 500mm 200度的近视镜 光焦度为 2D 其焦距为 各种透镜基点 面 位置分析 1 双凸透镜 这种透镜的r1 0 r2 0 由透镜焦距公式 可知 当r1 r2固定后随着厚度d不同 焦距可正可负 当 主平面在透镜内 是一会聚透镜 即d增大到 时 当 双凸透镜成一发散光组 平凸透镜恒为正透镜 其焦距与厚度无关 两个主平面一个与球面顶点相切 另一个位于透镜内部 3 正弯月形透镜 4 双凹透镜 5 平凹透镜 6 负弯月形透镜 二 薄透镜 中 n 1 d可以略去 此时d 0