补充章节-光度学基础课件

补充章节

光度学和色度学基础内容回顾及问题的提出：前面内容主要讲述几何光学的光线传播及正确成像问题——成像的位置、大小、虚实等。但实际上光是以光能的形式传递的，在传递过程中光能损失情况，导致最后像面的亮暗程度不同（这其中还包括环境等因素对像面的影响）——须对光能进行度量。概述▲光学系统是一个传输辐射能量的系统▲能量传输能力的强弱，影响像的亮暗▲辐射度学：研究电磁波辐射的测试计量计算的学科▲光度学：在人眼视觉的基础上，研究可见光的测试计量计算的学科辐射度学与光度学基础第一节

辐射量和光学量及其应用一、立体角的意义和单位平面上的角：弧度ABO空间上的角：立体角一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角Ω＝若在以r为半径的球面上截得面积s=r2，则此立体角为1球面度整个空间球面面积为4πr2,对应立体角为soΩ辐射量和光学量的对应关系辐射通量辐射强度辐出射度辐照度辐亮度ΦeIeMeEeLe光通量发光强度光出射度光照度光亮度ΦIMEL二.

辐射度学中的基本量及其计量单位1、辐射通量单位时间内辐射体辐射的总能量-----辐射功率单位：瓦特（W）反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分：辐射通量的波长分布函数2、辐射强度辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量符号：单位：瓦每球面度（W/sr）表示辐射体在不同方向上的辐射特性3、辐射出射度辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量符号：单位：瓦每平方米（W/m2）不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同位置上单位面积的辐射特性ds4、辐射照度辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐射通量符号：单位：瓦每平方米（W/m2）dsA5、辐射亮度辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位投影面积上发出的辐射通量符号：单位：瓦每球面度每平方米（W/sr.m2）描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性几种光接收器的光谱灵敏度1为锑铯光电管，不能感受波长为0.6μm以上的红光；2是人眼；3是硅光电池；4是一种热敏元件三.人眼的视见函数辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可以产生亮暗感觉；光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数，称为视见函数，又称光谱光视效率。可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同；视见函数暗视觉的V(λ)——λ曲线的最大值相对明视觉向短波长方向移动了50nm。明视觉指人眼在明亮环境（亮度大于3cd/㎡）中，对不同波长可见光的视觉。暗视觉指人眼在黑暗环境（亮度小于3x10^(-5)cd/㎡）中，对不同波长可见光的视觉。视见函数的相关因素受外界的照明条件影响而产生：

①明视觉视见函数：最敏感波长为555nm（黄光），

其相应的视见函数值V555=1，其

它波长的V(λ)值均小于1。

②暗视觉视见函数：最敏感波长为507nm（绿光），V507=1，其它波长的V(λ)值均小

于1。举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和B，假定辐射强度相同，A辐射波长为600nm,B辐射波长为500nm。V(600)=0.631V(500)=0.323A对人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的0.631/0.323倍，近似2倍。若要使A和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的辐射强度应该是辐射体B强度的一半。光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定有一单色光，其辐射通量为，其中能够引起视觉的部分为光通量--------用人眼视觉强度来度量的辐射通量。四.光度学中的基本量1、光通量光通量定义：单位：流（明）lmKm为流明与瓦之间的换算系数，在明视觉中Km=683lm/W；在暗视觉条件下Km=1755lm/W发光效率光源的发光效率：光源发出的光通量与辐射通量之比，即为K

=Φv/Φe

Φ/P式中，P为电光源的电功率。

发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生的光通量（流明数）。意义：发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生的光通量（流明数）。几种常用电光源的发光效率：钨丝灯：1020 钠光灯：约60卤素钨灯：约30高压汞灯：6070荧光灯：3060 镝灯：约80 氙灯：4060 金属卤素放电灯：约80炭孤灯：4060LED照明灯：40-3002014年，美国科锐公司(Nasdaq:CREE)宣布白光功率型LED实验室光效达到303lm/W发光效率2.发光强度发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。也可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是发光强度单位：坎（德拉）cd计算举例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。２、求发光强度：总立体角为１、求总光通量：3、光出射度发光体表面某点附近单位面积发出的光通量dsA发光表面均匀发光情况下（lm/m2）4、光照度某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位面积接收的光通量。ds被照表面均匀照明情况下（lx）单位：勒克司1lx=1lm/m230~50lx50~70100~2001万3万~4万100~50010万0.23×10–4观看仪器的示值一般阅读及书写精细工作（修表等）摄影场内拍摄电影照相制版时的原稿明朗夏日采光良好的室内太阳直照时的地面照度满月在天顶时的地面照度无月夜天光在地面产生的照度常见物体的光照度值5、光亮度发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角内发出的光通量。单位：坎/米2发光体某点在给定方向上的发光特性。常见物体的光亮度值2.5×103105×103在地球上看到的月亮表面人工照明下书写阅读的纸面白天的晴朗天空1.5×1091.5×108(5~15)×1063×104在地球上看到的太阳普通电弧钨丝白炽灯灯丝太阳照射下漫射白色表面光亮度(cd/m2)光源名称光亮度(cd/m2)光源名称计算举例：有一均匀磨砂球形灯,直径为17cm,光通量为2000lm,求该灯的光亮度.解:根据光亮度与发光强度的关系来求.辐射量和光学量的对应关系辐射通量辐射强度辐出射度辐照度辐亮度ΦeIeMeEeLe光通量发光强度光出射度光照度光亮度ΦIMEL第二节光传播过程中光学量的变化规律1、光照度公式假定点光源照明微小平面ds，ds离开光源距离为l，表面法线方向与照明方向成，若光源在此方向上发光强度为I，求光源在ds上的光照度。照度平方反比定律注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明，就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度又可以应用。计算举例1：桌面OB上方有一盏100W钨丝充气灯泡P，光源在各方向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多高时，B点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？POl1mBx二.面光源的光照度

