光能及其計算

光能及其計算二、光譜光視效率任何輻射能接收器都只能接收某一光譜范圍內(nèi)的能量，即對不同光譜范圍有不同的靈敏度。如人眼，λ=400～760nm為可見光。在這個范圍內(nèi)，人眼能比較光譜波長及能量大小。但各種波長的光引起人眼感覺、靈敏度不同。

λ(nm)420510555610700V(λ）0.0040.51.00.50.004人眼對λ=555nm的黃光最靈敏

V(λ)表征人眼的光譜靈敏度，人眼的相對靈敏度稱光譜光視效率或視見函數(shù)。這種光源稱為“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”。在國際單位制中，發(fā)光強度的單位為坎德拉（Candela），單位代號：坎（cd）。系統(tǒng)放大倍率越小，像面照度越大（若β大，為了保證像面足夠的像面照度，更要求照明好，U要大）對所有波長ρ1的物體——白體描述面光源的發(fā)光特性，定義為發(fā)光表面單位面積上發(fā)出的光通量，其單位與光照度相同。如果系統(tǒng)的能量透過率為K，則由出瞳出射的光通量：用dF和d之比來表示該方向上光源的發(fā)光特性。由于假定各方向均勻發(fā)光，所以根據(jù)公式即可求得發(fā)光強度試求燈泡的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。由于假定各方向均勻發(fā)光，所以根據(jù)公式即可求得發(fā)光強度§5-3光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律一、通過光學(xué)系統(tǒng)的光通量§5-4光學(xué)系統(tǒng)光能損失的計算在國際單位制中，發(fā)光強度的單位為坎德拉（Candela），單位代號：坎（cd）。余弦輻射表面向2p立體角空間發(fā)出的總光通量、光亮度和光出射度的關(guān)系三、光通量與發(fā)光效率光通量——是輻射能通量的光量度，即若干輻射能相當(dāng)于多少光。光通量的單位為“流明”(lm)。發(fā)光效率——輻射體（光源）發(fā)出的總光通量與總的輻射能通量之比。單位為lm/W。在極窄的波段范圍內(nèi)，光通量為：在全部波段范圍內(nèi)，總光通量為：§5-2發(fā)光強度，光照度，光出射度和光亮度

一、發(fā)光強度單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，描述點光源的發(fā)光特性

發(fā)光強度的單位——坎德拉

（是光度學(xué)的基本單位）立體角，其單位為“球面度”（sr）。立體角:一個任意形狀的封閉錐面所包含的空間稱為立體角，用

表示

立體角與孔徑角U之間的關(guān)系：通常我們所接觸到的光源，在不同方向上輻射的光通量是不一樣的。

為了表示輻射體在不同方向上的發(fā)光特性，我們在該方向上取微小立體角d

，它所發(fā)出的光通量為dF。用dF和d

之比來表示該方向上光源的發(fā)光特性。其關(guān)系表示為：式中稱為光源在該方向上的發(fā)光強度。因此，發(fā)光強度就是單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量。發(fā)光強度的單位稱為燭光。一個燭光相當(dāng)于單位立體角內(nèi)輻射一個流明的光通量。在國際單位制中，發(fā)光強度的單位為坎德拉（Candela），單位代號：坎（cd）。1979年第16屆國際計量大會（決議3）規(guī)定坎德拉的定義為：“坎德拉是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為5.0×1014Hz的單色輻射，而且在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr?！?/p>

人眼對λ=555nm的黃光最靈敏發(fā)光面所發(fā)出的總光通量為或者說是投影到q方向的單位面積立體角內(nèi)的光通量大小?！?-3光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律試求燈泡的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。二、軸上像點的光照度單位面積上所接收的光通量大小。通常我們所接觸到的光源，在不同方向上輻射的光通量是不一樣的。計算舉例：假定一個鎢絲充氣燈泡的功率為300瓦發(fā)光效率為20流明/瓦，燈絲尺寸為8×8.在光學(xué)零件中的吸收——損失a(吸收率)透射面的反射損失二、光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度立體角與孔徑角U之間的關(guān)系：試求燈泡的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。由于燈絲兩面發(fā)光，則代入公式，得二、光照度單位面積上所接收的光通量大小。其單位為勒克斯(lx)。若是點光源照明某個面積，有

