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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,*,第五章 光度学和色度学基础,第一节 辐射量和光学量及其单位,第二节 光传播过程中光学量的变化规律,第三节 成像系统像面的光照度,色 度 学：一门研究彩色计量的科学。,辐射度学：研究各种电磁辐射强弱的学科,。,光 度 学,:,研究可见光强弱的学科。,1,第五章 光度学和色度学基础第一节 辐射量和光学量及,10,-15,m,10,6,m,2,10-15m106m2,立体角,定义：,一个任意形状的封闭锥面所包围的空间,单位：,Sr,（球面度）,d,=ds,n,/r,2,ds,d,发光体都是在它周围一定空间内辐射能量，因此有关辐射能量的讨论和计算问题，将是一个立体空间问题。,立体角,光度学中常用的几何量。,数学表达式,:,顶角,3,立体角定义：一个任意形状的封闭锥面所包围的空间,第一节 辐射量和光学量及其单位,辐射量,:,描述电磁辐射的物理量。,光学量：,按视觉响应原则建立的表征可见光的量。,一、辐射量,（,6,个）,1,辐射能,：,定义：以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量。,单位：焦耳,（,J,）,2,辐通量,：,定义：单位时间内发射、传输或接,收的辐射能。,单位：瓦特,（,w,）,辐射量,光学量,关系,4,第一节 辐射量和光学量及其单位 辐射量:描述电,3,辐出度,：,定义：辐射源单位发射面积,发出,的辐通量,。,单位：瓦特每平方米,（,W,m,2,）,4,辐照度：,定义：辐射照射面单位受照面积上,接受,的辐通量。,单位：瓦特每平方米,（,W,m,2,）,。,5,辐强度：,定义：,点辐射源,在某一方向，单位立体,角内,发出,的辐通量。,单位：瓦特每球面度,（,W,sr,）,。,5,3辐出度：定义：辐射源单位发射面积发出的辐通量。单位：瓦,定义：,辐射面,在垂直于,方向 的平,面上的单位面积单位在立体,角内,发出,的辐通量。,6,、辐亮度,：,单位：瓦特每球面度平方米,W,（,srm,2,）,。,二、光学量（,5,个）,1,、光通量,：,定义：标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。,单位：流明,（,lm,）,。,6,定义：辐射面在垂直于方向 的平6、辐亮度：单位：瓦,2,、光出射度：,定义：光源单位发光面积,发出,的光通量。,单位：流明每平方米,（,lm,m,2,）,3,光照度：,定义：单位受照面积,接受,的光通量。,单位：勒克斯,（,lx,）,4,发光强度：,定义：,点光源,在某一方向，单位立体角,单位：坎德拉,（,cd,）,5,光亮度：,定义：,面光源,在垂直与,方向 的平面,上的单位面积在单位立体角内,发出,的光通量。,单位：坎德拉每平方米,（,cd/m,2,）,内,发出,的光通量,。,7,2、光出射度：定义：光源单位发光面积发出的光通量。单位：,三、光学量和辐射量间的关系,1,、光谱光效率函数,(,视见函数,),定义：,人对不同波长光的响应灵敏度是波长的函数。,明视觉：,任一波长为,的光和波长为,555nm,的光，产生相同视觉所需的辐射通量之比。,暗视觉：,8,三、光学量和辐射量间的关系1、光谱光效率函数(视见函数),2,、光学量和辐射量间的关系,在 附近的小波长间隔内，光通量和辐通量之间的关系：,明视觉条件：,暗视觉条件：,K,m,683(1m,w),K,m,1755(1m,w),整个可见辐射范围内的总光通量,:,明视觉,:,暗视觉,:,K,m,、,K,m,单色光的绝对光谱光效率值,9,2、光学量和辐射量间的关系 在 附近的小波长,第二节 光传播过程中光学量的变化规律,一、点光源在距离为,r,处的表面上形成的照度,点光源,S,的发光强度为,I,(,光通量,),点光源,面光源,元光管,反射和折射,余弦辐射体,10,第二节 光传播过程中光学量的变化规律一、点光源在距离为,根据照度的定义：,照度平方反比定律：,点光源在被照表面上形成的照度与被照面到光源距离的平方成反比。,11,根据照度的定义：照度平方反比定律：点光,二、面光源在与之距离为,r,处的表面上形成的照度,发光面,受照面,面光源的亮度,12,二、面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度发光面受照面面光,面光源在与之距离为,r,的表面上形成的光照度与光源的亮度,L,、面积,dA,S,，以及两个表面的法线分别与,r,夹角的余弦成正比，与距离,r,的平方成反比。,13,面光源在与之距离为r的表面上形成的光照度与,三、单一介质元光管内光亮度的传递,元光管：两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间。,元光管的性质：,光在元光管内传播，无光能损失。,L,1,L,2,14,三、单一介质元光管内光亮度的传递元光管：两个面积很小的截面构,通过,1,面的光通量：,通过,2,面的光通量：,元光管的性质：,即：,光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同。