第六章輻射度學(xué)及光度學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用光學(xué)

1、應(yīng)用光學(xué)講稿第六章第六章 輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ)輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用光學(xué)講稿概述 光學(xué)系統(tǒng)是一個傳輸輻射能量的系統(tǒng) 能量傳輸能力的強弱，影響像的亮暗輻射度學(xué)：研究輻射度學(xué)：研究電磁波輻射電磁波輻射的測試、計量的測試、計量和計算的學(xué)科和計算的學(xué)科光度學(xué)：在人眼視覺的基礎(chǔ)上，研究光度學(xué)：在人眼視覺的基礎(chǔ)上，研究可見可見光光的測試、計量和計算的學(xué)科的測試、計量和計算的學(xué)科應(yīng)用光學(xué)講稿6-1 立體角的意義和它在光度學(xué)中的應(yīng)用立體角的意義和它在光度學(xué)中的應(yīng)用一、立體角的意義和單位一、立體角的意義和單位平面上的角：平面上的角：弧度弧度rABAOBBA0r應(yīng)用光學(xué)講稿空間上的角：立體角so一個任意形狀的封

2、閉錐面所包含的空間成為立體角2rs若在以r為半徑的球面上截得的面積s= r2，則此立體角為1球面度。整個空間球面面積為4r2,對應(yīng)立體角為 42rs應(yīng)用光學(xué)講稿二、立體角的應(yīng)用假定有一光學(xué)系統(tǒng)，對軸上點成像，孔徑角為u，問這個圓錐角對應(yīng)的立體角多大？根據(jù)立體角的定義： 2rs應(yīng)用光學(xué)講稿 以A為球心，以r為半徑作一球面，求出圓錐在球面上的面積s，除以半徑r的平方即可將球面分成很多小環(huán)帶，然后積分求s,小環(huán)帶面積：ds=長 寬222222222002222sin42sin42sin22)cos1 (2)0cos(cos2cos2sin2sin2sin2uuursururururrdrsdrdsr

3、druu角較小，則如果長寬應(yīng)用光學(xué)講稿62 輻射度學(xué)中的基本量輻射度學(xué)中的基本量 一一. .輻射通量輻射通量 單位時間內(nèi)整個輻射體所輻射的總能量單位時間內(nèi)整個輻射體所輻射的總能量, ,用符號用符號 表示表示 功率功率 輻射通量就是輻射功率，單位：瓦特，輻射通量就是輻射功率，單位：瓦特，W W 大部分輻射體輻射都有一定的波長范圍，通常用輻射通量大部分輻射體輻射都有一定的波長范圍，通常用輻射通量的光譜密集度曲線的光譜密集度曲線 表示輻射通量按波長分布的特性表示輻射通量按波長分布的特性 設(shè)在設(shè)在 波長范圍內(nèi)輻射功率波長范圍內(nèi)輻射功率eedde0lim應(yīng)用光學(xué)講稿 上式也可以寫成上式也可以寫成 總的輻

4、射功率總的輻射功率 二二. . 輻射強度輻射強度 輻射體在不同的方向上的輻射特性不同輻射體在不同的方向上的輻射特性不同 在給定的方向上取立體角在給定的方向上取立體角d d，在，在d d范圍內(nèi)的輻射通量為范圍內(nèi)的輻射通量為d dee，將，將d dee和和d d的比值定義為在這個方向上的輻射強度的比值定義為在這個方向上的輻射強度 單位是瓦單位是瓦/ /球面度球面度, W/sr, W/srAdsded0N0dee0deeddIee應(yīng)用光學(xué)講稿 三三. . 輻出射度，輻照度輻出射度，輻照度 在在A A點處取微小面積點處取微小面積dsds， 假定在假定在dsds輻射出的輻射通量為輻射出的輻射通量為d d

5、ee， 則輻出射度為則輻出射度為 如果是被輻射，則為輻照度如果是被輻射，則為輻照度 單位：瓦特單位：瓦特/ /平方米平方米, W/m, W/m2 2AdsdeAdsdedsdMeedsdEee應(yīng)用光學(xué)講稿 四四. . 輻亮度輻亮度 在在A A點周圍取微面點周圍取微面dsds，在，在 AOAO方向取微小立體角方向取微小立體角d d 設(shè)在設(shè)在AOAO方向上的投影面積為方向上的投影面積為dsdsn n dsdsn n=ds.cos=ds.cos 設(shè)在設(shè)在AOAO方向上的輻射強度為方向上的輻射強度為IeIe，則輻亮度為，則輻亮度為 因為因為 所以所以 單位：瓦特單位：瓦特/ /（球面度（球面度. .平

6、方米），平方米），W/(sr.mW/(sr.m2 2) )AdsdeNd0needsIL ddIeeddsdLnee應(yīng)用光學(xué)講稿6-3 人眼的視見函數(shù)人眼的視見函數(shù) 亮暗的產(chǎn)生亮暗的產(chǎn)生 視覺強弱與波長視覺強弱與波長 視見函數(shù)視見函數(shù)V(V() 人眼對人眼對555nm555nm的視覺敏感度最大，的視覺敏感度最大， V(V()=1)=1 V(V() ) 1 1)()555()(eeIIV應(yīng)用光學(xué)講稿舉例：舉例：人眼同時觀察距離相同的兩個輻射體人眼同時觀察距離相同的兩個輻射體A A和和B B，假定輻射強度相同，假定輻射強度相同，A A輻射波長為輻射波長為600nm, B600nm, B輻射波長為輻