dAs光源的发光面积，光源亮度L，在距离为r的dA平面上形成的光照度E。dΩ为dA对O点所张立体角

注:dA以相同L发光照射dAs,则得出同样的光照度，即二者的L相同，可互易。三.均匀透明介质情形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亮度。

单一介质元光管内光亮度的传递。光在元光管传播，无光能损失。A1A2dS1输入到dS2内的光通量为dΦ1从dS2射出的dΦ2若不考虑光能损失四.光束经截面反射和折射后的亮度（1）反射光束亮度等于入射光束亮度乘以反射系数：（2）折射光束的亮度不仅与入射光束的亮度以及界面两边介质的折射率比值的平方成正比，还与界面的反射系数有关：如果界面反射损失可以忽略，则：光束经理想折射，光亮度也会产生变化。五.余弦辐射体在各方向上光亮度都近似一致的均匀发光体称为余弦辐射体I0Ids发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定律的发光体称为余弦辐射体或朗伯辐射体。dsI0I余弦辐射体可能是发光面，也可能是投射或反射体乳白玻璃漫反射面漫反射体本身并不发光，受发光体光照射经投射或反射形成的余弦辐射体，称做漫透射体和漫反射体漫反射体称做朗伯散射表面或全扩散表面第三节成像系统像面的光照度一.轴上像点的光照度轴上像点的照度与孔径角正弦的平方成正比，与线放大率的平方成反比。

假设物体为余弦辐射体（它有L是定值的特点）像平面上光轴周围微小面元dA’。二.轴外像点的光照度轴外像点的光照度随视场角的增大而降低。照相物镜像平面的光照度和光圈数1、像平面光照度代入得物镜的相对孔径H'F'DU'max2、光圈、光圈数光圈：相对孔径分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。相对孔径按等比级数变化。光圈数：相对孔径的倒数，用F表示……三、曝光量假定像面照度为E，曝光时间为t,底片上单位面积接受的曝光亮H为

H=E.t(lx.s)T制光圈假定某个透镜透过率为，相对孔径为这样，像平面光照度公式可以写为更精确测量通光量，考虑了各种因素对镜头的透光率的影响三.光通过光学系统时的能量损失

透明介质折射界面的光反射、介质对光的吸收、反射面对光的透射和吸收都会造成光能损失。1.光在两透明介质界面上的反射损失1.光在两透明介质界面上的反射损失这种情况下，反射比只与两边介质的折射率有关。反射光造成光能损失，在像面上形成杂散光，降低了像的对比度。

降低反射损失的方法是在玻璃元件的表面镀增透膜。2.介质吸收造成的光能损失光通过厚度为l的介质后的光通量为：光束通过多元件系统后的光通量：3.反射面的光能损失4.光学系统的总透射比作业1、一个100W的钨丝灯，发出总光通量为1400lm，求发光效率为多少?2、一房间，长宽高分别为5米、3米、3米，一个发光强度为I=60cd的灯挂在天花板中心，离地面2.5米。求（1）灯正下方地板上的光照度；（2）在房间角落处地板上的光照度。

色度学是研究人眼的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的学科，它是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。对于颜色科学的研究，国内受到越来越广泛的重视，国外也是非常热门的学科，它在许多技术领域都有重要应用。色度学基础知识红绿

经过生理医学的研究证明，在正常人眼的视网膜上有三种锥体感光细胞——红、绿、蓝三种视色素，相当于在人眼的视网膜上作用着不同光谱响应度的三种接收器。当光照射到人眼的视网膜上后，可以同时引起三种感光细胞的反应。而波长不同时，反应程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉。各种颜色的光都可以由红、绿、蓝三种颜色按照一定的比例混合而得到，则将红、绿、蓝成为三原色。在色度学中，某种颜色的获得是由三原色按照一定的比例混合而成的。

在颜色视觉领域里，通常由色调(H)、明度(V)、饱和度（纯度)(C)三个参数来描述彩色特性。色调：彩色彼此相互区分的一种特性。明度：人眼对物体明暗的一种感觉。明度除了和亮度有关外，还受色调和背景的影响。如相同的能量，绿光引起人眼的视觉感觉强度大；同一彩色物体，亮背景的明度高于暗背景的明度。饱和度：指彩色的纯洁性，也称纯度。彩色指黑白系列以外的各种颜色，非彩色是指黑色、白色及各种深浅不同的灰色。在各种可见光谱中，各种波长的单色光是最纯的彩色。如果在单色光中掺加白光，则纯度下降。非彩色彩色色调环色调环上红、橙、黄称暖色；蓝、靛、蓝紫为冷色；绿和紫中性色。补色又称互补色，余色，