光學(xué)設(shè)計(jì)光度學(xué)

光學(xué)設(shè)計(jì)光度學(xué)1可見(jiàn)光粒子-反射、折射、吸收—幾何光學(xué)波動(dòng)-干涉、衍射、偏振(橫波)--波動(dòng)光學(xué)—電磁波波粒二象性—光量子(愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)解釋)紅780nm~630nm橙630nm~590nm黃590nm~570nm綠570nm~500nm青500nm~460nm藍(lán)460nm~430nm紫430nm~380nm1可見(jiàn)光可見(jiàn)光譜:在電磁輻射范圍內(nèi),只有從380-780(nm)波長(zhǎng)得電磁輻射能夠引起人得視覺(jué),這段波長(zhǎng)叫做可見(jiàn)光譜。1可見(jiàn)光光學(xué)輻射:指波長(zhǎng)為1納米到1毫米范圍得電磁輻射,她主要包括紫外輻射、可見(jiàn)輻射和紅外輻射等部分。分為:可見(jiàn)輻射和不可見(jiàn)輻射?？梢?jiàn)輻射(可見(jiàn)光):對(duì)于人來(lái)說(shuō),能為眼睛感受并產(chǎn)生視覺(jué)得光學(xué)輻射稱為可見(jiàn)輻射。這種來(lái)及外界得可見(jiàn)光輻射刺激人得視覺(jué)器官,在腦中產(chǎn)生光、顏色、形狀等視覺(jué)印象,而獲得對(duì)外界得認(rèn)識(shí)。不可見(jiàn)輻射(紫外線、紅外線):不能為眼睛感受,也不產(chǎn)生視覺(jué)得光學(xué)輻射稱為不可見(jiàn)輻射。這種輻射刺激眼睛時(shí)不產(chǎn)生視覺(jué),而作用在皮膚上有時(shí)會(huì)產(chǎn)生其她感覺(jué),如紫外線產(chǎn)生疼痛感覺(jué),紅外線長(zhǎng)生灼熱感覺(jué)。2人得視覺(jué)1、視覺(jué)光作用于視覺(jué)器官,使其感受細(xì)胞興奮,其信息經(jīng)視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)加工后便產(chǎn)生視覺(jué)。人得視覺(jué)器官不但反映光得強(qiáng)度,而且也能反映光得波長(zhǎng)特性。前者表現(xiàn)為亮度得感覺(jué),后者表現(xiàn)為顏色得感覺(jué)。通過(guò)視覺(jué),人和動(dòng)物感知外界物體得大小、明暗、顏色、動(dòng)靜,獲得對(duì)機(jī)體生存具有重要意義得各種信息,至少有80％以上得外界信息經(jīng)視覺(jué)獲得,視覺(jué)就是人和動(dòng)物最重要得感覺(jué)。2人得視覺(jué)視神經(jīng)盤(視神經(jīng)乳頭)(盲點(diǎn))黃斑(密集著椎體細(xì)胞得區(qū)域,顏色呈黃色)中央凹(最敏感得地方)視神經(jīng)乳頭雙極細(xì)胞神經(jīng)節(jié)細(xì)胞桿體細(xì)胞錐體細(xì)胞錐體與桿體細(xì)胞的混合系統(tǒng)2人得視覺(jué)光線進(jìn)入人眼得視網(wǎng)膜,桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞起作用。桿體細(xì)胞和錐體細(xì)胞經(jīng)電化學(xué)作用產(chǎn)生脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)通過(guò)視神經(jīng)傳送到大腦。從而產(chǎn)生視覺(jué)效應(yīng),使人們能看到物體。大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)1、2人得視覺(jué)2、人眼視網(wǎng)膜上有二種感光細(xì)胞:桿體細(xì)胞和錐體細(xì)胞。

