光学设计-第2讲-光度学.ppt

光学设计基础理论 第2讲光度学基础 1可见光2人的视觉3光度学基础 1可见光 粒子 反射 折射 吸收 几何光学波动 干涉 衍射 偏振 横波 波动光学 电磁波波粒二象性 光量子 爱因斯坦光电效应实验解释 红780nm 630nm橙630nm 590nm黄590nm 570nm绿570nm 500nm青500nm 460nm蓝460nm 430nm紫430nm 380nm 1可见光 可见光谱 在电磁辐射范围内 只有从380 780 nm 波长的电磁辐射能够引起人的视觉 这段波长叫做可见光谱 1可见光 光学辐射 指波长为1纳米到1毫米范围的电磁辐射 它主要包括紫外辐射 可见辐射和红外辐射等部分 分为 可见辐射和不可见辐射 可见辐射 可见光 对于人来说 能为眼睛感受并产生视觉的光学辐射称为可见辐射 这种来及外界的可见光辐射刺激人的视觉器官 在脑中产生光 颜色 形状等视觉印象 而获得对外界的认识 不可见辐射 紫外线 红外线 不能为眼睛感受 也不产生视觉的光学辐射称为不可见辐射 这种辐射刺激眼睛时不产生视觉 而作用在皮肤上有时会产生其它感觉 如紫外线产生疼痛感觉 红外线长生灼热感觉 2人的视觉 1 视觉光作用于视觉器官 使其感受细胞兴奋 其信息经视觉神经系统加工后便产生视觉 人的视觉器官不但反映光的强度 而且也能反映光的波长特性 前者表现为亮度的感觉 后者表现为颜色的感觉 通过视觉 人和动物感知外界物体的大小 明暗 颜色 动静 获得对机体生存具有重要意义的各种信息 至少有80 以上的外界信息经视觉获得 视觉是人和动物最重要的感觉 2人的视觉 视神经盘 视神经乳头 盲点 黄斑 密集着椎体细胞的区域 颜色呈黄色 中央凹 最敏感的地方 视神经乳头 2人的视觉 光线进入人眼的视网膜 杆状细胞和锥状细胞起作用 杆体细胞和锥体细胞经电化学作用产生脉冲信号 脉冲信号通过视神经传送到大脑 从而产生视觉效应 使人们能看到物体 1 2人的视觉 2 人眼视网膜上有二种感光细胞 杆体细胞和锥体细胞 杆体细胞 只在较暗条件下 在亮度为0 001cd m2以下 起作用 适宜于微光视觉 感光灵敏度高 仅能分辨明暗 不能分辨颜色和细节 杆体细胞不能分辨色彩的原因是因为它只含有一种类型的感光色素 这些感光细胞集中在视网膜的外围部分 引起的是外围视觉 2人的视觉 锥体细胞 在光亮 亮度为3cd m2以上 条件下 能够分辨颜色和物体的细节 其原因 在高亮度条件下 杆体细胞响应饱和 视觉完全由锥体细胞引起 锥体细胞可能含有敏红素 敏绿素和敏蓝素三种感光色素中的一种 分别称为L型 长波 590nm M型 中波 540nm 以及S型 短波 450nm 锥体细胞 由于光谱灵敏度不同 这些感光色素使我们能够区分色彩 锥体细胞集中在视网膜的中心部分 密度在外围下降 锥体细胞灵敏度较低但空间分辨率较高 2人的视觉 3 明视觉 暗视觉 中间视觉1912 冯 凯斯 J VonKries 根据上述现象 提出了视觉的二重功能学说 认为视觉有两重功能 视网膜中央的 锥体细胞视觉 和视网膜边缘的 杆体细胞视觉 也叫做 明视觉 和 暗视觉 当环境亮度介于0 001cd m2和3cd m2之间称为中间视觉 此时视网膜上的锥体细胞和杆体细胞同时起作用 蓝光比红光更为明亮 1 2人的视觉 总结 视网膜 杆体细胞 锥体细胞杆体细胞 感光灵敏度高 暗视觉 不能分辨细节 不能分辨色彩 锥体细胞 感光灵敏度低 明视觉 能分辨细节 能分辨色彩 锥体细胞可分敏红 敏绿 敏蓝细胞 2人的视觉 4 视觉适应在变化的各种亮度 光谱分布 视觉刺激下 视觉系统会相应地做出调整以适应这种变化过程 明适应 黑暗环境到明亮环境暗适应 明亮环境到黑暗环境 明适应的时间较短 通常为10 3s 2min暗适应的时间较长 通常为20分钟到一个小时 引起光感觉的最小亮度和最低光出射角度 应用 隧道路灯照明 3光度学基础 3 1辐射度学与光度学3 2辐通量与光通量3 3发光强度3 4亮度3 5光出射度3 6照度3 7发光效率3 8各个物理量的关联 3 1辐射度学与光度学 辐射度学 Radiometry 当外界物理辐射以能量 或功率 为单位来评价时 