第1章光和光的传播课件

第一章第一章 光和光的传播光和光的传播光是电磁辐射光是电磁辐射，是电磁波的一种，可见光只占一小部分。是电磁波的一种，可见光只占一小部分。5 5 光度学基本概念光度学基本概念第一章第一章 光和光的传播光和光的传播1.辐射通量辐射通量2.客观量，客观量，只与辐射客体有关。辐射度只与辐射客体有关。辐射度量学的基本量量学的基本量，适合整个电磁波段。，适合整个电磁波段。定义定义：文字表述文字表述；单位：瓦（单位：瓦（W）；符号）；符号=()附近附近 内：内：一、辐射通量和光通量一、辐射通量和光通量 光源表面光源表面光度学：只适用于光度学：只适用于可见光波段可见光波段。辐射度量学：辐射度量学：适用于整个电磁波段。适用于整个电磁波段。/nm 辐射能量对波长的分布函数辐射能量对波长的分布函数 辐射通量谱密度辐射通量谱密度第一章第一章 光和光的传播光和光的传播 2.光谱响应曲线光谱响应曲线（光电仪器）（光电仪器）客客观观辐辐射射通通量量引引起起光光电电仪仪器器（不不同同器器件件）响响应应不不同同。光光谱谱响响应应R的的定定义义:检检测测器器件件的的输输出出信信号号的的大大小小与与某某个个波波长长的的入入射射光光功率之比功率之比不同光电器件的响应灵敏度不同光电器件的响应灵敏度第一章第一章 光和光的传播光和光的传播3.视见函数视见函数 视见函数的表式视见函数的表式 含义：客观含义：客观辐射通量辐射通量引起人眼引起人眼主主观观视觉强度的物理量。视觉强度的物理量。/视见函数曲线视见函数曲线 第一章第一章 光和光的传播光和光的传播 锥状和杆状两种视觉细胞的视见函数是不同的。分别是明视锥状和杆状两种视觉细胞的视见函数是不同的。分别是明视见函数见函数V(V()和暗视觉函数和暗视觉函数V(V()曲线。曲线。目前的光通量由目前的光通量由V(V()计算得到的。计算得到的。暗视觉函数的极大值向短波方向移。夜晚时，人感到周围有蓝绿的色彩。第一章第一章 光和光的传播光和光的传播明视觉明视觉，中间视觉和，中间视觉和暗视觉暗视觉说明说明第一章第一章 光和光的传播光和光的传播1瓦瓦特特555nm的的(客客观观)辐辐射射通通量量相当于相当于683流明的光通量。流明的光通量。(1)定义：辐射通量与视见函数的乘积；定义：辐射通量与视见函数的乘积；单位：单位：流明流明；符号符号:lm；(2)数学数学表式表式最大光谱光视效能最大光谱光视效能(最大最大光光功当功当量量)Km的物理意义：的物理意义：/nm辐射能量对波长的分布函数辐射能量对波长的分布函数(3)光谱光视效能光谱光视效能 光功当量光功当量4.光通量光通量（可见可见光辐射功率，光度学基本单位光辐射功率，光度学基本单位）人的眼睛对人的眼睛对555nm的的黄绿光黄绿光最敏感，其它颜色的光线的敏感度最敏感，其它颜色的光线的敏感度低于低于555nm的值。的值。第一章第一章 光和光的传播光和光的传播用用 I 表示，单位是表示，单位是 坎德拉坎德拉（cd），简称），简称“坎坎”（1 1）含义含义：光源在一定方向范围内发出光通量的空间分布光源在一定方向范围内发出光通量的空间分布（2 2）量度方法量度方法：点光源在单位立体角中发出的光通量的数值点光源在单位立体角中发出的光通量的数值数学表式数学表式I 应当是可以测量应当是可以测量1.1.发光强度发光强度-发光强度是发光强度是SISI制制7 7个基本物理量之一个基本物理量之一 发光强度物理意义发光强度物理意义 二、发光强度与亮度二、发光强度与亮度辐射度量学（电磁波段）称为辐射强度。辐射度量学（电磁波段）称为辐射强度。第一章第一章 光和光的传播光和光的传播 一个电珠一个电珠,光通量一样光通量一样,但装于手电后效果不同了，还需要但装于手电后效果不同了，还需要发光强度的概念发光强度的概念.一束光射远而强的能力称一束光射远而强的能力称光强光强 手手 电电 筒筒 发发 出出 的的 光光 虽虽 只只 有有100lm，但但光光束束很很强强，100米米外外还还很很亮亮，日日光光灯灯光光有有2000lm，光光束束强强度度却却比比不不过过手手电电筒筒。这这种种衡衡量量光光束束射射远远而而强强的的能能力力称称光光强强，手手电筒光强（电筒光强（cd）比日光灯高。）比日光灯高。第一章第一章 光和光的传播光和光的传播电灯发光强度的角分布电灯发光强度的角分布 第一章第一章 光和光的传播光和光的传播点光源（沿某一点光源（沿某一 i i 方向）的发光强度方向）的发光强度 球坐标下立体角的求法球坐标下立体角的求法 第一章第一章 光和光的传播光和光的传播（1）1881年年,“烛光烛光”，国际电工技术委员会（用蜡烛发光），国际电工技术委员会（用蜡烛发光）（2）1948年，第九届国际计量大会规定年，第九届国际计量大会规定“坎德拉坎德拉”为发光强为发光强度单位度单位 （3）我国）我国1979年，建立铂凝固点黑体光度基准，年，建立铂凝固点黑体光度基准，0.3%2.