輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ)

1、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)6-2 輻射度學(xué)的基本量輻射度學(xué)的基本量n 一、輻射通量一、輻射通量輻射體單位時(shí)間輻射的總能量，稱(chēng)輻射通量，用輻射體單位時(shí)間輻射的總能量，稱(chēng)輻射通量，用 表示。單位瓦特。表示。單位瓦特。輻射的能量其實(shí)是波長(zhǎng)的函數(shù)，稱(chēng)光譜密集度，用輻射的能量其實(shí)是波長(zhǎng)的函數(shù)，稱(chēng)光譜密集度，用 表示。表示。ee0)( dde0limeddedee06-2 輻射度學(xué)的基本量輻射度學(xué)的基本量n 二、輻射強(qiáng)度二、輻射強(qiáng)度單位立體角內(nèi)輻射的輻射通量，稱(chēng)輻射強(qiáng)度，記作單位立體角內(nèi)輻射的輻射通量，稱(chēng)輻射強(qiáng)度，記作eIeddddIee單位：瓦每球面度（單位：瓦每球面度（W/Sr）6-2

2、輻射度學(xué)的基本量輻射度學(xué)的基本量n 二、輻射出射度和輻照度二、輻射出射度和輻照度輻射體單位面積輻射的輻射通量，稱(chēng)輻射出射度，記作輻射體單位面積輻射的輻射通量，稱(chēng)輻射出射度，記作接受體單位面積接收到的輻射通量，稱(chēng)輻照度，記作接受體單位面積接收到的輻射通量，稱(chēng)輻照度，記作eMdddSdSAAeE單位：瓦每平方米（單位：瓦每平方米（W/m2）dSdMeedSdEee6-2 輻射度學(xué)的基本量輻射度學(xué)的基本量n 二、輻亮度二、輻亮度輻射體在某方向上單位面積單位立體角輻射的輻射通量，稱(chēng)輻亮度，記輻射體在某方向上單位面積單位立體角輻射的輻射通量，稱(chēng)輻亮度，記作作eL單位：瓦每球面度每平方米（單位：瓦每球面度

3、每平方米（W/Srm2）neneedSIdSddLAdScos dSdSn6-3 人眼的視見(jiàn)函數(shù)人眼的視見(jiàn)函數(shù)人眼可以感受的光譜區(qū)間人眼可以感受的光譜區(qū)間390-780nm，稱(chēng)作可見(jiàn)光，稱(chēng)作可見(jiàn)光人眼對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的的敏感度不同，敏感度與波長(zhǎng)的關(guān)系，稱(chēng)作視見(jiàn)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的的敏感度不同，敏感度與波長(zhǎng)的關(guān)系，稱(chēng)作視見(jiàn)函數(shù)，用函數(shù)，用V()表示表示人眼對(duì)人眼對(duì)555nm的黃綠光最敏的黃綠光最敏感，定義它的視見(jiàn)函數(shù)為感，定義它的視見(jiàn)函數(shù)為1，即即V(555)=1其它波長(zhǎng)的視見(jiàn)函數(shù)，按相其它波長(zhǎng)的視見(jiàn)函數(shù)，按相同觀察條件下，測(cè)得的結(jié)果與同觀察條件下，測(cè)得的結(jié)果與555nm下測(cè)得的結(jié)果之比，顯下測(cè)得

4、的結(jié)果之比，顯然然V(1人眼在明視覺(jué)和暗視覺(jué)下，人眼在明視覺(jué)和暗視覺(jué)下，視見(jiàn)函數(shù)有所不同視見(jiàn)函數(shù)有所不同6-3 人眼的視見(jiàn)函數(shù)人眼的視見(jiàn)函數(shù)6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量對(duì)某一單色光對(duì)某一單色光，輻射體輻射的能量按視見(jiàn)函數(shù)提取的能量，稱(chēng)作光通量，輻射體輻射的能量按視見(jiàn)函數(shù)提取的能量，稱(chēng)作光通量，記作記作eVC)(對(duì)某一立體角對(duì)某一立體角dddVCdde)(Idd稱(chēng)作發(fā)光強(qiáng)度稱(chēng)作發(fā)光強(qiáng)度eIVCI)(6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度I 的單位為坎德拉（坎，的單位為坎德拉（坎，

