工程光学第六章讲稿.ppt
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1、工程光学第六章第一页,讲稿共七十七页哦 辐射度学:物理现象辐射度学:物理现象 光度学:视觉问题光度学:视觉问题视见函数视见函数第二页,讲稿共七十七页哦第一节、立体角的意义及其在光度学第一节、立体角的意义及其在光度学 中的应用中的应用定义:一个任意形状的封闭锥面内所包含的定义:一个任意形状的封闭锥面内所包含的 空间称为立体角。空间称为立体角。单位:球面度(单位:球面度(Sr)第三页,讲稿共七十七页哦重要结论:重要结论:假定一个圆锥面的半假定一个圆锥面的半顶角为顶角为,则该圆锥面,则该圆锥面所包含的立体角的大所包含的立体角的大小为小为 第四页,讲稿共七十七页哦推论:推论:假定离假定离A点点 l l
2、处有一个微面处有一个微面ds,ds的法线的法线ON与与AO的夹角为的夹角为,那么微面对,那么微面对A点所张立体角为点所张立体角为第五页,讲稿共七十七页哦例一、流式细胞光度计原来用数值孔径例一、流式细胞光度计原来用数值孔径NA0.25的显微物镜,为了增加进入测试系的显微物镜,为了增加进入测试系统的光能量,改用统的光能量,改用NA0.5的显微物镜,的显微物镜,试分别求前后两种显微物镜入设光锥对应试分别求前后两种显微物镜入设光锥对应的立体角。的立体角。backback第六页,讲稿共七十七页哦解:1、2、当数值孔径增加一当数值孔径增加一倍时,对应的立体倍时,对应的立体角约是前者的角约是前者的4倍倍第七
3、页,讲稿共七十七页哦第二节、辐射度学基本量(辐射量)第二节、辐射度学基本量(辐射量)1、辐射能、辐射能 单位:单位:J2、辐射通量辐射通量 单位:单位:W3、辐射强度辐射强度 单位单位第八页,讲稿共七十七页哦4、辐射出射度辐射出射度 单位:单位:5、辐射照度辐射照度 单位:单位:6、辐射亮度辐射亮度 单位:单位:第九页,讲稿共七十七页哦辐射通量:辐射通量:单位时间内通过的辐射能量的多少单位时间内通过的辐射能量的多少 大部分辐射体的电磁波辐射,都有一定的波长范围,大部分辐射体的电磁波辐射,都有一定的波长范围,通常用下图所示的光谱密度曲线来表示辐射体的辐射通量通常用下图所示的光谱密度曲线来表示辐射
4、体的辐射通量按波长分布的特性按波长分布的特性 光谱密度曲线光谱密度曲线backback第十页,讲稿共七十七页哦辐射强度:辐射强度:单位立体角内辐射通量的大小。单位立体角内辐射通量的大小。表征辐射体在不同方向上的辐射特性表征辐射体在不同方向上的辐射特性backback第十一页,讲稿共七十七页哦辐射出射度:辐射出射度:单位面积辐射通量的大小单位面积辐射通量的大小 表征辐射体表面不同位置的辐射特性表征辐射体表面不同位置的辐射特性backback第十二页,讲稿共七十七页哦辐射照度:辐射照度:单位面积接收辐射通量的大小单位面积接收辐射通量的大小 表征辐射体表面不同位置的接收辐射特性表征辐射体表面不同位置
5、的接收辐射特性backback第十三页,讲稿共七十七页哦辐射亮度:辐射亮度:单位面积单位立体角内的辐射通量单位面积单位立体角内的辐射通量 表征了辐射体表面不同位置不同方向上表征了辐射体表面不同位置不同方向上 的辐射特性的辐射特性backback第十四页,讲稿共七十七页哦第三节第三节 人眼的视见函数人眼的视见函数光度学中为了表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别,光度学中为了表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别,定义一个函数定义一个函数 ,称为视见函数。,称为视见函数。对人眼最灵敏的波长对人眼最灵敏的波长555nm的的视见视见函数函数规规定定为为1,即即V(555)1。假定人眼同假定人眼同时观时观察两
6、个位在相同距离上的察两个位在相同距离上的辐辐射体射体A和和B,这这两个两个辐辐射体在射体在观观察方向上的察方向上的辐辐射射强强度相等,度相等,A辐辐射射的的电电磁波波磁波波长为长为,B辐辐射的波射的波长为长为555nm,人眼,人眼对对A的的视觉视觉强强度与人眼度与人眼对对B的的视觉视觉强强度之比,作度之比,作为为波波长长的的视视见见函数函数V()第十五页,讲稿共七十七页哦光线颜色光线颜色波长(波长(nm)V()光线颜色光线颜色波长(波长(nm)V()紫紫4000.0004黄黄5800.8700紫紫4100.0012黄黄5900.7570靛靛4200.0040橙橙6000.6310靛靛4300.
