应用光学 chapter 5

1、1辐射度学和光度学基础辐射度学和光度学基础2问题提出光具有能量如激光焊接，激光致盲，太阳能热水器光学系统是能量传输系统前面几章研究了光学系统的成像问题，只是研究了能量的传播 方向，本章解决能量的测量、计量和计算问题研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为“辐射度学”研究可见光的测试、计量和计算的学科称为“光度学”可见光可用辐射量和光学量两种量值系统来度量描述电磁辐射的物理量为辐射量可见光是波长在400nm-760nm范围内的电磁辐射，是能对人的 视觉形成刺激，并被能被人感受到的电磁辐射，按视觉响应原 则建立的表征可见光的量为光学量3辐射度学与光度学中基本量q立体角4整个球面的面积4r2,则这

2、个空间为4 球面度4422rr立体角用孔径角表示 假定一个圆锥面的半顶角为,该圆锥所包含的立体角为 较小时，2sin4225q辐射度量6ddIee 辐射强度定义：辐射通量与立体角的比值，表示辐射体在不同方向上的辐射特性（单位：W/sr）dde7dSdMee 辐射出射度、辐射照度 （单位：W/m2）dSdEeedAds定义：辐射通量与A点处微面的比值，表示辐射体表面上任意一点A处的辐射强弱Adds8needSIL 辐射亮度（单位：W/(srm2）cos dSdSn定义：辐射强度与A点处微面投影面积的比值，表示辐射体表面上不同位置和方向上的辐射特性9q视见函数l表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别表

3、示人眼对不同波长辐射的敏感度差别l人眼视觉系统决定的人眼视觉系统决定的l明视觉视见函数，暗视觉视见函数明视觉视见函数，暗视觉视见函数l规定规定V（555）1，555nm人眼最灵敏的波长人眼最灵敏的波长lV V（ ）I(555)/ II(555)/ I（ ）问题：辐射体问题：辐射体A辐射波长为辐射波长为600nm，辐射体，辐射体B辐射波长为辐射波长为500nm，欲使，欲使两者对人眼产生相同的视觉强度，两者的辐射强度应该怎样？两者对人眼产生相同的视觉强度，两者的辐射强度应该怎样？10明视觉与暗视觉函数明视觉与暗视觉函数1112q光度量光度量1314例：一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡，假

4、定它在各个方向上均匀发光，求它的发光强度。解：取光效视能为15lm/W,则总光通量：Ke=1560900lm发光强度为I/= /4=71.62cd151617光亮度发光表面不同位置和不同方向的发光特性 lLI/dsn=I/（dscos）lLI/dsn=d/（dscosd）l发光面上单位投影面积在单 位立体角内发出的光通量l单位：坎德拉/米2, cd/m2， 熙提（sb）, 1st = 1cd/cm2 人们常说40w日光灯比40w钨丝灯亮，是否说明日光灯的光亮度比钨丝灯大？这里所说的“亮”是指什么？ 物体的光亮度就是人眼感到的明亮程度，这种说法对吗？18例： He-Ne激光器：P10mw, =6

5、32.8nm, V=0.24, d=1mm,=1mSr(毫弧度)，求L d=683Vde=6830.241010-3=1.6152流明 d =2=3.14 (10-3)2 L=d/（dsd)=6.553107st L太阳1.5105st LHe-Ne=440L太阳 “勿对着眼睛照射” “激光致盲武器”19例：如下照明器，在15m远的地方照明直径为2.5m的圆面积，要求达到平均照度为50lx，聚光镜的焦距为150mm，通光直径也等于150mm，试求灯泡的发光强度和灯泡通过聚光镜成像后在照明范围内的平均发光强度，以及灯泡的功率和位置。解：均匀照明下：lmES246)25. 1 (502照明范围对应

6、的光锥角u为：05 . 40783. 015075. 025. 1) (uutg根据理想光学系统中光路计算公式：fnhntgutgun20有：030u对应的立体角为：srusru845. 0)15(sin42sin40195. 0)25. 2(sin42sin4022022照明空间的平均发光强度和灯泡的发光强度为分别：cdIcdI292845. 02461026. 10195. 02464灯泡发出的总光通量：WI24529244灯泡的功率：WKe245153670灯泡的位置：mmtguhl130578. 07521光传播过程中光学量的变化规律 22232425朗伯余弦定律及朗伯源余弦辐射体co