5、cd），為七個(gè)國(guó)際基本計(jì)量單位之一。），為七個(gè)國(guó)際基本計(jì)量單位之一。定義：定義：1cd為發(fā)光體發(fā)出為發(fā)光體發(fā)出555nm的單色波，且測(cè)得同方向的輻射強(qiáng)度為的單色波，且測(cè)得同方向的輻射強(qiáng)度為(1/683)W/Sr，則發(fā)光體在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為，則發(fā)光體在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd1)555(VW/Sr6831eI68311cd1 C683CeIVCI)(eIVI)(6836-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量IddVde)(683光通量光通量單位：流明、單位：流明、lmSr1cd1lm16-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 一、發(fā)光強(qiáng)度和光通

6、量一、發(fā)光強(qiáng)度和光通量Let)(683)()(VVCKK()稱(chēng)為稱(chēng)為的光譜光視效能的光譜光視效能eedKdVd)()(683全光譜光通量與輻射通量之間的關(guān)系全光譜光通量與輻射通量之間的關(guān)系dKdKdee000)()(定義：光視效能定義：光視效能00)(ddKKeee光視效能的單位為：光視效能的單位為：lm/W6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量光源光視效能光源光視效能鎢絲燈(真空)8-9.2日光燈27-41鎢絲燈(充氣)9.2-21高壓水銀燈34-45石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈40-47.5氣體放大管16-30鈉光燈60常用光源的光視效能常用光源的光視效能6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的

7、基本量n 例：一個(gè)功率（輻射通量）為例：一個(gè)功率（輻射通量）為60W的鎢絲充氣燈泡，假定它在的鎢絲充氣燈泡，假定它在各個(gè)方向上均有發(fā)光，求它的發(fā)光強(qiáng)度。各個(gè)方向上均有發(fā)光，求它的發(fā)光強(qiáng)度。鎢絲充氣燈泡的光視效能，取平均值為鎢絲充氣燈泡的光視效能，取平均值為15lm/Wlm9006015eKcd62.714I6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 二、光出射度和光照度二、光出射度和光照度發(fā)光體單位面積發(fā)射的光通量，稱(chēng)光出射度，記作發(fā)光體單位面積發(fā)射的光通量，稱(chēng)光出射度，記作接受體單位面積接收到的光通量，稱(chēng)光照度，記作接受體單位面積接收到的光通量，稱(chēng)光照度，記作MEdSdM dSdE SM S

8、E 光照度的單位為：勒克斯（光照度的單位為：勒克斯（lx）2/11mlmlx 6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 二、光出射度和光照度二、光出射度和光照度發(fā)光體單位面積發(fā)射的光通量，稱(chēng)光出射度，記作發(fā)光體單位面積發(fā)射的光通量，稱(chēng)光出射度，記作接受體單位面積接收到的光通量，稱(chēng)光照度，記作接受體單位面積接收到的光通量，稱(chēng)光照度，記作MEdSdM dSdE SM SE 光照度的單位為：勒克斯（光照度的單位為：勒克斯（lx）2/11mlmlx 表表6-36-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 例：如圖所示，在例：如圖所示，在15m處照明直徑為的圓面積。要求像面平均照處照明直徑為的圓面積。要

9、求像面平均照度為度為50lx，聚光鏡的焦距為，聚光鏡的焦距為150mm，通光孔徑也為，通光孔徑也為150mm，求燈泡，求燈泡的發(fā)光強(qiáng)度和燈泡通過(guò)聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強(qiáng)度，的發(fā)光強(qiáng)度和燈泡通過(guò)聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強(qiáng)度，以及燈泡的功率和位置。以及燈泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m像面總光通量：像面總光通量： lm24625. 1502ES0783. 015075. 025. 1) tan(u5 . 4 uSr0195. 02sin42ucd1026. 14I6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 例：如圖所示，在例：如圖所示，在15m處照明直徑為的圓面

