應用光學第五章光度學.ppt

1、第五章 輻射度學與光度學基礎,作業(yè)： 1.有兩薄透鏡L1和L2的口徑分別為6cm和4cm, ,在L1和L2距L2為2cm處有一直徑為6cm的小孔光闌，物點位于L1前方12cm處，求孔徑光闌、入射瞳孔、出瞳的位置及大小 2.(選作)兩個薄透鏡L1、L2的孔徑為4.0cm，L1為凹透鏡，L2為凸透鏡，它們的焦距分別為8cm和6cm，鏡間距離為3cm，光線平行于光軸入射。求系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳及視場光闌 3.照相物鏡 ，對2m遠處目標照相，假定底片上像點彌散斑直徑小于0.05mm仍可認為成像清晰，問物空間能清晰成像的最遠、最近距離各位多少？,4.人工照明下閱讀時，紙面光亮度應大于10cd/m2

2、,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,求當燈泡離紙面距離不大于多少時，才能產(chǎn)生所要求的光亮度（假定紙面與照射光線方向垂直）？ 5.面積為1cm2的單面發(fā)光圓盤是一個朗伯光源，光亮度為1500lm/(m2sr),求 最大發(fā)光強度I0，與發(fā)光面法線30度角方向上的發(fā)光強度I30 圓盤發(fā)出的總光通量及光出射度,5.1 輻射度學與光度學中基本量,光是具有能量的 激光焊接，激光致盲，太陽能熱水器 光學系統(tǒng)是能量傳輸系統(tǒng) 前面幾章研究了光學系統(tǒng)的成像問題，只是研究了能量的傳播方向，本章解決能量的數(shù)量問題,可見光是波長在400nm-760nm范圍內(nèi)的電磁輻射，是能

3、對人的視覺形成刺激，并被能被人感受到的電磁輻射，按視覺響應原則建立的表征可見光的量為光學量 描述電磁輻射的物理量為輻射量，也可描述可見光 可見光可用輻射量和光學量兩種量值系統(tǒng)來度量,1. 立體角,發(fā)光體都是在它周圍一定空間內(nèi)輻射能量的，是立體空間問題 定義：一個任意形狀的封閉錐面所包含的空間 計算公式：d =ds/r2 單位： 以錐頂為球心，以r為半徑作一圓球，如果錐面在圓球上所截出的面積等于r2,則該立體角為一個“球面度”（sr）。 例：整個球面的面積4r2,則這個空間為4 球面度 假定一個圓錐面的半頂角為,該圓錐所包含的立體角為 較小時，,2.輻射度學中的基本量,輻射量和光學量的對應關系,

4、3.視見函數(shù),人眼是一種可見光探測器 輸入：用輻射度量表示的可見光輻射 輸出：用光學量表示的光感受 人眼視覺的強弱： 輻射在該方向上的輻射強度 輻射的波長 具有相同輻射量而波長不同的可見光分別作用于人眼，人所感受到的明暗程度不同,視見函數(shù)V（）： 表示人眼對不同波長輻射的敏感度差別 人眼視覺系統(tǒng)決定的 明視覺視見函數(shù)，暗視覺視見函數(shù) 規(guī)定V（555）1，555nm人眼最靈敏的波長 V（ ）I（ ）/I(555) 光學量與輻射量間的關系 d =KmdeV,4.光度學中的基本量,光能量 依人眼的感覺強弱，進行量度的輻射能, Q 光通量描寫輻射通量引起人眼的視覺強度 =dQ/dt ，單位時間內(nèi)，光源

5、發(fā)出或通過一定面積的光能 對單色光源：d =KmdeV 單位：流明 lm Km的規(guī)定：1瓦555nm的單色光輻射通量683流明的光通量， Km 683流明/瓦，是光通量與功率的轉換當量,發(fā)光效率（光視效能） 光源的光通量/該光源的耗電功率，表示發(fā)光體的發(fā)光特性 流明/瓦，輻射體每消耗1瓦電功率所發(fā)出的光通量 例：100瓦鎢絲燈，光通量為1500流明，則15lm/w 40瓦熒光燈，光通量為2000流明，則50lm/w 光強度光源在各個方向上的發(fā)光特性 Id/d ，點光源沿某一給定方向上在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量 單位：坎德拉 Cd，1cd=1lm/sr，國際單位制中七個基本單位之一，光度學中其它

6、單位都是導出單位,r,d,光出射度光源上不同位置的發(fā)光特性 用單位面積所發(fā)射的光通量描寫光源上某點的發(fā)光本領 Md/ds，面光源上A附近的面積元ds輻射的光通量 單位：勒克斯，1lx=1lm/m2,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。M= E，為透射率或反射率，與波長有關，因而物體呈現(xiàn)彩色 。 對所有波長趨于0的物體，黑體,光照度被照表面不同位置的收光特性 單位面積上接收到的光通量大小 Ed/ds 單位：勒克斯，1lx=1lm/m2,d,A,光亮度發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)光特性 LI/dsn=I/（dscos） LI/dsn=d/（dscosd） 發(fā)光面上單位投影面積在