,15,通过1面的光通量：通过2面的光通量：元光管的性质：即：光,第二节 光传播过程中光学量的变化规律,一、点光源在距离为,r,处的表面上形成的照度,二、面光源在与之距离为,r,处的表面上形成的照度,三、单一介质元光管内光亮度的传递,四、光束经界面反射和折射后的亮度,16,第二节 光传播过程中光学量的变化规律一、点光源在距离为,入射光的光通量,反射光的光通量,折射光的光通量,根据反射定律,根据折射定律和能量守衡定律,当,17,入射光的光通量 反射光的光通量 折射光的光,一光束投射到两透明介质的界面时，会形成反射和透射两路光束，两光束的方向分别由反射定律和折射定律确定。两光束的亮度分别为,:,反射光束的亮度,:,透射光束的亮度,:,当,时,:,光束经理想折射后，光亮度将产生变化，但,值保持不变,.,结论,:,18,一光束投射到两透明介质的界面时，会形成反射和,五、余弦辐射体,1,、定义：,发光强度满足,的发光表面。,2,、余弦辐射体,的光亮度：,常数,余弦辐射体在各方向的,光亮度相同。,3,、分类：,自发光、透射、反射,19,五、余弦辐射体 1、定义：发光强度满足,4,、余弦辐射体发出的光通量：,5,、余弦辐射体的光出射度：,20,4、余弦辐射体发出的光通量：5、余弦辐射体的光出射度：2,例：假定一个钨丝充气灯泡的功率为,300W,，发光效率为,20Im/W,，灯丝尺寸为,88.5mm,2,，可看作两面发光的余弦辐,射体，求灯丝面内的平均光亮度。,解：发光面所发出的总光通量为,由于灯丝可看作两面发光的余弦辐体，根据,得灯丝面内的平均光亮度为,21,例：假定一个钨丝充气灯泡的功率为300W，发,第三节 成像系统像面的光照度,一、轴上像点的光照度,发出的光通量：,接受的光通量：,L,L,考虑能量损失,透射比,22,第三节 成像系统像面的光照度 一、轴上像点的光照度 发,轴上像点的光照度为,:,当系统满足正弦条件 时,轴上像点的照度与孔径角正弦的平方成正比，和线放大率的平方成反比。,23,轴上像点的光照度为:当系统满足正弦条件,二、轴外像点的照度,:,像面轴点上的照度,在物面亮度均匀的情况下，轴外像点照度降低,。,24,二、轴外像点的照度:像面轴点上的照度 在物,三、光通过光学系统时的能量损失,(,反射、吸收,),透射比：,反射比：,1,、光在两透明介质界面上的反射损失,可以证明：,光垂直或以很小的入射角入射时：,反射光能的损失和界面两边介质的折射率有关。,设入射光通量：,反射光通量：,出射光通量：,25,三、光通过光学系统时的能量损失(反射、吸收)透射比：反射比,例：,一个光学系统，有 个空气,冕牌玻璃界面，有 个空气,火石玻璃界面。假定进入系统的光通量为 ，在只考虑反射损失情况下，由系统出射的光通量是多少？,解：设 、分别为空气,冕牌玻璃和空气,火石玻璃界面的反射比，则出射光通量为：,降低反射损失的方法：在元件的表面镀增透膜。,反射光通量：,出射光通量：,26,例：一个光学系统，有 个空气冕牌玻璃界面，,2,、介质吸收造成的光能量损失,0,d,被介质吸收的光通量,:,通过,介质层后的光通量,:,令 ，则,P,（介质的透明率）,：,表示光通过单位厚度,lcm,介质层时,出射光通量与入射光通量之比。,介质吸收造成的光通量损失,：,对于多元件系统出射光通量为：,27,2、介质吸收造成的光能量损失 0d被介质吸收的光通,3,、反射面的光能损失,反射光的光通量：,光通量损失：,四、光学系统的总透射比,一光学系统，有 个冕牌玻璃折射面和 个火石玻璃折射面；光通过,M,种介质制成的元件，系统有 个反射面。则,出射光通量,为：,总透射比,为,:,28,3、反射面的光能损失反射光的光通量：光通量损失：四、光学,第五章,5-1:,P103:1、2,1,、一氦氖激光器，发射波长为 的激光束，,辐射通量,为,5mW,，光束的发散角为 ，求此激光束的光通量及发光强度。又此激光器输出光束的截面（即放电毛细管的截面）直径为,1mm,，求其光亮度。,1,、,光通量,2,、,发光强度,提示：,3,、,光亮度,i,ri,29,第五章 5-1:P103:1、2,2,、一束波长为的蓝光 ；光通量为,620 Lm,，相应的辐通量是多少？如果射在一个屏幕上，屏幕上,1min,所接受的辐射能是多少？,V(460)=0.060,提示,:,30,2、一束波长为的蓝光 ；光通,第五章,P103 5-2:3,、,4,4,双筒望远镜的光学系统如图,527,所示，凸透镜、棱镜和平板玻璃均用冕牌玻璃制做，所有凹透镜都用火石玻璃制成，若所有材料的透明率,P,相同，且,P,0.985,，系统中各零件中心厚度之和,100mm,，计算光学零件表面不镀增透膜和镀增透膜两种情况下系统的总透射比。,参见P83,不镀膜,:,镀膜,:,31,第五章 P103 5-2:3、4,3,、用,250W,溴钨灯做,16mm,电影放映机的光源。光源的发光效率为,30Im,W,，灯丝外形面积为 ，可以看做是两面发光的余弦辐射体。系统光路如图,526,所示，灯丝成像在片门处，像的大小正好充满片门，尺寸为 。灯泡后面有球面反光镜，使灯丝平均亮度提高,50%,。银幕宽为,4m,，放映物镜的相对孔径为,1,1.8,，系统的透射比,0.6,，求银幕的光照度。,光源余弦辐射体,球面反光镜,亮度提高,50%,相对孔径,:,32,3、用250W溴钨灯做16mm电影放映机的光源,
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