工程光學(xué)-光度學(xué)及色度學(xué)基礎(chǔ)

1、2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)1第五章光度學(xué)基礎(chǔ)2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)25.1 輻射通量和光通量5.2 發(fā)光強度、光照度， 光出射度和光亮度5.3 光度學(xué)中的基本定律5.4光學(xué)成像系統(tǒng)像面的光照度 光有能，對能的討論本不是幾何光學(xué)的范疇，但要設(shè)計儀器，又不能不了解一些起碼的問題，否則所設(shè)計的儀器可能是無用的，因為不能傳遞足夠的能量。我們要求光學(xué)系統(tǒng)傳遞的能量必須能夠被光能接收器所感知。入瞳出瞳就是限制能量的。2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)35.1 輻射通量和光通量5.1.1 輻射度量稱為輻射能量。射、傳輸或接收的能量）：以電磁輻射形式發(fā)輻射能量（eQ. 1稱為輻射通量

2、。傳輸或接收的輻射能量）：單位時間內(nèi)發(fā)射、輻射通量（e. 2種定的光譜分布（即由各發(fā)出的輻射能量具有一對某一輻射體而言，它dtdQee/）。單位為焦耳（J）。單位為瓦特（W通量等通量也不同。總的輻射每種不同的波長其輻射不同的波長組成），而通量的總和。于各個組成波長的輻射2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)4，即：輻射體的能量分布曲線定的光譜范圍，若已知由于輻射能量總包含一2121ddee輻射通量為：所輻射的總的則在整個波段內(nèi)輻射體的函數(shù)；是輻射通量隨波長變化式中)(dde眼感覺、靈敏度不同。但各種波長的光引起人量大小。眼能比較光譜波長及能）。在這個范圍內(nèi)，人的單位為流明（通量的功率稱為光通量，

3、光量引起的光作用而確定能稱為光能。按輻射通輻射為可見光，這一區(qū)域的眼，有不同的靈敏度。如人量，即對不同光譜范圍能接收某一光譜內(nèi)的能任何輻射能接收器都只lmnmnm780390d眼睛的靈敏度與波長的函數(shù)關(guān)系稱為光譜光效率函數(shù)d輻射體的能量分布曲線122022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)55.1.2 光譜光效率函數(shù)（視見函數(shù)）這斷其是否相等的能力，兩個光刺激的強弱和判人的眼鏡具有正確比較evK值流明的光通量，則其比瓦的輻射通量相當(dāng)于定義單位波長內(nèi)ve靈敏度。當(dāng)?shù)牧髅鲾?shù)，稱為絕對瓦單色輻射能通量所相可表示1555)(KKV明驗的基礎(chǔ)上，由國際照光效率函數(shù)是在大量實各種波長單色光的光譜色輻射的相對之比

4、表征了人眼對該單值與任一其它波長的單色光555KK表示，即：率函數(shù)，以靈敏度，稱為光譜光效)(V）所確定的。委員會（ IEC是光度學(xué)的基礎(chǔ)。2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)6光譜光效率函數(shù)曲線4005006007008000.00.20.40.60.81.0光譜光效率(nm)論和計算的重要依據(jù)。光效率函數(shù)是光度學(xué)理明視覺和暗視覺的光譜處。的最大值在。視覺光譜光效率函數(shù)公布了暗年應(yīng)狀態(tài)叫暗視覺，以下時，正常人眼的適光亮度在百分之幾處。的最大值在。率函數(shù)公布了明視覺光譜光效年態(tài)叫明視覺，時，正常人眼的適應(yīng)狀（光亮度的單位）以上光亮度在幾個境亮度水平的影響。光譜靈敏度受到所處環(huán)nmVVmcdnm

5、VVmcd507)()(CIE1951/555)()(CIE1924/22通過查表獲得。中均有給出，使用時可值在光度學(xué)相關(guān)的專著各種波長的光譜光效率2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)75.1.3 光通量與發(fā)光效率）。單位為流明（通量，稱為光通量。眼視覺的那一部分輻射）：輻射能量中引起人光通量（lmv。下角標(biāo)；光學(xué)量下角標(biāo)射量但是下角標(biāo)有區(qū)別：輻的主符號是相同的，用符號進行區(qū)別，它們故為了區(qū)別起見，我們量的意義也基本相同，比較多，其意義與輻射由于光輻射中的物理量veevK555)(KKVevKKKV555555)(evKV555)(單位波長內(nèi)的光通量dKVdev555)(整個光譜范圍內(nèi)有：21

