光度學及輻射度學

1、2024年3月30日,0,光學教程,第一篇 幾何光學,2024年3月30日,1,光度學和輻射度學,研究的主要問題： 光學系統(tǒng)光能傳輸?shù)膯栴}（光度學）； 各種波長的輻射能計量問題（輻射度學）。,特點： 1. 以相關概念的設立和理解為出發(fā)點； 2. 研究多種實際光學系統(tǒng)的光能傳送；研究多種波長的輻射能計量。,,,2024年3月30日,2,輻射能通量：,單位時間內(nèi)通過某面元的各種波長的總電磁輻射能稱為通過該面元

2、的輻射能通量。,,§1 輻射能通量 視見函數(shù)和光通量,設???表示在波長范圍?~ ?+??中的輻射能通量。有：,,單色輻射能通量輻射能通量的譜密度,2024年3月30日,3,視見函數(shù)：,如何比較兩種顏色線的明亮感？,,波長為555.0nm的光波，人眼最敏感。故：,視見函數(shù)：若某波長?的光引起的明亮感覺和555.0nm的光波相同，則稱其輻射能通量之比為視見函數(shù)。,2024年3月30日,4,實線：明視覺條件下的視見函數(shù)虛線

3、：暗視覺條件下的視見函數(shù),2024年3月30日,5,光譜響應曲線1. 銻銫光電管；2. 人眼；3. 硅光電池； 4. 熱敏元件,2024年3月30日,6,明視覺視見函數(shù)國際標準,2024年3月30日,7,光通量：,,光通量：對于波長? 的單色光，其輻射通量與視見函數(shù)的乘積稱為光通量；,式中：輻射能通量以視見函數(shù)為權(quán)重因子。,對復色光：,國際單位制中：輻射能通量的單位為瓦特(W)，光通量的單位則為流明(l)。對555nm：,1瓦特＝

4、633流明 1流明＝0.00146瓦特,2024年3月30日,8,光通量：,,發(fā)光效率：消耗功率與發(fā)出的光通量之比，稱為發(fā)光效率；,討論：可見光？全部電磁波譜？,2024年3月30日,9,2024年3月30日,10,發(fā)光強度：,為表征點光源發(fā)出的光通量的空間分布，定義點光源在某方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量為該方向的發(fā)光強度。,,§2 發(fā)光強度,若光源為各向同性，則：,2024年3月30日,11,白熾燈發(fā)光強度的角分布,

5、2024年3月30日,12,發(fā)光強度的單位：,1979年第16屆國際計量大會規(guī)定：若光源發(fā)出的光頻率為540×1012Hz，且輻射強度為(1/683)W/sr，則其發(fā)光強度為1坎德拉(Candela)，簡稱坎(cd)。,,Candela為國際單位制中的7個基本單位之一，光度學中的其他單位均以之為導出單位。,2024年3月30日,13,光出射度：,面光源上單位面元所發(fā)出的總光通量為該面元所在點的光出射度。,,§3 光

6、出射度和光亮度,光出射度的單位是勒克斯（lux），記為lx。,1勒克斯＝1流明/米2； 1輻脫(phot)=104lx,2024年3月30日,14,光亮度：,為描述面光源上各小面元發(fā)出的光通量的空間分布，引入光亮度，簡稱亮度。,,發(fā)光表面某方向的光亮度等于該方向上單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。,2024年3月30日,15,光亮度：,光亮度的單位為尼特（nt），還有熙提(sb)：,,2024年3月30日,16,2024年3月3

7、0日,17,余弦發(fā)射體：,若某發(fā)光體有：,,即該面元在相等立體角內(nèi)發(fā)射的光通量與cos?成正比，即稱該發(fā)光體為余弦發(fā)光體（朗伯面）。此時其光亮度是與方向無關的常數(shù)。,2024年3月30日,18,光照度：,若被照面上面元dS所接收的光通量為dF，則定義該面元上的光照度為：,,§4 光照度,平均光照度：,單位也是勒克斯(lux)和輻脫(phot)，但意義不同。,2024年3月30日,19,2024年3月30日,20,點光源照射一

8、平面時所產(chǎn)生的光照度：,如圖，若點光源的發(fā)光強度為I，則有：,,dS上光通量：,照度的距離平方反比定律。,2024年3月30日,21,面光源產(chǎn)生的光照度：,如圖，若面光源的亮度為B，則有：,,而：,dS’的照度：,2024年3月30日,22,通過光學系統(tǒng)的光通量：,,§5 像的光亮度和光照度,2024年3月30日,23,通過光學系統(tǒng)的光通量：,,面元dS在?方向d?立體角內(nèi)進入系統(tǒng)的光通量：,考慮面元為余弦發(fā)射體，則：,20

9、24年3月30日,24,通過光學系統(tǒng)的光通量：,,面元dS在?方向d?立體角內(nèi)進入系統(tǒng)的光通量：,考慮面元為余弦發(fā)射體，則：,因為：,2024年3月30日,25,像的光亮度：,,到達像面的光通量可設為：,式中k稱為系統(tǒng)的透射系數(shù)。,考慮系統(tǒng)滿足正弦條件：,光學系統(tǒng)不能改變光學系統(tǒng)的光通量。,2024年3月30日,26,像的光照度：,,像面上的照度為：,由正弦條件得：,2024年3月30日,27,像的光照度的兩種特殊情況：,,1. 適用電

10、影機或幻燈機時，象距遠大于焦距；物平面總在物方焦面附近，入射孔徑角?近似是一個常數(shù)。而像的照度與?2成正比。,2. 適用照相機拍攝或眼睛觀察物體，一般物距遠大于焦距；像平面總在像方焦面附近，出射孔徑角?’近似一個常數(shù)，像的照度不變。,2024年3月30日,28,設有薄透鏡系統(tǒng)，孔徑光闌和光瞳可視為透鏡本身，其直徑為D。于是：,相對孔徑的倒數(shù)稱為F數(shù)，由于像的照度正比與相對孔徑的平方，而相機光圈的刻度標記1.4、2、2.8、4、5.6、8