10、積。要求像面平均照處照明直徑為的圓面積。要求像面平均照度為度為50lx，聚光鏡的焦距為，聚光鏡的焦距為150mm，通光孔徑也為，通光孔徑也為150mm，求燈泡，求燈泡的發(fā)光強(qiáng)度和燈泡通過(guò)聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強(qiáng)度，的發(fā)光強(qiáng)度和燈泡通過(guò)聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強(qiáng)度，以及燈泡的功率和位置。以及燈泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m像面總光通量：像面總光通量： lm246mm97.952) tan(-75mmulmm130l130mm-mm75)tan(u 30uI6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 例：如圖所示，在例：如圖所示，在15m處照明直徑為的圓面積。

11、要求像面平均照處照明直徑為的圓面積。要求像面平均照度為度為50lx，聚光鏡的焦距為，聚光鏡的焦距為150mm，通光孔徑也為，通光孔徑也為150mm，求燈泡，求燈泡的發(fā)光強(qiáng)度和燈泡通過(guò)聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強(qiáng)度，的發(fā)光強(qiáng)度和燈泡通過(guò)聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強(qiáng)度，以及燈泡的功率和位置。以及燈泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m若燈泡均勻發(fā)光：若燈泡均勻發(fā)光： lm36704I若用充氣鎢絲燈泡若用充氣鎢絲燈泡 lm/W15KW245Ke6-4 光度學(xué)中的基本量光度學(xué)中的基本量n 三、光亮度三、光亮度發(fā)光體在某方向上單位面積單位立體角發(fā)射的光通量，稱(chēng)光亮度，記作發(fā)光體在

12、某方向上單位面積單位立體角發(fā)射的光通量，稱(chēng)光亮度，記作L單位：坎每平方米（單位：坎每平方米（cd/m2）nndSIdSddLAdScos dSdSn表表6-46-5 光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律n 一、光照度公式一、光照度公式2cosldSdAdSddIdS面內(nèi)的光通量面內(nèi)的光通量: Idd2coslIdSd2coslIdSdEl6-5 光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律n 一、光照度公式一、光照度公式222211coscoslIlIEXXStandard sourcetested source1I2I1l2l121222IllI 6-

13、5 光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律n 二、發(fā)光強(qiáng)度余弦定律二、發(fā)光強(qiáng)度余弦定律大多數(shù)均勻發(fā)光的物體，在各個(gè)方向上的光亮度都近似一致。大多數(shù)均勻發(fā)光的物體，在各個(gè)方向上的光亮度都近似一致。AdSI0Icos0dSIdSILcos0II 符合上式（發(fā)光強(qiáng)度余弦定律符合上式（發(fā)光強(qiáng)度余弦定律或朗伯定律）的發(fā)光體稱(chēng)作或朗伯定律）的發(fā)光體稱(chēng)作“余余弦輻射體弦輻射體”或或“朗伯輻射體朗伯輻射體”。dS0IIAudSL6-5 光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律n 二、發(fā)光強(qiáng)度余弦定律二、發(fā)光強(qiáng)度余弦定律發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度ddI Idd000cos dII

14、dcos2 ddudI00coscos2uLdSuI220sin)cos1 (單面發(fā)光單面發(fā)光u=90LdS雙面發(fā)光雙面發(fā)光LdS26-5 光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律n 例：假定一個(gè)鎢絲充氣燈泡的功率為例：假定一個(gè)鎢絲充氣燈泡的功率為300W，光視效能為，光視效能為20lm/W，燈絲尺寸為，雙面發(fā)光，求在燈絲面內(nèi)的平均光亮度。燈絲尺寸為，雙面發(fā)光，求在燈絲面內(nèi)的平均光亮度。8mm總光通量總光通量lm600030020eK兩面發(fā)光兩面發(fā)光LdS22733cd/m104 . 1105 . 8108260002dSL6-6 全擴(kuò)散表面的光亮度全擴(kuò)散表面的光亮度n 全