7、0116橙橙6100.5030靛靛4400.0230橙橙6200.3810蓝蓝4500.0380橙橙6300.2650蓝蓝4600.0600橙橙6400.1750蓝蓝4700.0910橙橙6500.1070蓝蓝4800.1390红红6600.0610蓝蓝4900.2080红红6700.0320绿绿5000.3230红红6800.0170绿绿5100.5030红红6900.0082绿绿5200.7100红红7000.0041绿绿5300.8620红红7100.0021黄黄5400.9540红红7200.00105黄黄5500.9950红红7300.00052黄黄5551.0000红红7400.0
8、0025黄黄5600.9950红红7500.00012黄黄5700.9520红红7600.00006明视觉明视觉视见函数标准视见函数标准第十六页,讲稿共七十七页哦明视觉视见函数示意图明视觉视见函数示意图1.0第十七页,讲稿共七十七页哦第四节第四节 光度学中的基本量光度学中的基本量1、光通量:光通量:可可见见光光对对人眼的人眼的视觉视觉刺激程度刺激程度 单位:单位:lm 2、光强度:光强度:单位:单位:cd第十八页,讲稿共七十七页哦3、光出射度、光出射度4、光照度、光照度5、光亮度、光亮度第十九页,讲稿共七十七页哦光通量:光通量:就是按人眼的视觉强度来度量的辐射通量。就是按人眼的视觉强度来度量的
9、辐射通量。根据定义,人眼产生的视觉强度与辐射通量 和视见函数V()成正比。单位:流明(lm)C为单位换算常数backback第二十页,讲稿共七十七页哦光强度:光强度:我们把人眼接收到的光通量我们把人眼接收到的光通量d与与辐辐射射体体对对人眼所人眼所张张的立体角的立体角d之比称之比称为为光光强强度度 光强度表示在指定方向上的光源发光光强度表示在指定方向上的光源发光的强弱。的强弱。第二十一页,讲稿共七十七页哦坎(德拉):坎(德拉):光强度的单位光强度的单位 为光度学中最基本的单位为光度学中最基本的单位定义:定义:如果发光体发出的电磁波频率如果发光体发出的电磁波频率 5401012Hz的单色辐射的单
10、色辐射 (555nm),且在此方向),且在此方向 上的上的辐辐射射强强度度为为(1/683)W/sr。则该发则该发光体在光体在该该方向上的方向上的发发光光强强度度 为为1cd(坎德拉)(坎德拉)第二十二页,讲稿共七十七页哦C:单位换算常数:单位换算常数式中:式中:V(555)1,Ie=(1/683)W/sr,I1cd所以:所以:C=683(cdsr)/W 1lm=1cdsr第二十三页,讲稿共七十七页哦光谱光视效能:光谱光视效能:表征了波长表征了波长的的辐辐射通量射通量对对眼睛眼睛产产生生 光通量的能力光通量的能力辐射通量与光通量的关系:辐射通量与光通量的关系:第二十四页,讲稿共七十七页哦光视效
11、能:光视效能:单位为:单位为:lm/W表示辐射体消耗表示辐射体消耗1W功率所发出的流明数功率所发出的流明数第二十五页,讲稿共七十七页哦光源种类光源种类光视效能光视效能(lm/W)光源种类光源种类光视效能光视效能(lm/W)钨丝灯(真空)钨丝灯(真空)89.2日光灯日光灯2741钨丝灯(充气)钨丝灯(充气)9.2-21高压水银灯高压水银灯3445石英卤钨灯石英卤钨灯30超高压水银灯超高压水银灯4047.5气体放电管气体放电管16-30钠光灯钠光灯60常用光源光视效能常用光源光视效能第二十六页,讲稿共七十七页哦例例1:一个功率为:一个功率为60W的钨丝充气灯泡,假定的钨丝充气灯泡,假定它在各个方向
