工程光学基础5课件

1、第五章 光度学基础概述 光学系统是一个传输辐射能量的系统 能量传输能力的强弱，影响像的亮暗辐射度学：研究电磁波辐射的测试计量计算的学科光度学：在人眼视觉的基础上，研究可见光的测试计量计算的学科辐射度学与光度学基础2011.3第一节 辐射量和光学量及其应用立体角的意义和它在光度学中的应用一、立体角的意义和单位平面上的角：1弧度ABO2011.3空间上的角：立体角so一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角若在以r为半径的球面上截得面积s= r2，则此立体角为1球面度整个空间球面面积为4 r2,对应立体角为2011.3以r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个d对应的环带，环带宽度为rd，环带半径

2、为rsin，所以环带长度为2rsin，环带总面积为立体角的计算假定一个圆锥面的半顶角为，求该圆锥所包含的立体角大小2011.3二. 辐射度学中的基本量及其计量单位1、辐射通量 单位时间内辐射体辐射的总能量-辐射功率单位：瓦特 （W）反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分e ：光谱密集度曲线2011.32、辐射强度辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量符号： 单位：瓦每球面度（W/sr）表示辐射体在不同方向上的辐射特性2011.33、辐射出射度辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量符号： 单位：瓦每平方米（W/m2）不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同位置上单位面积的辐

3、射特性dsA2011.34、辐射照度辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐射通量符号： 单位：瓦每平方米（W/m2）dsA2011.35、辐射亮度辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位投影面积上发出的辐射通量符号： 单位：瓦每球面度每平方米（W/sr.m2）描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性2011.3三. 人眼的视见函数 辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可以产生亮暗感觉；可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数 ，称为视见函数，又称光谱

4、光视效率。2011.3 0.87000.75700.63100.50300.38100.26500.17500.10700.06100.03200.01700.00820.00410.00210.001050.000520.000250.000120.00006580590600610620630640650660670680690700710720730740750760黄黄橙橙橙橙橙橙红红红红红红红红红红红0.00040.00120.00400.01160.02300.03800.06000.09100.13900.20800.32300.50300.71000.86200.95400.9

5、9501.00000.99500.9520400410420430440450460470480490500510520530540550555560570紫紫靛靛靛蓝蓝蓝蓝蓝绿绿绿绿黄黄黄黄黄V波长/nm光线颜色V波长/nm光线颜色2011.3把对人眼最灵敏的波长 的视见函数定为1，即假定人眼同时观察两个位于相同距离上的辐射体A和B，这两个辐射体在观察方向上的辐射强度相等，A辐射的电磁波波长为 ，B辐射的波长为555nm，人眼对A的视觉强度与人眼对B的视觉强度之比，作为 波长的视见函数。2011.3举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和B，假定辐射强度相同，A辐射波长为600nm, B辐

6、射波长为500nm。V(600)=0.631 V(500)=0.323A对人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的0.631/0.323倍，近似2倍。若要使A和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的辐射强度应该是辐射体B强度的一半。2011.3光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定有一单色光，其辐射通量为 ，其中能够引起视觉的部分为光通量-用人眼视觉强度来度量的辐射通量。四. 光度学中的基本量1、发光强度和光通量光通量定义C为单位换算常数。2011.3发光强度发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。也可以理解为在这一方向上辐射强度

7、中有多少是发光强度单位：坎（德拉） cd2011.3常数C：CIE规定：当发光体发出的光全部是 的单色光，在某一方向上辐射强度 ，则发光体在此方向上的发光强度为1cd。代回发光强度表示式若 则 流明（lm）2011.3光谱光视效能 与 的乘积称为光谱光视效能，用 表示。 表示人眼对不同波长光辐射的敏感度差别， 表示辐射通量中有多少可以转变为光通量。2011.3连续光谱的光通量计算有了光谱光视效能后，光通量公式可写成总的光通量应该等于整个波长范围内上式的积分发光体的发光特性：光视效能2011.3 常见光源的光视效能274134454047.560日光灯高压水银灯超高压水银灯钠光灯89.29.22

8、1301630钨丝灯（真空）钨丝灯（充气）石英卤素灯气体放电管光视效能(lm/w)光源种类光视效能(lm/w)光源种类2011.3 Luminous efficacy of LED light sourcesRatio of tungsten lamps and fluorescent lamps 10 years ago is 8:1，in 2008 is 1:1.2新型的半导体照明光源：LEDIn 2008 there are more than 3000 companies producing LED light source, more than 4500 billions年从事半导体

9、照明光源LED的企业3000余家，应用产值450亿元Now the highest luminous efficacy of LED is 100 lm/wIn 2012 may be 120150 lm/wDuring 2011 to 2015 the tungsten lamps may be forbitten to be used in law2015年有望制定法令禁用白炽灯2011.3计算举例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。、求发光强度：总立体角为、求总光通量：2011.32、光出射度和光照度光出射度：发光体表面某点附近单位面积