7、射波長為500nm500nm。V(600)=0.631 V(500)=0.323V(600)=0.631 V(500)=0.323A A對人眼產(chǎn)生的視覺強度是對人眼產(chǎn)生的視覺強度是B B對人眼產(chǎn)生視覺強度的對人眼產(chǎn)生視覺強度的0.631/0.3230.631/0.323倍，近似倍，近似2 2倍。倍。若要使若要使A A和和B B對人眼產(chǎn)生相同的視覺強度，則輻射體對人眼產(chǎn)生相同的視覺強度，則輻射體A A的輻射強度的輻射強度只需要輻射體只需要輻射體B B強度的一半。強度的一半。應(yīng)用光學(xué)講稿 6-4 6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量 一一. . 光通量光通量 人眼接收的輻射通量為人眼接收的輻射

8、通量為 d deeIe.dIe.d 視覺強弱與輻射通量和視見函數(shù)成正比視覺強弱與輻射通量和視見函數(shù)成正比 d dC.V(C.V(). d). dee 二二. . 發(fā)光強度發(fā)光強度 在人眼觀察方向上，人眼接收的光通量在人眼觀察方向上，人眼接收的光通量d d與瞳孔與瞳孔所張的立體角所張的立體角d d之比，即發(fā)光強度之比，即發(fā)光強度dedIeAddI應(yīng)用光學(xué)講稿 含義：按人眼視覺強弱來度量的輻射強度含義：按人眼視覺強弱來度量的輻射強度 單位：坎，坎德拉單位：坎，坎德拉, cd, cd。如果發(fā)光體發(fā)光的波長為。如果發(fā)光體發(fā)光的波長為555nm555nm，并且在指定方向上的輻射強度為并且在指定方向上的輻

9、射強度為 ， 則發(fā)光體在該方向上的發(fā)光強度為則發(fā)光體在該方向上的發(fā)光強度為1 1坎坎 坎德拉是光度學(xué)中的基本量坎德拉是光度學(xué)中的基本量 常數(shù)常數(shù)C C，將，將V(V()=1, Ie=1/683, I=1cd)=1, Ie=1/683, I=1cd代入代入 C=683(cd.sr)/WC=683(cd.sr)/W I=683.V(I=683.V().Ie).IeeeIVCIddVCI).(.).(.)/(6831srWIe應(yīng)用光學(xué)講稿 光通量的單位光通量的單位 如果發(fā)光體在所觀察的方向上的發(fā)光強度為如果發(fā)光體在所觀察的方向上的發(fā)光強度為1 1個坎德拉，個坎德拉，則這個發(fā)光體輻射在單位立體角內(nèi)的光

10、通量為則這個發(fā)光體輻射在單位立體角內(nèi)的光通量為1 1個流明個流明 I I1cd, 1cd, d d =1sr =1sr d dI.dI.d 1 lm = 1cd. Sr 1 lm = 1cd. Sr 光譜光視效能光譜光視效能k(k() d dC.V(C.V(). d). dee k( k()=C.V()=683V()=C.V()=683V() d dk(k(). d). dee 最大光譜光視效能最大光譜光視效能kmkm km=683(cd.sr)/w km=683(cd.sr)/w應(yīng)用光學(xué)講稿 光視效能光視效能 其中其中k():光譜光視效能光譜光視效能 e光譜密集度光譜密集度000)()(dk

11、dkdee0dee00)(ddkkeee應(yīng)用光學(xué)講稿 光視效能表示輻射體消耗光視效能表示輻射體消耗1W1W的功率所發(fā)出的流明數(shù)的功率所發(fā)出的流明數(shù) K K越大，意味著光源的發(fā)光效率越高越大，意味著光源的發(fā)光效率越高 例如例如 鎢絲燈：鎢絲燈： k=89.2 k=89.2 流明流明/ /瓦瓦 日光燈：日光燈： k=2741 k=2741 流明流明/ /瓦瓦 鎢絲燈：鎢絲燈： k=89.2 流明流明/瓦瓦 日光燈：日光燈： k=2741 流明流明/瓦瓦 據(jù)報道，全國約有據(jù)報道，全國約有15億只白熾燈億只白熾燈 問題：為什么用手摸日光燈，不燙手問題：為什么用手摸日光燈，不燙手 而摸白熾燈卻燙手？而摸

12、白熾燈卻燙手？應(yīng)用光學(xué)講稿 三三. .光出射度光出射度 發(fā)光體表面不同位置的發(fā)光特性發(fā)光體表面不同位置的發(fā)光特性 四四. .光照度光照度 單位：勒克司流明單位：勒克司流明/ /平方米平方米 , lx , lx ，lx=lm/mlx=lm/m2 2 房間里照明情況的好壞是由光照度決定的房間里照明情況的好壞是由光照度決定的dsdsd ddBAdsdMdsdE應(yīng)用光學(xué)講稿計算舉例：照明器在計算舉例：照明器在15m15m的地方照亮直徑為的地方照亮直徑為2.5m2.5m的圓，要求達到的圓，要求達到的照度為的照度為50lx50lx，聚光鏡焦距為，聚光鏡焦距為150mm150mm，通光直徑也為，通光直徑也為

13、150mm150mm，求：求：1 1、燈泡發(fā)光強度；、燈泡發(fā)光強度； 2 2、燈泡通過聚光鏡后在、燈泡通過聚光鏡后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。以及燈泡的功率和位置。2.5m15m-u150mm-u思路：像方照度 像方接收的總光通量 像方立體角 物像方孔徑角 物方立體角 像方發(fā)光強度 燈泡發(fā)光強度 總光通量 燈泡功率、位置應(yīng)用光學(xué)講稿mmtguhlWKlmIcdIcdIsrutgufhnntgutgunsruutglmSEe130245367042921026. 1845. 02sin4578. 0/ 0195. 02sin40783. 01507

