應(yīng)用光學(xué)第五章光度學(xué)

應(yīng)用光學(xué)第五章光度學(xué)第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日作業(yè)：

1.有兩薄透鏡L1和L2的口徑分別為6cm和4cm,,在L1和L2距L2為2cm處有一直徑為6cm的小孔光闌，物點位于L1前方12cm處，求孔徑光闌、入射瞳孔、出瞳的位置及大小2.(選作)兩個薄透鏡L1、L2的孔徑為4.0cm，L1為凹透鏡，L2為凸透鏡，它們的焦距分別為8cm和6cm，鏡間距離為3cm，光線平行于光軸入射。求系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳及視場光闌

3.照相物鏡，對2m遠(yuǎn)處目標(biāo)照相，假定底片上像點彌散斑直徑小于0.05mm仍可認(rèn)為成像清晰，問物空間能清晰成像的最遠(yuǎn)、最近距離各位多少？第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.人工照明下閱讀時，紙面光亮度應(yīng)大于10cd/m2,假定白紙的漫反射系數(shù)為0.75，用60w充氣鎢絲燈照明，光視效能為15lm/w,求當(dāng)燈泡離紙面距離不大于多少時，才能產(chǎn)生所要求的光亮度（假定紙面與照射光線方向垂直）？5.面積為1cm2的單面發(fā)光圓盤是一個朗伯光源，光亮度為1500lm/(m2·sr),求①最大發(fā)光強(qiáng)度I0，與發(fā)光面法線30度角方向上的發(fā)光強(qiáng)度I30②圓盤發(fā)出的總光通量及光出射度第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日§5.1輻射度學(xué)與光度學(xué)中基本量光是具有能量的激光焊接，激光致盲，太陽能熱水器光學(xué)系統(tǒng)是能量傳輸系統(tǒng)前面幾章研究了光學(xué)系統(tǒng)的成像問題，只是研究了能量的傳播方向，本章解決能量的數(shù)量問題第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日可見光是波長在400nm-760nm范圍內(nèi)的電磁輻射，是能對人的視覺形成刺激，并被能被人感受到的電磁輻射，按視覺響應(yīng)原則建立的表征可見光的量為光學(xué)量描述電磁輻射的物理量為輻射量，也可描述可見光可見光可用輻射量和光學(xué)量兩種量值系統(tǒng)來度量第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日1.立體角發(fā)光體都是在它周圍一定空間內(nèi)輻射能量的，是立體空間問題定義：一個任意形狀的封閉錐面所包含的空間計算公式：dΩ=ds/r2單位：以錐頂為球心，以r為半徑作一圓球，如果錐面在圓球上所截出的面積等于r2,則該立體角為一個“球面度”（sr）。例：整個球面的面積4πr2,則這個空間為4π球面度假定一個圓錐面的半頂角為α,該圓錐所包含的立體角為α較小時，Ω第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.輻射度學(xué)中的基本量輻射能輻射通量輻射強(qiáng)度輻出射度輻照度輻亮度UΦeIeMeEeLe光能量光通量發(fā)光強(qiáng)度光出射度光照度光亮度QΦIMEL輻射量和光學(xué)量的對應(yīng)關(guān)系第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日3.視見函數(shù)人眼是一種可見光探測器輸入：用輻射度量表示的可見光輻射輸出：用光學(xué)量表示的光感受人眼視覺的強(qiáng)弱：輻射在該方向上的輻射強(qiáng)度輻射的波長具有相同輻射量而波長不同的可見光分別作用于人眼，人所感受到的明暗程度不同第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日視見函數(shù)V（λ）：表示人眼對不同波長輻射的敏感度差別人眼視覺系統(tǒng)決定的明視覺視見函數(shù)，暗視覺視見函數(shù)規(guī)定V（555）＝1，555nm人眼最靈敏的波長V（λ）＝I（λ）/I(555)光學(xué)量與輻射量間的關(guān)系dΦ=Km·dΦe·Vλ第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.光度學(xué)中的基本量光能量依人眼的感覺強(qiáng)弱，進(jìn)行量度的輻射能,Q光通量－描寫輻射通量引起人眼的視覺強(qiáng)度Φ=dQ/dt，單位時間內(nèi)，光源發(fā)出或通過一定面積的光能對單色光源：dΦ=Km·dΦe·Vλ單位：流明lmKm的規(guī)定：1瓦555nm的單色光輻射通量＝683流明的光通量，Km＝683流明/瓦，是光通量與功率的轉(zhuǎn)換當(dāng)量第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日發(fā)光效率（光視效能）η＝光源的光通量/該光源的耗電功率，表示發(fā)光體的發(fā)光特性流明/瓦，輻射體每消耗1瓦電功率所發(fā)出的光通量例：100瓦鎢絲燈，光通量為1500流明，則η＝15lm/w40瓦熒光燈，光通量為2000流明，則η＝50lm/w光強(qiáng)度－光源在各個方向上的發(fā)光特性I＝dΦ/dΩ，點光源沿某一給定方向上在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量 單位：坎德拉Cd，1cd=1lm/sr，國際單位制中七個基本單位之一，光度學(xué)中其它單位都是導(dǎo)出單位