桿體細(xì)胞:只在較暗條件下(在亮度為0、001cd/m2以下)起作用,適宜于微光視覺(jué),感光靈敏度高,僅能分辨明暗,不能分辨顏色和細(xì)節(jié)。桿體細(xì)胞不能分辨色彩得原因就是因?yàn)樗缓幸环N類型得感光色素,這些感光細(xì)胞集中在視網(wǎng)膜得外圍部分,引起得就是外圍視覺(jué)。2人得視覺(jué)

錐體細(xì)胞:在光亮(亮度為3cd/m2以上)條件下,能夠分辨顏色和物體得細(xì)節(jié)。其原因:在高亮度條件下,桿體細(xì)胞響應(yīng)飽和,視覺(jué)完全由錐體細(xì)胞引起,錐體細(xì)胞可能含有敏紅素、敏綠素和敏藍(lán)素三種感光色素中得一種,分別稱為L(zhǎng)型(長(zhǎng)波,590nm)、M型(中波,540nm)以及S型(短波,450nm)錐體細(xì)胞。由于光譜靈敏度不同,這些感光色素使我們能夠區(qū)分色彩。錐體細(xì)胞集中在視網(wǎng)膜得中心部分,密度在外圍下降。錐體細(xì)胞靈敏度較低但空間分辨率較高。2人得視覺(jué)3、明視覺(jué)、暗視覺(jué)、中間視覺(jué)1912,馮·凱斯(J、VonKries)根據(jù)上述現(xiàn)象,提出了視覺(jué)得二重功能學(xué)說(shuō),認(rèn)為視覺(jué)有兩重功能:視網(wǎng)膜中央得“錐體細(xì)胞視覺(jué)”和視網(wǎng)膜邊緣得“桿體細(xì)胞視覺(jué)”,也叫做“明視覺(jué)”和“暗視覺(jué)”。當(dāng)環(huán)境亮度介于0、001cd/m2和3cd/m2之間稱為中間視覺(jué)。此時(shí)視網(wǎng)膜上得錐體細(xì)胞和桿體細(xì)胞同時(shí)起作用,藍(lán)光比紅光更為明亮。1、2人得視覺(jué)總結(jié):視網(wǎng)膜:桿體細(xì)胞+錐體細(xì)胞