7、sdSIdSILNl发光强度空间分布可用式IINcos表示的的发光表面l只有绝对黑体是理想的余弦辐射体，具有粗糙表面的发光体与余弦发光体接近。26l对朗伯源，发光强度向量I端点轨迹是一个与发光面相切的球面l余弦辐射体在和法线成任意角度方向的光亮度ConstdAIdAIdAILnncoscoscos朗伯源的光亮度朗伯源的光亮度L与方向无关，只是与方向无关，只是I随随变化而变化变化而变化27l余弦辐射体发光微面发出的光通量余弦辐射体发光微面发出的光通量LdA20IdLdAuLdAu22sin两面发光两面发光28光学系统中光束的光亮度均匀透明介质情形假定A1A2直线为均匀透明介质中的一条光线讨论：直

8、线上任意两点A1和A2在光线前进方向上的L1和L2之间的关系A1A229ldS1输入到dS2内的光通量为d1l从dS2射出的d2l若不考虑光能损失21dd22211111111coscoscosldSdSLddSLd21122222222coscoscosldSdSLddSLd21LL 结论：光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播结论：光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播中的任一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的中的任一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的亮度亮度 30ldA位于n1介质内。入射光束的光亮度L1，在o点附近取一微元dA，则过dA输出的光通量：

9、ldA看作位于n2介质内。 dA输出的光通量：ddIIIdALdIdALd11111111sincoscosddIIIdALdIdALd22222222sincoscos 折射情形折射情形31l不考虑界面损失， 也不考虑光束在传播中的光能损失2221111221sincossincosdIIIdIIILLdd2221112211coscossinsindIIndIInInIn211222nLnL212212nnLL结论：当光线处于同一介质，同前L2L132l综上，光束在均匀介质中传播，或在两种介质分界面上综上，光束在均匀介质中传播，或在两种介质分界面上的反射时的光亮度变化，都看成折射时的特例的

10、反射时的光亮度变化，都看成折射时的特例02222211.LnLnLnLkn折合光亮度折合光亮度 结论：如果不考虑光束在传播中的光能损失，则位于同结论：如果不考虑光束在传播中的光能损失，则位于同一条光线上的所有各点，在该光线传播方向上的折合光亮度不一条光线上的所有各点，在该光线传播方向上的折合光亮度不变变 反射情形反射情形33l理想成像，物点理想成像，物点A发出的光线均通过像点发出的光线均通过像点A，物和，物和像的光亮度像的光亮度l实际光学系统，考虑光能损失实际光学系统，考虑光能损失2)(nnLL2)(nnLL 1当系统物象空间介质相同时，像的光亮度永远小于物的光亮当系统物象空间介质相同时，像的

11、光亮度永远小于物的光亮度度 2 折射光的光亮度不仅与透射率的大小有关，也与二介质的折射光的光亮度不仅与透射率的大小有关，也与二介质的折射率密切相关折射率密切相关LL234成像系统的像面照度 353637特广角镜头设计难！特广角镜头设计难！38照相物镜象平面的光照度2sinmaxfDu像平面近似位于物镜的像方焦平面上像平面近似位于物镜的像方焦平面上204fDLEF制光制光圈圈39分度的方法：每一刻度值对应的象平面光照度依次减少一半，相对孔径按分度的方法：每一刻度值对应的象平面光照度依次减少一半，相对孔径按2/ 1等比级数变等比级数变化化40例 在晴朗的白天进行外景摄影，要求天空在底片上的曝光量H

12、0.4lxs，假定取曝光时间t=1/100s,物镜的透过率=0.85,问应选多大的光圈数？（晴朗白天天空的光亮度为5000cd/m2)1 . 9111. 0012. 0500085. 04044)(4010014 . 02fDLEfDlxtHE解：光圈数选8或1141 投影物镜象平面的光照度2sinfDU 物平面近似位于物镜的物方焦平面上物平面近似位于物镜的物方焦平面上12sinfDU 22014fDLEsinsinUU投影物镜的放大率像面的照度公式42434445l例 在晴朗的白天进行外景摄影，要求天空在底片上的曝光量H0.4lxs，假定取曝光时间t=1/100s,物镜的透过率=0.85,问应选多大的光圈数？（晴朗白天天空的光亮度为5000cd/m2)1 . 9111. 0012. 0500085. 04044)(4010014 . 02fDLEfDlxtHE解：光圈数选8或11461.人工照明下阅读时，纸面光亮度应大于10cd/m2,假定白纸的漫反射系数为0.75，用60w充气钨丝灯照明，光视效能为15lm/w,求当灯泡离纸面距离不大于多少时，才能产生所要求的光亮度（假定纸面与照射光线方向垂直）？思考