定义为辐射量 这是纯物理量 属于辐射度学研究的范畴 光度学 Photometry 物理辐射作用在观察者的视觉器官是产生光的感觉 当辐射量与人眼的视觉特性相联系而被评价时 定义为光度量 属于光度学研究的范畴 光度学处理的是光亮度的视觉 测量的是视觉响应 3 1辐射度学与光度学 3 2辐通量与光通量 1 辐通量 e 辐射功率 单位时间内光源发出或通过一定接收截面的辐射能 单位为W 瓦特 谱密度 光谱分布 3 2辐通量与光通量 3 2辐通量与光通量 3 2辐通量与光通量 3 2辐通量与光通量 2 光谱光效率函数用来度量辐射能所引起的视觉能力的量称为光谱光效率函数 即光谱不同波长的能量对人眼产生光感觉的效率 它主要是评价人体视觉对各种颜色的灵敏度 光谱光效率函数是光度学计算的重要依据 1933年国际计量委员会采用光谱光效率函数作为光度量的标准 1 3 2辐通量与光通量 InternationalCommissiononIllumination 国际照明委员会 简称CIE 3 2辐通量与光通量 光谱光效率函数归一化 光谱光视效率与波长的关系曲线 在月色朦胧的夜晚 总感到周围一切笼罩一层蓝灰色的色彩 3 2辐通量与光通量 3 光通量 Flux v 流明 lm 按照CIE标准光度观察者的视觉特性来评价的辐射通量 即为光通量 它表示光源的发光能力 Km为辐射的光谱光效能的最大值 单位 流明每瓦特 lm W 3 2辐通量与光通量 3 2辐通量与光通量 例如 对于555nm的绿光 1瓦特 683流明 440nm的光的视觉函数为0 023 那么 1W的440nm的光对应多少流明 683lm W 1W 0 023 15 71lm 3 2辐通量与光通量 常用灯具的电功率与光通量 3 3发光强度 发光强度 LuminousIntensity 点光源在给定方向上单位立体角内发射的光通量 也可解释为在一定方向上单位立体角内所发出的光通量 单位 流明 球面度 lm sr 或坎德拉 cd 坎德拉是国际单位制 SI 的基本单位 等于一个发射频率5 4X1014Hz 555nm 的单色光 辐射强度为1 683 W sr 的光源的发光强度 注意 发光强度的概念不能直接应用于不可看作为点光源的众多光源 3 3发光强度 国际单位制 SI 7个基本单位长度单位 米 m 质量单位 千克 kg 时间单位 秒 s 电流单位 安培 A 热力学温度单位 开尔文 K 物质的量单位 摩尔 mol 发光强度单位 坎德拉 cd 3 3发光强度 国际单位制 SI 2个辅助单位平面角单位 弧度 1rad 180 3 142 立体角单位 球面度 sr 3 3发光强度 3 3发光强度 3 3发光强度 3 3发光强度 3 4亮度 1 亮度 Luminance 离开 到达或者穿过某一表面 单位立体角单位投影面积上的光通量 单位 坎德拉每平方米 cd m2 也可用尼特 nt 表示 Iv是指扩展光源表面的每块面元dS沿某方向r有一定的发光强度 3 4亮度 亮度可描述有限尺寸的发光体发出的可见光在空间分布的情况 也可描述光路中的任意一个截面的光分布 一个不发光但反射的物体明亮程度的视觉可以用它对某个光源发射光的反射来表征 当亮度低于10 3cd m2时 暗视觉其主要作用 若亮度超过3cd m2 则完全是明视觉 从海平面上看太阳的平均亮度为1 6X109cd m2月亮的亮度大约是2500cd m2蜡烛的亮度约为 0 5 1 0 X104cd m2蓝天的亮度为0 8X104cd m2 无月的夜空约10 4cd m2 3 4亮度 3 4亮度 3 4亮度 2 朗伯 Lambert 定律 余弦发射体 漫反射体如果有一个面积为A的均匀发光面 它在某一方向上的亮度为L 则它在这个方向上的发光强度I 应为 发光面的法线与所指定的方向的夹角 假若这个面光源的亮度在各个方向上都相等 即亮度不依赖于方向角 则 现定义I0为这个面光源法线方向上的发光强度 即I0 L A 上式变为 3 4亮度 一个朗伯发射面 它向空间两个任意 1和 2之间所发出的光通量 对于半球体应取 1 0 2 90 可得 若朗伯发射面的面积为A 则因I0 LA 可得 若朗伯发射面为漫反射的二次发光面 