应用光学2006(第六章)new

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,/56,第六章 辐射度学和光度学基础,1,波长为,400760,nm,范围内的电磁波称为,“,可见光,”,研究可见光的测试、计量和计算称为,“,光度学,”,研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为,“,辐射度学,”,2,辐射度学,通过电磁光谱来处理辐射能的测量。,辐射度学主要研究频率为,3,10,11,3,10,16,Hz,的光辐射，对应于,0.011000,m,微米的波长。,波段范围包括红外、可见光、,紫外线,。,3,光,度学,与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为,380,780nm(,纳米,),。,波长,450nm,对应于蓝色，,540nm,对应于绿色，,659nm,对应于红色。,4,立体角的定义：,一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角，用,表示。,第一节 立体角的意义和它在光度学中的应用,5,立体角定义图,6,以锥体顶点为球心，任意,r,为半径作一球面，此锥体在球面上的截面为,S,，,则立体角表示为,7,立体角单位：以锥顶为球心，以,r,为半径作一圆球，若锥面在原球上所截出的面积等于,r,2,，则该立体角为一个,“,球面度,”,（,sr,）。,整个球面的面积为,4,r,2,对于整个空间有,即整个空间等于,4,球面度,8,立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，,2,角度覆盖整个单位圆。,在三维空间，,4,的球面度立体角覆盖整个单位球面。,从一个球面上去处,1,球面度,立体角的圆锥,9,计算微元立体角的几何关系,10,第二节 辐射度学中的基本量,一、辐射通量,辐射通量的定义：,单位时间内辐射体所辐射的总能量，用,e,表示；其计量单位用功率单位,瓦特,。,表示了,一个辐射体辐射的强弱,辐射通量就是辐射体的辐射功率,用辐射通量的,光谱密集度,来表示辐射体的辐射通量按,波长分布,的特性,11,用辐射通量的光谱密集度,e,来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性,e,辐射体总辐射通量即辐射体的总辐射功率为,12,其他表示,面积元,d,s,的辐射通量,：,单位时间内面积元,d,s,辐射出,来的所有波长的光能量。,分布函数（谱辐射通量密度）,：,在单位时间内通过光源面积元的某一波长附近的单位波长间隔内的光能量。用,e,(,),表示，,是波长的函数。,13,其他表示,总辐射通量：,从光源面积元,d,s,辐射出来的波长在,+,d,间的辐射通量为：,从光源面积元,d,s,发出的各种波长光的总辐射通量为：,14,二、辐射强度,辐射体在不同方向上的辐射特性用在给定方向上取立体角,d,，在,d,范围内的辐射通量为,d,e,。,把,d,e,与,d,之比称为辐射体在该方向上的“,辐射强度,”，,I,e,表示,15,单位立体角内发出的辐射通量,辐射强度的单位为,瓦每球面度（,W/,sr,）,。,d,e,d,均匀点光源,16,三、辐（射）出射度、辐（射）照度,辐射强度不能表示辐射体表面不同位置的辐射特性,表示辐射体表面上任意一点,A,处的辐射强弱：,假定,dS,微面辐射出的辐射通量为,d,e,，则,A,点的辐（射）出射度为,M,e,称为“,辐（射）出射度,”，,单位为,瓦每平方米（,W/m,2,）,A,d,e,dS,17,某点单位面积内发出的辐射通量,单位为,瓦每平方米（,W/m2,）,18,如果某一物体表面被其它辐射体照射,即为了表示,A,点被照射的强弱，假定物体所接受的辐射通量为,d,e,，,把,dS,接受的,d,e,与,dS,之比称为“,辐（射）照度,”，符号为,E,e,，即,辐（射）照度与辐（射）,出射度的单位一样，,也为,瓦每平方米（,W/m,2,）,A,d,e,dS,19,四、辐（射）亮度,用辐（射）亮度来表示辐射体表面不同位置和不同方向上的辐射特性,d,S,在,AO,垂直方向上的投影面积为,d,S,n,A,dS,N,d,O,I,e,20,若在,AO,方向上的辐射强度为,I,e,，把,I,e,与,dS,n,之比称为“,辐（射）亮度,”，符号为,L,e,辐（射）亮度代表了辐射体不同位置和不同方向上的辐射特性。,单位为,瓦每球面度平方米（,W/,（,sr.m,2,）,。