ΩrdΦ第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日光出射度－光源上不同位置的發(fā)光特性用單位面積所發(fā)射的光通量描寫光源上某點的發(fā)光本領(lǐng)

M＝dΦ/ds，面光源上A附近的面積元ds輻射的光通量單位：勒克斯，1lx=1lm/m2AdΦds透射面或反射面接受光通量，又可作為二次光源發(fā)出光通量。M=ρE，ρ為透射率或反射率，與波長有關(guān)，因而物體呈現(xiàn)彩色。對所有波長ρ趨于0的物體，黑體第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日光照度－被照表面不同位置的收光特性單位面積上接收到的光通量大小 E＝dΦ′/ds′

單位：勒克斯，1lx=1lm/m2

dΦ′Ads′第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日光亮度－發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)光特性L＝I/dsn=I/（ds·cosθ）L＝I/dsn=dΦ/（ds·cosθ·dΩ）發(fā)光面上單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量單位：坎德拉/米2,cd/m2，熙提（st）,1st=1cd/cm2

人們常說40w日光燈比40w鎢絲燈亮，是否說明日光燈的光亮度比鎢絲燈大？這里所說的“亮”是指什么？物體的光亮度就是人眼感到的明亮程度，這種說法對嗎？第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日例：He-Ne激光器：Pλ＝10mw,λ=632.8nm,Vλ=0.24,d=1mm,θ=1mSr(毫弧度)，求LdΦ=683VλdΦe=683×0.24×10×10-3=1.6152流明dΩ=πθ2=3.14×(10-3)2L=dΦ/（ds·dΩ)=6.553×107stL太陽＝1.5×105st

LHe-Ne=440L太陽“勿對著眼睛照射”“激光致盲武器”第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日§5.2朗伯余弦定律及朗伯源發(fā)光強(qiáng)度空間分布可用式Iθ＝INcosθ表示的的發(fā)光表面只有絕對黑體是理想的余弦輻射體，具有粗糙表面的發(fā)光體與余弦發(fā)光體接近對朗伯源，發(fā)光強(qiáng)度向量Iθ端點軌跡是一個與發(fā)光面相切的球面余弦輻射體在和法線成任意角度方向的光亮度朗伯源的光亮度Lθ與方向無關(guān)，只是I隨θ變化而變化第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日余弦輻射體的光出射度M與光亮度L的關(guān)系

L＝M/π，余弦輻射體的光亮度等于光出射度的π分之一單位面積的余弦輻射體，所發(fā)出的光通量為它在法線方向上，單位立體角內(nèi)發(fā)出光通量的π倍。若光源兩面發(fā)光，則M＝2π

L第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日本身并不發(fā)光，受發(fā)光體光照射經(jīng)投射或反射形成的余弦輻射體，稱做漫透射體和漫反射體漫反射體稱做朗伯散射表面或全擴(kuò)散表面設(shè)全擴(kuò)散表面dA’上的光照度為E，ρ為反射系數(shù)，L和E的關(guān)系第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日§5.3光照度計算點光源點光源S，r處有dA平面，I，法線與r成θ角求點光源在dA面上形成的照度平方反比定律實際應(yīng)用的光照度公式第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日光源大小與距離l比較起來不大的情況，適用單位：cd,m,lx;cd,cm,ph測量光源的發(fā)光強(qiáng)度光照度計第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日面光源的光照度

dAs光源的發(fā)光面積，光源亮度L，在距離為r的dA平面上形成的光照度E注:dA以相同L發(fā)光照射dAs,則得出同樣的光照度，即二者的L相同，可互易dΩ為dA對O點所張立體角第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日§5.4光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度均勻透明介質(zhì)情形折射情形反射情形第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日假定A1A2直線為均勻透明介質(zhì)中的一條光線討論：直線上任意兩點A1和A2在光線前進(jìn)方向上的L1和L2之間的關(guān)系