7、單 位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量 單位：坎德拉/米2, cd/m2， 熙提（st）, 1st = 1cd/cm2,人們常說40w日光燈比40w鎢絲燈亮，是否說明日光燈的光亮度比鎢絲燈大？這里所說的“亮”是指什么？ 物體的光亮度就是人眼感到的明亮程度，這種說法對嗎？,例： He-Ne激光器：P10mw, =632.8nm, 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1.5105st LHe-Ne=440L太陽 “勿對著眼睛照射” “激光致盲武

8、器”,5.2朗伯余弦定律及朗伯源,發(fā)光強度空間分布可用式IINcos表示的的發(fā)光表面 只有絕對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 對朗伯源，發(fā)光強度向量I端點軌跡是一個與發(fā)光面相切的球面 余弦輻射體在和法線成任意角度方向的光亮度,朗伯源的光亮度L與方向無關，只是I隨變化而變化,余弦輻射體的光出射度M與光亮度L的關系,LM/，余弦輻射體的光亮度等于光出射度的分之一 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)出光通量的倍 。若光源兩面發(fā)光，則M 2 L,本身并不發(fā)光，受發(fā)光體光照射經(jīng)投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

9、朗伯散射表面或全擴散表面,設全擴散表面dA上的光照度為E，為反射系數(shù)，L和E的關系,5.3光照度計算,點光源 點光源S，r處有 dA平面， I， 法線與r成角 求點光源在dA面上 形成的照度 平方反比定律 實際應用的光照度公式,光源大小與距離l比較起來不大的情況，適用 單位：cd,m,lx;cd,cm,ph 測量光源的發(fā)光強度 光照度計,面光源的光照度 dAs光源的發(fā)光面積，光源亮度L，在距離為r的dA平面上形成的光照度E,注:dA以相同L發(fā)光照射dAs,則得出同樣的光照度，即二者的L相同，可互易,d為dA對O點所張立體角,5.4 光學系統(tǒng)中光束的光亮度,均勻透明介質(zhì)情形 折射情形 反射情形,

10、假定A1A2直線為均勻透明介質(zhì)中的一條光線 討論：直線上任意兩點A1和A2在光線前進方向上的L1和L2之間的關系,均勻透明介質(zhì)情形,dS1輸入到dS2內(nèi)的光通量為d1 從dS2射出的d2 若不考慮光能損失,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,dA位于n1介質(zhì)內(nèi)。入射光束的光亮度L1，在O點附近取一微元dA，則過dA輸出的光通量： dA看作位于n2介質(zhì)內(nèi)。 dA輸出的光通量： 不考慮界面損失， 也不考慮光束在傳播中的光能損失,折射情形,當光線處于同一介質(zhì)，同前L2L1 反射情形，L2L1 綜上，光束在均勻介質(zhì)中傳播，或在兩種介質(zhì)

11、分界面上的反射時的光亮度變化，都看成折射時的特例,折合光亮度,如果不考慮光束在傳播中的光能損失，則位于同一條光線上的所有各點，在該光線傳播方向上的折合光亮度不變,理想成像，物點A發(fā)出的光線均通過像點A，物和像的光亮度 實際光學系統(tǒng)，考慮光能損失,當系統(tǒng)物象空間介質(zhì)相同時，像的光亮度永遠小于物 的光亮度 折射光的光亮度不僅與透射率的大小有關，也與二介質(zhì)的折射率密切相關,5.5 成像系統(tǒng)像面的光照度,假設物體為余弦輻射體（它有L是定值的特點） 象平面上光軸周圍微小面元dA所輸出的光通量,軸上像點,阿貝正弦條件,軸外點,軸外像點M的主光線和光軸間的夾角 軸外點M的象方視場角 UM軸外點的象方孔徑角,

12、當物面亮度均勻時，,軸外像點的光照度隨視場角的增大而降低,照相物鏡象平面的光照度,像平面近似位于物鏡的像方焦平面上,D/f稱為物鏡的相對孔徑，是照相物鏡的重要光學特性 改變光圈改變物鏡的相對孔徑 分度的方法：每一刻度值對應的象平面光照度依次減少一半，相對孔徑按,等比級數(shù)變化,光圈值按 等比級數(shù)變化,底片單位面積上接受的曝光量HEt 為了使底片曝光，要求底片達到一定的曝光量。 光圈下降一檔，象平面的光照度E就減小一半，欲獲得同樣的曝光量，曝光時間就需要增加一倍 例 在晴朗的白天進行外景攝影，要求天空在底片上的曝光量H0.4lxs，假定取曝光時間t=1/100s,物鏡的透過率=0.85,問應選多大

13、的光圈數(shù)？（晴朗白天天空的光亮度為5000cd/m2),用一投影物鏡將熒光屏上的圖像放大20倍成像在屏幕上,如圖所示, 假定物鏡焦距為150mm，相對孔徑1：1，透過率0.8。要求屏幕中心光照度不小于30lx,求熒光屏的光亮度多大？,太陽表面的輻亮度為2*107w/（sr*m2),要求通過聚光鏡所成亮斑像的中心輻照度為1.5*107w/m2，問聚光鏡相對孔徑應取多大？假定聚光鏡焦距為50mm,問集中在太陽光斑像上的輻射通量多大?,5.6人眼的主觀光亮度,當人眼直接觀察外界物體時，外界物體在視網(wǎng)膜上的像對人眼的刺激強度稱為“主觀光亮度” 發(fā)光點 在視網(wǎng)膜上成的像小于1個視神經(jīng)細胞的物體稱之為“發(fā)