6、2121)()(555555dVKdKVdeevv2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)8）光源的發(fā)光效率（）。瓦特（效，它的單位為流明每光源的發(fā)光效率簡稱光1Wlm的發(fā)光效率。輻射通量之比稱為光源出的總的光通量與總的一個輻射體或光源所發(fā)ev為什么熒光燈比白熾燈省電？。這樣可以提高發(fā)光效率光效率較大值的位置，圍內(nèi)，特別是落在光譜可能多的落在可見光范光源所發(fā)射的光輻射盡作為照明用光源，要求效要高。長壽命外，還要求其光具有較好的顯色特性和個照明電光源，除要求十分重要的物理量。一光源的發(fā)光效率是一個lmlm50W114W1；熒光燈查表知：白熾燈光源發(fā)出的總的光通量總的輻射通量2022-1-15第七章

7、光度學(xué)基礎(chǔ)9截球面，其被該立體角所點為中心作任意半徑的以C5.2 發(fā)光強度、光照度，光出射度和光亮度5.2.1 立體角dACRd所光源之比就是該球面積對點與半徑平方的球面積CRdA2:張的立體角，記為2RdAd表示。，用立體角的單位是球面度sr立體角整個球面對球心所張的)(44222srRRRdA2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)10dRxyzOABCDEidi，利用球坐標(biāo)的函數(shù)為了使公式具有普適性形式來表示立體角。2RdAddiRdiAOABdiAOdAEADsindiRADsinddiid sin2RADAB角所決定和發(fā)光強度在此時應(yīng)為由i。可表示為的方向上的發(fā)光強度，),(iI通量為：

8、立體角元內(nèi)所發(fā)出的光非均勻發(fā)光的點光源在ididiIdsin),(iidiiId00sin),(2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)115.2.2 發(fā)光強度內(nèi)傳輸方向的立體角光強度是該光源在給定光源在給定方向上的發(fā)dCIE規(guī)定的光度學(xué)的基本單位單色光時的發(fā)光強度。的波長）的的空氣中（相當(dāng)于折射率為瓦、頻率為出輻射通量為在每球面度立體角內(nèi)發(fā)是光源在給定方向上，nmHzcd55500028. 11054000146. 0112的均流明等于發(fā)光強度為。國際單位符號為光通量的單位是流明，cdlm11srcdlm11K555數(shù)值的由來W)/(68300146. 01555lmKev描述點光源的發(fā)光特性。

9、的比值，即：與該立體角的光通量ddddIvv）。拉（發(fā)光光強的單位為坎德cd的光通量。球面度立體角內(nèi)所發(fā)出勻發(fā)光點光源在1evK2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)125.2.3 光照度表示。照度，用通量定義為受照面的光單位受照面積接收的光vE表征受照面被照明的亮暗程度積，有：若是點光源照明某個面2RdAIIddniRIRdAIdAdAdEnvcos22大小的能力。人眼具有分辨最大；即垂直照明時與方向有關(guān)，當(dāng)越小；越大則越大；越大則EEiEREI. 40. 3. 2. 1到自修教室占座位，要求E大些，應(yīng)占何處？CdAiNRdidAdAncos光照度表達式為：dAdEvv）。，（光照度的單位為勒

10、克斯211mlmlxlx2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)13一些實際情況下的照度無月夜天光在地面上的照度3 104 lx接近天頂?shù)臐M月在地面上的照度0.2 lx辦公室工作所必須的照度20100 lx睛朗夏日在采光良好的室內(nèi)100500 lx夏天直射的照度105 lx2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)145.2.4 光出射度表示。的光出射度，用出的光通量定義為光源光源單位發(fā)光面積上發(fā)vM關(guān)。自身的透射或反射率有的光通量有關(guān)外，還與的發(fā)光特性除與接受到次光源發(fā)出光通量。此時該二通量，可作為二次光源透射面或反射面接受光EMv描述面光源的發(fā)光特性光出射度表示為：dAdMvv與光照度相比較）。，斯

11、（光出射度的單位為勒克211mlmlxlx關(guān)，因而物體呈現(xiàn)彩色為反射系數(shù)，與波長有碳黑或黑色的毛糙表面黑體的物體對所有波長氧化鎂、硫酸鋇白體的物體對所有波長01光照度和光出射度通稱為光通量密度2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)15idAdAdAdddnnvvcos，5.2.5 光亮度描述有限大小光源的發(fā)光特性idAdLdAdLdinivcosdAiN1dAdidAdAncos對有限大小光源，顯然iL給出比例系數(shù)角方向上的光亮度光源在與法線成iLi:idAddLvicos另一方面，考慮到ddIvvidAIdAILvnvicos得：線方向上的發(fā)光強度平方米的發(fā)光表面在法面積光亮度的單位：尼特1。