,21,可见光,光的辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域。,这个区域从,400,纳米到,760,纳米。,人眼观察辐射体时，其视觉强弱与辐射波长和辐射强度（某一方向）有关,在可见光中不同波长的光所引起的视觉效应的灵敏度是不相同的。,在光度学中，为了表示这种差别，定义,V,(,),为“视见函数”（光谱光视效率）。,第三节 人眼的视见函数,22,视见函数,把人眼对,黄光,的视觉灵敏度作为基准，其它色光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得出各种色光的相对视觉灵敏度，称为视见函数，用,V,(,),表示。,把人眼最灵敏波长（,=555nm,）的视见函数规定为,1,，即,V,(555)=1,V(,),1,不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别,23,/nm,V(,),24,视见函数是表征人眼对不同波长光平均相对灵敏度的函数，又称视觉灵敏度,即：,它与辐射通量的关系：,25,第四节 光度学中的基本量,一、发光强度和光通量,发光强度是光度学中,最基本量,之一，与辐射度学中的辐射强度相对应。,辐射体的辐射波长为,的单色光，在眼睛观察的方向上的辐射强度为,I,e,，眼瞳孔对辐射体所张的立体角为,d,，则眼睛接受到的辐射通量为,眼睛的视觉强度与辐射通量,d,e,和视见函数,V(,),成正比,这就表示该辐射所产生的,视觉强度（,d,）,。,26,d,是按人眼视觉强度来度量的辐射通量，称为“,光通量,”。,C,为单位换算常数，由,d,和,d,e,所采用的单位决定。,光通量是描述客观辐射通量所引起的人眼视觉强弱的物理量,光通量的单位是,流明（,lm,）,一只,40W,白炽灯的全部辐射的光通量为,500lm,，而,40W,的荧光灯的全部辐射约为,2300lm,27,发光强度与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光源发光的强弱，即,单位立体角内发出的光通量,发光强度的单位为,坎（德拉）（,cd,）,对于均匀点光源,28,1cd,（坎德拉）,代表发光体发出的电磁波频率为,540,X,10,12,Hz,的单色辐射（波长为,555nm,），且在此方向上的辐射强度为（,1/683,）,W/,sr,。,1,坎德拉等于光源在,1,个立体弧度内产生,1,流明的光通量,坎德拉是光度学中最基本的单位，也是国际基本计量单位之一。,光通量,光通量,d,的单位为流明（,l,m,）,1lm,表示在某一方向上的发光强度为,1cd,的发光体在单位立体角内的通光量，即,29,由坎德拉及发光强度的定义可知：,30,用符号,K,(,),来表示系数,C,V(,),，即,K,(,),称为,波长的“光谱光视效能,”,其单位是（,cd,sr,）,/W,或,lm/W,其最大值为,K,m,，称为,“最大光谱光视效能”,上面的公式中辐射通量,d,e,以瓦（,W,）为单位,，,光通量,d,以流明（,lm,）为单位,31,在实际应用中，辐射体都有一定的波长范围，所以光通量与辐射通量的关系就有,用,K,来表示发光体的发光特性,注意：,K,和,K,(,),是不同的。,K,称为发光体“光视效能”，其单位为流明每瓦（,lm/W,）其物理意义是辐射体消耗,1W,功率所发出的流明数,K,(,),称为,波长的“光谱光视函数”,32,二、光出射度和光照度,用光出射度,M,来表示,A,点处的发光强弱,指发光表面单位面积内所发出的光通量，它与辐（射）出射度相对应,当发光表面均匀发光时，其光出射度为,反之，当某一表面被发光体照明，用光照度,E,来表示被照明表面,A,处的照明强弱,在均匀照明情况下,33,光照度表示被照明的表面单位面积上所接收的光通量。,它与辐射度学中的辐（射）照度相对应。它们的单位为,勒克斯（,lx,）,。,1,lx,等于,1m,2,面积上发出或接收,1lm,的光能量，即：,34,A,dS,N,d,O,I,三、光亮度,前面所讲的概念并不能表示发光面不同方向的发光特性。,用光亮度来表示发光表面不同位置和不同方向的发光特性。,在该方向上单位投影面积的发光强度。,35,L,表示发光面上,A,点处在,AO,方向上的发光特性,光亮度等于发光表面上某点周围的微面在给定方向上的发光强度除以该微面在垂直于给定方向的投影面积,光亮度,L,与辐射度学中的辐亮度相对应。,光亮度的单位为坎（德拉）,/,米,2,（,cd/m,2,）,光亮度表示发光面上单位投影面积在单位立体角内所发出的光通量,36,