說明：I越大則E越大；r越大則E越小；與方向有關(guān)，當(dāng)=0即垂直照明時E最大；人眼具有分辨E大小的能力被照明物體表面的照度和光源在照明方向上的發(fā)光強度及被照明表面的傾斜角的余弦成正比。與距離的平方成反比。

如圖所示的照明器，在15米遠的地方照明直徑為2.5米的圓面積，要求達到的平均照度為50勒克司，聚光鏡的焦距為150毫米，通光直徑也等于150毫米。試求燈泡的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。三、光出射度

描述面光源的發(fā)光特性，定義為發(fā)光表面單位面積上發(fā)出的光通量，其單位與光照度相同。

透射面或反射面接受光通量，又可作為二次光源發(fā)出光通量。此時該二次光源的發(fā)光特性除與接受到的光通量有關(guān)外，還與自身的透射或反射率有關(guān)，有，ρ為透射率或反射率，與波長有關(guān)，因而物體呈現(xiàn)彩色。對所有波長ρ

1的物體——白體對所有波長ρ

0的物體——黑體四、光亮度微面積dS在i方向的光亮度Li的定義為：微面積dS在i方向上的發(fā)光強度Ii與此微面積在垂直于該方向的平面上的投影面積dScosi之比，即光亮度的單位——尼特（坎德拉每平方米，cd/m2）q方向的光亮度L是投影到q方向的單位面積上的發(fā)光強度大小?；蛘哒f是投影到q方向的單位面積立體角內(nèi)的光通量大小。光出射度（面發(fā)光度）表示發(fā)光面單位面積上發(fā)出的光通量，但未計入輻射的方向計算舉例：一個功率為60瓦的鎢絲充氣燈泡，假定它在各個方向上均勻發(fā)光，求它的發(fā)光強度。一般而言，鎢絲充氣燈泡的發(fā)光效率為9.2~21流明/瓦。假如取它的平均值等于15流明/瓦，則該燈泡所發(fā)出的總光通量為 F＝60瓦×15流明/瓦＝900流明由于假定各方向均勻發(fā)光，所以根據(jù)公式即可求得發(fā)光強度cd計算舉例：假定一個鎢絲充氣燈泡的功率為300瓦發(fā)光效率為20流明/瓦，燈絲尺寸為8×8.5毫米2，如圖所示，雙面發(fā)光，求在燈絲面內(nèi)的平均亮度。由于燈絲兩面發(fā)光，則代入公式，得

熙提發(fā)光面所發(fā)出的總光通量為

流明某些光源，L不隨方向變，此時I隨方向變，可推得

這種光源稱為“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”。

余弦輻射體、朗伯特光源：遵從朗伯特定律，亮度L不隨q改變（注：此時各方向的發(fā)光強度不同）通常擴展光源上每一面元的亮度

隨方向不同而不同太陽輻射的規(guī)律相當(dāng)接近于朗伯定律余弦輻射表面向2p立體角空間發(fā)出的總光通量、光亮度和光出射度的關(guān)系余弦輻射表面向孔徑角為U的立體角范圍內(nèi)發(fā)出的光通量發(fā)光強度余弦定理當(dāng)發(fā)光體在各方向的亮度相同時，不同方向上發(fā)光強度變化規(guī)律

L＝M/p，余弦輻射體的光亮度等于光出射度的p分之一單位面積的余弦輻射體，所發(fā)出的光通量為它在法線方向上，單位立體角內(nèi)發(fā)出光通量的p倍。若光源兩面發(fā)光，則M＝2pL光通量和亮度之間的關(guān)系：Φ＝2pLds全擴散表面本身并不發(fā)光，受發(fā)光體光照射經(jīng)透射或反射形成的余弦輻射體，稱做漫透射體和漫反射體漫反射體稱做朗伯散射表面或全擴散表面§5-3光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律

一、光亮度在同一介質(zhì)中的傳遞

發(fā)光的面光源為dS1，接受光通量的面積為dS2，得元光管因為光直線傳播，光路可逆，也可看成dS2發(fā)光若光能在元光管中無損失，則，即光在同一介質(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亮度。

