第1章光和光的传播2

1、光是电磁辐射光是电磁辐射，是电磁波的一种，可见光只占一小部分。是电磁波的一种，可见光只占一小部分。5 5 光度学基本概念光度学基本概念 辐射通量辐射通量 客观量，客观量，只与辐射客体有关。辐射度只与辐射客体有关。辐射度量学的基本量量学的基本量，适合整个电磁波段。，适合整个电磁波段。 定义定义：文字表述文字表述； 单位：瓦（单位：瓦（W ）；符号）；符号= () 附近附近 内：内：212121( )d ，内：；一、辐射通量和光通量一、辐射通量和光通量 光源表面光源表面光度学：只适用于光度学：只适用于可见光波段可见光波段。辐射度量学：辐射度量学：适用于整个电磁波段。适用于整个电磁波段。 / /nm

2、 辐射能量对波长的分布函数辐射能量对波长的分布函数 辐射通量谱密度辐射通量谱密度 2. 光谱响应曲线光谱响应曲线 （光电仪器）（光电仪器） 客观辐射通量引起客观辐射通量引起光电仪器（不同器件）响应不同。光电仪器（不同器件）响应不同。光谱响光谱响应应R的定义的定义: 检测器件的输出信号的大小与某个波长检测器件的输出信号的大小与某个波长的入射光的入射光功率之比功率之比不同光电器件的响应灵敏度不同光电器件的响应灵敏度3. 视见函数视见函数）（ V 视见函数的表式视见函数的表式 含义：客观含义：客观辐射通量引起人眼辐射通量引起人眼主观主观视觉强度的物理量。视觉强度的物理量。 555）（V/ / 视见函

3、数曲线视见函数曲线 011 nm760nm390nm55500 或或 锥状和杆状两种视觉细胞的视见函数是不同的。分别是明视锥状和杆状两种视觉细胞的视见函数是不同的。分别是明视见函数见函数V()V()和暗视觉函数和暗视觉函数V()V()曲线。曲线。 目前的光通量由目前的光通量由V()V()计算得到的。计算得到的。暗视觉函数的极大值向短波方向移。夜晚时，人感到周围有蓝绿的色彩。明视觉明视觉，中间视觉和，中间视觉和暗视觉暗视觉说明说明1瓦特瓦特555nm的的(客观客观)辐射通量辐射通量相当于相当于683流明的光通量。流明的光通量。Wlm683mK即：(1) 定义：辐射通量与视见函数的乘积；定义：辐射

4、通量与视见函数的乘积； 单位：单位：流明流明 ；符号符号: lm ；(2) 数学数学表式表式最大光谱光视效能最大光谱光视效能 (最大光功当最大光功当量量) Km的物理意义：的物理意义：/ /nm辐射能量对波长的分布函数辐射能量对波长的分布函数）（）（ VKKm(3) 光谱光视效能光谱光视效能 光功当量光功当量4. 光通量光通量 （可见可见光辐射功率，光度学基本单位光辐射功率，光度学基本单位）maxKVd 人的眼睛对人的眼睛对555nm的的黄绿光黄绿光最敏感，其它颜色的光线的敏感度最敏感，其它颜色的光线的敏感度低于低于555nm的值。的值。用用 I 表示，单位是表示，单位是 坎德拉坎德拉（cd

5、），简称），简称“坎坎” （1 1） 含义：含义：光源在一定方向范围内发出光通量的空间分布光源在一定方向范围内发出光通量的空间分布（2 2）量度方法：）量度方法：点光源在单位立体角中发出的光通量的数值点光源在单位立体角中发出的光通量的数值数学表式数学表式ddII 应当是可以测量应当是可以测量1. 1. 发光强度发光强度-发光强度是发光强度是SISI制制7 7个基本物理量之一个基本物理量之一 发光强度物理意义发光强度物理意义 二、发光强度与亮度二、发光强度与亮度辐射度量学（电磁波段）称为辐射强度。辐射度量学（电磁波段）称为辐射强度。 一个电珠一个电珠, , 光通量一样光通量一样, , 但装于手电

6、后效果不同了，还需要但装于手电后效果不同了，还需要发光强度的概念发光强度的概念. . 一束光射远而强的能力称一束光射远而强的能力称光强光强 手 电 筒 发 出 的 光 虽 只 有手 电 筒 发 出 的 光 虽 只 有100lm，但光束很强，但光束很强，100米外还米外还很亮，日光灯光有很亮，日光灯光有2000lm，光束，光束强度却比不过手电筒。这种衡量强度却比不过手电筒。这种衡量光束射远而强的能力称光强，手光束射远而强的能力称光强，手电筒光强（电筒光强（cd）比日光灯高。）比日光灯高。电灯发光强度的角分布电灯发光强度的角分布 点光源（沿某一点光源（沿某一 i i 方向）的发光强度方向）的发光强