15、擴(kuò)散表面：光線(xiàn)在物體表面進(jìn)行漫反射，如果被照明物體表面全擴(kuò)散表面：光線(xiàn)在物體表面進(jìn)行漫反射，如果被照明物體表面各方向上的光亮度相同，稱(chēng)此表面為全擴(kuò)散表面。全擴(kuò)散表面具有各方向上的光亮度相同，稱(chēng)此表面為全擴(kuò)散表面。全擴(kuò)散表面具有余弦輻射特性，或叫朗伯體。余弦輻射特性，或叫朗伯體。ddSEEdSd dS面接收的光通量面接收的光通量若漫反射表面的反射系數(shù)為若漫反射表面的反射系數(shù)為 ，則它反射的光通量為，則它反射的光通量為EdSdd對(duì)朗伯體對(duì)朗伯體EdSLdSdEL1全擴(kuò)散表面的光亮度公式全擴(kuò)散表面的光亮度公式6-6 全擴(kuò)散表面的光亮度全擴(kuò)散表面的光亮度常見(jiàn)物體表面的漫反射系統(tǒng)常見(jiàn)物體表面的漫反射系統(tǒng)

16、照明表面照明表面漫反射系統(tǒng)漫反射系統(tǒng)/%照明表面照明表面漫反射系統(tǒng)漫反射系統(tǒng)/%氧化鎂96黏土16石灰91月亮10-20雪78黑土5-10白紙70-80黑呢絨1-4白砂25黑絲絨0.2-16-7 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n 一、均勻透明介質(zhì)情形一、均勻透明介質(zhì)情形cosdSddL光亮度定義光亮度定義:dSLdd1d2d22111111ldSdSLdSdLd21222222ldSdSLdSdLd21dd 21LL 元光管元光管無(wú)光能損失無(wú)光能損失6-7 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1111cos ISdLd空間1n211211sinrdIrrdIrdSdddI

17、IISLd11111sincosddIIISLd22222sincos空間2n21dd 無(wú)光能損失無(wú)光能損失22211112sincossincosdIIIdIIILL6-7 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22211112sincossincosdIIIdIIILLSnell law2211sinsinInIn微分微分222111coscosdIIndIIn212212nnLL211222nLnL6-7 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211222nLnL1. 當(dāng)當(dāng)12nn 21LL 2. 當(dāng)當(dāng)21LL 12nn3. 對(duì)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)2222211kknLnLnL

18、4. 物像空間物像空間LnnL25. 有光能損失有光能損失LnnL26-8 像平面的光照度像平面的光照度n 一、軸上點(diǎn)的光照度公式一、軸上點(diǎn)的光照度公式L LdSn nmaxUmaxUmax2sinUdSL像面光通量：像面光通量：像面光照度：像面光照度：max22max20sinsinUnnLULdSELnnL2When nn max20sinULE6-8 像平面的光照度像平面的光照度n 二、軸外像點(diǎn)的光照度公式二、軸外像點(diǎn)的光照度公式22coscoslIlIE0EEl0lcos0II cos0ll coscos404200ElIE6-8 像平面的光照度像平面的光照度n 二、軸外像點(diǎn)的光照度公

19、式二、軸外像點(diǎn)的光照度公式cos40EE100.941400.344200.780500.171300.563600.063coscos/ 0EE/ 0EE如果存在漸暈，面漸暈系數(shù)為如果存在漸暈，面漸暈系數(shù)為Kcos40KEE6-9 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)6-9 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)max20sinULEmaxUD f2sinmaxfDU220144FLfDLE相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑: fDF數(shù)數(shù):DfF像面照度按減少一半變化，則相對(duì)孔徑按像面照度按減少一半變化，則相對(duì)孔徑按 變化，即變化，即:211:11:1.4 1:2