14、光點”，例如星星 發(fā)光點對人眼的刺激強度應取決于該細胞接收的光通量,晚上觀察發(fā)光強度相同、距離不同的兩個電燈時 距離遠的感覺暗，近的感覺亮,發(fā)光面 在人眼視網(wǎng)膜上所成像有較大面積的發(fā)光體稱作“發(fā)光面”，太陽、月亮等 發(fā)光面對人眼的刺激強度取決于視網(wǎng)膜上的光照度,同時觀察兩個發(fā)光面時，瞳孔的直徑a顯然相同， 不論物體的距離如何，感覺明亮的發(fā)光面的光亮度就一定大,(1)與l無關 （2）a/f不變時，與L成正比 （3）L一定時，a增大，主觀亮度增大,5.6望遠系統(tǒng)的主觀光亮度,討論使用望遠鏡直接觀察時人眼的主觀光亮度 發(fā)光點,儀器觀察時 儀器的出瞳直徑D，眼睛的瞳孔直徑a D a,則進入儀器的光通量

15、都能進入眼睛 Da,則進入儀器的光通量不能全部進入眼睛,人眼直接觀察時,D a 假定儀器的入瞳直徑為D,發(fā)光點的發(fā)光強度為I， 它離觀察者的距離為l,則進入儀器的光通量 進入眼睛的光通量,討論：a.當d儀和I 一定時，觀察距離l和D成 正比 使用望遠鏡以后，有可能大大增加觀察距離 為了觀察到更遠的宇宙星體，要求采用更大口徑的望遠鏡 b.在一定的觀察距離l內(nèi)，D越大，I可以越小 使用大口徑的望遠鏡可以觀察到更為微弱的發(fā)光點 c. 使用望遠鏡可以大大提高對發(fā)光點的主觀光亮度,D a 進入眼睛的有效光束由眼睛的瞳孔所確定，有效的入射光束口徑D= 進入眼睛的有效光通量,討論：當Da時，通過望遠鏡觀察時

16、的主觀亮度等人眼直接觀察時主觀亮度的2倍,發(fā)光面 Da 人眼直接觀察 通過儀器觀察 通過儀器觀察的主觀光亮度E大大小于用眼睛直接觀察的主觀光亮度E,D a 通過儀器觀察 EE 當使用望遠鏡觀察發(fā)光面時的主觀光亮度,永遠小于眼睛直接觀察時的主觀光亮度. 和發(fā)光點的情形不同,5.7 光學系統(tǒng)中光能損失的計算,光能損失的原因 透射面的反射損失 透射材料的吸收損失 反射面的光能損失,任何實際光學系統(tǒng)都不可能完全透明 永遠小于，即系統(tǒng)的透過率永遠小于1 為求出光學系統(tǒng)成像的實際光亮度和光照度，必須求出,透射面的反射損失,P代表光通過單位厚度1cm介質(zhì)層時出射光通量與入射光通量之比，稱為介質(zhì)的透明率,透射

17、材料的吸收損失,反射面的光能損失,造成光能損失的主要原因是反射損失 幾乎所有的光學零件表明都要鍍增透膜,第六章 色度學基礎,色度學是對顏色刺激進行測量、計算和評價的學科,6.1 顏色的分類和特性,一 顏色及其分類 顏色：不同波長可見光輻射作用于人的視覺器官后所產(chǎn)生的心里感受 顏色和波長的關系并不是完全固定的 光譜上除572nm（黃）、503nm(綠)和478nm(藍)是不變的顏色外，其它顏色在光強增加時都略向紅色或藍色變化 “貝楚德樸爾克效應” 色度學則是將主觀的顏色感受和客觀的物理刺激聯(lián)系起來的科學,非彩色:白色、黑色及灰色 彩色:各種光譜色 顏色形成的物理機制 光源色：自發(fā)光形成的顏色 物體色：自身不發(fā)光，憑借其它光源照明，通過反射或透射而形成的顏色 熒光色：物體受光照射激發(fā)所產(chǎn)生的熒光與反射或投射光共同形成的顏色,二 顏色的表觀特征 明度：表示顏色明亮的程度 對于光源色，明度值與發(fā)光體的光亮度有關 物體色，和物體的透射比或反射比有關 色調(diào)：區(qū)分不同彩色的特征 飽和度：顏色接近光譜色的程度，彩色的純潔性,彩色具備以上3個特征 非彩色只有明度值差別、沒有色調(diào)區(qū)分，飽和度為0 用一個三維紡錘體可將顏色的三個基本特征表示出來,6.2 顏色混合,顏色混合 色光混合：加混 色料混合：減混色 格拉斯曼顏色混合定律