12、上均匀发光,求它的发光强度。它在各个方向上均匀发光,求它的发光强度。解:根据上表,钨丝灯泡的光视效能为解:根据上表,钨丝灯泡的光视效能为9.2-21lm/W,假定取它的假定取它的平均值等于平均值等于15lm/W,则该灯泡的总光通量为,则该灯泡的总光通量为 由于假定光源向各个方向均匀发光,根据发光强度的由于假定光源向各个方向均匀发光,根据发光强度的定义:定义:第二十七页,讲稿共七十七页哦例例2、已知光源同时辐射两种光源的光,第一、已知光源同时辐射两种光源的光,第一种波长为种波长为1480nm,辐辐射通量射通量30W,第二,第二种波种波长为长为2580nm,辐辐射通量射通量20W试试求:求:1 和
13、和2的光的光谱谱光光视视效能及光通量效能及光通量 该该光源的光光源的光视视效能效能backback第二十八页,讲稿共七十七页哦解:解:1 1、2 2、第二十九页,讲稿共七十七页哦例例3、射入屏幕的光为波长为、射入屏幕的光为波长为600nm的红光,的红光,其光通量为其光通量为1000lm试求:试求:600nm的光的光谱谱光光视视效能效能 屏幕在一分屏幕在一分钟钟内接收的内接收的辐辐射能量射能量backback第三十页,讲稿共七十七页哦解:解:1 1、2 2、第三十一页,讲稿共七十七页哦光出射度(单位:光出射度(单位:lx):表征发光表面单位面积发出的光通量表征发光表面单位面积发出的光通量 bac
14、kback第三十二页,讲稿共七十七页哦光照度(单位光照度(单位lx):):表示被照明表面单位面积上接收的光通量。表示被照明表面单位面积上接收的光通量。第三十三页,讲稿共七十七页哦例例4:(书:(书P109)利用下图所示照明器,在)利用下图所示照明器,在15m远的地方照明直径为远的地方照明直径为2.5m的圆,要求的圆,要求达到平均照度为达到平均照度为50lx,聚光镜的焦距为,聚光镜的焦距为150mm,通光直径为,通光直径为150mm。试求灯泡。试求灯泡的发光强度和灯泡通过聚光镜成像后在照的发光强度和灯泡通过聚光镜成像后在照明范围内的平均发光强度,以及灯泡的功明范围内的平均发光强度,以及灯泡的功率
15、和位置。率和位置。第三十四页,讲稿共七十七页哦backback第三十五页,讲稿共七十七页哦光亮度:光亮度:表示发光表面不同位置不同方向的发光特性表示发光表面不同位置不同方向的发光特性第三十六页,讲稿共七十七页哦例例5:有一均匀磨沙球形灯,它的直径为:有一均匀磨沙球形灯,它的直径为17cm,光通量,光通量为为200lm,求,求该该球形灯的光亮度球形灯的光亮度解:解:第三十七页,讲稿共七十七页哦第五节第五节 光照度公式和发光强度余弦定律光照度公式和发光强度余弦定律一、光照度公式一、光照度公式 被照明物体表面的光照度和光源在照明方向上的发光强度被照明物体表面的光照度和光源在照明方向上的发光强度I及被
16、及被照明表面的倾斜角照明表面的倾斜角的余弦成正比与距离的平方成反比的余弦成正比与距离的平方成反比第三十八页,讲稿共七十七页哦二、发光强度余弦定律二、发光强度余弦定律 表示发光体在表示发光体在各方向上亮度相同各方向上亮度相同时,不同方向时,不同方向上的发光强度变化规律。上的发光强度变化规律。第三十九页,讲稿共七十七页哦假定发光面光亮度为假定发光面光亮度为L,则它在半顶角,则它在半顶角u内辐射的内辐射的总光通量为总光通量为 第四十页,讲稿共七十七页哦若发光面单面发光则:若发光面单面发光则:若发光面双面发光则:若发光面双面发光则:第四十一页,讲稿共七十七页哦例例1、直径、直径20mm的的标标准白板,
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