電子科大應(yīng)用光學(xué)chapter_05_2014-2015

1、2014-2015學(xué)年23*光是具有能量的激光切割激光致盲太陽能熱水器*光學(xué)系統(tǒng)是能量傳輸系統(tǒng)光線方向代表能量傳輸方向4*光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須了解基本的光能問題系統(tǒng)傳遞能量的多少能量能否被接收器接收*前幾章主要研究光學(xué)系統(tǒng)的成像問題，集中于能量的傳播方向，本章解決能量的數(shù)量數(shù)量問題。5第一節(jié) 輻射量和光學(xué)量第二節(jié) 光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律第三節(jié) 成像系統(tǒng)像面的光照度6第一節(jié) 輻射量和光學(xué)量第二節(jié) 光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律第三節(jié) 成像系統(tǒng)像面的光照度7*可見光是波長在380760 nm范圍內(nèi)的電磁輻射。輻射量描述電磁輻射*可見光對(duì)人的視覺形成刺激。光學(xué)量以視覺感受表征可見光*可見光可用輻

2、射量和光學(xué)量來度量：作為純物理現(xiàn)象研究輻射量研究與視覺有關(guān)問題光學(xué)量立體角*發(fā)光體向周圍空間輻射能量，是立體空間問題立體空間問題。能量在立體錐角范圍內(nèi)傳播，其角度的量度不再是平面角而是立體角立體角。定義8*一個(gè)任意形狀的封閉錐面所包含的空間角，稱為立體角，。9立體角度量*大?。阂藻F頂O為球心，以r為半徑作一球面。此錐體的邊界在球面上所截的面積dS與半徑r的平方之比，即為立體角的大小。*單位：球面度（sr）*頂點(diǎn)周圍全部空間范圍內(nèi)的立體角2dSdr2244 srrr10立體角計(jì)算sinaridbrdi2sindSdididr2sindSa bridid11立體角計(jì)算當(dāng)U很小時(shí)2002sinsin

3、4sin2UiididdidiU2242UU12立體角計(jì)算*例利用積分求整個(gè)空間的立體角200sinsin4iididdidi13輻射學(xué)基本量輻射能，Qe*可見光輻射是一種能量傳播形式。*定義：以電磁輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，稱為輻射能，Qe。*單位：焦耳（J）輻射學(xué)基本量輻射能通量，e*定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間dt內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能dQe，稱為輻通量，e。*單位：瓦特（W）14eedQdt ee0d15輻射學(xué)基本量輻射出射度，Me*定義：微元面積dS發(fā)出的輻通量de。*單位：瓦特每平方米（W/m2）輻射照度，Ee*定義：微元面積dS接收的輻通量de。*單位：瓦特每平方米（W/m2）eed

4、MdSeedEdS16輻射學(xué)基本量輻射強(qiáng)度，Ie*定義：點(diǎn)光源在某一方向元立體角d內(nèi)發(fā)出的輻通量de，稱為輻強(qiáng)度，Ie。*單位：瓦特每球面度（W/sr）eedId17輻射學(xué)基本量輻射強(qiáng)度，Ie*點(diǎn)光源在一個(gè)較大的立體角范圍內(nèi)均勻輻射*點(diǎn)光源在整個(gè)空間范圍內(nèi)均勻輻射eeIeeI4*單位：瓦特每球面度平方米W/(srm2)18輻射學(xué)基本量輻射亮度，Le*定義：微元面積dS在和表面法線N成角方向的元立體角d內(nèi)發(fā)出的輻通量de，稱為輻亮度，Le。eecosdLdSd19輻射學(xué)基本量輻射亮度，Le*輻亮度Le可看成是微元面積dS在垂直于方向平面上的投影面積dSn在方向的輻射強(qiáng)度Ie。eecosdLdSd

5、neecosdSdSdIdeenILdS20光度學(xué)基本量光通量，v*表征可見光對(duì)人眼的視覺刺激程度，與輻通量e對(duì)應(yīng)。*單位：流明（lm）21光度學(xué)基本量發(fā)光強(qiáng)度，Iv*定義點(diǎn)光源在某一方向元立體角d內(nèi)發(fā)出的光通量dv，稱為發(fā)光強(qiáng)度，Iv。*單位：坎德拉（cd）*點(diǎn)光源發(fā)光強(qiáng)度Iv與光通量v的關(guān)系*各向均勻發(fā)光的點(diǎn)光源vvdIdvvdIdvvvv00siniIididdI d 2v4 sin2UII22光度學(xué)基本量發(fā)光強(qiáng)度，Iv*例1常用的220伏40瓦的鎢絲燈泡，發(fā)射的總光通量為480 lm，求其發(fā)光效率和平均發(fā)光強(qiáng)度I。48012 lm/W40480=38 cd4I23光度學(xué)基本量發(fā)光強(qiáng)度，