10、发出的光通量dsA发光表面均匀发光情况下（lm/m2）2011.3光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位面积接收的光通量。dsA被照表面均匀照明情况下（lx）单位：勒克司 1 lx=1 lm/m22011.33050 lx50701002001万3万4万10050010万0.23104观看仪器的示值一般阅读及书写精细工作（修表等）摄影场内拍摄电影照相制版时的原稿明朗夏日采光良好的室内太阳直照时的地面照度满月在天顶时的地面照度无月夜天光在地面产生的照度 常见物体的光照度值2011.3计算举例：照明器在15m的地方照亮直径为2.5m的圆，要求达到的照度为50lx，聚光镜焦距为150mm，

11、通光直径也为150mm，求：1、灯泡发光强度； 2、灯泡通过聚光镜后在照明范围内的平均发光强度，以及灯泡的功率和位置。2.5m15m-u150mm-u思路：像方照度 像方接收的总光通量 像方立体角 像方孔径角 物方立体角 像方发光强度 灯泡发光强度 总光通量 灯泡功率、位置2011.315m-u150mm-u2.5m2011.33、光亮度发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角内发出的光通量。单位：坎/米2发光体某点在给定方向上的发光特性。2011.3 常见物体的光亮度值2.5103105103在地球上看到的月亮表面人工照明下书写阅读时的纸面白天的晴朗天空1.51091.5108(51

12、5) 1063104在地球上看到的太阳普通电弧钨丝白炽灯灯丝太阳照射下漫射白色表面光亮度(cd/m2)光源名称光亮度(cd/m2)光源名称2011.3计算举例：有一均匀磨砂球形灯,直径为17cm,光通量为2000lm,求该灯的光亮度.解:根据光亮度与发光强度的关系来求.2011.3第二节 光传播过程中光学量的变化规律1、光照度公式假定点光源照明微小平面ds，ds离开光源距离为l，表面法线方向与照明方向成 ，若光源在此方向上发光强度为I，求光源在ds上的光照度。光照度公式2011.3注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明，

13、就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度又可以应用。问题：同样一间屋子，用60W钨丝灯比用40W钨丝灯照明显得亮？发光效率K相同，2011.3应用：测定光源发光强度标准光源待测光源I1I2l1l2两个完全相同的漫反射表面，标准光源I1，l1已知,用眼睛观察两表面，由光照度公式移动待测光源，改变l2,即改变E2，当眼睛观察两表面同样亮时(E相等)，测出l2，由得出可以求得I22011.3计算举例1：桌面OB上方有一盏100W钨丝充气灯泡P，光源在各方向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多高时，B点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？POl1mBx2011.32、发光

14、强度余弦定律在各方向上光亮度都近似一致的均匀发光体称为朗伯辐射体I0Ids发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定律的发光体称为余弦辐射体或朗伯辐射体。dsI0I2011.3应用：求发光微面发出的光通量dsLu已知：发光微面ds，光亮度为L，求它在半顶角为u的圆锥内所辐射的总光通量。2011.3计算举例：假定一个钨丝充气灯泡功率为300W，光视效能为20lm/W,灯丝尺寸为8x8.5mm，双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。2011.33. 全扩散表面的光亮度问题：墙壁有没有光亮度？自然界大多数物体本身并不发光，被其它发光体照明时，对入射光线进行漫反射，表面存在光照度，同时由于它又把光线漫反

15、射出去，也像一个发光光源一样，所以也产生光亮度。2011.3全扩散表面的定义如果被照明物体表面由于漫反射的作用使它在各个方向上光亮度都相同，则称这样的表面为全扩散表面。白纸喷粉的墙壁白灰电影银幕雪2011.3全扩散表面的光亮度已知：全扩散表面面积ds，光照度E求：全扩散表面光亮度L2011.3 物体表面的漫反射系数值161020510140.21粘土月亮黑土黑呢绒黑丝绒969178708025氧化镁石灰雪白纸白砂漫反射系数%照明表面漫反射系数%照明表面2011.3计算举例：发光强度为100cd的白炽灯照射在墙壁上，墙壁和光线照射方向距离为3m，墙壁的漫发射系数为0.7，求与光线照射方向相垂直的

16、墙面上的光照度及墙面的光亮度。2011.34. 光学系统中光束的光亮度(1)、在均匀介质中结论：在均匀透明介质中，如果不考虑光能损失，位于同一条光线上的各点，在光线进行的方向上光亮度不变。2011.3(2)、折射情形Pn1n2分析：讨论入射光亮度L1时，ds1应该在分界面附近取， 也应该是这个面对应的立体角。ds2011.3入射光光亮度折射光光亮度2011.32011.3(3)、反射情形反射可以看成n=-n的折射，综上：光束的光亮度L存在以下普遍关系式折合光亮度如果不考虑光束在传播过程中的光能损失，则位在同一条光线上的所有各点，在该光线传播方向上的折合光亮度不变。2011.3(4)、理想光学系