7、度 ididRidRRdiRdsdnsinsin22 ),(),(),( ididiII ididsin), i (I), i (d020 球坐标下立体角的求法球坐标下立体角的求法 （1）1881年年,“烛光烛光”，国际电工技术委员会（用蜡烛发光），国际电工技术委员会（用蜡烛发光） （2）1948年，第九届国际计量大会规定年，第九届国际计量大会规定“坎德拉坎德拉”为发光强为发光强度单位度单位 （3）我国）我国1979年，建立铂凝固点黑体光度基准，年，建立铂凝固点黑体光度基准，0.3% 2. 光度学基准的界定及其演变光度学基准的界定及其演变 烛光烛光坎德拉坎德拉 （4）发光强度）发光强度坎德拉的

8、最新定义坎德拉的最新定义（1979年年10月，第十届国际计量大会通过）月，第十届国际计量大会通过） 坎德拉是频率为坎德拉是频率为 （真空中波长（真空中波长555nm）的）的单色辐射源，在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强单色辐射源，在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为度为 1/683 瓦特瓦特/ 球面度。（球面度。（W/sr）（主、客观量）主、客观量）Hz100154.540121（cd）坎德拉）坎德拉=1/683瓦特瓦特/ 球面度（球面度（W/sr） （555nm）（1） 定义定义*coscosdIdIBdSdSdBdSd发光面发光面法线法线方向上单位面积之发光强度。方向上单

9、位面积之发光强度。亮度的单位：亮度的单位：熙提（熙提（sbsb）即：流明每平方米球面度即：流明每平方米球面度22cd/msr)lm/(m或或 3.3.亮度亮度（发光体）和（发光体）和出光度出光度 （反光体）（反光体）（2 2）计算：）计算：r r 方向上的亮度方向上的亮度眼睛看到电视屏幕感觉亮不亮眼睛看到电视屏幕感觉亮不亮-称称视觉视觉亮度，亮度，单位是亮度单位是亮度cd/mcd/m2 2。辐射度量学：辐射亮度；光度学：（光）亮度辐射度量学：辐射亮度；光度学：（光）亮度亮度定义应用亮度定义应用: : 两个发光体间的投影面积之比两个发光体间的投影面积之比. .1. 余弦发光体余弦发光体cosnd

10、IdI 含义含义 物理意义物理意义:各个面元法线方向的发光各个面元法线方向的发光强度相同，但不同方向强度不同。强度相同，但不同方向强度不同。 三、余弦发光体和定向发光体三、余弦发光体和定向发光体余弦发光体也称为余弦发光体也称为朗伯光源朗伯光源（1）球面朗伯光源的亮度）球面朗伯光源的亮度 *cosdIdIBdSdS按照亮度的定义按照亮度的定义 朗伯定律朗伯定律球面朗伯光源球面朗伯光源dS，其法线方向亮度为，其法线方向亮度为cosndIdI 1nd IBd S2. 朗伯光源亮度的计算朗伯光源亮度的计算结论结论球面朗伯光源的亮度与方向无关！球面朗伯光源的亮度与方向无关！ 平面朗伯光源的亮度平面朗伯光

11、源的亮度 （2）平面朗伯光源亮度的计算平面朗伯光源亮度的计算1nnd IBd S21coscosnnnndIdIBdSdSdIBdS定值法线方向亮度的计算法线方向亮度的计算任意方向亮度的计算任意方向亮度的计算按照朗伯定律按照朗伯定律 cosndIdI 结论结论平面朗伯光源的亮度也与方向无关平面朗伯光源的亮度也与方向无关！ 3、定向发光体、定向发光体 激光器的亮度激光器的亮度 102261mW10 W/(m sr)cos1mm10 srBS 激光的准直度非常好激光的准直度非常好激光的亮度激光的亮度HeNe激光器激光亮度是太阳表面的激光器激光亮度是太阳表面的1万倍！万倍！sr)W/(m10B26太

12、阳书桌台面受到光照多少书桌台面受到光照多少-称称照度照度 一盏或多盏灯照明书桌台面，如果光照多看书则亮。这个一盏或多盏灯照明书桌台面，如果光照多看书则亮。这个受到光照多少称照度受到光照多少称照度lx。教室书桌台面照度一般需要大于。教室书桌台面照度一般需要大于300lx。照度。照度 E（Illuminance）单位：单位：lx（读勒克斯）（读勒克斯）测量用手持照度表测量用手持照度表单位：单位：勒克斯（勒克斯（LxLx），），旧称旧称 辐透（辐透（phph）；1、定义定义：入射在被照物单位面积上的光通量入射在被照物单位面积上的光通量2、计算计算1点光源的照度点光源的照度22co sco sdIdI