6、Iv*例2儀器使用6伏15瓦的鎢絲燈泡，其發(fā)光效率 = 14 lm/W。該燈泡和一聚光鏡聯(lián)用，燈絲中心對(duì)聚光鏡所張的孔徑角u sinU = 0.25。若燈絲可以看成各向均勻發(fā)光的點(diǎn)光源，求燈泡的總光通量以及進(jìn)入聚光鏡的光通量。15 14210 lm總220.25 2103.28 lm444u聚總總24光度學(xué)基本量光出射度，Mv*定義：微元面積dS發(fā)出的光通量dv。*單位：流明每平方米（lm/m2）光照度，Ev*定義：微元面積dS接收的光通量dv。*單位：勒克斯（lx）1 lx = 1 lm/m2vvdMdSvvdEdS25光度學(xué)基本量光照度，Ev*例40瓦的鎢絲燈泡，總光通量為500 lm，各

7、向發(fā)光強(qiáng)度相等。求以燈絲為中心，半徑分別為1 m，2 m，3 m 的球面上的光照度。v24ESrv1v22v3250045004239.8 lx9.9 lx4.504 lx04 3EEE26光度學(xué)基本量光亮度，Lv*定義：微元面積dS在和表面法線N成角方向的元立體角d內(nèi)發(fā)出的輻通量dv，稱為光亮度，Lv。*單位：坎德拉每平方米（cd/m2）vvcosdLdSd27光度學(xué)基本量光亮度，Lv*光亮度Lv可看成是微元面積dS在垂直于方向平面上的投影面積dSn在方向的發(fā)光強(qiáng)度Iv。vvcosdLdSdnvvcosdSdSdIdvvnILdS28光度學(xué)基本量光亮度，Lv光源光源光亮度（光亮度（cd/m2

8、）在地球上看到的太陽1.5109普通電弧1.5108鎢絲白熾燈燈絲（315）106太陽照射下漫射的白色表面3104白天的晴朗天空5103在地球上看到的月亮表面2.5103人工照明下書寫閱讀時(shí)的紙面1029光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光譜光效率函數(shù)*人眼可見光探測(cè)器人眼的視覺特性決定了光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系。*光譜光效率函數(shù)人眼的視覺不僅取決于觀察方向上的輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度（輻通量），而且與輻射的可見光的波長波長有關(guān)。光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光譜光效率函數(shù)*光譜光效率函數(shù)表征人眼對(duì)不同波長光響響應(yīng)的靈敏度應(yīng)的靈敏度的函數(shù)，稱為光譜光效率函數(shù)（視見函數(shù)），V()。30 觀察條件（明暗）不同，視見函數(shù)稍有不同：明

9、視覺V() & 暗視覺V()31光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光譜光效率函數(shù)*光譜光效率函數(shù) 明視覺峰值V(555 nm) = 1暗視覺峰值V (507 nm) = 1 通過光譜光效率函數(shù)，可比較不同波長的輻射體對(duì)人眼產(chǎn)生視覺的強(qiáng)弱。32光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光譜光效率函數(shù)*例明視覺條件下，波長為660 nm的紅光（V(660 nm) = 0.061）需要多少倍的功率（輻射通量）才能得到與555 nm的黃光同樣明暗程度的視覺刺激？輻射通量相差約16.4倍。116.40.06133光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光學(xué)量和輻射量的關(guān)系*單一波長明視覺暗視覺連續(xù)光譜明視覺暗視覺 veedKVdKVd veedK V

10、dK Vd 760ve380KVd 760ve380K Vd 光學(xué)量和輻射量的關(guān)系光學(xué)量和輻射量的關(guān)系*系數(shù)K, KK = 683 lm/W明視覺條件下， = 555 nm，V() = 1單色光的絕對(duì)光譜光效率值K = 1755 lm/W暗視覺條件下， = 507 nm，V() = 1單色光的絕對(duì)光譜光效率值*發(fā)光強(qiáng)度Iv與輻射強(qiáng)度Ie的關(guān)系 vevevedKVdddKVddIKVI34 veIKVI35第一節(jié) 輻射量和光學(xué)量第二節(jié) 光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律第三節(jié) 成像系統(tǒng)像面的光照度36點(diǎn)光源照度*已知：點(diǎn)光源S的發(fā)光強(qiáng)度I接收端元面積dS光源與接收面中心的距離r發(fā)光方向與接收面法線夾角