光度学基准的界定及其演变光度学基准的界定及其演变 烛光烛光坎德拉坎德拉 （4）发光强度）发光强度坎德拉的最新定义坎德拉的最新定义（1979年年10月，第十届国际计量大会通过）月，第十届国际计量大会通过）坎坎德德拉拉是是频频率率为为 （真真空空中中波波长长555nm）的的单单色色辐辐射射源源，在在给给定定方方向向上上的的发发光光强强度度，在在该该方方向向上上的的辐辐射射强度为强度为 1/683 瓦特瓦特/球面度。（球面度。（W/sr）（主、客观量）主、客观量）1（cd）坎德拉）坎德拉=1/683瓦特瓦特/球面度（球面度（W/sr）（555nm）第一章第一章 光和光的传播光和光的传播（1）定义定义发光面发光面法线法线方向上单位面积之发光强度。方向上单位面积之发光强度。亮度的单位：亮度的单位：熙提（熙提（sbsb）即：流明每平方米球面度即：流明每平方米球面度3.3.亮度亮度（发光体）和（发光体）和出光度出光度 （反光体）（反光体）（2 2）计算：计算：r r 方向上的亮度方向上的亮度眼睛看到电视屏幕感觉亮不亮眼睛看到电视屏幕感觉亮不亮-称称视觉视觉亮度，亮度，单位是亮度单位是亮度cd/mcd/m2 2。辐射度量学：辐射亮度；光度学：（光）亮度辐射度量学：辐射亮度；光度学：（光）亮度第一章第一章 光和光的传播光和光的传播亮度定义应用亮度定义应用:两个发光体间的投影面积之比两个发光体间的投影面积之比.第一章第一章 光和光的传播光和光的传播1.余弦发光体余弦发光体含义含义 物理意义物理意义:各个面元法线方向的发光各个面元法线方向的发光强度相同，但不同方向强度不同。强度相同，但不同方向强度不同。三、余弦发光体和定向发光体三、余弦发光体和定向发光体余弦发光体也称为余弦发光体也称为朗伯光源朗伯光源（1）球面朗伯光源的亮度）球面朗伯光源的亮度 按照亮度的定义按照亮度的定义 朗伯定律朗伯定律球面朗伯光源球面朗伯光源dS，其法线方向亮度为，其法线方向亮度为2.朗伯光源亮度的计算朗伯光源亮度的计算结论结论球面朗伯光源的亮度与方向无关！球面朗伯光源的亮度与方向无关！第一章第一章 光和光的传播光和光的传播 平面朗伯光源的亮度平面朗伯光源的亮度 （2）平面朗伯光源亮度的计算平面朗伯光源亮度的计算法线方向亮度的计算法线方向亮度的计算任意方向亮度的计算任意方向亮度的计算按照朗伯定律按照朗伯定律 结论结论平面朗伯光源的亮度也与方向无关平面朗伯光源的亮度也与方向无关！第一章第一章 光和光的传播光和光的传播3、定向发光体、定向发光体 激光器的亮度激光器的亮度 激光的准直度非常好激光的准直度非常好激光的亮度激光的亮度HeNe激光器激光亮度是太阳表面的激光器激光亮度是太阳表面的1万倍！万倍！第一章第一章 光和光的传播光和光的传播书桌台面受到光照多少书桌台面受到光照多少-称称照度照度 一一盏盏或或多多盏盏灯灯照照明明书书桌桌台台面面，如如果果光光照照多多看看书书则则亮亮。这这个个受受到到光光照照多多少少称称照照度度lx。教教室室书书桌桌台台面面照照度度一一般般需需要要大大于于300lx。照度。照度 E（Illuminance）单位：单位：lx（读勒克斯）（读勒克斯）测量用手持照度表测量用手持照度表第一章第一章 光和光的传播光和光的传播单位：单位：勒克斯（勒克斯（LxLx），），旧称旧称 辐透（辐透（phph）；1、定义定义：入射在被照物单位面积上的光通量入射在被照物单位面积上的光通量2、计算计算1点光源的照度点光源的照度 辐射度量学辐射度量学-辐射照度，光度学辐射照度，光度学-光照度；物面照度，像面光照度；物面照度，像面照度；光源出射度照度；光源出射度 四、照度四、照度 被被点光源点光源照射物的照度照射物的照度 第一章第一章 光和光的传播光和光的传播计算计算2面光源的照度（面光源的照度（P28）被被面光源面光源照射物的照度照射物的照度 面元发出的面元发出的光通量光通量第一章第一章 光和光的传播光和光的传播第一章第一章 光和光的传播光和光的传播第一章第一章 光和光的传播光和光的传播例题例题5的问题的问题 大盘光源上大盘光源上dS对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量大盘光源上大盘光源上环带环带对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量大盘光源大盘光源整个整个对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量第一章第一章 光和光的传播光和光的传播第一章第一章 光和光的传播光和光的传播 大盘光源大盘光源整个整个对对在圆盘轴线上的照度为在圆盘轴线上的照度为 第一章第一章 光和光的传播光和光的传播小结1.