桿體細(xì)胞:感光靈敏度高(暗視覺(jué)),不能分辨細(xì)節(jié),不能分辨色彩。錐體細(xì)胞:感光靈敏度低(明視覺(jué)),能分辨細(xì)節(jié),能分辨色彩。錐體細(xì)胞可分敏紅、敏綠、敏藍(lán)細(xì)胞2人得視覺(jué)4、視覺(jué)適應(yīng)在變化得各種亮度、光譜分布、視覺(jué)刺激下,視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地做出調(diào)整以適應(yīng)這種變化過(guò)程。明適應(yīng):黑暗環(huán)境到明亮環(huán)境暗適應(yīng):明亮環(huán)境到黑暗環(huán)境明適應(yīng)得時(shí)間較短,通常為10-3s-2min暗適應(yīng)得時(shí)間較長(zhǎng),通常為20分鐘到一個(gè)小時(shí)引起光感覺(jué)得最小亮度和最低光出射角度應(yīng)用:隧道路燈照明3光度學(xué)基礎(chǔ)3、1輻射度學(xué)與光度學(xué)3、2輻通量與光通量3、3發(fā)光強(qiáng)度3、4亮度3、5光出射度3、6照度3、7發(fā)光效率3、8各個(gè)物理量得關(guān)聯(lián)3、1輻射度學(xué)與光度學(xué)輻射度學(xué)(Radiometry):當(dāng)外界物理輻射以能量(或功率)為單位來(lái)評(píng)價(jià)時(shí),定義為輻射量,這就是純物理量,屬于輻射度學(xué)研究得范疇。光度學(xué)(Photometry):物理輻射作用在觀察者得視覺(jué)器官就是產(chǎn)生光得感覺(jué),當(dāng)輻射量與人眼得視覺(jué)特性相聯(lián)系而被評(píng)價(jià)時(shí),定義為光度量,屬于光度學(xué)研究得范疇。光度學(xué)處理得就是光亮度得視覺(jué),測(cè)量得就是視覺(jué)響應(yīng)。3、1輻射度學(xué)與光度學(xué)3、2輻通量與光通量1、輻通量Φe(輻射功率):單位時(shí)間內(nèi)光源發(fā)出或通過(guò)一定接收截面得輻射能,單位為W(瓦特)。譜密度,光譜分布3、2輻通量與光通量3、2輻通量與光通量3、2輻通量與光通量3、2輻通量與光通量2、光譜光效率函數(shù)用來(lái)度量輻射能所引起得視覺(jué)能力得量稱為光譜光效率函數(shù),(即光譜不同波長(zhǎng)得能量對(duì)人眼產(chǎn)生光感覺(jué)得效率)。她主要就是評(píng)價(jià)人體視覺(jué)對(duì)各種顏色得靈敏度。光譜光效率函數(shù)就是光度學(xué)計(jì)算得重要依據(jù)。1933年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)采用光譜光效率函數(shù)作為光度量得標(biāo)準(zhǔn)。1、3、2輻通量與光通量InternationalmissiononIllumination(國(guó)際照明委員會(huì)),簡(jiǎn)稱CIE一般用表示明視覺(jué)的光譜光效率函數(shù)；明視覺(jué)光譜光效率函數(shù)是1924年國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)根據(jù)吉普遜(Gibson)等幾組科學(xué)家對(duì)200多名觀察者測(cè)定的結(jié)果推薦的，適合于2度視場(chǎng)觀察條件，其峰值在555nm，也就是說(shuō)對(duì)波長(zhǎng)為555nm的黃綠光的感受效率最高，同樣對(duì)其它波長(zhǎng)的光的感受效率較低。暗視覺(jué)光譜光效率函數(shù)(ScotopicVision)是CIE于1951年推薦的，是在克拉福特(Craford)和沃爾特(Wald)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上綜合后推出的，它的峰值在507nm，也就是說(shuō)對(duì)波長(zhǎng)為507nm的藍(lán)綠光的感受效率最高。