應(yīng)用光學(xué) chapter 5

1、1輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)2問(wèn)題提出光具有能量如激光焊接，激光致盲，太陽(yáng)能熱水器光學(xué)系統(tǒng)是能量傳輸系統(tǒng)前面幾章研究了光學(xué)系統(tǒng)的成像問(wèn)題，只是研究了能量的傳播 方向，本章解決能量的測(cè)量、計(jì)量和計(jì)算問(wèn)題研究電磁波輻射的測(cè)試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱(chēng)為“輻射度學(xué)”研究可見(jiàn)光的測(cè)試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱(chēng)為“光度學(xué)”可見(jiàn)光可用輻射量和光學(xué)量?jī)煞N量值系統(tǒng)來(lái)度量描述電磁輻射的物理量為輻射量可見(jiàn)光是波長(zhǎng)在400nm-760nm范圍內(nèi)的電磁輻射，是能對(duì)人的 視覺(jué)形成刺激，并被能被人感受到的電磁輻射，按視覺(jué)響應(yīng)原 則建立的表征可見(jiàn)光的量為光學(xué)量3輻射度學(xué)與光度學(xué)中基本量q立體角4整個(gè)球面的面積4r2,則這

2、個(gè)空間為4 球面度4422rr立體角用孔徑角表示 假定一個(gè)圓錐面的半頂角為,該圓錐所包含的立體角為 較小時(shí)，2sin4225q輻射度量6ddIee 輻射強(qiáng)度定義：輻射通量與立體角的比值，表示輻射體在不同方向上的輻射特性（單位：W/sr）dde7dSdMee 輻射出射度、輻射照度 （單位：W/m2）dSdEeedAds定義：輻射通量與A點(diǎn)處微面的比值，表示輻射體表面上任意一點(diǎn)A處的輻射強(qiáng)弱Adds8needSIL 輻射亮度（單位：W/(srm2）cos dSdSn定義：輻射強(qiáng)度與A點(diǎn)處微面投影面積的比值，表示輻射體表面上不同位置和方向上的輻射特性9q視見(jiàn)函數(shù)l表示人眼對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的敏感度差別表

3、示人眼對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的敏感度差別l人眼視覺(jué)系統(tǒng)決定的人眼視覺(jué)系統(tǒng)決定的l明視覺(jué)視見(jiàn)函數(shù)，暗視覺(jué)視見(jiàn)函數(shù)明視覺(jué)視見(jiàn)函數(shù)，暗視覺(jué)視見(jiàn)函數(shù)l規(guī)定規(guī)定V（555）1，555nm人眼最靈敏的波長(zhǎng)人眼最靈敏的波長(zhǎng)lV V（ ）I(555)/ II(555)/ I（ ）問(wèn)題：輻射體問(wèn)題：輻射體A輻射波長(zhǎng)為輻射波長(zhǎng)為600nm，輻射體，輻射體B輻射波長(zhǎng)為輻射波長(zhǎng)為500nm，欲使，欲使兩者對(duì)人眼產(chǎn)生相同的視覺(jué)強(qiáng)度，兩者的輻射強(qiáng)度應(yīng)該怎樣？?jī)烧邔?duì)人眼產(chǎn)生相同的視覺(jué)強(qiáng)度，兩者的輻射強(qiáng)度應(yīng)該怎樣？10明視覺(jué)與暗視覺(jué)函數(shù)明視覺(jué)與暗視覺(jué)函數(shù)1112q光度量光度量1314例：一個(gè)功率(輻射通量)為60W的鎢絲充氣燈泡，假

4、定它在各個(gè)方向上均勻發(fā)光，求它的發(fā)光強(qiáng)度。解：取光效視能為15lm/W,則總光通量：Ke=1560900lm發(fā)光強(qiáng)度為I/= /4=71.62cd151617光亮度發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)光特性 lLI/dsn=I/（dscos）lLI/dsn=d/（dscosd）l發(fā)光面上單位投影面積在單 位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量l單位：坎德拉/米2, cd/m2， 熙提（sb）, 1st = 1cd/cm2 人們常說(shuō)40w日光燈比40w鎢絲燈亮，是否說(shuō)明日光燈的光亮度比鎢絲燈大？這里所說(shuō)的“亮”是指什么？ 物體的光亮度就是人眼感到的明亮程度，這種說(shuō)法對(duì)嗎？18例： He-Ne激光器：P10mw, =6