均勻透明介質(zhì)情形A1A2第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日dS1輸入到dS2內(nèi)的光通量為dΦ1從dS2射出的dΦ2若不考慮光能損失光在同一介質(zhì)中傳播，忽略散射及吸收，則在傳播中的任一截面上，光通量與亮度不變。光束的亮度就是光源的亮度

第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日dA位于n1介質(zhì)內(nèi)。入射光束的光亮度L1，在O點附近取一微元dA，則過dA輸出的光通量：dA看作位于n2介質(zhì)內(nèi)。dA輸出的光通量：不考慮界面損失，也不考慮光束在傳播中的光能損失折射情形第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日當(dāng)光線處于同一介質(zhì)，同前L2＝L1反射情形，L2＝L1綜上，光束在均勻介質(zhì)中傳播，或在兩種介質(zhì)分界面上的反射時的光亮度變化，都看成折射時的特例折合光亮度如果不考慮光束在傳播中的光能損失，則位于同一條光線上的所有各點，在該光線傳播方向上的折合光亮度不變第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日理想成像，物點A發(fā)出的光線均通過像點A’，物和像的光亮度實際光學(xué)系統(tǒng)，考慮光能損失當(dāng)系統(tǒng)物象空間介質(zhì)相同時，像的光亮度永遠(yuǎn)小于物的光亮度折射光的光亮度不僅與透射率的大小有關(guān)，也與二介質(zhì)的折射率密切相關(guān)第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日§5.5成像系統(tǒng)像面的光照度假設(shè)物體為余弦輻射體（它有L是定值的特點）象平面上光軸周圍微小面元dA’所輸出的光通量軸上像點第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日阿貝正弦條件第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日軸外點ω’軸外像點M’的主光線和光軸間的夾角ω’軸外點M的象方視場角U’M軸外點的象方孔徑角當(dāng)物面亮度均勻時，第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日ω’軸外像點的光照度隨視場角的增大而降低第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日照相物鏡象平面的光照度像平面近似位于物鏡的像方焦平面上D/f’稱為物鏡的相對孔徑，是照相物鏡的重要光學(xué)特性改變光圈改變物鏡的相對孔徑分度的方法：每一刻度值對應(yīng)的象平面光照度依次減少一半，相對孔徑按等比級數(shù)變化光圈值按等比級數(shù)變化第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日底片單位面積上接受的曝光量H＝Et為了使底片曝光，要求底片達(dá)到一定的曝光量。光圈下降一檔，象平面的光照度E就減小一半，欲獲得同樣的曝光量，曝光時間就需要增加一倍例在晴朗的白天進(jìn)行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量H＝0.4lx·s，假定取曝光時間t=1/100s,物鏡的透過率τ=0.85,問應(yīng)選多大的光圈數(shù)？（晴朗白天天空的光亮度為5000cd/m2)第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日用一投影物鏡將熒光屏上的圖像放大20倍成像在屏幕上,如圖所示,假定物鏡焦距為150mm，相對孔徑1：1，透過率0.8。要求屏幕中心光照度不小于30lx,求熒光屏的光亮度多大？第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日太陽表面的輻亮度為2*107w/（sr*m2),要求通過聚光鏡所成亮斑像的中心輻照度為1.5*107w/m2，問聚光鏡相對孔徑應(yīng)取多大？假定聚光鏡焦距為50mm,問集中在太陽光斑像上的輻射通量多大?