13、d SIEd Sd Sd SRR 辐射度量学辐射度量学-辐射照度，光度学辐射照度，光度学-光照度；物面照度，像光照度；物面照度，像面照度；光源出射度面照度；光源出射度 四、照度四、照度 被被点光源点光源照射物的照度照射物的照度 2lm/m1lx 计算计算2面光源的照度（面光源的照度（P28） 被被面光源面光源照射物的照度照射物的照度 2coscosdSdB ddSBdSr2coscos()ESdBdSEdEddSr光 源 表 面S 面元发出的面元发出的光通量光通量例题例题5的问题的问题 rddrdSSdrdSBSdBddn coscos21宽宽的的环环带带rddSdrrdrBdd coscos

14、20212对对环环带带积积分分 rdrSdrBddRcoscos2022 大盘光源上大盘光源上dS对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量大盘光源上大盘光源上环带环带对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量大盘光源大盘光源整个整个对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量220222422222002coscoscoscos22()RrRRBdSzddr drrrBz dSrBR dSr drBz dSdrrrzRz 222dBREdSRz 2222222coscos;zrzrzzrzrzzrr 大盘光源大盘光源整个整个对对在圆盘轴线上的照度为在圆盘轴线上的照度为 小 结1.对光的本性的认识对光

15、的本性的认识（1）微粒说：服从经典力学的微粒）微粒说：服从经典力学的微粒（2）波动说：弹性以太波）波动说：弹性以太波电磁波电磁波（3）波粒二象性：光子及其波函数）波粒二象性：光子及其波函数2.光强：光的平均能流密度。光强：光的平均能流密度。 按光的电磁理论：按光的电磁理论： 光强光强 n折射率，折射率，E0电场振幅电场振幅202002EEcnHEI 3.几何光学三定律几何光学三定律（1）直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播）直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播（2）反射定律：反射线在入射面内，反射角等于入射角：）反射定律：反射线在入射面内，反射角等于入射角：（3）折射定律：折射线在入射面内

16、，折射角与入射角正弦之比）折射定律：折射线在入射面内，折射角与入射角正弦之比等于常数（相对折射率）。等于常数（相对折射率）。光从光密介质射向光疏介质，光从光密介质射向光疏介质，入射角入射角i1ic=arcsin(n2/n1)时发时发生全反射。生全反射。122121sinsinnnnii4. 惠更斯原理惠更斯原理波面上的每一面元可认为是次波源，这些次波面的包络面是下波面上的每一面元可认为是次波源，这些次波面的包络面是下一时刻的波面。一时刻的波面。u2折射波传播方向折射波传播方向u1FDru2 t入射波入射波AECi法线法线媒质媒质1、折射率折射率n1媒质媒质2、折射率折射率n2B12sinsin

17、nnriiACtuBCsin1rACtuADsin221sinsinuuri5.费马原理费马原理 QP两点间光线的实际路径，是光程（两点间光线的实际路径，是光程（QP）为平稳（极小、）为平稳（极小、极大或恒定）的路径。（光程极大或恒定）的路径。（光程折射率折射率几何路程）几何路程）0)(QPndlQP6. 棱镜最小偏向角棱镜最小偏向角min: 2sin2sinminn光通量：光通量：能被人的视觉系统感受到的那部份光辐射功率的大能被人的视觉系统感受到的那部份光辐射功率的大小，单位是小，单位是lm(流明流明). 理解：理解：1. 它是指在单位时间里通过一个面积的能量流它是指在单位时间里通过一个面积

18、的能量流. 2. 它是人的视觉系统所感受到的那一部份光，即可见光单它是人的视觉系统所感受到的那一部份光，即可见光单位波长间隔内光的实际功率位波长间隔内光的实际功率Km：是一个转换常数，即光功当量，数值：是一个转换常数，即光功当量，数值=683lm/W，即，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长（表示在人眼视觉系统最敏感的波长（555nm）上，每瓦光）上，每瓦光功率相应的流明数。功率相应的流明数。dVK)()(max7.光度学基本概念光度学基本概念:光强：光强： 描述在某一个方向上发出光通量的能力，定义在指定方向上描述在某一个方向上发出光通量的能力，定义在指定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量值，除以这个立体角的一个很小的立体角元内所包含的光通量值，除以这个立体角元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度，公式为：元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度，公式为： 式中：式中：I为发光强度，为发光强度，d为立体角元，为立体角元，d为立体角元所包含为立体角元所包含的光通量，发光强度的单位是的光通量，发光强度的单位是cd（坎德拉）（坎德拉）ddI亮度：亮度：发光强度只描