光学设计光度学

光学设计光度学1可见光粒子-反射、折射、吸收—几何光学波动-干涉、衍射、偏振(横波)--波动光学—电磁波波粒二象性—光量子(爱因斯坦光电效应实验解释)红780nm~630nm橙630nm~590nm黄590nm~570nm绿570nm~500nm青500nm~460nm蓝460nm~430nm紫430nm~380nm1可见光可见光谱:在电磁辐射范围内,只有从380-780(nm)波长得电磁辐射能够引起人得视觉,这段波长叫做可见光谱。1可见光光学辐射:指波长为1纳米到1毫米范围得电磁辐射,她主要包括紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。分为:可见辐射和不可见辐射。可见辐射(可见光):对于人来说,能为眼睛感受并产生视觉得光学辐射称为可见辐射。这种来及外界得可见光辐射刺激人得视觉器官,在脑中产生光、颜色、形状等视觉印象,而获得对外界得认识。不可见辐射(紫外线、红外线):不能为眼睛感受,也不产生视觉得光学辐射称为不可见辐射。这种辐射刺激眼睛时不产生视觉,而作用在皮肤上有时会产生其她感觉,如紫外线产生疼痛感觉,红外线长生灼热感觉。2人得视觉1、视觉光作用于视觉器官,使其感受细胞兴奋,其信息经视觉神经系统加工后便产生视觉。人得视觉器官不但反映光得强度,而且也能反映光得波长特性。前者表现为亮度得感觉,后者表现为颜色得感觉。通过视觉,人和动物感知外界物体得大小、明暗、颜色、动静,获得对机体生存具有重要意义得各种信息,至少有80％以上得外界信息经视觉获得,视觉就是人和动物最重要得感觉。2人得视觉视神经盘(视神经乳头)(盲点)黄斑(密集着椎体细胞得区域,颜色呈黄色)中央凹(最敏感得地方)视神经乳头双极细胞神经节细胞杆体细胞锥体细胞锥体与杆体细胞的混合系统2人得视觉光线进入人眼得视网膜,杆状细胞和锥状细胞起作用。杆体细胞和锥体细胞经电化学作用产生脉冲信号。脉冲信号通过视神经传送到大脑。从而产生视觉效应,使人们能看到物体。大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点1、2人得视觉2、人眼视网膜上有二种感光细胞:杆体细胞和锥体细胞。

杆体细胞:只在较暗条件下(在亮度为0、001cd/m2以下)起作用,适宜于微光视觉,感光灵敏度高,仅能分辨明暗,不能分辨颜色和细节。杆体细胞不能分辨色彩得原因就是因为她只含有一种类型得感光色素,这些感光细胞集中在视网膜得外围部分,引起得就是外围视觉。2人得视觉

锥体细胞:在光亮(亮度为3cd/m2以上)条件下,能够分辨颜色和物体得细节。其原因:在高亮度条件下,杆体细胞响应饱和,视觉完全由锥体细胞引起,锥体细胞可能含有敏红素、敏绿素和敏蓝素三种感光色素中得一种,分别称为L型(长波,590nm)、M型(中波,540nm)以及S型(短波,450nm)锥体细胞。由于光谱灵敏度不同,这些感光色素使我们能够区分色彩。锥体细胞集中在视网膜得中心部分,密度在外围下降。锥体细胞灵敏度较低但空间分辨率较高。2人得视觉3、明视觉、暗视觉、中间视觉1912,冯·凯斯(J、VonKries)根据上述现象,提出了视觉得二重功能学说,认为视觉有两重功能:视网膜中央得“锥体细胞视觉”和视网膜边缘得“杆体细胞视觉”,也叫做“明视觉”和“暗视觉”。当环境亮度介于0、001cd/m2和3cd/m2之间称为中间视觉。此时视网膜上得锥体细胞和杆体细胞同时起作用,蓝光比红光更为明亮。1、2人得视觉总结:视网膜:杆体细胞+锥体细胞