对光的本性的认识对光的本性的认识（1）微粒说：服从经典力学的微粒）微粒说：服从经典力学的微粒（2）波动说：弹性以太波）波动说：弹性以太波电磁波电磁波（3）波粒二象性：光子及其波函数）波粒二象性：光子及其波函数2.光强：光的平均能流密度。光强：光的平均能流密度。按光的电磁理论：按光的电磁理论：光强光强 n折射率，折射率，E0电场振幅电场振幅第一章第一章 光和光的传播光和光的传播3.几何光学三定律几何光学三定律（1）直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播）直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播（2）反射定律：反射线在入射面内，反射角等于入射角：）反射定律：反射线在入射面内，反射角等于入射角：（3）折射定律：折射线在入射面内，折射角与入射角正弦之比）折射定律：折射线在入射面内，折射角与入射角正弦之比等于常数（相对折射率）。等于常数（相对折射率）。光从光密介质射向光疏介质，光从光密介质射向光疏介质，入射角入射角i1ic=arcsin(n2/n1)时发时发生全反射。生全反射。第一章第一章 光和光的传播光和光的传播4.惠更斯原理惠更斯原理波面上的每一面元可认为是次波源，这些次波面的包络面是下波面上的每一面元可认为是次波源，这些次波面的包络面是下一时刻的波面。一时刻的波面。u2折射波传播方向折射波传播方向u1FDru2 t入射波入射波AECi法线法线媒质媒质1、折射率折射率n1媒质媒质2、折射率折射率n2B第一章第一章 光和光的传播光和光的传播5.费马原理费马原理 QP两点间光线的实际路径，是光程（两点间光线的实际路径，是光程（QP）为平稳（极小、）为平稳（极小、极大或恒定）的路径。（光程极大或恒定）的路径。（光程折射率折射率几何路程）几何路程）第一章第一章 光和光的传播光和光的传播6.棱镜最小偏向角棱镜最小偏向角min:第一章第一章 光和光的传播光和光的传播光通量：光通量：能被人的能被人的视觉系系统感受到的那部份光感受到的那部份光辐射功率的大射功率的大小，小，单位是位是lm(流明流明).理解：理解：1.它是指在它是指在单位位时间里通里通过一个面一个面积的能量流的能量流.2.它是人的它是人的视觉系系统所感受到的那一部份光，即可所感受到的那一部份光，即可见光光单位波位波长间隔内光的隔内光的实际功率功率Km：是一个：是一个转换常数，即光功当量，数常数，即光功当量，数值=683lm/W，即，即表示在人眼表示在人眼视觉系系统最敏感的波最敏感的波长（555nm）上，每瓦光）上，每瓦光功率相功率相应的流明数。的流明数。7.光度学基本概念光度学基本概念:第一章第一章 光和光的传播光和光的传播光光强：描描述述在在某某一一个个方方向向上上发出出光光通通量量的的能能力力，定定义在在指指定定方方向向上上的的一一个个很很小小的的立立体体角角元元内内所所包包含含的的光光通通量量值，除除以以这个个立立体体角角元元，所得的商就定所得的商就定义为光源在此方向上的光源在此方向上的发光光强度，公式度，公式为：式式中中：I为发光光强度度，d为立立体体角角元元，d为立立体体角角元元所所包包含含的光通量，的光通量，发光光强度的度的单位是位是cd（坎德拉）（坎德拉）第一章第一章 光和光的传播光和光的传播亮度：亮度：发光光强度度只只描描述述了了光光源源在在某某一一方方向向上上的的发光光能能力力，并并未未涉涉及及到到光光源源的的面面积，采采用用单位位面面积上上的的发光光强度度更更能能反反映映比比较各各种光源的种光源的“优劣劣”，这就是亮度的概念，即就是亮度的概念，即 单位：位：cd/m2照度：照度：表表明明照照明明程程度度的的大大小小，照照度度E被被定定义为单位位面面积上上的的光光通通量量，公式公式为：单位是：勒克斯（位是：勒克斯（lx）第一章第一章 光和光的传播光和光的传播光度学光度学四个单位的图示四个单位的图示:第一章第一章 光和光的传播光和光的传播作 业P34 1-22、1-23P35 1-26