17、统中像的光亮度像点A和物点A的亮度关系物像方折射率相同时，L=L实际光学系统中，考虑到光能损失，为光学系统的透过率。2011.3第三节 成像系统像面的光照度一、轴上点的光照度已知：成像物体光亮度L, 像方孔径角为u求:像面光照度E2011.3二、轴外像点的光照度公式像平面上轴外点的光照度一定小于轴上点的光照度。2011.31、由于轴外光束倾斜后，出瞳在光束垂直方向上的投影面积减小。轴外点的发光强度比轴上点的发光强度I0小。2、照明距离比轴上点的照明距离增加，代回得由于轴上点光照度所以2011.3 不同视场角的E/E0值0.3440.1710.0634050600.9410.7800.56310

18、2030系统中存在斜光束渐晕时2011.3三. 照相物镜像平面的光照度和光圈数HFDUmax1、像平面光照度代入得物镜的相对孔径2011.32、光圈、光圈数光圈：相对孔径 分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。相对孔径按 等比级数变化。光圈数：相对孔径的倒数，用F表示F制光圈2011.3三、曝光量假定像面照度为E， 曝光时间为t,底片上单位面积接受的曝光亮H为 H=E.t (lx .s)T制光圈假定某个透镜透过率为 ，相对孔径为 这样，像平面光照度公式可以写为2011.3四. 光学系统中光能损失的计算1、光能损失的原因1”1”2”2光束在光学零件表面的反射；光束通过介质时的吸收。影响

19、：光学系统成像光亮度降低 像的清晰度下降 形成寄生像2011.32、反射损失计算反射系数：介质分界面反射光通量和入射光通量之比1”1”2”22011.33、反射损失计算1”1”2”22011.34、吸收损失计算ldl1+d 2实验表明：入射光通量越大，吸收越大，光线所走路程越长，吸收越大2011.34、吸收损失计算ldl1+d 22011.3如果同时考虑光能的反射和吸收损失，则有2011.3实际情况下：是分界面两边介质n, n和光束入射角I的函数。介质折射率变化变化曲线2011.3光束入射角I改变时的变化曲线冕牌玻璃：0.04 火石牌玻璃：0.05I 40度时，反射系数基本不变，可以不考虑由于

20、入射角的变化而引起的变化。2011.3对于具有金属镀层的反射镜，由于反射层的吸收和散射，也要产生光能损失。光能损失的大小与所镀物质有关。镀铝 0.85镀银 0.90：透明系数平均值 0.99综合考虑，代入公式2011.3透过率公式其中：N1：镀铝面数N2：镀银面数N3：冕牌玻璃和空气接触面数N4：火石玻璃和空气接触面数 ：沿光轴计算的玻璃总厚度（以厘米为单位）2011.3为了减少光学零件表面的反射损失，可以在光学零件表面镀增透膜。最常见的化学镀增透膜使反射损失降到0.01, 此时，公式变为2011.3例：计算周视瞄准镜的透过系数2011.31222112211110.32.65.280.350

21、.22.90.30.10.520.520.1冕冕冕冕火石冕冕火石冕冕火石保护玻璃直角棱镜道威棱镜物镜正透镜物镜负透镜屋脊棱镜分划板目镜第一透镜目镜第二透镜目镜第三透镜目镜第四透镜1234567镀银面数与空气接触的表面数透镜厚度或棱镜展开厚度(cm)材料名称零件号周视瞄准镜2011.3由此可见，光能损失非常大，镀膜以后，透过率为镀膜以后，透过率大大提高如果不镀膜，透过率为2011.3 投影仪中的照明系统聚光照明系统的作用和要求提高光源的利用率，使光源发出的光能尽可能多地进入投影物镜充分发挥投影物镜的作用，使照明光束能充满物镜的口径使投影物平面照明均匀，即物平面上各点地照明光束口径尽可能一致。20

22、11.3照明系统的基本结构型式偏转角U-U 20203030502011.3非球面透镜：简化结构，消球差螺纹透镜：消球差2011.3 已知投影系统结构参数，求像平面光照度 已知像平面光照度，求投影系统和照明系统结构参数第四节 投影系统中的光能计算2011.3根据放大率公式 【例1】假定一个35mm的电影放映机，采用电弧作光源，要求屏幕照度为100lx，放映机离开银幕的距离为50m，银幕宽7m，求放映物镜的焦距和相对孔径。35mm电影机的片框尺寸 为2116mm2，要求放映物镜的放大率为由于像距比焦距大得多，所以xl=50000mm。将=-333代入以上公式，得f=x/=-50000/(-333)=150mm2011.3根据像平面光照度公式有假定系统透过率为0.5，电弧的光亮度由表6-4查得为代入 上式，得要求物镜的口径为放映物镜的相对孔径为2011.3照明系统光学特性的计算D反850f假 定片门离照明反射镜的距离为850mm反射镜的口径D反为：设电弧焰口的直径为9mm，片门的对角线尺寸为27mm，为使照明反射镜 所成的像大于投影面积，假定反 射镜将电弧放大3.5，焰口像的最大尺寸为y=y=3.59=31.5mm2011.3由放大率=-3.5，像距l=850mm，就可以求得照明反射镜的焦距。对反射的情形n=-n，得l=-l/=-850/(-3.5