二、光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度

反射時，，因此（反射系數(shù)）§5-5

成像光學(xué)系統(tǒng)像面的照度一、通過光學(xué)系統(tǒng)的光通量

設(shè)光源發(fā)出的光在各方向上L相同，物面上dS在u方向dω立體角內(nèi)進入系統(tǒng)的光通量：

dS發(fā)出的能進入系統(tǒng)的總光通量：如果系統(tǒng)的能量透過率為K，則由出瞳出射的光通量：同理，從像面dS’考慮，可得出瞳出射的光通量

二、軸上像點的光照度

（正弦條件）光學(xué)系統(tǒng)孔徑越大，像面照度越大

系統(tǒng)放大倍率越小，像面照度越大（若β大，為了保證像面足夠的像面照度，更要求照明好，U要大）

三、軸外像點的光照度當(dāng)物面亮度均勻時

E'為軸上點的光照度，可見，軸外點的光照度隨視場角的增大而顯著下降。

一、光亮度在同一介質(zhì)中的傳遞光在同一介質(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。因為光直線傳播，光路可逆，也可看成dS2發(fā)光余弦輻射表面向2p立體角空間發(fā)出的總光通量、光亮度和光出射度的關(guān)系單位面積上所接收的光通量大小?；蛘哒f是投影到q方向的單位面積立體角內(nèi)的光通量大小。發(fā)光強度的單位——坎德拉

（是光度學(xué)的基本單位）光通量的單位為“流明”(lm)。描述面光源的發(fā)光特性，定義為發(fā)光表面單位面積上發(fā)出的光通量，其單位與光照度相同?！?-3光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律由于假定各方向均勻發(fā)光，所以根據(jù)公式即可求得發(fā)光強度§5-3光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律假如取它的平均值等于15流明/瓦，則該燈泡所發(fā)出的總光通量為試求燈泡的發(fā)光強度和燈泡通過聚光鏡成像后在照明范圍內(nèi)的平均發(fā)光強度，以及燈泡的功率和位置。人眼對λ=555nm的黃光最靈敏§5-4光學(xué)系統(tǒng)光能損失的計算

光學(xué)零件與空氣接觸面——損失（1－τ）

膠合面——n與n'差不多，可略

漫反射、散射、多次反射——雜散光，應(yīng)改善材料及加工質(zhì)量

在空氣中的吸收——可略

在光學(xué)零件中的吸收——損失a(吸收率)

反射損失吸收損失反射面不完全反射的損失——鍍膜反射面，損失（1－ρτ

）

能量損失透射面的反射損失當(dāng)光線從一介質(zhì)透射進入另一介質(zhì)時，在拋光界面處必然伴隨有反射損失．反射光通量與入射光通量之比稱為反射系數(shù)，以符號ρ1表示．由光的電磁理論可以導(dǎo)出:當(dāng)光線垂直入射或以很小入射角入射時，式中的正弦和正切函數(shù)可用角度的弧度值代替，再考慮折射定律，則式可簡化為條件！用dF和d之比來表示該方向上光源的發(fā)光特性?；蛘哒f是投影到q方向的單位面積立體角內(nèi)的光通量大小。dS發(fā)出的能進入系統(tǒng)的總光通量：如果系統(tǒng)的能量透過率為K，則由出瞳出射的光通量：由于假定各方向均勻發(fā)光，所以根據(jù)公式即可求得發(fā)光強度人眼對λ=555nm的黃光最靈敏在國際單位制中，發(fā)光強度的單位為坎德拉（Candela），單位代號：坎（cd）。一個燭光相當(dāng)于單位立體角內(nèi)輻射一個流明的光通量。當(dāng)光束通過光學(xué)材料時，材料本身會吸收光能，引起光能損失．假如取它的平均值等于15流明/瓦，則該燈泡所發(fā)出的總光通量為此時該二次光源的發(fā)光特性除與接受到的光通量有關(guān)外，還與自身的透射或反射率有關(guān)，有，ρ為透射率或反射率，與波長有關(guān)，因而物體呈現(xiàn)彩色。若是點光源照明某個面積，有通常擴展光源上每