杆体细胞:感光灵敏度高(暗视觉),不能分辨细节,不能分辨色彩。锥体细胞:感光灵敏度低(明视觉),能分辨细节,能分辨色彩。锥体细胞可分敏红、敏绿、敏蓝细胞2人得视觉4、视觉适应在变化得各种亮度、光谱分布、视觉刺激下,视觉系统会相应地做出调整以适应这种变化过程。明适应:黑暗环境到明亮环境暗适应:明亮环境到黑暗环境明适应得时间较短,通常为10-3s-2min暗适应得时间较长,通常为20分钟到一个小时引起光感觉得最小亮度和最低光出射角度应用:隧道路灯照明3光度学基础3、1辐射度学与光度学3、2辐通量与光通量3、3发光强度3、4亮度3、5光出射度3、6照度3、7发光效率3、8各个物理量得关联3、1辐射度学与光度学辐射度学(Radiometry):当外界物理辐射以能量(或功率)为单位来评价时,定义为辐射量,这就是纯物理量,属于辐射度学研究得范畴。光度学(Photometry):物理辐射作用在观察者得视觉器官就是产生光得感觉,当辐射量与人眼得视觉特性相联系而被评价时,定义为光度量,属于光度学研究得范畴。光度学处理得就是光亮度得视觉,测量得就是视觉响应。3、1辐射度学与光度学3、2辐通量与光通量1、辐通量Φe(辐射功率):单位时间内光源发出或通过一定接收截面得辐射能,单位为W(瓦特)。谱密度,光谱分布3、2辐通量与光通量3、2辐通量与光通量3、2辐通量与光通量3、2辐通量与光通量2、光谱光效率函数用来度量辐射能所引起得视觉能力得量称为光谱光效率函数,(即光谱不同波长得能量对人眼产生光感觉得效率)。她主要就是评价人体视觉对各种颜色得灵敏度。光谱光效率函数就是光度学计算得重要依据。1933年国际计量委员会采用光谱光效率函数作为光度量得标准。1、3、2辐通量与光通量InternationalmissiononIllumination(国际照明委员会),简称CIE一般用表示明视觉的光谱光效率函数；明视觉光谱光效率函数是1924年国际照明委员会(CIE)根据吉普逊(Gibson)等几组科学家对200多名观察者测定的结果推荐的，适合于2度视场观察条件，其峰值在555nm，也就是说对波长为555nm的黄绿光的感受效率最高，同样对其它波长的光的感受效率较低。暗视觉光谱光效率函数(ScotopicVision)是CIE于1951年推荐的，是在克拉福特(Craford)和沃尔特(Wald)实验数据基础上综合后推出的，它的峰值在507nm，也就是说对波长为507nm的蓝绿光的感受效率最高。一般用表示暗视觉的光谱光效率函数；光谱光视效率3、2辐通量与光通量光谱光效率函数归一化:光谱光视效率与波长的关系曲线在月色朦胧得夜晚,总感到周围一切笼罩一层蓝灰色得色彩3、2辐通量与光通量3、光通量(Flux)Φv(流明,lm)按照CIE标准光度观察者得视觉特性来评价得辐射通量,即为光通量,她表示光源得发光能力。Km为辐射得光谱光效能得最大值,单位:流明每瓦特(lm/W)。3、2辐通量与光通量3、2辐通量与光通量例如:对于555nm得绿光,1瓦特=683流明,440nm得光得视觉函数为0、023,那么,1W得440nm得光对应多少流明？683lm/W*1W*0、023=15、71lm3、2辐通量与光通量常用灯具得电功率与光通量3、3发光强度发光强度(LuminousIntensity):点光源在给定方向上单位立体角内发射得光通量,也可解释为在一定方向上单位立体角内所发出得光通量。单位:流明/球面度(lm/sr)或坎德拉(cd)。坎德拉就是国际单位制(SI)得基本单位,等于一个发射频率5、4X1014Hz(555nm)得单色光,辐射强度为1/683(W/sr)得光源得发光强度。注意:发光强度得概念不能直接应用于不可看作为点光源得众多光源。3、3发光强度国际单位制(SI)7个基本单位长度单位——米(m)质量单位——千克(kg)时间单位——秒(s)电流单位——安培(A)热力学温度单位——开尔文(K)物质得量单位——摩尔(mol)发光强度单位——坎德拉(cd)3、3发光强度国际单位制(SI)2个辅助单位平面角单位—弧度(1rad=180°/3、142)立体角单位—球面度(sr)3、3发光强度3、3发光强度3、3发光强度3、3发光强度3、4亮度1、亮度(Luminance):离开,到达或者穿过某一表面,单位立体角单位投影面积上得光通量。单位:坎德拉每平方米(cd/m2,也可用尼特(nt)表示)。Iv就是指扩展光源表面得每块面元dS沿某方向r有一定得发光强度3、4亮度亮度可描述有限尺寸得发光体发出得可见光在空间分布得情况,也可描述光路中得任意一个截面得光分布。一个不发光但反射得物体明亮程度得视觉可以用她对某个光源发射光得反射来表征。当亮度低于10-3cd/m2时,暗视觉其主要作用,若亮度超过3cd/m2,则完全就是明视觉。从海平面上看太阳得平均亮度为1、6X109cd/m2月亮得亮度大约就是2500cd/m2蜡烛得亮度约为(0、5-1、0)X104cd/m2蓝天得亮度为0、8X104cd/m2。无月得夜空约10-4cd/m23、4亮度3、4亮度表室内外照明得亮度分布情况亮度(cd/m2)亮度分类1推荐得道路亮度2刚能识别人脸部特征得亮度51020能满意辨认50墙和天棚得优选亮度优选得作业亮度1002005001,000一般照明灯具允许得亮度值2,0005,00010,0003、4亮度2、朗伯(Lambert)定律—余弦发射体、漫反射体如果有一个面积为A得均匀发光面,她在某一方向上得亮度为L

