第六章辐射度学和光度学基础

1、第六章第六章 辐射度学和光度学基础辐射度学和光度学基础Chapter 5: Radiometry and photometry 6-2 辐射度学的基本量辐射度学的基本量n 一、辐射通量一、辐射通量辐射体单位时间辐射的总能量，称辐射体单位时间辐射的总能量，称辐射通量辐射通量，用，用 表示。单位瓦特。表示。单位瓦特。辐射的能量其实是波长的函数，称辐射的能量其实是波长的函数，称光谱密集度光谱密集度，用，用 表示。表示。ee0)( dde0limeddedee06-2 辐射度学的基本量辐射度学的基本量n 二、辐射强度二、辐射强度单位立体角内辐射的辐射通量，称单位立体角内辐射的辐射通量，称辐射强度辐射强

2、度，记作，记作eIeddddIee单位：瓦每球面度（单位：瓦每球面度（W/Sr）6-2 辐射度学的基本量辐射度学的基本量n 二、辐射出射度和辐照度二、辐射出射度和辐照度辐射体单位面积辐射的辐射通量，称辐射体单位面积辐射的辐射通量，称辐射出射度辐射出射度，记作，记作接受体单位面积接收到的辐射通量，称接受体单位面积接收到的辐射通量，称辐照度辐照度，记作，记作eMdddSdSAAeE单位：瓦每平方米（单位：瓦每平方米（W/m2）dSdMeedSdEee6-2 辐射度学的基本量辐射度学的基本量n 二、辐亮度二、辐亮度辐射体在某方向上单位面积单位立体角辐射的辐射通量，称辐射体在某方向上单位面积单位立体角

3、辐射的辐射通量，称辐亮度辐亮度，记，记作作eL单位：瓦每球面度每平方米（单位：瓦每球面度每平方米（W/Srm2）neneedSIdSddLAdScos dSdSn6-3 人眼的视见函数人眼的视见函数人眼可以感受的光谱区间人眼可以感受的光谱区间390-780nm，称作可见光，称作可见光人眼对不同波长辐射的的敏感度不同，敏感度与波长的关系，称作人眼对不同波长辐射的的敏感度不同，敏感度与波长的关系，称作视见视见函数函数，用，用V()表示表示人眼对人眼对555nm的黄绿光最敏的黄绿光最敏感，定义它的视见函数为感，定义它的视见函数为1，即即V(555)=1其它波长的视见函数，按相其它波长的视见函数，按相

4、同观察条件下，测得的结果与同观察条件下，测得的结果与555nm下测得的结果之比，显下测得的结果之比，显然然V(1人眼在明视觉和暗视觉下，人眼在明视觉和暗视觉下，视见函数有所不同视见函数有所不同6-3 人眼的视见函数人眼的视见函数6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 一、发光强度和光通量一、发光强度和光通量对某一单色光对某一单色光，辐射体辐射的能量按视见函数提取的能量，称作光通，辐射体辐射的能量按视见函数提取的能量，称作光通量，记作量，记作eVC)(对某一立体角对某一立体角dddVCdde)(Idd称作发光强度称作发光强度eIVCI)(6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 一、发光强

5、度和光通量一、发光强度和光通量发光强度发光强度I 的单位为坎德拉（坎，的单位为坎德拉（坎，cd），为七个国际基本计量单位之一。），为七个国际基本计量单位之一。定义：定义：1cd为发光体发出为发光体发出555nm的单色波，且测得同方向的辐射强度为的单色波，且测得同方向的辐射强度为(1/683)W/Sr，则发光体在该方向上的发光强度为，则发光体在该方向上的发光强度为1cd1)555(VW/Sr6831eI68311cd1 C683CeIVCI)(eIVI)(6836-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 一、发光强度和光通量一、发光强度和光通量IddVde)(683光通量光通量单位：流明、单位：

6、流明、lmSr1cd1lm16-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 一、发光强度和光通量一、发光强度和光通量Let)(683)()(VVCKK()称为称为的的光谱光视效能光谱光视效能eedKdVd)()(683全光谱光通量与辐射通量之间的关系全光谱光通量与辐射通量之间的关系dKdKdee000)()(定义：光视效能定义：光视效能00)(ddKKeee光视效能的单位为：光视效能的单位为：lm/W6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量光源光视效能光源光视效能钨丝灯(真空)8-9.2日光灯27-41钨丝灯(充气)9.2-21高压水银灯34-45石英卤钨灯30超高压水银灯40-47.5气体放大管

