06應用光學2011-09級(第六章)上課.ppt

1、,第六章光能及其計算,波長為400760nm范圍內(nèi)的電磁波稱為“可見光” 研究可見光的測試、計量和計算稱為“光度學” 研究電磁波輻射的測試、計量和計算的學科稱為“輻射度學”,輻射度學,通過電磁光譜來處理輻射能的測量。 輻射度學主要研究頻率為31011 31016Hz的光輻射，對應于0.011000m微米的波長。 波段范圍包括紅外、可見光、紫外線。,光度學,與輻射度學類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光，波長范圍為380780nm(納米)。 波長450nm對應于藍色，540nm對應于綠色，659nm對應于紅色。,立體角的定義： 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。,第一節(jié)

2、立體角的意義和它在光度學中的應用,立體角定義圖,以錐體頂點為球心，任意r為半徑作一球面，此錐體在球面上的截面為S，則立體角表示為,立體角單位：以錐頂為球心，以r為半徑作一圓球，若錐面在原球上所截出的面積等于r2，則該立體角為一個“球面度”（sr）。 整個球面的面積為4r2, 對于整個空間有,即整個空間等于4 球面度,立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空間，2角度覆蓋整個單位圓。 在三維空間， 4的球面度立體角覆蓋整個單位球面。,從一個球面上去處1球面度立體角的圓錐,計算微元立體角的幾何關系,第二節(jié) 輻射度學中的基本量,一、輻射通量,輻射通量的定義： 單位時間內(nèi)輻射體所輻射的總能量，用e表示

3、；其計量單位用功率單位瓦特。 表示了一個輻射體輻射的強弱 輻射通量就是輻射體的輻射功率 用輻射通量的光譜密集度來表示輻射體的輻射通量按波長分布的特性,用輻射通量的光譜密集度e來表示輻射體的輻射通量按波長分布的特性,輻射體總輻射通量即輻射體的總輻射功率為,其他表示,面積元ds的輻射通量： 單位時間內(nèi)面積元ds輻射出 來的所有波長的光能量。 分布函數(shù)（譜輻射通量密度）： 在單位時間內(nèi)通過光源面積元的某一波長附近的單位波長間隔內(nèi)的光能量。用e()表示，是波長的函數(shù)。,其他表示,總輻射通量： 從光源面積元ds輻射出來的波長在 +d 間的輻射通量為： 從光源面積元ds發(fā)出的各種波長光的總輻射通量為：,二

4、、輻射強度,輻射體在不同方向上的輻射特性用在給定方向上取立體角d，在d范圍內(nèi)的輻射通量為de。,把de與d之比稱為輻射體在該方向上的“輻射強度”，Ie表示,單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量 輻射強度的單位為瓦每球面度（W/sr）。,均勻點光源,三、輻（射）出射度、輻（射）照度,輻射強度不能表示輻射體表面不同位置的輻射特性 表示輻射體表面上任意一點A處的輻射強弱： 假定dS微面輻射出的輻射通量為de，則A點的輻（射）出射度為 Me稱為“輻（射）出射度”， 單位為瓦每平方米（W/m2）,某點單位面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量,單位為瓦每平方米（W/m2）,如果某一物體表面被其它輻射體照射 即為了表示A點被照射的強

5、弱，假定物體所接受的輻射通量為de，把dS接受的de與dS之比稱為“輻（射）照度”，符號為Ee，即 輻（射）照度與輻（射） 出射度的單位一樣， 也為瓦每平方米（W/m2）,四、輻（射）亮度,用輻（射）亮度來表示輻射體表面不同位置和不同方向上的輻射特性,dS在AO垂直方向上的投影面積為dSn,若在AO方向上的輻射強度為Ie，把Ie與dSn之比稱為“輻 （射）亮度”，符號為Le 輻 （射）亮度代表了輻射體不同位置和不同方向上的輻射特性。 單位為瓦每球面度平方米（W/（sr.m2）。,可見光 光的輻射能中能引起人眼的視覺效應的區(qū)域。 這個區(qū)域從400納米到760納米。 人眼觀察輻射體時，其視覺強弱與