一般用表示暗視覺(jué)的光譜光效率函數(shù)；光譜光視效率3、2輻通量與光通量光譜光效率函數(shù)歸一化:光譜光視效率與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線在月色朦朧得夜晚,總感到周圍一切籠罩一層藍(lán)灰色得色彩3、2輻通量與光通量3、光通量(Flux)Φv(流明,lm)按照CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者得視覺(jué)特性來(lái)評(píng)價(jià)得輻射通量,即為光通量,她表示光源得發(fā)光能力。Km為輻射得光譜光效能得最大值,單位:流明每瓦特(lm/W)。3、2輻通量與光通量3、2輻通量與光通量例如:對(duì)于555nm得綠光,1瓦特=683流明,440nm得光得視覺(jué)函數(shù)為0、023,那么,1W得440nm得光對(duì)應(yīng)多少流明？683lm/W*1W*0、023=15、71lm3、2輻通量與光通量常用燈具得電功率與光通量3、3發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度(LuminousIntensity):點(diǎn)光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射得光通量,也可解釋為在一定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出得光通量。單位:流明/球面度(lm/sr)或坎德拉(cd)?？驳吕褪菄?guó)際單位制(SI)得基本單位,等于一個(gè)發(fā)射頻率5、4X1014Hz(555nm)得單色光,輻射強(qiáng)度為1/683(W/sr)得光源得發(fā)光強(qiáng)度。注意:發(fā)光強(qiáng)度得概念不能直接應(yīng)用于不可看作為點(diǎn)光源得眾多光源。3、3發(fā)光強(qiáng)度國(guó)際單位制(SI)7個(gè)基本單位長(zhǎng)度單位——米(m)質(zhì)量單位——千克(kg)時(shí)間單位——秒(s)電流單位——安培(A)熱力學(xué)溫度單位——開(kāi)爾文(K)物質(zhì)得量單位——摩爾(mol)發(fā)光強(qiáng)度單位——坎德拉(cd)3、3發(fā)光強(qiáng)度國(guó)際單位制(SI)2個(gè)輔助單位平面角單位—弧度(1rad=180°/3、142)立體角單位—球面度(sr)3、3發(fā)光強(qiáng)度3、3發(fā)光強(qiáng)度3、3發(fā)光強(qiáng)度3、3發(fā)光強(qiáng)度3、4亮度1、亮度(Luminance):離開(kāi),到達(dá)或者穿過(guò)某一表面,單位立體角單位投影面積上得光通量。單位:坎德拉每平方米(cd/m2,也可用尼特(nt)表示)。Iv就是指擴(kuò)展光源表面得每塊面元dS沿某方向r有一定得發(fā)光強(qiáng)度3、4亮度亮度可描述有限尺寸得發(fā)光體發(fā)出得可見(jiàn)光在空間分布得情況,也可描述光路中得任意一個(gè)截面得光分布。一個(gè)不發(fā)光但反射得物體明亮程度得視覺(jué)可以用她對(duì)某個(gè)光源發(fā)射光得反射來(lái)表征。當(dāng)亮度低于10-3cd/m2時(shí),暗視覺(jué)其主要作用,若亮度超過(guò)3cd/m2,則完全就是明視覺(jué)。從海平面上看太陽(yáng)得平均亮度為1、6X109cd/m2月亮得亮度大約就是2500cd/m2蠟燭得亮度約為(0、5-1、0)X104cd/m2藍(lán)天得亮度為0、8X104cd/m2。無(wú)月得夜空約10-4cd/m23、4亮度3、4亮度表室內(nèi)外照明得亮度分布情況亮度(cd/m2)亮度分類1推薦得道路亮度2剛能識(shí)別人臉部特征得亮度51020能滿意辨認(rèn)50墻和天棚得優(yōu)選亮度優(yōu)選得作業(yè)亮度1002005001,000一般照明燈具允許得亮度值2,0005,00010,0003、4亮度2、朗伯(Lambert)定律—余弦發(fā)射體、漫反射體如果有一個(gè)面積為A得均勻發(fā)光面,她在某一方向上得亮度為L(zhǎng)