7、16-30钠光灯60常用光源的光视效能常用光源的光视效能6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 例：一个功率（辐射通量）为例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯泡，假定它在的钨丝充气灯泡，假定它在各个方向上均有发光，求它的发光强度。各个方向上均有发光，求它的发光强度。钨丝充气灯泡的光视效能钨丝充气灯泡的光视效能9.2-21，取平均值为，取平均值为15lm/Wlm9006015eKcd62.714I6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 二、光出射度和光照度二、光出射度和光照度发光体单位面积发射的光通量，称发光体单位面积发射的光通量，称光出射度光出射度，记作，记作接受体单位面积接收

8、到的光通量，称接受体单位面积接收到的光通量，称光照度光照度，记作，记作MEdSdM dSdE SM SE 光照度的单位为：勒克斯（光照度的单位为：勒克斯（lx）2/11mlmlx 6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 二、光出射度和光照度二、光出射度和光照度发光体单位面积发射的光通量，称发光体单位面积发射的光通量，称光出射度光出射度，记作，记作接受体单位面积接收到的光通量，称接受体单位面积接收到的光通量，称光照度光照度，记作，记作MEdSdM dSdE SM SE 光照度的单位为：勒克斯（光照度的单位为：勒克斯（lx）2/11mlmlx 表表6-36-4 光度学中的基本量光度学中的基本量

9、n 例：如图所示，在例：如图所示，在15m处照明直径为处照明直径为2.5m的圆面积。要求像面平的圆面积。要求像面平均照度为均照度为50lx，聚光镜的焦距为，聚光镜的焦距为150mm，通光孔径也为，通光孔径也为150mm，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。光强度，以及灯泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m像面总光通量：像面总光通量： lm24625. 1502ES0783. 015075. 025. 1) tan(u5 . 4 uSr0195. 02sin42ucd1026.

10、 14I6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 例：如图所示，在例：如图所示，在15m处照明直径为处照明直径为2.5m的圆面积。要求像面平的圆面积。要求像面平均照度为均照度为50lx，聚光镜的焦距为，聚光镜的焦距为150mm，通光孔径也为，通光孔径也为150mm，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。光强度，以及灯泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m像面总光通量：像面总光通量： lm246mm97.952) tan(-75mmulmm130l130mm-mm75)tan(u

11、 30uI6-4 光度学中的基本量光度学中的基本量n 例：如图所示，在例：如图所示，在15m处照明直径为处照明直径为2.5m的圆面积。要求像面平的圆面积。要求像面平均照度为均照度为50lx，聚光镜的焦距为，聚光镜的焦距为150mm，通光孔径也为，通光孔径也为150mm，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。光强度，以及灯泡的功率和位置。2.5m150mm uu15m若灯泡均匀发光：若灯泡均匀发光： lm36704I若用充气钨丝灯泡若用充气钨丝灯泡 lm/W15KW245Ke6-4 光度学

12、中的基本量光度学中的基本量n 三、光亮度三、光亮度发光体在某方向上单位面积单位立体角发射的光通量，称光发光体在某方向上单位面积单位立体角发射的光通量，称光亮度亮度，记作，记作L单位：坎每平方米（单位：坎每平方米（cd/m2）nndSIdSddLAdScos dSdSn表表6-46-5 光照度公式和发光强度的余弦定律光照度公式和发光强度的余弦定律n 一、光照度公式一、光照度公式2cosldSdAdSddIdS面内的光通量面内的光通量: Idd2coslIdSd2coslIdSdEl6-5 光照度公式和发光强度的余弦定律光照度公式和发光强度的余弦定律n 一、光照度公式一、光照度公式222211co