14、5. 025. 1) (246)25. 1 (504222燈泡位置率采用鎢絲燈照明時，功發(fā)出的總光通量為若各向均勻發(fā)光，燈泡失，燈泡發(fā)光強度為假定忽略聚光鏡光能損照明空間平均發(fā)光強度立體角為算公式：由理想光學(xué)系統(tǒng)光路計立體角為像方光錐角解：像方接收總光通量總15m-u150mm-u2.5m應(yīng)用光學(xué)講稿 五五. . 光亮度光亮度 光亮度表示發(fā)光面在不同位置和不同方向上的發(fā)光特性光亮度表示發(fā)光面在不同位置和不同方向上的發(fā)光特性 微小面元微小面元dsds在在AOAO方向上的投影方向上的投影 dsdsn n=ds.cos=ds.cos 光亮度光亮度 光亮度表示發(fā)光面在單位投影面積在單位立體角內(nèi)所發(fā)出光

15、亮度表示發(fā)光面在單位投影面積在單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量。單位：坎的光通量。單位：坎/ /平方米平方米 cd/mcd/m2 2Adsdd0INcos.dsIdsILnddsdL.cos.應(yīng)用光學(xué)講稿計算舉例：有一均勻磨砂球形燈,直徑為17cm,光通量為2000lm,求該燈的光亮度.解:根據(jù)光亮度與發(fā)光強度的關(guān)系來求.ndsIL 2322222/1071027. 215.1591027. 2)217. 0(15.15942000mcdLmRdscdIn燈應(yīng)用光學(xué)講稿65 光照度公式和發(fā)光強度余弦定律光照度公式和發(fā)光強度余弦定律 一一. .光照度公式光照度公式 假定點光源照明微小平面假定點光源照明

16、微小平面dsds， dsds離開光源距離為離開光源距離為l l，表面法，表面法 線方向與照明方向成線方向與照明方向成 ，若，若 光源在此方向上發(fā)光強度為光源在此方向上發(fā)光強度為I I，求光源在，求光源在dsds上的光照度。上的光照度。 已知：已知：I, l, ds, I, l, ds, 求：求：E EdsdEdId22cos.ldsldsdn2cos.ldsId2cos.lIdsdEAdslI應(yīng)用光學(xué)講稿注意：公式是在點光源情況下導(dǎo)出的，對于發(fā)光面積和照明距離注意：公式是在點光源情況下導(dǎo)出的，對于發(fā)光面積和照明距離相比很小的情況也可以用。發(fā)光面積大時，如日光燈在室內(nèi)照明，相比很小的情況也可以用

17、。發(fā)光面積大時，如日光燈在室內(nèi)照明，就不能用了；但室外用日光燈，在遠距離照度時可以應(yīng)用。就不能用了；但室外用日光燈，在遠距離照度時可以應(yīng)用。問題：同樣一間屋子，用問題：同樣一間屋子，用60W鎢絲燈比用鎢絲燈比用40W鎢絲燈照明顯鎢絲燈照明顯得亮？得亮？發(fā)光效率發(fā)光效率K相同，相同，EIKee應(yīng)用光學(xué)講稿照度公式的應(yīng)用：測量待測光源的發(fā)光強度照度公式的應(yīng)用：測量待測光源的發(fā)光強度 2222cos.lIE2cos.lIdsdE2111cos.lIE21EE 222211cos.cos.lIlI121222IllIP2P1I1I2dsds標(biāo)準光源標(biāo)準光源待測光源待測光源應(yīng)用光學(xué)講稿計算舉例：桌面OB

18、上方有一盞100W鎢絲充氣燈泡P，光源在各方向均勻發(fā)光，燈泡可在垂直桌面方向上下移動，問燈泡離桌面多高時，B點（OB=1m）處的光照度最大，該光照度等于多少？POl1mBx表示出來即可。將由lIlIE,cos,cos2cdKIe36.11941001541cos, 1,22xxlxxlxOP則令1)1/(22xxxIEE公式得代入lxEEmxllxmxxdxdEB94.45225. 117071. 00210max22此時，表示式得代入將整理化簡后得點光照度最大，令要使應(yīng)用光學(xué)講稿 二二. . 發(fā)光強度余弦定律發(fā)光強度余弦定律 絕大多數(shù)發(fā)光體均勻發(fā)光，在各個方向上的亮度一樣絕大多數(shù)發(fā)光體均勻發(fā)

19、光，在各個方向上的亮度一樣 余弦定律也叫朗伯定律余弦定律也叫朗伯定律 余弦發(fā)光體，朗伯發(fā)光體余弦發(fā)光體，朗伯發(fā)光體 余弦定律的應(yīng)用：余弦定律的應(yīng)用： 求發(fā)光微面發(fā)出的光通量求發(fā)光微面發(fā)出的光通量coscos.00IIdsIdsILIdsI應(yīng)用光學(xué)講稿應(yīng)用：求發(fā)光微面發(fā)出的光通量dsLu已知：發(fā)光微面ds，光亮度為L，求它在半頂角為u的圓錐內(nèi)所輻射的總光通量。0duIdd的圓錐對應(yīng)的立體角為半頂角為量為解：微小立體角內(nèi)光通cos,cos00dsLIdsLIIIuLdsdLdsIddIddu200sincoscos2cos2公式，得代入與將LdsLdsu2,90雙面發(fā)光，單面發(fā)光，應(yīng)用光學(xué)講稿計算