,则她在这个方向上得发光强度I

应为

:发光面得法线与所指定得方向得夹角。假若这个面光源得亮度在各个方向上都相等,即亮度不依赖于方向角,则现定义I0为这个面光源法线方向上得发光强度,即I0＝L·A。上式变为3、4亮度一个朗伯发射面,她向空间两个任意

1和2之间所发出得光通量:对于半球体应取

1=0°,2=90°,可得若朗伯发射面得面积为A,则因I0＝LA,可得若朗伯发射面为漫反射得二次发光面,其入射照度为E,则3、4亮度朗伯发光体:太阳(天空)、LED朗伯反射体:积雪、刷粉得白墙、粗糙白纸INIθθ(a)INIθθ(b)3、5光出射度光出射度:光源表面上单位面积发出得光通量,单位为lm/m2。因透射或反射得二次发光面:照度:被照面所接收到得光通量得表面密度,光出射度:发光面发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):投射在单位面积上得光通量。单位:流明每平方米(lm/m2,也称为勒克斯lx,即1lm/m2=1lx)注意:1)1lx得照度就是比较小得,在此照度下只能大致辨认周围物体。通常,满月夜晚得地面照度约为0、2lx,白天采光良好得室内照度为100－500lx,晴朗得室外太阳非直射下得地面照度为103－104lx,而中午太阳直射下得地面照度可达105lx。2)照度越高,眼睛分辨细节、低反差以及色调得能力越强。因此,不同活动需要不同得照度级别。3、6照度在通常照明条件下,将20lx得平均照度取为非工作区得最小照度,她相当于刚能识别人得脸部特征得约为1cd/m2得亮度。对于长期有人活动得房间,其最小照度要求为200lx得平均照度,此时能轻松而清楚得看到人得面部特征。对于学习和办公等场合,要求得最低有500lx得照度。对于工作区得照明,为获得满意得视觉效果,优先选择得照度范围为1000－2000lx。但从经济和节能得角度考虑,对于一般得作业照明,所选择得照度值比此范围低。3、6照度表对不同类型活动推荐得照度范围活动类型照度(lx)方向指示和简单得视觉工作(公共空间)30-100普通视觉工作(商业、工业和居室应用)300-1000专门视觉工作,包括与很小或低反差物件有关得工作3000－10,0003、6照度表对各种场合和劳动形式得推荐照度值场合或活动推荐照度(lx)户外和非工作区域20(在通常照明条件下非工作区得最小照度)通行区域,简单定向或短暂停留100不连续用于工作目得得房间150视觉简单得作业300一般视觉作业500对视觉有要求得作业750有困难得视觉要求得作业1000有特殊视觉要求得作业1500非常精确得视觉作业20003、6照度日照环境下得照度3、6照度照度与易读性3、6照度2、点光源产生得照度一般当光源得最大尺寸不超过光源至被照平面间得最小距离得五分之一(立体角小于0、002sr)时,就可将此光源看作点光源。N平面得P点照度(法线照度)—平方反比定律H平面得P点照度—余弦定律3、6照度S1面：E1==；S2面：E2=

；

∵S1=S2cosθ∴

显而易见：E2=E1cosθ

将它与照度的平方反比定律结合起来就有：3、6照度H平面得P点照度—余弦立方定律应用:蝙蝠翼配光曲线计算h为光源与被照平面得距离如果H为水平面,则Evh可称为P点得水平照度。3、6照度P点垂直照度(即V平面得P点照度)EvvEvvEvvV平面法线照度:垂直面照度:水平面照度:3、6照度点光源得尺度要求点、线、面、体光源3、6照度23、6照度朗伯点光源照度计算3、6照度3、多个点光源产生得照度一般得照明光源不存在相干得问题,因此当有n个点光源同时照射工作面时,n个点光源产生