其入射照度为E 则 3 4亮度 朗伯发光体 太阳 天空 LED朗伯反射体 积雪 刷粉的白墙 粗糙白纸 3 5光出射度 光出射度 光源表面上单位面积发出的光通量 单位为lm m2 因透射或反射的二次发光面 照度 被照面所接收到的光通量的表面密度 光出射度 发光面发出的光通量的表面密度 3 5光出射度 理想漫反射面的出射度 3 6照度 1 照度 Illuminance 投射在单位面积上的光通量 单位 流明每平方米 lm m2 也称为勒克斯lx 即1lm m2 1lx 注意 1 1lx的照度是比较小的 在此照度下只能大致辨认周围物体 通常 满月夜晚的地面照度约为0 2lx 白天采光良好的室内照度为100 500lx 晴朗的室外太阳非直射下的地面照度为103 104lx 而中午太阳直射下的地面照度可达105lx 2 照度越高 眼睛分辨细节 低反差以及色调的能力越强 因此 不同活动需要不同的照度级别 3 6照度 在通常照明条件下 将20lx的平均照度取为非工作区的最小照度 它相当于刚能识别人的脸部特征的约为1cd m2的亮度 对于长期有人活动的房间 其最小照度要求为200lx的平均照度 此时能轻松而清楚的看到人的面部特征 对于学习和办公等场合 要求的最低有500lx的照度 对于工作区的照明 为获得满意的视觉效果 优先选择的照度范围为1000 2000lx 但从经济和节能的角度考虑 对于一般的作业照明 所选择的照度值比此范围低 3 6照度 3 6照度 3 6照度 日照环境下的照度 3 6照度 照度与易读性 3 6照度 2 点光源产生的照度 一般当光源的最大尺寸不超过光源至被照平面间的最小距离的五分之一 立体角小于0 002sr 时 就可将此光源看作点光源 N平面的P点照度 法线照度 平方反比定律 H平面的P点照度 余弦定律 3 6照度 3 6照度 H平面的P点照度 余弦立方定律 应用 蝙蝠翼配光曲线计算 h为光源与被照平面的距离 如果H为水平面 则Evh可称为P点的水平照度 3 6照度 P点垂直照度 即V平面的P点照度 Evv Evv 法线照度 垂直面照度 水平面照度 3 6照度 点光源的尺度要求 点 线 面 体光源 3 6照度 2 3 6照度 朗伯点光源照度计算 3 6照度 3 多个点光源产生的照度一般的照明光源不存在相干的问题 因此当有n个点光源同时照射工作面时 n个点光源产生的照度等于每一点光源分别产生的照度的总和 I n 光源在照度计算点方向的发光强度 n 光源至照度计算点的连线与光源至照度计算平面的垂线之间夹角的余弦 ln 光源至照度计算点的距离 3 6照度 4 面光源产生的照度 由面元dS 亮度为L 发出并照射在面元dS 上的光通量为 dS和dS 的地位是对称的 得到光源和被照面可以互易的结论 即若dS 是亮度为L的面光源 它将产生同样的光通量照射在dS上 3 6照度 5 平均平面照度当照明器分布比较均匀 在被照面上各点产生的照度比较均匀时 平均照度能表征工作面上照明的数量和质量 此时 照明设计可以采用比较简单的平均照度计算法而使得计算简化 平均照度计算通常采用所谓 流明法 这个方法是计算落到工作面上的总光通量除以被照面的面积 3 6照度 6 非平面照度在照明设计中 照明质量的主要指标之一照度水平通常指平面照度 但是 当评价照明质量时 人们发现在相同的照度水平下 当光线来自不同的方向时会有非常不同的照明效果 仅仅考虑平面照度是远远不够的 所以用平均球面照度和平均柱面照度来表现被照物体的立体感 3 6照度 1 平均球面照度平均球面照度表示位于受测点处一个无限小的球面上的平均照度 I I 3 6照度 2 平均柱面照度平均柱面照度是指位于空间某点处的一个小圆柱体测表面上的平均照度 它表示位于空间某点处的垂直面照度 3 7发光效率 发光效率 LuminousEfficiency 光源把消耗的能量 注 光源的输入电功率 转换为视觉的能力 单位 lm W 即每瓦电力所发出的光的量 其数值越高表示光源的效率越高 发光效能 luminousefficacy 系统 光源 电器 发出的光通量 系统的输入功率 3 7发光效率 3 7发光效率 常见光源的光效 白炽灯10 1