20、舉例：假定一個鎢絲充氣燈泡功率為30W，光視效能為20lm/W,燈絲尺寸為8x8.5mm，雙面發(fā)光，求在燈絲面內(nèi)的平均光亮度。88.527233/104 . 1260002600030020105 . 8108,2mcddsdsLlmKWmdsLdsLds可求。，則和如果已知解：由應(yīng)用光學(xué)講稿計算舉例2：直徑為17cm的磨砂球形燈泡，輻射出的光通量為2000lm, 在燈泡正下方1m處的水平面上產(chǎn)生的光照度為159lx,求燈泡的光亮度。Ads1mEdsdsALLdsE接受，它所接受的光通量為點周圍取微面在來求由233322/1071023. 71023. 70,cosmcdLLLdEEdsLds

21、dsrlrddLdsdddsdLddsdsn接受輻射輻射燈輻射可求出。光源垂直照射，內(nèi)輻射出的光通量，在立體角接收的光通量等于如果忽略光能損失，17do應(yīng)用光學(xué)講稿例題3：一支功率為5mW的氦氖激光器，光視效能為152lm/W,發(fā)光面直徑為1mm，發(fā)散角（光束半頂角）為1mrad, 求：1、激光器發(fā)出的總光通量和發(fā)光強度；2、激光器發(fā)光面的光亮度；3、激光束在5m遠處屏幕上產(chǎn)生的光照度。lmKe76. 0005. 01521、解：cdIsr5221042. 2)001. 0(211235/1008. 3)2101(1042. 22mcddsILn、lxElIlIE32521068. 95104

22、2. 2, 0cos3代入，將、應(yīng)用光學(xué)講稿第六節(jié) 全擴散表面的光亮度問題：墻壁有沒有光亮度？自然界大多數(shù)物體本身并不發(fā)光，被其它發(fā)光體照明時，對入射光線進行漫反射，表面存在光照度，同時由于它又把光線漫反射出去，也像一個發(fā)光光源一樣，所以也產(chǎn)生光亮度。應(yīng)用光學(xué)講稿一、全擴散表面的定義如果被照明物體表面由于漫反射的作用使它在各個方向上光亮度都相同，則稱這樣的表面為全擴散表面。白紙噴粉的墻壁白灰電影銀幕雪應(yīng)用光學(xué)講稿二、全擴散表面的光亮度已知：全擴散表面面積ds，光照度E求：全擴散表面光亮度LEdsdds表面接收的光通量為射出去了。百分之多少光通量漫反為漫反射系數(shù)，表示有EdsddLdsd單面發(fā)光

23、的光源，全擴散表面可以看成是ELLdsEds1應(yīng)用光學(xué)講稿計算舉例：發(fā)光強度為100cd的白熾燈照射在墻壁上，墻壁和燈泡在光線照射方向距離為3m，墻壁的漫發(fā)射系數(shù)為0.7，求與光線照射方向相垂直的墻面上的光照度及墻面的光照度。)(11.1131003,100, 0,cos22lxEmlcdIlIE代入，將解：由2/48. 211.117 . 01mcdEL，墻壁可視為全擴散表面應(yīng)用光學(xué)講稿第七節(jié)第七節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度一、在均勻介質(zhì)中一、在均勻介質(zhì)中A1A2ds1ds21dL1L22211111121,ldsdsLddsLddsdsdsdsddsdLnn上的光通量輸

24、入到由光亮度212222222ldsdsLddsLdds發(fā)出的光通量由21212222112212LLldsdsLldsdsLddsdds發(fā)出的光通量應(yīng)該等于由上的光通量到不考慮光能損失，輸入2d結(jié)論：在均勻透明介質(zhì)中，如果不考慮光能損失，位于同一條光線上的各點，在光線進行的方向上光亮度不變。應(yīng)用光學(xué)講稿 二二.折射情形折射情形 三三.反射情形反射情形211222nLnL12LL 02222211LnLnLnLkk2nnLL2nnLL應(yīng)用光學(xué)講稿68 像平面的光照度像平面的光照度 一一. .軸上點的光照度軸上點的光照度 像平面軸上點軸外取像平面軸上點軸外取dsds，可看成是發(fā)光微面，光通量，可

25、看成是發(fā)光微面，光通量sinsin202uLdsdEudsLd2nnLLsin220uLnnE1 nnsin20uLE應(yīng)用光學(xué)講稿 二二.軸外點的光照度軸外點的光照度2coslIEcos0II cos0ll coscoscoscoscos40400200ElIlIE應(yīng)用光學(xué)講稿69 照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù) 一一. .照相物鏡像平面上的光照度照相物鏡像平面上的光照度 相對孔徑相對孔徑sin220uLnnE1 nn2sinfDu 2041fDLE fD應(yīng)用光學(xué)講稿 二二. 照相物鏡的光圈數(shù)照相物鏡的光圈數(shù)2041fDLE20fDE21210改變，改變每改變一擋

