辐射学与光学基础演示文稿

辐射度学与光度学基础演示文稿当前第1页\共有77页\编于星期三\15点（优选）辐射度学与光度学基础当前第2页\共有77页\编于星期三\15点当前第3页\共有77页\编于星期三\15点4πr2当前第4页\共有77页\编于星期三\15点当前第5页\共有77页\编于星期三\15点当前第6页\共有77页\编于星期三\15点（点源的辐射强度）当前第7页\共有77页\编于星期三\15点（面源的辐射强度）当前第8页\共有77页\编于星期三\15点当前第9页\共有77页\编于星期三\15点当前第10页\共有77页\编于星期三\15点当前第11页\共有77页\编于星期三\15点当前第12页\共有77页\编于星期三\15点当前第13页\共有77页\编于星期三\15点当前第14页\共有77页\编于星期三\15点当前第15页\共有77页\编于星期三\15点当前第16页\共有77页\编于星期三\15点当前第17页\共有77页\编于星期三\15点当前第18页\共有77页\编于星期三\15点当前第19页\共有77页\编于星期三\15点当前第20页\共有77页\编于星期三\15点60×15=900lm当前第21页\共有77页\编于星期三\15点当前第22页\共有77页\编于星期三\15点当前第23页\共有77页\编于星期三\15点当前第24页\共有77页\编于星期三\15点

［例］采用功率为250W、发光效率为30lm/W的卤钨灯作为光源，通过一个焦距与口径均为100mm的聚光镜去照明前方12m处的圆屏，屏的直径为2m，求聚光后的发光强度以及圆屏上的平均光照度。若用该卤钨灯直接照射该屏，其平均光照度应为多大？（假定该卤钨灯可视为各向均匀发光的点光源）解：该照明系统如图所示。当前第25页\共有77页\编于星期三\15点（1）计算确定光源的位置光源的位置应使它发出的光束（光锥角为u）经聚光镜后（光锥角为u′），恰能在聚光镜前方12m处生成直径为2m的圆面积。根据给定条件，可求出聚光镜的像方光锥角u′：当前第26页\共有77页\编于星期三\15点由高斯公式当前第27页\共有77页\编于星期三\15点由上述光束变换分析，可求得灯泡A的位置：当前第28页\共有77页\编于星期三\15点（2）求光源经聚光镜成像前后的照明立体角由孔径角与立体角之间的转换式，可求光源A对聚光镜构成的立体角为当前第29页\共有77页\编于星期三\15点光源像A′对圆屏所构成的立体角为u′当前第30页\共有77页\编于星期三\15点（3）计算光源在聚光镜前后的发光强度卤钨灯发出的总光通量为当前第31页\共有77页\编于星期三\15点假定卤钨灯可近似视为各向均匀发光的点光源，它在聚光镜前的发光强度为光源发出的总光通量中能通过聚光镜的部分为忽略经聚光镜的光能损失，即经聚光镜后光束的立体角变为ω′，但光通量不变，应有当前第32页\共有77页\编于星期三\15点因而可求出经聚光镜后的发光强度为计算表明，光源经聚光镜后，虽光通量未变，但由于ω′大大减小，光能重新分配，故I′大大增强。当前第33页\共有77页\编于星期三\15点（4）计算被照圆屏上的平均照度被照明的圆面积为：圆面积上的平均光照度为

当前第34页\共有77页\编于星期三\15点（5）对比光源直接照明圆屏（不加聚光镜）的效果：光源对圆屏所构成的光锥角α为当前第35页\共有77页\编于星期三\15点对应的立体角为被照圆屏上所接受的光通量为当前第36页\共有77页\编于星期三\15点圆屏上的平均照度为：上述计算与比较表明，在照明系统中加入聚光镜后，可使被照明平面上的照度得到显著提高（本例照度增强近40倍），因而体现了照明系统中聚光镜的重要作用。当前第37页\共有77页\编于星期三\15点当前第38页\共有77页\编于星期三\15点当前第39页\共有77页\编于星期三\15点当前第40页\共有77页\编于星期三\15点当前第41页\共有77页\编于星期三\15点当前第42页\共有77页\编于星期三\15点当前第43页\共有77页\编于星期三\15点当前第44页\共有77页\编于星期三\15点当前第45页\共有77页\编于星期三\15点当前第46页\共有77页\编于星期三\15点余弦辐射体当前第47页\共有77页\编于星期三\15点当前第48页\共有77页\编于星期三\15点当前第49页\共有77页\编于星期三\15点当前第50页\共有77页\编于星期三\15点当前第51页\共有77页\编于星期三\15点当前第52页\共有77页\编于星期三\15点当前第53页\共有77页\编于星期三\15点当前第54页\共有77页\编于星期三\15点当前第55页\共有77页\编于星期三\15点当前第56页\共有77页\编于星期三\15点当前第57页\共有77页\编于星期三\15点