13、scoslIlIEXXStandard sourcetested source1I2I1l2l121222IllI 6-5 光照度公式和发光强度的余弦定律光照度公式和发光强度的余弦定律n 二、发光强度余弦定律二、发光强度余弦定律大多数均匀发光的物体，在各个方向上的光亮度都近似一致。大多数均匀发光的物体，在各个方向上的光亮度都近似一致。AdSI0Icos0dSIdSILcos0II 符合上式（发光强度余弦定律符合上式（发光强度余弦定律或朗伯定律）的发光体称作或朗伯定律）的发光体称作“余余弦辐射体弦辐射体”或或“朗伯辐射体朗伯辐射体”。dS0IIAudSL6-5 光照度公式和发光强度的余弦定律光照

14、度公式和发光强度的余弦定律n 二、发光强度余弦定律二、发光强度余弦定律发光强度发光强度ddI Idd000cos dIIdcos2 ddudI00coscos2uLdSuI220sin)cos1 (单面发光单面发光u=90LdS双面发光双面发光LdS26-5 光照度公式和发光强度的余弦定律光照度公式和发光强度的余弦定律n 例：假定一个钨丝充气灯泡的功率为例：假定一个钨丝充气灯泡的功率为300W，光视效能为，光视效能为20lm/W，灯丝尺寸为灯丝尺寸为8X8.5mm2，双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。，双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。8mm8.5mm总光通量总光通量lm600030020

15、eK两面发光两面发光LdS22733cd/m104 . 1105 . 8108260002dSL6-6 全扩散表面的光亮度全扩散表面的光亮度n 全扩散表面：光线在物体表面进行漫反射，如果被照明物体表面全扩散表面：光线在物体表面进行漫反射，如果被照明物体表面各方向上的光亮度相同，称此表面为全扩散表面。各方向上的光亮度相同，称此表面为全扩散表面。全扩散表面具有全扩散表面具有余弦辐射特性余弦辐射特性，或叫，或叫朗伯体朗伯体。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数为若漫反射表面的反射系数为 ，则它反射的光通量为，则它反射的光通量为EdSdd对朗伯体对朗伯体EdSLdS

16、dEL1全扩散表面的光亮度公式全扩散表面的光亮度公式6-6 全扩散表面的光亮度全扩散表面的光亮度常见物体表面的漫反射系统常见物体表面的漫反射系统照明表面照明表面漫反射系统漫反射系统/%照明表面照明表面漫反射系统漫反射系统/%氧化镁96黏土16石灰91月亮10-20雪78黑土5-10白纸70-80黑呢绒1-4白砂25黑丝绒0.2-16-7 光学系统中光束的光亮度光学系统中光束的光亮度n 一、均匀透明介质情形一、均匀透明介质情形cosdSddL光亮度定义光亮度定义:dSLdd1d2d22111111ldSdSLdSdLd21222222ldSdSLdSdLd21dd 21LL 元光管元光管无光能损

17、失无光能损失6-7 光学系统中光束的光亮度光学系统中光束的光亮度1111cos ISdLd空间1n211211sinrdIrrdIrdSdddIIISLd11111sincosddIIISLd22222sincos空间2n21dd 无光能损失无光能损失22211112sincossincosdIIIdIIILL6-7 光学系统中光束的光亮度光学系统中光束的光亮度22211112sincossincosdIIIdIIILLSnell law2211sinsinInIn微分微分222111coscosdIIndIIn212212nnLL211222nLnL6-7 光学系统中光束的光亮度光学系统中光

18、束的光亮度211222nLnL1. 当当12nn 21LL 2. 当当21LL 12nn3. 对光学系统对光学系统2222211kknLnLnL4. 物像空间物像空间LnnL25. 有光能损失有光能损失LnnL26-8 像平面的光照度像平面的光照度n 一、轴上点的光照度公式一、轴上点的光照度公式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、轴外像点的光照度公式二、轴外像点的光照度公式22coscos

19、lIlIE0EEl0lcos0II cos0ll coscos404200ElIE6-8 像平面的光照度像平面的光照度n 二、轴外像点的光照度公式二、轴外像点的光照度公式cos40EE100.941400.344200.780500.171300.563600.063coscos/ 0EE/ 0EE如果存在渐晕，面渐晕系数为如果存在渐晕，面渐晕系数为Kcos40KEE6-9 照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度和光圈数6-9 照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度和光圈数max20sinULEmaxUD f2sinmaxfDU220144FLfDLE相对孔径相对孔