第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日§5.6人眼的主觀光亮度當(dāng)人眼直接觀察外界物體時，外界物體在視網(wǎng)膜上的像對人眼的刺激強(qiáng)度稱為“主觀光亮度”發(fā)光點在視網(wǎng)膜上成的像小于1個視神經(jīng)細(xì)胞的物體稱之為“發(fā)光點”，例如星星發(fā)光點對人眼的刺激強(qiáng)度應(yīng)取決于該細(xì)胞接收的光通量晚上觀察發(fā)光強(qiáng)度相同、距離不同的兩個電燈時距離遠(yuǎn)的感覺暗，近的感覺亮第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日發(fā)光面在人眼視網(wǎng)膜上所成像有較大面積的發(fā)光體稱作“發(fā)光面”，太陽、月亮等發(fā)光面對人眼的刺激強(qiáng)度取決于視網(wǎng)膜上的光照度同時觀察兩個發(fā)光面時，瞳孔的直徑a顯然相同，不論物體的距離如何，感覺明亮的發(fā)光面的光亮度就一定大(1)與l無關(guān)（2）a/f’不變時，與L成正比（3）L一定時，a增大，主觀亮度增大第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日§5.6望遠(yuǎn)系統(tǒng)的主觀光亮度討論使用望遠(yuǎn)鏡直接觀察時人眼的主觀光亮度發(fā)光點儀器觀察時儀器的出瞳直徑D’，眼睛的瞳孔直徑aD’≤a,則進(jìn)入儀器的光通量都能進(jìn)入眼睛D’>a,則進(jìn)入儀器的光通量不能全部進(jìn)入眼睛人眼直接觀察時第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日①D’≤a假定儀器的入瞳直徑為D,發(fā)光點的發(fā)光強(qiáng)度為I，它離觀察者的距離為l,則進(jìn)入儀器的光通量進(jìn)入眼睛的光通量討論：a.當(dāng)dΦ’儀和I一定時，觀察距離l和D成正比使用望遠(yuǎn)鏡以后，有可能大大增加觀察距離為了觀察到更遠(yuǎn)的宇宙星體，要求采用更大口徑的望遠(yuǎn)鏡b.在一定的觀察距離l內(nèi)，D越大，I可以越小使用大口徑的望遠(yuǎn)鏡可以觀察到更為微弱的發(fā)光點c.使用望遠(yuǎn)鏡可以大大提高對發(fā)光點的主觀光亮度第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日②D’>a進(jìn)入眼睛的有效光束由眼睛的瞳孔所確定，有效的入射光束口徑Dα=βα進(jìn)入眼睛的有效光通量討論：當(dāng)D〉a時，通過望遠(yuǎn)鏡觀察時的主觀亮度等人眼直接觀察時主觀亮度的Γ2倍第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日發(fā)光面①D’<a人眼直接觀察通過儀器觀察通過儀器觀察的主觀光亮度E’’大大小于用眼睛直接觀察的主觀光亮度E’第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日②D’≥a通過儀器觀察E’’<E’當(dāng)使用望遠(yuǎn)鏡觀察發(fā)光面時的主觀光亮度,永遠(yuǎn)小于眼睛直接觀察時的主觀光亮度.和發(fā)光點的情形不同第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日§5.7光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計算光能損失的原因①透射面的反射損失②透射材料的吸收損失③反射面的光能損失任何實際光學(xué)系統(tǒng)都不可能完全透明Ф’永遠(yuǎn)小于Ф，即系統(tǒng)的透過率τ永遠(yuǎn)小于1為求出光學(xué)系統(tǒng)成像的實際光亮度和光照度，必須求出τ第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日①透射面的反射損失第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日P代表光通過單位厚度1cm介質(zhì)層時出射光通量與入射光通量之比，稱為介質(zhì)的透明率②透射材料的吸收損失③反射面的光能損失第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日造成光能損失的主要原因是反射損失幾乎所有的光學(xué)零件表明都要鍍增透膜第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日第六章色度學(xué)基礎(chǔ)色度學(xué)是對顏色刺激進(jìn)行測量、計算和評價的學(xué)科第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日§6.1顏色的分類和特性一顏色及其分類顏色：不同波長可見光輻射作用于人的視覺器官后所產(chǎn)生的心里感受顏色和波長的關(guān)系并不是完全固定的光譜上除572nm（黃）、503nm(綠)和478nm(藍(lán))是不變的顏色外，其它顏色在光強(qiáng)增加時都略向紅色或藍(lán)色變化“貝楚德－樸爾克效應(yīng)”色度學(xué)則是將主觀的顏色感受和客觀的物理刺激聯(lián)系起來的科學(xué)第四十九頁