11、求：點(diǎn)光源S在接收面dS上的照度EdEdS22cosndSIdSdIdIrr2cosIEr37點(diǎn)光源照度 被照明表面的光照度EI，Ecos，E1 / r2照度平方反比定律 垂直照射（ = 0）Emax = I / r2掠射（ = 90）Emin = 0 光源大小遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于距離距離r時(shí)，此公式適用。2cosIEr38點(diǎn)光源照度*例直徑3 m的圓桌中心上方2 m吊一平均發(fā)光強(qiáng)度為200 cd的燈泡，求圓桌中心與邊緣的光照度。燈絲體積遠(yuǎn)小于2 m，可視為點(diǎn)光源。c22200cos50 lx2IEre222222002cos325.6 lx32222IEr39面光源照度*已知：面光源dSe的光亮度L

12、接收端元面積dS光源與接收面中心的距離r發(fā)光面法線、接收面法線與發(fā)光方向的夾角1, 2求：面光源dSe在dS上的照度EdEdS21e1e2coscoscosdSdLdS d= LdSre122coscosLdSEr40面光源照度 被照明表面的光照度ELEdSeEcos1, cos2E1 / r2 dS以相同光亮度L發(fā)光照射dSe，得到同樣的光照度E。e122coscosLdSEr41*元光管兩個(gè)面積很小的截面構(gòu)成的直紋曲面包圍的空間11222222222coscoscosdSdLdS d = LdSr22111111112coscoscosdSdLdS d = LdSr單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的

13、傳遞*光在元光管內(nèi)的傳播截面dS1, dS2；光亮度L1, L2；距離r；夾角1, 2通過dS1的光通量通過dS2的光通量42單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞12LL*光在元光管內(nèi)的傳播光在元光管內(nèi)傳播，無光能損耗，即d1 = d2。光在元光管內(nèi)傳播，光束的亮度不變亮度不變。43光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度*入射光束入射角i；立體角d；光亮度L出射光束出射角i1；立體角d1；光亮度L1折射光束折射角i；立體角d；光亮度L44光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度反射*對(duì)于入射光束對(duì)于反射光束2sindSdididr2sindSrididcossin cosdLidAd= LiidAdid11112sindS

14、di di dr2111sindSri di d11111111cossincosdLi dAdLii dAdi d光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度反射*根據(jù)反射定律，反射角等于入射角，i1 = i而d1 / d = (界面反射比)45反射反射光束亮度等于入射光束光束亮度等于入射光束亮度與界面反射比之亮度與界面反射比之積積。111111sincossin cosdLii dAdi dLdLiidAdidL1LL46光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射*對(duì)于入射光束對(duì)于折射光束2sindSdididr2sindSrididcossin cosdLidAd= LiidAdid2sindSdi di dr

15、2sindSri di d cossin cosdLi dAdLii dAdi d47光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射*根據(jù)能量守恒定律根據(jù)折射定律nsini = nsinisin cos1sin cosdLii dAdi ddLiidAdidcoscosnidini di 11dddd 22sin cossin cosniidinii di 光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射當(dāng) = 0時(shí)折射折射光束亮度與界面光束亮度與界面反射比以及界面兩邊反射比以及界面兩邊折射率有關(guān)折射率有關(guān)。48光束經(jīng)理想折射后，光亮度發(fā)生變化，但L / n2恒定不變恒定不變。221L nLn221nLLn 22LLnn4

16、9光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射 光在兩界面發(fā)生折射時(shí)，如不考慮光能損失，則在傳播方向上的任意截面內(nèi)光通量不變光通量不變，而光亮度發(fā)生改變光亮度發(fā)生改變，但 當(dāng)n = n時(shí)，L = L。與光在單一介質(zhì)元光管內(nèi)傳遞光在單一介質(zhì)元光管內(nèi)傳遞時(shí)結(jié)論一致。 當(dāng)光在界面發(fā)生反射（n = -n）時(shí)，L = L。2const.Ln50光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度折射*綜上，光在均勻介質(zhì)中均勻介質(zhì)中傳遞，或在兩介質(zhì)分界面發(fā)生兩介質(zhì)分界面發(fā)生反射反射時(shí)的光亮度變化，都可看作折射時(shí)的特例。折合光亮度不考慮光束傳播中的光能損失，則位于同一條光線上的各點(diǎn)，在該光線傳播方向上的折合光亮度折合光亮度L0不變不變。120