20、径: fDF数数:DfF像面照度按减少一半变化，则相对孔径按像面照度按减少一半变化，则相对孔径按 变化，即变化，即:211:11:1.4 1:21:2.8 1:41:5.6 1:81:116-9 照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度和光圈数DfF11.422.845.6811204fDLEF制光圈制光圈22fDfDTFTFFF204fDLET6-9 照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度和光圈数TFFFn 例：有一照相物镜透过率为例：有一照相物镜透过率为0.85，T制光圈为制光圈为1:2，求，求F制光圈。制光圈。85. 02TF84. 1TFFFF制光圈制光圈1:

21、1.846-9 照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度和光圈数n 曝光量：如照相物镜像平面光照度为曝光量：如照相物镜像平面光照度为E，曝光时间为，曝光时间为t，定义底片，定义底片单位面积接收的曝光量为单位面积接收的曝光量为HEtH 单位：勒克斯单位：勒克斯秒、秒、lx s6-9 照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度和光圈数n 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为例：在晴朗的白天进行外景摄影，要求天空在底片上的曝光量为H=0.4lx s，假定曝光时间，假定曝光时间t=0.01s，物镜的透过率为，物镜的透过率为0.85，求应选，求应选多大的光圈数多

22、大的光圈数slx4 . 0Hs01. 0tlx40tHE85. 0晴朗的白天天空光亮度为晴朗的白天天空光亮度为: 5000cd/m2204fDLE012. 02fD1 . 9111. 0fD选哪一个光圈？选哪一个光圈？6-10 人眼的主观光亮度人眼的主观光亮度n 一、一、发光点发光点dla224laIIdd主观光亮度由光通量决定：主观光亮度由光通量决定：路灯路灯6-10 人眼的主观光亮度人眼的主观光亮度n 二、二、发光面发光面max22sinUnnLE主观光亮度由光照度决定：主观光亮度由光照度决定：maxUafl n n物体位于空气中：物体位于空气中：1n336. 1n2sinmaxfaU24

23、 . 1faLE与距离无关与距离无关6-11 通过望远镜观察时的主观光亮度通过望远镜观察时的主观光亮度n 一、一、发光点发光点224laId人眼直接观察时的主观光亮度为：人眼直接观察时的主观光亮度为：1. aD D入瞳直径入瞳直径D出瞳直径出瞳直径Da224lDId仪224lDId仪仪2aDdd仪仪6-11 通过望远镜观察时的主观光亮度通过望远镜观察时的主观光亮度n 一、一、发光点发光点224laId人眼直接观察时的主观光亮度为：人眼直接观察时的主观光亮度为：1. aD aaDaDa2222244laIlDIda仪仪仪2dd仪仪6-11 通过望远镜观察时的主观光亮度通过望远镜观察时的主观光亮度

24、n 二、二、发光面发光面1. aD 人眼直接观察时的主观光亮度为：人眼直接观察时的主观光亮度为：24 . 1faLE用仪器观察时：用仪器观察时：LL仪aD24 . 1 fDLE仪2 aDEE仪6-11 通过望远镜观察时的主观光亮度通过望远镜观察时的主观光亮度n 二、二、发光面发光面1. aD 人眼直接观察时的主观光亮度为：人眼直接观察时的主观光亮度为：24 . 1faLE用仪器观察时：用仪器观察时：LL仪aa24 . 1 faLE仪仪 EE6-11 通过望远镜观察时的主观光亮度通过望远镜观察时的主观光亮度n Conclusions:用望远镜观察点发光物体的主观光亮度，大于用眼睛直径观察时用望远镜观察点发光物体的主观光亮度，大于用眼睛直径观察时的主观光亮度；的主观光亮度；2. 用望远镜观察面发光物体的主观光亮度，小于用眼睛直径观察时用望远镜观察面发光物体的主观光亮度，小于用眼睛直径观察时的主观光亮度的主观光亮度.6-12 光学系统中光能损失的计算光学系统中光能损失的计算入12 11 2出反射损失反射损失传输吸收传输吸收6-12 光学系统中光能损失的计算光学系统中光能损失的计算n 一、反射损失一、反射损失定义：反射光通量和入射光通量之比为定义：反射光通量和入射光通量之比为反射系数反射系