12、，時的亮度為為2/1111mcdntntcd2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)16小結(jié)：光度學(xué)中各量的單位量的名稱符號單位單位附加說明光通量發(fā)光強度光照度光出射度光亮度lmIcd點光源的發(fā)光特性srlmcd/11ElxM面光源2/11mlmlx Llx受照面2/11mlmlx nt有限大小光源2/11mcdnt 2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)175.3 光度學(xué)中的基本定律5.3.1 朗伯余弦定律dAiN1dAdidAdAncos0IiI表面，由亮度為一個發(fā)光面或漫射光以dA)cos/(idAILii方向上的發(fā)光強度。為式中iIi:角方向的亮度為的定義可知，與法線成i亮度為：同樣，在法線

13、方向上的dAIL/00的亮度不隨方向改如果發(fā)光面或散射表面角方向的亮度相等。變，則在法線方向和成i因此有：iLL 0)cos/(/0idAIdAIiiIIicos0朗伯余弦定律的數(shù)學(xué)表達式朗伯光源：其亮度不隨觀察方向的變化而變化。2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)18dRxyzOABCDEidiidAddiiLidAdLdcossincosddiid sin為常值，設(shè)光源為余弦輻射體，L立體角內(nèi)所發(fā)出的總則面積元在2得：光通量可對上式積分求 2020cossinidAddiiLdiiiddAL2020cossin21cossin20diiidALLdAM倍。其出射度為光亮度的光亮度為常數(shù)的光

14、源，2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)195.3.2 光能傳播定律1dR1dA1N1i2N2i2d2dA，發(fā)光的面光源為1dA2dA接受光通量的面積為11111cosdidALd的光通量為：射向由21dAdA2221/cosRidAd22211111111/coscoscosRidAidALdidALd22222cosdidALd的光通量為：射向由12dAdA2112/cosRidAd21122222222/coscoscosRidAidALdidALd 2121LLdd光在同一介質(zhì)中傳播，忽略散射及吸收，則在傳播中的任一截面上，光通量與亮度不變。光束的亮度就是光源的亮度。光束的光亮度202

15、2-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)20UABDCdududA5.4光學(xué)成像系統(tǒng)像面的光照度5.4.1 通過光學(xué)系統(tǒng)的光通量，其元在入射光瞳面上取一面ABCD：的中心所張的立體角為對物面上輻射元dAdduud sin所發(fā)出的光通量輻射元dAdduudAuLddAuLdsincoscos部光通量：發(fā)出的能進入入瞳的全由dA200cossinUududAuLdUuduuLdA0cossin2uuududuuUU200sin21sinsincossinULdA2sin量，則由出瞳入射的光通為如果系統(tǒng)的能量透過率ULdA2sin射的光通量來考慮，可得由出瞳入同理，從像面 Ad UAdL2sin2022-1-

16、15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)215.4.2 軸上像點的光照度軸上像點的光照度為：AdEUAddAL2sinULdA2sinULEyyAddA22222sin11：當(dāng)系統(tǒng)滿足正弦條件時UnUnsinsinULnnE222sin面照度越大光學(xué)系統(tǒng)孔徑越大，像）（UE2sin1要大）度，更要求照明好，保證像面足夠的像面照大，為了像面照度越大（若系統(tǒng)垂軸放大率越小，）（UE2122022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)225.4.3 軸外像點的光照度1P2PP出瞳A面像MMUw的照度為：下，軸外像點在物面亮度均勻的情況MMMULnnE222sinwU為出瞳直徑，設(shè)DD為像面到出瞳的距離，0l0l較小時，有當(dāng)MU

17、MMUUtansinwUlwDwlwDwAPwPP20201cossin2coscos/cos)2/(cos/cos：帶入MMEUsinwULnnEM4222cossinULnnE2220sin已知軸上點光照度為：wEEM40cos2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)23為什么短焦鏡頭拍的照片?？煽闯鲞吘壿^暗？wEEM40cos0.0630.1710.3440.5630.7800.94116050403020100wwEEM40cos/2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)24。兩點的照度（見右圖），的點光源，求桌面上可看作是各向同性。設(shè)的電燈處有盞發(fā)光強度為在離桌面例BALLcdm1000 . 1. 1m0 . 1m0 . 1ABLmRmRcdIABLA0 . 1,0 . 1,100解：iRIEcos200 . 1:imRRALA點對于100)0cos(1100cos22iRIEA45211:22imRRRBABLA點對于lxiRIEB36.35100212100)45cos(2100cos22lx2022-1-15第七章 光度學(xué)基礎(chǔ)25照度最大？點的：怎樣的高度使可以垂直上下移動，問若上題中的電燈例BL. 2hml0 . 1mlcdI0 . 1,100解：ABLRiiRIEcos2ilRiRlsinsiniilIiRIE222sin