第六章工程光学基础.ppt

1、第六章 光度学基础,可见光是波长为 范围的电磁辐射波。描述电磁辐射的物理量，也可以用来描述可见光。 可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人眼所感受的电磁辐射，因此，人们很自然将视觉受到刺激的程度或视觉感受来描述可见光。这种按视觉响应原则建立起来的对可见光的能量计量的研究，称为光度学。而对紫外、X光、红外非可见光及电磁辐射的能量计量的研究称为辐射量度学。光度学是辐射量度学的一部分或特例。,光度学基础,内容：辐射通量和光通量、视见函数基本概念及其单位，发光强度、光照度和光亮度。光束经介质的亮度。光能量在介质分界面上及介质中的损失，象面照度。 要求：掌握光通量、发光强度、光照度、光亮度视见函数基本概念

2、及其单位。了解光束经介质的亮度、光能量在介质分界面上及介质中的损失。 重点：光通量、发光强度、光照度、光亮度视见函数基本概念及其单位。 难点：基本概念与单位。,61 辐射通量与光通量,一. 辐射通量（辐射能通量） 1. 辐射能 以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量称为辐射能，通常用 表示，单位为焦耳（J）。 2. 辐射通量 单位时间内发射、传输或接收的辐射能量称为辐射通量，用 表示，单位为瓦特（W）：,辐射通量与光通量,二. 视见函数 视觉同其他光学接收器一样，只能接收某一波长范围内的电磁波，并且具有对每种波长有不同的响应度。 接受器对不同波长电磁辐射的反应程度称为光谱响应度，对人眼来说称为视

3、见函数。用 表示。 实验表明，人眼对 的黄光最敏感，此时 =1。,辐射通量与光通量,三. 光通量 1、光能：辐射能中能被人眼所感受到的一部分能量，称为光能，用Q表示。 2、光通量：单位时间内通过某一面积并为人眼睛所感受到的那部分辐射通量称为光通量。用 表示。单位为流明（lm）。,辐射通量与光通量,四. 光通量与辐射通量的关系 C为比例系数，等于683，实质是光功当量值。对于波长为0.555 的辐射，1瓦特辐射通量等于683流明的光通量。,辐射通量与光通量,五. 发光效率 光源消耗1瓦特电功率所发出光通量的流明数。,62 发光强度,一、立体角 以锥体角顶点为球心，该锥体在球表面所截的面积与球半径

4、平方之比，定义为该锥体的立体角，用符号表示：单位为：球面度（sr） 对于整个球面， =4球面度。,发光强度,发光强度,二、发光强度 单位立体角度内所发出的光通量称为发光强度。单位为：坎德拉（cd） 如果光源是各向同性的，它在各方向的总立体角度为4 sr则有：,1,63 光照度和光亮度,一. 光照度 1、定义：单位面积上所受光通量的大小： 2、单位：勒克司（lx） 3、点光源照射平面时产生的光照度（照度平方反比定律）,光照度和光亮度,点光源S的发光强度为I，S到面元中心的距离为r，面元法线与r的夹角为i。由立体角的定义，面元ds对点光源S的立体角为 光源S射在面元上的光通量为：,光照度和光亮度,

5、所以，面元ds上的照度为：,光照度和光亮度,二、面发光度 发光体单位面积上所发出的光通量，称为面发光度。单位与照度单位相同。 当发光体是由外部照射而产生时，其照度为E则面发光度为： 为漫反射系数。,光照度和光亮度,三、光亮度 1、定义：单位面积单位立体角内的法线方向的光通量： 2、单位：坎德拉/平方米,光照度和光亮度,N,光照度和光亮度,四. 亮度与面发光度、照度之间的关系 发光面元ds在无限小立体角d内发出的光通量为d，由光亮度定义有：,而,光照度和光亮度,对于上半球面i=u的光锥内所发出的光通量为： 若L为常数则：,光照度和光亮度,当 时， 当面元是双面发光时,光照度和光亮度,将式 改写成

6、： 比较面发光度定义有： 即面发光度为亮度的倍。又因为：,64 光束经介质后的亮度,设入射角为 ,立体角为 介面的面元为ds 则： 其中L、L1、L为入射光束，反射光束和折射光束的亮度， 为反射和折射光束立体角。,光束经介质后的亮度,又,称为反射系数，由能量守恒知道,光束经介质后的亮度,由折射定律和相应变换知,光束经介质后的亮度,证明:,65 光能在介质分界面上及介质中的损失,光能在两个透明的介质界面上的反射损失 由物理学知道：反射系数公式为： 分别为入射角和折射角,当垂直入射或入射角度很小时有,光能在介质分界面上及介质中的损失,结论： 1、反射系数与光线的走向无关，仅与折射率有关。 2、当光

7、线与折射角较大时反射系数要用5-1式。 3、通过采用增透膜进行降低反射损失。,光能在介质分界面上及介质中的损失,二、光能在介质吸收中的损失 设入射光通量为，通过dl薄介质，被吸收的光通量为d ，它与 成正比则有： 积分后得到经过l厚度后的光通量：,光能在介质分界面上及介质中的损失,令P=e-k，它表示光通过单位厚度1cm介质时出射光通量与入射光通量之比，P称为介质透明率。所以有： 介质吸收造成的光通量损失为： 称为介质吸收系数,光能在介质分界面上及介质中的损失,三、光能损失计算 通过前面分析可推出，当光通量为0的光线通过透镜后的出射光通量为： 其中：为反射系数 P为透明系数，推广到K个镜片后有：,光能在介质分界面上及介质中的损失,设 则 称为光学系统透射系数 对应亮度关系为： L为出射的亮度；L0为入射的亮度 nk为象面折射率；n为物面折射率,66 象面照度,一、轴上点线的照度 由前面计算 像面照度为： 把 代入上式有 当时有 结论：像面照度与物面亮度有关；与系统透射率有关，与