17、22212kkLLLLnnn光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度51折射*理想成像時(shí)，物點(diǎn)A發(fā)出的光線均通過像點(diǎn)A。物像光亮度關(guān)系*實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，須考慮光能損失。折射光的光亮度不僅與透射率大與透射率大小有關(guān)，也與介質(zhì)折射率小有關(guān)，也與介質(zhì)折射率相關(guān)相關(guān)；系統(tǒng)物像空間介質(zhì)相同時(shí)，像的像的光亮度永遠(yuǎn)小于物的光亮度永遠(yuǎn)小于物的光亮度光亮度。22nLLn 22nLLn 52余弦輻射體*發(fā)光強(qiáng)度的空間分布符合余弦定律的發(fā)光表面余弦輻射體（朗伯輻射體）。*發(fā)光強(qiáng)度矢量端點(diǎn)軌跡是一個(gè)與發(fā)光面相切的球面。任意方向上的光亮度余弦輻射體在各方向的余弦輻射體在各方向的光亮度光亮度相同。相同。cosNIIcoscons

18、t.coscosNNIIILdSdSdS53余弦輻射體*可以是自發(fā)光面（絕對(duì)黑體、平面狀鎢絲燈），也可以是透射或反射體漫透/反射體。54余弦輻射體 絕對(duì)黑體是理想的余弦輻射體； 平面狀鎢絲燈是雙面雙面余弦發(fā)光體； 一般漫反射面近似近似具有余弦輻射特性。55余弦輻射體*余弦輻射體的光通量02002cossincossincossinUdLdSddd d=dLdSdLLdSUdSdd 56余弦輻射體*余弦輻射體的光通量 發(fā)光面為單面單面 發(fā)光面為雙面雙面2sin 90LdSLdS2LdS57余弦輻射體*余弦輻射體的光通量 比較a.點(diǎn)光源點(diǎn)光源在孔徑角U內(nèi)的光通量b.余弦輻射面光源余弦輻射面光源在孔

19、徑角U內(nèi)的光通量24 sin2UI2sinLdSUIL58第一節(jié) 輻射量和光學(xué)量第二節(jié) 光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律第三節(jié) 成像系統(tǒng)像面的光照度59軸上像點(diǎn)的光照度60軸上像點(diǎn)的光照度*物方軸上點(diǎn)附近微面dS孔徑角U光亮度L像方軸上點(diǎn)附近微面dS孔徑角U光亮度L61軸上像點(diǎn)的光照度*物方進(jìn)入系統(tǒng)的光通量像方離開系統(tǒng)的光通量*光學(xué)系統(tǒng)透射比為，則2sinLdSU2sinL dSU2sinLdSU 62軸上像點(diǎn)的光照度*軸上像點(diǎn)的光照度2sindSELUdSdS 21dSdS221 sinELU 若系統(tǒng)滿足sinsinnUnU222 sinnELUn63軸上像點(diǎn)的光照度 孔徑角越大，像面照度越大。

20、 系統(tǒng)放大倍率越小，像面照度越大。2sinEU221 sinELU 21E64軸外像點(diǎn)的光照度*物面光亮度均勻軸上、軸外點(diǎn)發(fā)出的光束截面積相等UM 較小時(shí)222 sinMMnELUn0202cos2sintancossinco2scosMMDUUDUll65軸外像點(diǎn)的光照度E0像面軸上點(diǎn)照度 軸外像點(diǎn)光照度 軸上像點(diǎn)光照度 軸外像點(diǎn)光照度隨視場(chǎng)角 增大而降低220424 sincoscosMMEEnELUn0MEE0 0101020203030404050506060EM/E010.9410.7800.5630.3440.1710.06366光學(xué)系統(tǒng)的能量損失*任何光學(xué)系統(tǒng)都不可能完全透明（無

21、光能損失）由系統(tǒng)出射的光通量 進(jìn)入系統(tǒng)的 *造成光能損失的原因 透射面的反射損失 透射材料的吸收損失 反射面的光能損失1系統(tǒng)透射比系統(tǒng)透射比67光學(xué)系統(tǒng)的能量損失透射面的反射損失*系統(tǒng)反射比，1反射光通量入射光通量i 入射角i 折射角 光近似垂直界面入射22122sintan12 sintaniiiiiiii2nnnn68光學(xué)系統(tǒng)的能量損失透射面的反射損失*系統(tǒng)反射比 空氣-冕牌玻璃（n = 1.5）1 = 0.04空氣-火石玻璃（n = 1.6）2 = 0.05膠合面 069光學(xué)系統(tǒng)的能量損失透射面的反射損失*例一個(gè)系統(tǒng)有 N1 個(gè)空氣-冕牌玻璃界面，N2 個(gè)空氣-火石玻璃界面，入射光通量為 ，只考慮反射損失情況下，求系統(tǒng)的出射通量 121212110.96 0.95