26、，fDE321;41;8 . 21;21;4 . 11;11fDDfF 相對孔徑的倒數(shù)叫光圈數(shù)，用相對孔徑的倒數(shù)叫光圈數(shù)，用F表示表示應(yīng)用光學(xué)講稿三. T制光圈 光照度還與光能損失系數(shù)光照度還與光能損失系數(shù)有關(guān)有關(guān) T制光圈制光圈 曝光量：曝光量：H=E.t2041fDLE22FTfDfD2204141TFfDLfDLE應(yīng)用光學(xué)講稿6.10 主觀光亮度主觀光亮度 通過望遠鏡觀察的主觀光亮度通過望遠鏡觀察的主觀光亮度 人眼的主觀光亮度人眼的主觀光亮度應(yīng)用光學(xué)講稿主觀光亮度 人眼的主觀光亮度人眼的主觀光亮度 通過望遠鏡觀察的主觀光亮度應(yīng)用光學(xué)講稿一、主觀光亮度的定義一、主觀光亮度的定義人眼視覺的產(chǎn)

27、生：外界景物通過眼球成像在人眼視覺的產(chǎn)生：外界景物通過眼球成像在視網(wǎng)膜上，刺激視神經(jīng)細胞，引起視覺，刺視網(wǎng)膜上，刺激視神經(jīng)細胞，引起視覺，刺激的強度大，感覺亮，刺激的強度小，感覺激的強度大，感覺亮，刺激的強度小，感覺暗。怎么表示刺激的強弱？暗。怎么表示刺激的強弱？主觀光亮度可以用具體的光度學(xué)的量來表示，主觀光亮度可以用具體的光度學(xué)的量來表示，不同的外界物體對應(yīng)不同的物理量不同的外界物體對應(yīng)不同的物理量外界物體對人眼的刺激強度叫做主觀光亮度外界物體對人眼的刺激強度叫做主觀光亮度應(yīng)用光學(xué)講稿1、發(fā)光點、發(fā)光點發(fā)光體對人眼所張的視角很小，在視網(wǎng)膜上所成的發(fā)光體對人眼所張的視角很小，在視網(wǎng)膜上所成的象

28、小于一個視神經(jīng)細胞的直徑象小于一個視神經(jīng)細胞的直徑2、發(fā)光面、發(fā)光面發(fā)光體對人眼張角較大，在視網(wǎng)膜上所成的象有一發(fā)光體對人眼張角較大，在視網(wǎng)膜上所成的象有一定面積定面積二、發(fā)光體分類二、發(fā)光體分類兩種發(fā)光體情況不同，其對人眼刺激強弱的因素也兩種發(fā)光體情況不同，其對人眼刺激強弱的因素也不同，下面分別討論不同，下面分別討論發(fā)光點的實際尺寸不一定小，例如星星發(fā)光點的實際尺寸不一定小，例如星星應(yīng)用光學(xué)講稿三、人眼對發(fā)光點的主觀光亮度三、人眼對發(fā)光點的主觀光亮度 A l fl a發(fā)光點對視神經(jīng)細胞刺激的強弱取決于該細胞接收的光通量發(fā)光點對視神經(jīng)細胞刺激的強弱取決于該細胞接收的光通量光通量越大，刺激越強，

29、人眼感覺越亮，主觀光亮度越大光通量越大，刺激越強，人眼感覺越亮，主觀光亮度越大因此，觀察發(fā)光點時，用眼睛接收的光通量來表示因此，觀察發(fā)光點時，用眼睛接收的光通量來表示人眼的主觀光亮度人眼的主觀光亮度應(yīng)用光學(xué)講稿 A l fl a假定發(fā)光點假定發(fā)光點 A 的發(fā)光強度為的發(fā)光強度為 I，離眼睛的距離為，離眼睛的距離為 ，人眼的瞳孔直徑人眼的瞳孔直徑 為為 a已知：已知：求：求：lalI,d應(yīng)用光學(xué)講稿 A l fl a Idd222224)2/(lalardsd由光通量公式：由光通量公式：而而因此因此224laId應(yīng)用光學(xué)講稿A l fl a結(jié)論：人眼觀察發(fā)光點時的主觀光亮度與發(fā)光點的發(fā)光強結(jié)論：

30、人眼觀察發(fā)光點時的主觀光亮度與發(fā)光點的發(fā)光強 度度I,I,眼睛的瞳孔直徑眼睛的瞳孔直徑 成正比成正比, ,與距離與距離 成反比成反比討論：觀察兩個星星討論：觀察兩個星星 觀察馬路上的一排路燈觀察馬路上的一排路燈2a2l224laId應(yīng)用光學(xué)講稿四、人眼對發(fā)光面的主觀光亮度四、人眼對發(fā)光面的主觀光亮度 a 發(fā)光面對視神經(jīng)細胞刺激的強弱取決于在視網(wǎng)膜上單位發(fā)光面對視神經(jīng)細胞刺激的強弱取決于在視網(wǎng)膜上單位面積上接收的光通量，也就是光照度面積上接收的光通量，也就是光照度光照度越大，刺激越強，人眼感覺越亮，主觀光亮度越大光照度越大，刺激越強，人眼感覺越亮，主觀光亮度越大lflu 因此，觀察發(fā)光面時，用眼

31、睛接收的光照度來因此，觀察發(fā)光面時，用眼睛接收的光照度來表示人眼的主觀光亮度表示人眼的主觀光亮度應(yīng)用光學(xué)講稿 a lflu假定發(fā)光面的光亮度為假定發(fā)光面的光亮度為L L，眼睛的透過率為，眼睛的透過率為 ，人眼，人眼的瞳孔直徑為的瞳孔直徑為 a a，眼睛的焦距為，眼睛的焦距為已知：已知：求：求：,faLE f應(yīng)用光學(xué)講稿眼睛也是一個光學(xué)系統(tǒng)，它遵守像平面上的光照度公式眼睛也是一個光學(xué)系統(tǒng)，它遵守像平面上的光照度公式 a 像平面光照度公式像平面光照度公式 lflmax22sin)(unnLEu眼睛的透過率眼睛的透過率物體光亮度物體光亮度 n n1 1 n n =n=n眼眼1.3361.336fau