,則她在這個(gè)方向上得發(fā)光強(qiáng)度I

應(yīng)為

:發(fā)光面得法線與所指定得方向得夾角。假若這個(gè)面光源得亮度在各個(gè)方向上都相等,即亮度不依賴于方向角,則現(xiàn)定義I0為這個(gè)面光源法線方向上得發(fā)光強(qiáng)度,即I0＝L·A。上式變?yōu)?、4亮度一個(gè)朗伯發(fā)射面,她向空間兩個(gè)任意

1和2之間所發(fā)出得光通量:對(duì)于半球體應(yīng)取

1=0°,2=90°,可得若朗伯發(fā)射面得面積為A,則因I0＝LA,可得若朗伯發(fā)射面為漫反射得二次發(fā)光面,其入射照度為E,則3、4亮度朗伯發(fā)光體:太陽(yáng)(天空)、LED朗伯反射體:積雪、刷粉得白墻、粗糙白紙INIθθ(a)INIθθ(b)3、5光出射度光出射度:光源表面上單位面積發(fā)出得光通量,單位為lm/m2。因透射或反射得二次發(fā)光面:照度:被照面所接收到得光通量得表面密度,光出射度:發(fā)光面發(fā)出得光通量得表面密度。3、5光出射度理想漫反射面得出射度:3、6照度1、照度(Illuminance):投射在單位面積上得光通量。單位:流明每平方米(lm/m2,也稱為勒克斯lx,即1lm/m2=1lx)注意:1)1lx得照度就是比較小得,在此照度下只能大致辨認(rèn)周圍物體。通常,滿月夜晚得地面照度約為0、2lx,白天采光良好得室內(nèi)照度為100－500lx,晴朗得室外太陽(yáng)非直射下得地面照度為103－104lx,而中午太陽(yáng)直射下得地面照度可達(dá)105lx。2)照度越高,眼睛分辨細(xì)節(jié)、低反差以及色調(diào)得能力越強(qiáng)。因此,不同活動(dòng)需要不同得照度級(jí)別。3、6照度在通常照明條件下,將20lx得平均照度取為非工作區(qū)得最小照度,她相當(dāng)于剛能識(shí)別人得臉部特征得約為1cd/m2得亮度。對(duì)于長(zhǎng)期有人活動(dòng)得房間,其最小照度要求為200lx得平均照度,此時(shí)能輕松而清楚得看到人得面部特征。對(duì)于學(xué)習(xí)和辦公等場(chǎng)合,要求得最低有500lx得照度。對(duì)于工作區(qū)得照明,為獲得滿意得視覺(jué)效果,優(yōu)先選擇得照度范圍為1000－2000lx。但從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能得角度考慮,對(duì)于一般得作業(yè)照明,所選擇得照度值比此范圍低。3、6照度表對(duì)不同類型活動(dòng)推薦得照度范圍活動(dòng)類型照度(lx)方向指示和簡(jiǎn)單得視覺(jué)工作(公共空間)30-100普通視覺(jué)工作(商業(yè)、工業(yè)和居室應(yīng)用)300-1000專門視覺(jué)工作,包括與很小或低反差物件有關(guān)得工作3000－10,0003、6照度表對(duì)各種場(chǎng)合和勞動(dòng)形式得推薦照度值場(chǎng)合或活動(dòng)推薦照度(lx)戶外和非工作區(qū)域20(在通常照明條件下非工作區(qū)得最小照度)通行區(qū)域,簡(jiǎn)單定向或短暫停留100不連續(xù)用于工作目得得房間150視覺(jué)簡(jiǎn)單得作業(yè)300一般視覺(jué)作業(yè)500對(duì)視覺(jué)有要求得作業(yè)750有困難得視覺(jué)要求得作業(yè)1000有特殊視覺(jué)要求得作業(yè)1500非常精確得視覺(jué)作業(yè)20003、6照度日照環(huán)境下得照度3、6照度照度與易讀性3、6照度2、點(diǎn)光源產(chǎn)生得照度一般當(dāng)光源得最大尺寸不超過(guò)光源至被照平面間得最小距離得五分之一(立體角小于0、002sr)時(shí),就可將此光源看作點(diǎn)光源。N平面得P點(diǎn)照度(法線照度)—平方反比定律H平面得P點(diǎn)照度—余弦定律3、6照度S1面：E1==；S2面：E2=

；

∵S1=S2cosθ∴

顯而易見(jiàn)：E2=E1cosθ

將它與照度的平方反比定律結(jié)合起來(lái)就有：3、6照度H平面得P點(diǎn)照度—余弦立方定律應(yīng)用:蝙蝠翼配光曲線計(jì)算h為光源與被照平面得距離如果H為水平面,則Evh可稱為P點(diǎn)得水平照度。3、6照度P點(diǎn)垂直照度(即V平面得P點(diǎn)照度)EvvEvvEvvV平面法線照度:垂直面照度:水平面照度:3、6照度點(diǎn)光源得尺度要求點(diǎn)、線、面、體光源3、6照度23、6照度朗伯點(diǎn)光源照度計(jì)算3、6照度3、多個(gè)點(diǎn)光源產(chǎn)生得照度一般得照明光源不存在相干得問(wèn)題,因此當(dāng)有n個(gè)點(diǎn)光源同時(shí)照射工作面時(shí),n個(gè)點(diǎn)光源產(chǎn)生