5、32.8nm, V=0.24, d=1mm,=1mSr(毫弧度)，求L d=683Vde=6830.241010-3=1.6152流明 d =2=3.14 (10-3)2 L=d/（dsd)=6.553107st L太陽(yáng)1.5105st LHe-Ne=440L太陽(yáng) “勿對(duì)著眼睛照射” “激光致盲武器”19例：如下照明器，在15m遠(yuǎn)的地方照明直徑為2.5m的圓面積，要求達(dá)到平均照度為50lx，聚光鏡的焦距為150mm，通光直徑也等于150mm，試求燈泡的發(fā)光強(qiáng)度和燈泡通過(guò)聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強(qiáng)度，以及燈泡的功率和位置。解：均勻照明下：lmES246)25. 1 (502照明范圍對(duì)應(yīng)

6、的光錐角u為：05 . 40783. 015075. 025. 1) (uutg根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)中光路計(jì)算公式：fnhntgutgun20有：030u對(duì)應(yīng)的立體角為：srusru845. 0)15(sin42sin40195. 0)25. 2(sin42sin4022022照明空間的平均發(fā)光強(qiáng)度和燈泡的發(fā)光強(qiáng)度為分別：cdIcdI292845. 02461026. 10195. 02464燈泡發(fā)出的總光通量：WI24529244燈泡的功率：WKe245153670燈泡的位置：mmtguhl130578. 07521光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化規(guī)律 22232425朗伯余弦定律及朗伯源余弦輻射體co

7、sdSIdSILNl發(fā)光強(qiáng)度空間分布可用式IINcos表示的的發(fā)光表面l只有絕對(duì)黑體是理想的余弦輻射體，具有粗糙表面的發(fā)光體與余弦發(fā)光體接近。26l對(duì)朗伯源，發(fā)光強(qiáng)度向量I端點(diǎn)軌跡是一個(gè)與發(fā)光面相切的球面l余弦輻射體在和法線(xiàn)成任意角度方向的光亮度ConstdAIdAIdAILnncoscoscos朗伯源的光亮度朗伯源的光亮度L與方向無(wú)關(guān)，只是與方向無(wú)關(guān)，只是I隨隨變化而變化變化而變化27l余弦輻射體發(fā)光微面發(fā)出的光通量余弦輻射體發(fā)光微面發(fā)出的光通量LdA20IdLdAuLdAu22sin兩面發(fā)光兩面發(fā)光28光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度均勻透明介質(zhì)情形假定A1A2直線(xiàn)為均勻透明介質(zhì)中的一條光線(xiàn)討論：直

8、線(xiàn)上任意兩點(diǎn)A1和A2在光線(xiàn)前進(jìn)方向上的L1和L2之間的關(guān)系A(chǔ)1A229ldS1輸入到dS2內(nèi)的光通量為d1l從dS2射出的d2l若不考慮光能損失21dd22211111111coscoscosldSdSLddSLd21122222222coscoscosldSdSLddSLd21LL 結(jié)論：光在同一介質(zhì)中傳播，忽略散射及吸收，則在傳播結(jié)論：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亮度 30ldA位于n1介質(zhì)內(nèi)。入射光束的光亮度L1，在o點(diǎn)附近取一微元dA，則過(guò)dA輸出的光通量：