6.7光学系统中光通量与光亮度的传递1、在介绍光度学基本概念的基础上，研究光学系统中光能的传递与变化规律。2、光学系统可以视为光能的传递系统，我们除关心最终像面处（或接收器处）的光能情况外，还常常关心光学系统中间过程光能的传递规律。3、光能在光学系统中的传递与变化规律，可以通过两个量来表征，即光通量与光亮度。4、光通量的传递规律比较简单。如果不存在传递过程中的拦光、吸收、反射等损失，则由能量守恒定律可知，从系统出射的光通量应等于进入系统的光通量，即在传递过程中，光通量应保持不变；当前第58页\共有77页\编于星期三\15点5、如果存在损失，令透过系统数为τ，则应有Φ′=τΦ。有关光能在光学系统传递过程中的损失计算，将在下一节中介绍。

以下主要讨论光亮度在光学系统中的传递情况，按光束在均匀透明介质中的传播与在两种介质分界面上的折射和反射三种情况分别加以研究。

6.7.1光束在均匀透明的同种介质中的传播注意：光束在同种均匀透明介质传播过程中的亮度变化规律，可借助于元光管概念来研究。当前第59页\共有77页\编于星期三\15点１．单一无损介质中光束光亮度的传递）如图：1）假设任意两个微面元ｄＳ１、ｄＳ２，两面元之间的距离为ｒ，2）面元各自法线方向与ｒ之间的夹角分别为ｉ１、ｉ２，3）ｄＳ１上的光亮度为Ｌ１，ｄＳ２上的光亮度为Ｌ２，4）ｄＳ２对ｄＳ１所张的立体角为ｄΩ１，ｄＳ１对ｄＳ２所张的立体角为ｄΩ２。当前第60页\共有77页\编于星期三\15点5）若光能量在传递过程中没有光能损失（不考虑介质吸收、散射等因素），即ｄＳ１发出的光能量全部传递到ｄＳ２上（或ｄＳ２发出的光能量全部传递到ｄＳ１上），6）则由ｄＳ１辐射出的到达ｄＳ２上的所有光通量为当前第61页\共有77页\编于星期三\15点相应地由ｄＳ２辐射出的到达ｄＳ１上的所有光通量为由于光传递过程中能量是守恒的，故ｄΦ１＝ｄΦ２，相应得到

２．不同介质分界面上光亮度的传递一束光射向两个不同透明介质ｎ、ｎ′分界面上时将同时发生反射和折射，各参量如下图所示，若不考虑介质吸收及散射，则入射光能ｄΦ＝反射光能ｄΦ″＋折射光能ｄΦ′投射在介质分界面上的微面元之上。当前第62页\共有77页\编于星期三\15点以入射角ｉ投射在介质分界面上的微面元ｄＳ之上，反射角、折射角分别用ｉ″、ｉ′表示，设入射光、反射光、折射光的光亮度分别为Ｌ、Ｌ″、Ｌ′，各自所对应的立体角分别为ｄΩ、ｄΩ″、ｄΩ′，则根据立体角公式有当前第63页\共有77页\编于星期三\15点入射光、反射光及折射光的光通量分别为当前第64页\共有77页\编于星期三\15点１）反射光的光亮度传递）根据反射定律ｉ＝ｉ″，故ｓｉｎｉ＝ｓｉｎｉ″，ｃｏｓｉ＝ｃｏｓｉ″，ｄｉ＝ｄｉ″，由上边式子可得ｄΩ＝ｄΩ″，则ρ为ｎ、ｎ′介质分界面上的反射率，故有即反射光光亮度等于入射光光亮度与介质分界面的反射率之积。当前第65页\共有77页\编于星期三\15点２）折射光的光亮度传递对折射定律公式两边进行微分有将折射定律ｎｓｉｎｉ＝ｎ′ｓｉｎｉ′与微分式相乘，有