20、1:2.8 1:41:5.6 1:81:116-9 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)DfF11.422.845.6811204fDLEF制光圈制光圈22fDfDTFTFFF204fDLET6-9 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)TFFFn 例：有一照相物鏡透過(guò)率為，例：有一照相物鏡透過(guò)率為，T制光圈為制光圈為1:2，求，求F制光圈。制光圈。85. 02TF84. 1TFFFF制光圈制光圈6-9 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)n 曝光量：如照相物鏡像平面光照度為曝光量：如照相物鏡像平面光照度為E，曝光時(shí)間為，曝

21、光時(shí)間為t，定義底片，定義底片單位面積接收的曝光量為單位面積接收的曝光量為HEtH 單位：勒克斯單位：勒克斯秒、秒、lx s6-9 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)n 例：在晴朗的白天進(jìn)行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量為例：在晴朗的白天進(jìn)行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量為H=0.4lx s，假定曝光時(shí)間，物鏡的透過(guò)率為，求應(yīng)選多大的光圈，假定曝光時(shí)間，物鏡的透過(guò)率為，求應(yīng)選多大的光圈數(shù)數(shù)slx4 . 0Hs01. 0tlx40tHE85. 0晴朗的白天天空光亮度為晴朗的白天天空光亮度為: 5000cd/m2204fDLE012. 02fD1 . 9111.

22、0fD選哪一個(gè)光圈？選哪一個(gè)光圈？6-10 人眼的主觀光亮度人眼的主觀光亮度n 一、發(fā)光點(diǎn)一、發(fā)光點(diǎn)dla224laIIdd主觀光亮度由光通量決定：主觀光亮度由光通量決定：路燈路燈6-10 人眼的主觀光亮度人眼的主觀光亮度n 二、發(fā)光面二、發(fā)光面max22sinUnnLE主觀光亮度由光照度決定：主觀光亮度由光照度決定：maxUafl n n物體位于空氣中：物體位于空氣中：1n336. 1n2sinmaxfaU24 . 1faLE與距離無(wú)關(guān)與距離無(wú)關(guān)6-11 通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度n 一、發(fā)光點(diǎn)一、發(fā)光點(diǎn)224laId人眼直接觀察時(shí)的主觀光亮度為：人眼直接觀察時(shí)

23、的主觀光亮度為：1. aD D入瞳直徑入瞳直徑D出瞳直徑出瞳直徑Da224lDId儀224lDId儀儀2aDdd儀儀6-11 通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度n 一、發(fā)光點(diǎn)一、發(fā)光點(diǎn)224laId人眼直接觀察時(shí)的主觀光亮度為：人眼直接觀察時(shí)的主觀光亮度為：1. aD aaDaDa2222244laIlDIda儀儀儀2dd儀儀6-11 通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度n 二、發(fā)光面二、發(fā)光面1. aD 人眼直接觀察時(shí)的主觀光亮度為：人眼直接觀察時(shí)的主觀光亮度為：24 . 1faLE用儀器觀察時(shí)：用儀器觀察時(shí)：LL儀aD24 . 1 fDLE儀2 a

24、DEE儀6-11 通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度n 二、發(fā)光面二、發(fā)光面1. aD 人眼直接觀察時(shí)的主觀光亮度為：人眼直接觀察時(shí)的主觀光亮度為：24 . 1faLE用儀器觀察時(shí)：用儀器觀察時(shí)：LL儀aa24 . 1 faLE儀儀 EE6-11 通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度n Conclusions:用望遠(yuǎn)鏡觀察點(diǎn)發(fā)光物體的主觀光亮度，大于用眼睛直徑觀察時(shí)用望遠(yuǎn)鏡觀察點(diǎn)發(fā)光物體的主觀光亮度，大于用眼睛直徑觀察時(shí)的主觀光亮度；的主觀光亮度；2. 用望遠(yuǎn)鏡觀察面發(fā)光物體的主觀光亮度，小于用眼睛直徑觀察時(shí)用望遠(yuǎn)鏡觀察面發(fā)光物體的主觀光亮度，小于用眼睛直徑觀察時(shí)的主觀光亮度的主觀光亮度.6-12 光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計(jì)算入12 11 2出反射損失反射損失傳輸吸收傳輸吸收6-12 光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計(jì)算n 一、反射損失一、反射損失定義：反射光通