6、輻射波長和輻射強度（某一方向）有關 在可見光中不同波長的光所引起的視覺效應的靈敏度是不相同的。 在光度學中，為了表示這種差別，定義V ()為“視見函數(shù)”（光譜光視效率）。,第三節(jié) 人眼的視見函數(shù),視見函數(shù) 把人眼對黃光的視覺靈敏度作為基準，其它色光的視覺靈敏度與黃光的視覺靈敏度相比，得出各種色光的相對視覺靈敏度，稱為視見函數(shù)，用V()表示。 把人眼最靈敏波長（=555nm）的視見函數(shù)規(guī)定為1，即V(555)=1 V()1 不同人在不同觀察條件下的視覺函數(shù)略有差別,視見函數(shù)是表征人眼對不同波長光平均相對靈敏度的函數(shù)，又稱視覺靈敏度,即：,它與輻射通量的關系 ：,第四節(jié) 光度學中的基本量,一、發(fā)光

7、強度和光通量 發(fā)光強度是光度學中最基本量之一，與輻射度學中的輻射強度相對應。 輻射體的輻射波長為的單色光，在眼睛觀察的方向上的輻射強度為Ie，眼瞳孔對輻射體所張的立體角為d，則眼睛接受到的輻射通量為 眼睛的視覺強度與輻射通量de和視見函數(shù)V()成正比 這就表示該輻射所產(chǎn)生的視覺強度（ d）。,d是按人眼視覺強度來度量的輻射通量，稱為“光通量”。 C為單位換算常數(shù)，由d和de所采用的單位決定。 光通量是描述客觀輻射通量所引起的人眼視覺強弱的物理量 光通量的單位是流明（lm） 一只40W白熾燈的全部輻射的光通量為500lm，而40W的熒光燈的全部輻射約為2300lm,發(fā)光強度與輻射強度相對應。它表

8、示在指定方向上光源發(fā)光的強弱，即單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量,發(fā)光強度的單位為坎（德拉）（cd）,對于均勻點光源,1cd（坎德拉）代表發(fā)光體發(fā)出的電磁波頻率為540X1012Hz的單色輻射（波長為555nm），且在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr。 1坎德拉等于光源在1個立體弧度內(nèi)產(chǎn)生1流明的光通量 坎德拉是光度學中最基本的單位，也是國際基本計量單位之一。 光通量 光通量d的單位為流明（lm） 1lm表示在某一方向上的發(fā)光強度為1cd的發(fā)光體在單位立體角內(nèi)的通光量，即,由坎德拉及發(fā)光強度的定義可知：,用符號K ()來表示系數(shù)CV()，即 K ()稱為波長的“光譜光視效能”,其單位是（cd

9、sr）/W或lm/W 其最大值為Km，稱為“最大光譜光視效能” 上面的公式中輻射通量de以瓦（W）為單位，光通量d以流明（lm）為單位,在實際應用中，輻射體都有一定的波長范圍，所以光通量與輻射通量的關系就有 用K來表示發(fā)光體的發(fā)光特性 注意：K和K()是不同的。 K稱為發(fā)光體“光視效能”，其單位為流明每瓦（lm/W）其物理意義是輻射體消耗1W功率所發(fā)出的流明數(shù) K ()稱為波長的“光譜光視函數(shù)”,二、光出射度和光照度 用光出射度M來表示A點處的發(fā)光強弱 指發(fā)光表面單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，它與輻（射）出射度相對應 當發(fā)光表面均勻發(fā)光時，其光出射度為 反之，當某一表面被發(fā)光體照明，用光照度E來表示被照明表面A處的照明強弱 在均勻照明情況下,光照度表示被照明的表面單位面積上所接收的光通量。 它與輻射度學中的輻（射）照度相對應。 它們的單位為勒克斯（lx）。 1lx等于1m2面積上發(fā)出或接收1lm的光能量，即：,三、光亮度 前面所講的概念并不能表示發(fā)光面不同方向的發(fā)光特性。 用光亮度來表示發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)光特性。 在該方向上單位投影面積的發(fā)光強度。,L表示發(fā)光面上A點處在AO方向上的發(fā)光特性 光亮度等于發(fā)光表面上某點周圍