9、ldA看作位于n2介質(zhì)內(nèi)。 dA輸出的光通量：ddIIIdALdIdALd11111111sincoscosddIIIdALdIdALd22222222sincoscos 折射情形折射情形31l不考慮界面損失， 也不考慮光束在傳播中的光能損失2221111221sincossincosdIIIdIIILLdd2221112211coscossinsindIIndIInInIn211222nLnL212212nnLL結(jié)論：當(dāng)光線(xiàn)處于同一介質(zhì)，同前L2L132l綜上，光束在均勻介質(zhì)中傳播，或在兩種介質(zhì)分界面上綜上，光束在均勻介質(zhì)中傳播，或在兩種介質(zhì)分界面上的反射時(shí)的光亮度變化，都看成折射時(shí)的特例的

10、反射時(shí)的光亮度變化，都看成折射時(shí)的特例02222211.LnLnLnLkn折合光亮度折合光亮度 結(jié)論：如果不考慮光束在傳播中的光能損失，則位于同結(jié)論：如果不考慮光束在傳播中的光能損失，則位于同一條光線(xiàn)上的所有各點(diǎn)，在該光線(xiàn)傳播方向上的折合光亮度不一條光線(xiàn)上的所有各點(diǎn)，在該光線(xiàn)傳播方向上的折合光亮度不變變 反射情形反射情形33l理想成像，物點(diǎn)理想成像，物點(diǎn)A發(fā)出的光線(xiàn)均通過(guò)像點(diǎn)發(fā)出的光線(xiàn)均通過(guò)像點(diǎn)A，物和，物和像的光亮度像的光亮度l實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，考慮光能損失實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，考慮光能損失2)(nnLL2)(nnLL 1當(dāng)系統(tǒng)物象空間介質(zhì)相同時(shí)，像的光亮度永遠(yuǎn)小于物的光亮當(dāng)系統(tǒng)物象空間介質(zhì)相同時(shí)，像的

11、光亮度永遠(yuǎn)小于物的光亮度度 2 折射光的光亮度不僅與透射率的大小有關(guān)，也與二介質(zhì)的折射光的光亮度不僅與透射率的大小有關(guān)，也與二介質(zhì)的折射率密切相關(guān)折射率密切相關(guān)LL234成像系統(tǒng)的像面照度 353637特廣角鏡頭設(shè)計(jì)難！特廣角鏡頭設(shè)計(jì)難！38照相物鏡象平面的光照度2sinmaxfDu像平面近似位于物鏡的像方焦平面上像平面近似位于物鏡的像方焦平面上204fDLEF制光制光圈圈39分度的方法：每一刻度值對(duì)應(yīng)的象平面光照度依次減少一半，相對(duì)孔徑按分度的方法：每一刻度值對(duì)應(yīng)的象平面光照度依次減少一半，相對(duì)孔徑按2/ 1等比級(jí)數(shù)變等比級(jí)數(shù)變化化40例 在晴朗的白天進(jìn)行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量H

12、0.4lxs，假定取曝光時(shí)間t=1/100s,物鏡的透過(guò)率=0.85,問(wèn)應(yīng)選多大的光圈數(shù)？（晴朗白天天空的光亮度為5000cd/m2)1 . 9111. 0012. 0500085. 04044)(4010014 . 02fDLEfDlxtHE解：光圈數(shù)選8或1141 投影物鏡象平面的光照度2sinfDU 物平面近似位于物鏡的物方焦平面上物平面近似位于物鏡的物方焦平面上12sinfDU 22014fDLEsinsinUU投影物鏡的放大率像面的照度公式42434445l例 在晴朗的白天進(jìn)行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量H0.4lxs，假定取曝光時(shí)間t=1/100s,物鏡的透過(guò)率=0.85,問(wèn)應(yīng)選多大的光圈數(shù)？（晴朗白天天空的光亮度為5000cd/m2)1 . 9111. 0012. 0500085. 04044)(4010014 . 02fDLEfDlxtHE解：光圈數(shù)選8或11461.人工照明下閱讀時(shí)，紙面光亮度應(yīng)大于10cd/m2,假定白紙的漫反射系數(shù)為0.75，用60w充氣鎢絲燈照明，光視效能為15lm/w,求當(dāng)燈泡離紙面距離不大于多少時(shí)，才能產(chǎn)生所要求的光亮度（假定紙面與照射光線(xiàn)方向垂直）？思考