工程光学第05章

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1、 对一光学系统，它除了能形成与物体相似的像以外，还要对一光学系统，它除了能形成与物体相似的像以外，还要求所成的像有相应的求所成的像有相应的光度水准光度水准，以便能为光能接收器（如眼，以便能为光能接收器（如眼睛、照相机底片和光敏器件等）所感受。睛、照相机底片和光敏器件等）所感受。本章就是对光学系统有关的本章就是对光学系统有关的光能光能问题作一简要介绍。问题作一简要介绍。可见光可以用两种量值系统来度量：可见光可以用两种量值系统来度量：辐射量辐射量 通过光波的电磁幅射来描述（纯物理）。通过光波的电磁幅射来描述（纯物理）。光学量光学量 光波对人眼的刺激程度。光波对人眼的刺激程度。 辐射能辐射能Qe：

2、以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量称做辐射能。以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量称做辐射能。 单位单位：（：（J）辐辐 射能射能 通量通量e： 单位时间内发射，传输或接收的辐射能称之为单位时间内发射，传输或接收的辐射能称之为 辐通量（单位时间内通过某一面积的全部辐射能）。辐通量（单位时间内通过某一面积的全部辐射能）。 辐辐 射射 出出 射射 度度Me： 辐射源单位发射面积发出的辐通量称为辐出度。辐射源单位发射面积发出的辐通量称为辐出度。tQeedd AMeedd （W）（W/m） 辐辐 射射 照度照度Ee： 辐射照射面单位受照面积上接受的辐通量。辐射照射面单位受照面积上接受的辐通量。 辐辐

3、 射射 强度强度Ie： 点辐射源向各方向发出辐射，在某一方向，在元点辐射源向各方向发出辐射，在某一方向，在元 立体角立体角d内发出的辐通量为内发出的辐通量为de，则辐射强度，则辐射强度Ie为：为： 辐辐射射亮度亮度Le： 为了表征具有有限尺寸辐射源辐通量的空间分布，为了表征具有有限尺寸辐射源辐通量的空间分布， 采用采用辐亮度辐亮度这个定义。这个定义。（ W/sr ）（W/m）AEeedd ddeeI 上述上述6种辐射量对所有光辐射都适用。种辐射量对所有光辐射都适用。 元面积为元面积为dA的辐射面，在和表面法线的辐射面，在和表面法线N成成角方向，在元角方向，在元立体角立体角d内发出的辐通量为内发

4、出的辐通量为de，则辐亮度，则辐亮度Le为：为： （W/（srm ） ddcosdALee 光通量光通量v： 标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。 单位单位：（：（流流明明 lm） 光出射度光出射度Mv： 光源单位发光面积发出的光通量。光源单位发光面积发出的光通量。 光照度光照度Ev： 单位受照面积接受的光通量。单位受照面积接受的光通量。（lm/m）dAdMvv dAdEvv 勒（克斯）勒（克斯）lx，1lx=1lm/m； 发光强度发光强度Iv： 点光源向各方向发出可见光，在某一方向元立体角点光源向各方向发出可见光，在某一方向元立体角d内发出的光通量为内发出

5、的光通量为dv，则点光源在该方向上的发光强度，则点光源在该方向上的发光强度Iv为：为： 光亮度光亮度Lv： 发光面的元面积发光面的元面积dA，在和发光表面法线，在和发光表面法线N成成角的角的 方向，在元立体角方向，在元立体角d内发出的光通量为内发出的光通量为dv，则光亮度，则光亮度Lv为：为：（ cd/m ）（坎德拉（坎德拉cd） ddIvv 1979年第十六届国际计量大会对发光强度的单位坎德拉作了明年第十六届国际计量大会对发光强度的单位坎德拉作了明确的规定：确的规定：“一个光源发出频率为一个光源发出频率为5401012Hz的单色光，在一定的单色光，在一定方向的辐射强度为方向的辐射强度为1/6

6、83（W/sr），则此光源在该方向上的发光强），则此光源在该方向上的发光强度为度为1坎德拉坎德拉”。AIALvvvdcosddcosd （1 1）光谱光效率函数）光谱光效率函数 人对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数，这称之为光谱人对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数，这称之为光谱光效率函数（即人眼对各种波长单色光的相对敏感度的数量光效率函数（即人眼对各种波长单色光的相对敏感度的数量描写，它表征人眼的光谱灵敏度）。描写，它表征人眼的光谱灵敏度）。定义：定义：明视觉光谱光效率函数明视觉光谱光效率函数V( ) 峰值峰值 = 5.55 10-7 m 暗视觉光谱光效率函数暗视觉光谱光效率函数V ( )

7、 峰值峰值 = 5.07 10-7 m 分类：分类：V( )V ( )（2 2）光学量和辐射量之间的关系）光学量和辐射量之间的关系在波长在波长 附近的小波长附近的小波长d 内，光通量内，光通量dv( )和辐通量和辐通量e( )之间的关系是：之间的关系是： dVKdemv dVKdemv Km=683 lm/W 为明视觉条件下波长为明视觉条件下波长 =5.55 10-7m、V( )=1单色光的单色光的 绝对光谱光效率值；绝对光谱光效率值； Km=1755 lm/W为暗视觉条件下波长为暗视觉条件下波长 =5.07 10-7m、V ( )=1单色光的单色光的 绝对光谱光效率值；绝对光谱光效率值； 明

8、视觉条件下：明视觉条件下： 暗视觉条件下：暗视觉条件下：对于整个可见光辐射范围内的总光通量对于整个可见光辐射范围内的总光通量v： 780380 dVKemv 780380 dVKemv 明视觉条件下：明视觉条件下： 暗视觉条件下：暗视觉条件下：dAdE 2cosrdAdIdd 2cosrdAId cos2rIdAdE 代入上式，有代入上式，有照度照度: 说明说明: 点光源在被照表面上形成的照度与被照面到光源距离点光源在被照表面上形成的照度与被照面到光源距离 r 的的平方成反比平方成反比。这就是照度平方反比定律。这就是照度平方反比定律。 dAdE 代入上式，有代入上式，有照度照度: 说明说明:

9、面光源在距离为面光源在距离为r的表面上形成的光照度与的表面上形成的光照度与光源的亮度光源的亮度L、面积面积dAs以及两个表面的法线分别以及两个表面的法线分别r夹角的夹角的余弦成正比余弦成正比，与，与距离距离r的平方成反比的平方成反比。 221coscosLrdAdddAds 221coscosrdAdALds 221coscosrdALdAdEs 元光管：元光管：两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间就是一个元两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间就是一个元光管。光在元光管内传播，不从侧壁溢出，即光管。光在元光管内传播，不从侧壁溢出，即无光能损失无光能损失。 通过通过1面的光通量：面的

10、光通量： 22211111111coscos cosrdAdALddALd 通过通过2面的光通量面的光通量(同理同理)： 2112222coscosrdAdALd 所以有，所以有， 21 dd 21LL 根据元光管的性质，有根据元光管的性质，有说明：说明： 光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同。光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同。 或者说，或者说， 光在元光管内传播光束亮度不变。光在元光管内传播光束亮度不变。211222222111coscoscoscosrdAdALrdAdAL 推出：推出： 一光束投射到两透明介质的界面时，有一光束投射到两透明介质的界面时，有dAidLd cos dA