进一步整理得到当前第66页\共有77页\编于星期三\15点又由于ｄΦ′＝ｄΦ－ｄΦ″，则透射率当前第67页\共有77页\编于星期三\15点表明，折射光束的光亮度与介质分界面的透射率及两边介质的折射率有关。若折射前后光能没有损失即ρ＝０，τ＝１，则式又可以转化为即折射前后光亮度虽然发生改变，但是值保持不变。当前第68页\共有77页\编于星期三\15点6.8光学系统的光能损失任何一个实际的光学系统都不可能完全透明，射入系统的光能量Φ永远要大于射出系统的光能量Φ′，即光学系统的透过率τ＝Φ′/Φ＜１，这意味着在系统传递过程中不可避免地存在一定的光能损失。造成光能损失的因素是多方面的，主要体现在透明介质分界面的反射损失、反射面的光能损失和透明介质材料的吸收损失。当前第69页\共有77页\编于星期三\15点１．透明介质分界面的反射损失1)按照折射定律和反射定律，当光照射到两个透明介质分界面上（折射率分别为ｎ、ｎ′）时将同时发生反射及折射，2)由于透射元件主要是利用折射光进行能量传输或成像，故而分界面上的反射光能就构成系统光能损失的一个很重要的因素，3)分界面上的反射能量可以通过反射率ρ进行计算求取。4)电磁理论的基本知识，反射率ρ可表示为反射光通量Φ″与入射光通量Φ之比，即当前第70页\共有77页\编于星期三\15点5)反射率ρ与入射角Ｉ的大小有关，通常认为入射角小于３０°

时的反射率与入射角为零时的反射率基本相同，入射角小于４５°时也相差不多，但当入射角大于４５°时，反射率就增加很快，如图当前第71页\共有77页\编于星期三\15点6)实际上，光束经光学系统传播时光线在每一个面上的入射角很少会超过４５°，因此光学系统的反射率可以近似用垂直入射时反射率的相关公式进行计算，即7)从式可见，反射率仅取决于介质分界面两侧的折射率大小，ｎ′、ｎ的差值越大，反射率就越大。若不考虑吸收及散射，则反射光通量Φ″、透射光通量Φ′与入射光通量Φ是守恒的，即当前第72页\共有77页\编于星期三\15点8)由于透过率τ可表示为透射的光通量Φ′与入射的光通量Φ之比，即则单个折射面的透过率为τ＝１－ρ9)若系统由ｋ个折射面构成，则当光射入系统时将在每一个不同透明介质分界面上都存在一定程度的反射损失，射出系统的光通量当前第73页\共有77页\编于星期三\15点式中，ρ１，ρ２，…，ρｋ分别表示第一个折射面，第二个折射面，…，第ｋ个折射面的反射率。整个系统的透过率则为τｋ＝Φｋ’/Φ＝（１－ρ１）（１－ρ２）…（１－ρｋ）

光学系统的透过率实际上反映了经过系统之后光通量的损失程度，透过率值越小说明光通量损失越大。例一胶合物镜由两片透镜组成，其折射率分别为ｎ１＝１．５２，ｎ２＝１．６０，这两片透镜用ｎ＝１．５４的树胶黏在一起，设光在透镜上的入射角都很小，①试求光在透过此物镜时由于反射而造成的光能损失；②若两透镜不用树胶黏合，而仅是留有一空气薄隙，由于反射而造成的光能损失又是多少？不考虑介质吸收及散射。当前第74页\共有77页\编于星期三\15点故由于反射造成的光能损失约为１－τ４≈０．１。②若两透镜不用树胶黏合，而仅是留有一空气薄隙时，则同理可得由于反射造成的光能损失约为１－τ４≈０．１８。当前第75页\共有77页\编于星期三\15点此外，从例可见，在每一个空气玻璃介质分界面上都将产生４％～６％的光能损失，若光学系统由多个折射面构成，则仅由于反射所产生的光能损失就相当可观。一般情况下可认为未镀增透膜表面的冕牌玻璃透过率τ≈０．９６，火石玻璃透过率τ≈０．９５，镀增透膜表面的透过率τ