32、2sin應(yīng)用光學(xué)講稿人眼對發(fā)光面的主觀光亮度：人眼對發(fā)光面的主觀光亮度：204 . 1faLE討論：日常生活中感覺不管是發(fā)討論：日常生活中感覺不管是發(fā)光點還是發(fā)光面，距離越遠越暗光點還是發(fā)光面，距離越遠越暗，越近越亮，與上式是否矛盾？，越近越亮，與上式是否矛盾？結(jié)論：觀察發(fā)光面時，主觀光亮度與發(fā)光面的光亮度結(jié)論：觀察發(fā)光面時，主觀光亮度與發(fā)光面的光亮度L L，瞳，瞳孔直徑孔直徑 a a 以及眼睛的焦距有關(guān)，而與物距無關(guān)以及眼睛的焦距有關(guān)，而與物距無關(guān)應(yīng)用光學(xué)講稿6-11 主觀光亮度 人眼的主觀光亮度 通過望遠鏡觀察的主觀光亮度通過望遠鏡觀察的主觀光亮度應(yīng)用光學(xué)講稿問題：夜晚直接用人眼觀察星星以

33、及用望遠鏡觀問題：夜晚直接用人眼觀察星星以及用望遠鏡觀察，察， 哪種情況感覺亮？如果觀察的是月亮呢？哪種情況感覺亮？如果觀察的是月亮呢？應(yīng)用光學(xué)講稿一、發(fā)光點一、發(fā)光點1、D a: 望遠鏡出瞳小于等于眼睛瞳孔直徑望遠鏡出瞳小于等于眼睛瞳孔直徑d l D 224lDIIdd儀進入儀器的光通量進入儀器的光通量儀儀dd儀從儀器出來的光通量從儀器出來的光通量22儀儀4lDId通過儀器觀察的主觀光亮度通過儀器觀察的主觀光亮度應(yīng)用光學(xué)講稿結(jié)論：主觀光亮度與發(fā)光點的發(fā)光強度和物鏡口徑的平方成正結(jié)論：主觀光亮度與發(fā)光點的發(fā)光強度和物鏡口徑的平方成正 比，和距離的平方成反比比，和距離的平方成反比討論：用望遠鏡觀

34、察星星討論：用望遠鏡觀察星星 1. 1. 被觀察的星星發(fā)光強度被觀察的星星發(fā)光強度 I I 一定，則口徑越大，觀察一定，則口徑越大，觀察距離距離 可以越大，即可以發(fā)現(xiàn)更遙遠的星星可以越大，即可以發(fā)現(xiàn)更遙遠的星星22儀儀4lDId通過儀器觀察的主觀光亮度通過儀器觀察的主觀光亮度 2. 2. 如果觀察距離如果觀察距離 一定，則口徑一定，則口徑D D越大，越大，I I 可以越小，即可可以越小，即可以發(fā)現(xiàn)發(fā)光微弱的星星以發(fā)現(xiàn)發(fā)光微弱的星星 總之，望遠鏡的口徑總之，望遠鏡的口徑D D越大越好越大越好ll應(yīng)用光學(xué)講稿比較：比較： D a，用了望遠鏡時的主觀光亮度與人用了望遠鏡時的主觀光亮度與人 眼直接觀察

35、時對比：眼直接觀察時對比：Da 時的主觀光亮度之比時的主觀光亮度之比2儀儀)(aDdd例：北京天文臺有一天文望遠鏡，口徑為例：北京天文臺有一天文望遠鏡，口徑為2.162.16米，人眼瞳孔直米，人眼瞳孔直 徑在夜晚徑在夜晚a=8a=8毫米，望遠鏡的透過率為毫米，望遠鏡的透過率為0.90.9，試比較用望遠，試比較用望遠 鏡和人眼直接觀察的主觀光亮度鏡和人眼直接觀察的主觀光亮度65610821609 . 0)(222儀儀aDdd可見，極大地提高了主觀光亮度可見，極大地提高了主觀光亮度應(yīng)用光學(xué)講稿例：例：哈勃望遠鏡（哈勃望遠鏡（19901990年年4 4月月2424日發(fā)現(xiàn)號航天飛機反射）日發(fā)現(xiàn)號航天飛

36、機反射） 哈勃望遠鏡主鏡的口徑為哈勃望遠鏡主鏡的口徑為4.34.3米米提高天文望遠鏡口徑的途徑提高天文望遠鏡口徑的途徑 1. 1. 采用反射式采用反射式2. 2. 采用可折疊式采用可折疊式3. 3. 自適應(yīng)光學(xué)自適應(yīng)光學(xué)美國下一代空間望遠鏡美國下一代空間望遠鏡口徑口徑8 8米，焦距米，焦距192192米米望遠鏡的衍射分辨率也與其口徑有關(guān)望遠鏡的衍射分辨率也與其口徑有關(guān)應(yīng)用光學(xué)講稿2 2、D D a: a: 望遠鏡出瞳大于眼睛瞳孔直徑望遠鏡出瞳大于眼睛瞳孔直徑 D DaaD 22儀儀4lDIda此時，真正能進入人眼的光束口徑不是此時，真正能進入人眼的光束口徑不是D D ，而是，而是a a應(yīng)用光學(xué)

37、講稿比較：同樣將用望遠鏡時的主觀光亮度與人眼比較：同樣將用望遠鏡時的主觀光亮度與人眼 直接觀察時對比：直接觀察時對比：例：如果用例：如果用1010倍望遠鏡觀察發(fā)光點，倍望遠鏡觀察發(fā)光點， 當(dāng)當(dāng)D D a: a: 時，如果忽略光能損失，主觀光亮度可以提高時，如果忽略光能損失，主觀光亮度可以提高100100倍倍 2儀)(aDdda儀2儀儀Da/a應(yīng)用光學(xué)講稿二、發(fā)光面二、發(fā)光面1 1、D D a: a: 望遠鏡出瞳小于瞳孔直徑望遠鏡出瞳小于瞳孔直徑 發(fā)光面情形時的主觀光亮度用在視網(wǎng)膜上的光照發(fā)光面情形時的主觀光亮度用在視網(wǎng)膜上的光照 度來表示度來表示204 . 1faLE眼用望遠鏡觀察時，因為用望

38、遠鏡觀察時，因為D D a a，實際進入人眼的光束，實際進入人眼的光束口徑不是口徑不是a a，而是，而是D,D,光亮度也應(yīng)該用光亮度也應(yīng)該用LnnL2儀應(yīng)用光學(xué)講稿因為因為 n=n=1 204 . 1faLE眼進入眼睛光束進入眼睛光束 D望遠鏡的像的光亮度望遠鏡的像的光亮度L LL L= =儀儀L L應(yīng)用光學(xué)講稿主觀光亮度主觀光亮度2)(4 . 1fDLE儀眼儀與人眼直接觀察時對比：與人眼直接觀察時對比：2)(aDEE儀眼儀討論：討論： 因為因為D D a a，并且，并且11aD儀眼儀EE結(jié)論：用了望遠鏡觀察發(fā)光面時的主觀光亮度反而比結(jié)論：用了望遠鏡觀察發(fā)光面時的主觀光亮度反而比 人眼直接觀察

39、時小，那么增大人眼直接觀察時小，那么增大D D 呢呢應(yīng)用光學(xué)講稿2 2、D D a: a: D D再大，進入人眼的光束口徑也就是再大，進入人眼的光束口徑也就是a, a, 望遠鏡望遠鏡出瞳大于等于瞳孔直徑出瞳大于等于瞳孔直徑2)(4 . 1faLE儀眼儀與人眼直接觀察時對比：與人眼直接觀察時對比：儀眼儀EE2)(4 . 1fDLE儀眼儀眼儀EE應(yīng)用光學(xué)講稿DaD=a進入的光束進入的光束D DD D = =a;a;面積大了面積大了2 2倍，倍，d d大大2 2倍；倍；視網(wǎng)膜上的像大了視網(wǎng)膜上的像大了倍，面積大了倍，面積大了2 2 倍；倍；光照度不變。但望遠鏡有吸收反射損失，所以照度有下降光照度不變

40、。但望遠鏡有吸收反射損失，所以照度有下降應(yīng)用光學(xué)講稿aD進入的光束進入的光束D DDDa;a;面積放大不到面積放大不到2 2倍；倍；視網(wǎng)膜上的像還是大了視網(wǎng)膜上的像還是大了倍，面積大了倍，面積大了2 2 倍；倍；光照度減小。再加上望遠鏡有吸收反射損失，光照度減小。再加上望遠鏡有吸收反射損失，主觀光亮度降低主觀光亮度降低Da主觀光亮度降低的少一些主觀光亮度降低的少一些a儀眼儀EE應(yīng)用光學(xué)講稿結(jié)論：結(jié)論： 無論是無論是 D D a a 還是還是 D D a a，當(dāng)觀察發(fā)光面時，用望遠鏡當(dāng)觀察發(fā)光面時，用望遠鏡 后的主觀光亮度與人眼直接觀察相比，不但不會提高反而后的主觀光亮度與人眼直接觀察相比，不但

41、不會提高反而 降低降低討論：討論： 由上面的分析，使用望遠鏡觀察發(fā)光面還有什么意義嗎？由上面的分析，使用望遠鏡觀察發(fā)光面還有什么意義嗎？使用望遠鏡的作用是增大視角，如果主觀光亮度夠，但是使用望遠鏡的作用是增大視角，如果主觀光亮度夠，但是由于視角小而人眼看不清時，用望遠鏡就可以增大視角，由于視角小而人眼看不清時，用望遠鏡就可以增大視角，看清楚物體看清楚物體應(yīng)用光學(xué)講稿 從主觀光亮度考慮，希望從主觀光亮度考慮，希望DD盡可能大一些。盡可能大一些。人眼瞳孔最大可達人眼瞳孔最大可達8 8毫米，那么軍用光學(xué)儀器為什毫米，那么軍用光學(xué)儀器為什么不全部取么不全部取D=8D=8毫米呢？毫米呢？DD因為望遠鏡的

42、出瞳和入瞳以及視放大率有如下關(guān)系因為望遠鏡的出瞳和入瞳以及視放大率有如下關(guān)系一般一般 較大，增大較大，增大DD，則，則 D D 會迅速增大，導(dǎo)會迅速增大，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的體積，重量增大。致整個系統(tǒng)的體積，重量增大。應(yīng)用光學(xué)講稿投影系統(tǒng)及其光能計算 10-5 投影儀的作用及其類別 10-6 投影儀中的照明系統(tǒng) 10-8 投影系統(tǒng)中的光能計算應(yīng)用光學(xué)講稿10-5 投影儀的作用及其類別投影儀的作用及其類別作用：作用：把一定大小的物體用光源照明后成像到屏幕上進行把一定大小的物體用光源照明后成像到屏幕上進行觀察和測量觀察和測量yy種類：電影放映機，幻燈機，投影儀等種類：電影放映機，幻燈機，投影儀等要求：要

43、求：成像清晰；物像相似成像清晰；物像相似 像面有足夠的光照度，分布均勻像面有足夠的光照度，分布均勻應(yīng)用光學(xué)講稿二、投影系統(tǒng)的組成二、投影系統(tǒng)的組成1 1、投影物鏡：把一定大小的物體成像在屏幕上，使成像清、投影物鏡：把一定大小的物體成像在屏幕上，使成像清晰，物象相似晰，物象相似yy2 2、照明系統(tǒng)：照明物體，充分利用光源發(fā)出的光能，并、照明系統(tǒng)：照明物體，充分利用光源發(fā)出的光能，并使照明均勻。使照明均勻。應(yīng)用光學(xué)講稿三、投影系統(tǒng)的分類三、投影系統(tǒng)的分類第一類：臨界照明第一類：臨界照明: :光源通過照明系統(tǒng)成像在物平面上，照亮物光源通過照明系統(tǒng)成像在物平面上，照亮物體；物體在經(jīng)投影物鏡成像在屏幕上

44、。體；物體在經(jīng)投影物鏡成像在屏幕上。yy特點：特點：要求光源本身均勻要求光源本身均勻適用于小面積投影適用于小面積投影照明系統(tǒng)：反射式照明系統(tǒng)：反射式 透射式透射式應(yīng)用光學(xué)講稿第二類：柯勒照明第二類：柯勒照明: :光源通過照明系統(tǒng)成像在投影物鏡的入瞳處，光源通過照明系統(tǒng)成像在投影物鏡的入瞳處，投影物鏡將物體成像在屏幕上。投影物鏡將物體成像在屏幕上。yy特點：特點：照明比較均勻照明比較均勻1. 適用于大面積投影適用于大面積投影對于測量用的投影系統(tǒng)，仍然采用遠心光路，孔徑光闌放在對于測量用的投影系統(tǒng)，仍然采用遠心光路，孔徑光闌放在投影物鏡的像方焦點處。投影物鏡的像方焦點處。應(yīng)用光學(xué)講稿6-12 光學(xué)

45、系統(tǒng)中光能損失的計算光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計算像平面上的光照度公式像平面上的光照度公式sin220uLnnE要計算光照度，需要知道系統(tǒng)的透過率要計算光照度，需要知道系統(tǒng)的透過率 應(yīng)用光學(xué)講稿一一. 光能損失的原因光能損失的原因1. 反射損失反射損失對成像重量的影響：對成像重量的影響： 降低像的亮度和照度降低像的亮度和照度 降低像的對比降低像的對比 形成寄生像，鬼像形成寄生像，鬼像2. 吸收損失吸收損失應(yīng)用光學(xué)講稿二二. 反射損失的計算反射損失的計算假定：假定： ：入射光通量：入射光通量 ： 反射光通量反射光通量 ”：折射光通量：折射光通量反射光通量反射光通量”和入射光通量和入射光通量之比加做反射

46、系數(shù)之比加做反射系數(shù) 根據(jù)能量守恒：入射光通量根據(jù)能量守恒：入射光通量等于反射等于反射光通量光通量”和折射光和折射光通量通量之和之和應(yīng)用光學(xué)講稿 ” ” （1 1）對第一個分界面有對第一個分界面有)1 (11如果先不考慮吸收損失，第一面的折射光通量等于第二面如果先不考慮吸收損失，第一面的折射光通量等于第二面的入射光通量的入射光通量12對第二面對第二面)1)(1 ()1 (21222應(yīng)用光學(xué)講稿假定系統(tǒng)中有假定系統(tǒng)中有K個面，從第個面，從第K面折射出的光通量為面折射出的光通量為三三. 吸收損失的計算吸收損失的計算光線經(jīng)過第一面折射，進入介質(zhì)時的光通量為光線經(jīng)過第一面折射，進入介質(zhì)時的光通量為 ，

47、介，介質(zhì)厚度假定為質(zhì)厚度假定為 ，由于介質(zhì)有吸收，到達第二面時的光，由于介質(zhì)有吸收，到達第二面時的光通量有通量有)1 ()1)(1 (21kk12212,1l應(yīng)用光學(xué)講稿實驗表明：入射光通量越大，吸收越多，介質(zhì)越長，吸收越多實驗表明：入射光通量越大，吸收越多，介質(zhì)越長，吸收越多dlkdddlkllekdldkdld12021應(yīng)用光學(xué)講稿令令式中式中 介質(zhì)厚度，單位厘米介質(zhì)厚度，單位厘米 第一面折射光通量第一面折射光通量 光線徑介質(zhì)吸收后，到達第二面時的光通量光線徑介質(zhì)吸收后，到達第二面時的光通量 透明系數(shù)透明系數(shù)P P的意義：的意義：光線通過光線通過1cm1cm長的介質(zhì)時，射到第二面的光通量與從第一長的介質(zhì)時，射到第二面的光通量與從第一面折射進入介質(zhì)的光通量之比面折射進入介質(zhì)的光通量之比Pekl則則lP1212P應(yīng)用光學(xué)講稿當(dāng)當(dāng) l=1時時12PP的大小可以從手冊中查出的大小可以從手冊中查出應(yīng)用