辐射度学与光度学基础.pptx

辐射度学与光度学基础4r2(点源得辐射强度点源得辐射强度)(面源得辐射强度)大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静6015=900lm 例例 采用功率为采用功率为250W250W、发光效率为、发光效率为30lm/W30lm/W得卤钨灯作为得卤钨灯作为光源光源,通过一个焦距与口径均为通过一个焦距与口径均为100mm100mm得聚光镜去照明前方得聚光镜去照明前方12m12m处得圆屏处得圆屏,屏得直径为屏得直径为2m2m,求聚光后得发光强度以及圆屏上得平求聚光后得发光强度以及圆屏上得平均光照度。若用该卤钨灯直接照射该屏均光照度。若用该卤钨灯直接照射该屏,其平均光照度应为多大？其平均光照度应为多大？(假定该卤钨灯可视为各向均匀发光得点光源假定该卤钨灯可视为各向均匀发光得点光源)解解:该照明系统如图所示。该照明系统如图所示。(1 1)计算确定光源得位置计算确定光源得位置光源得位置应使她发出得光束光源得位置应使她发出得光束(光锥角为光锥角为u u)经聚光镜后经聚光镜后(光锥角光锥角为为uu),),恰能在聚光镜前方恰能在聚光镜前方12m12m处生成直径为处生成直径为2m2m得圆面积。根据得圆面积。根据给定条件给定条件,可求出聚光镜得像方光锥角可求出聚光镜得像方光锥角uu:由高斯公式由高斯公式由上述光束变换分析由上述光束变换分析,可求得灯泡可求得灯泡A A得位置得位置:(2 2)求光源经聚光镜成像前后得照明立体角由孔径角与立体角求光源经聚光镜成像前后得照明立体角由孔径角与立体角之间得转换式之间得转换式,可求光源可求光源A A对聚光镜构成得立体角为对聚光镜构成得立体角为光源像光源像AA对圆屏所构成得立体角为对圆屏所构成得立体角为uu(3)计算光源在聚光镜前后得发光强度 卤钨灯发出得总光通量为假定卤钨灯可近似视为各向均匀发光得点光源假定卤钨灯可近似视为各向均匀发光得点光源,她在聚光镜前得她在聚光镜前得发光强度为发光强度为光源发出得总光通量中能通过聚光镜得部分为光源发出得总光通量中能通过聚光镜得部分为忽略经聚光镜得光能损失忽略经聚光镜得光能损失,即经聚光镜后光束得立体角变为即经聚光镜后光束得立体角变为,但光通量不变但光通量不变,应有应有因而可求出经聚光镜后得发光强度为因而可求出经聚光镜后得发光强度为计算表明计算表明,光源经聚光镜后光源经聚光镜后,虽光通量未变虽光通量未变,但由于但由于大大减大大减小小,光能重新分配光能重新分配,故故 II大大增强。大大增强。(4 4)计算被照圆屏上得平均照度计算被照圆屏上得平均照度 被照明得圆面积为被照明得圆面积为:圆面积上得平均光照度为圆面积上得平均光照度为(5 5)对比光源直接照明圆屏对比光源直接照明圆屏(不加聚光镜不加聚光镜)得效果得效果:光源对圆屏所构成得光锥角光源对圆屏所构成得光锥角为为对应得立体角为对应得立体角为被照圆屏上所接受得光通量为被照圆屏上所接受得光通量为圆屏上得平均照度为圆屏上得平均照度为:上述计算与比较表明上述计算与比较表明,在照明系统中加入聚光镜后在照明系统中加入聚光镜后,可使被照明可使被照明平面上得照度得到显著提高平面上得照度得到显著提高(本例照度增强近本例照度增强近4040倍倍),),因而体现因而体现了照明系统中聚光镜得重要作用。了照明系统中聚光镜得重要作用。余弦辐射体余弦辐射体 6 6、7 7光学系统中光通量与光亮度得传递光学系统中光通量与光亮度得传递1、在介绍光度学基本概念得基础上、在介绍光度学基本概念得基础上,研究光学系统中光能得传递研究光学系统中光能得传递 与变化规律。与变化规律。2、光学系统可以视为光能得传递系统、光学系统可以视为光能得传递系统,我们除关心最终像面处我们除关心最终像面处 (或接收器处或接收器处)得光能情况外得光能情况外,还常常关心光学系统中间过程光还常常关心光学系统中间过程光 能得传递规律。能得传递规律。3、光能在光学系统中得传递与变化规律、光能在光学系统中得传递与变化规律,可以通过两个量来表征可以通过两个量来表征,即光通量与光亮度。即光通量与光亮度。4 4、光通量得传递规律比较简单。如果不存在传递过程中得拦光、光通量得传递规律比较简单。如果不存在传递过程中得拦光、吸收、反射等损失吸收、反射等损失,则由能量守恒定律可知则由能量守恒定律可知,从系统出射得光从系统出射得光 通量应等于进入系统得光通量通量应等于进入系统得光通量,即在传递过程中即在传递过程中,光通量光通量 应保持不变应保持不变;5 5、如果存在损失、如果存在损失,令透过系统数为令透过系统数为,则应有则应有=。有关。有关光能在光学系统传递过程中得损失计算光能在光学系统传递过程中得损失计算,将在下一节中介绍。将在下一节中介绍。以下主要讨论光亮度在光学系统中得传递情况以下主要讨论光亮度在光学系统中得传递情况,按光束在均按光束在均匀透明介质中得传播与在两种介质分界面上得折射与反射三种情匀透明介质中得传播与在两种介质分界面上得折射与反射三种情况分别加以研究。况分别加以研究。6 6、7 7、1 1 光束在均匀透明得同种介质中得传播光束在均匀透明得同种介质中得传播注意注意:光束在同种均匀透明介质传播过程中得亮度变化规律光束在同种均匀透明介质传播过程中得亮度变化规律,可可 借助于元光管概念来研究。借助于元光管概念来研究。、单一无损介质中光束光亮度得传递、单一无损介质中光束光亮度得传递)如图如图:1 1)假设任意两个微面元假设任意两个微面元、,两面元之间得距离为两面元之间得距离为,2 2)面元各自法线方向与之间得夹角分别为面元各自法线方向与之间得夹角分别为、,3 3)上得光亮度为上得光亮度为,上得光亮度为上得光亮度为,4 4)对对 所张得立体角为所张得立体角为,对对 所所 张得立体角为张得立体角为。5 5)若光能量在传递过程中没有光能损失若光能量在传递过程中没有光能损失(不考虑介质吸收、散不考虑介质吸收、散 射等因素射等因素),),即即 发出得光能量全部传递到发出得光能量全部传递到 上上 (或或 发出得光能量全部传递到发出得光能量全部传递到 上上),),6 6)则由则由 辐射出得到达辐射出得到达 上得所有光通量为上得所有光通量为相应地由相应地由 辐射出得到达辐射出得到达 上得所有光通量为上得所有光通量为由于光传递过程中能量就是守恒得由于光传递过程中能量就是守恒得,故故,相应得到相应得到、不同介质分界面上光亮度得传递、不同介质分界面上光亮度得传递一束光射向两个不同透明介质、一束光射向两个不同透明介质、分界面上时将同时发生反分界面上时将同时发生反射与折射射与折射,各参量如下图所示各参量如下图所示,若不考虑介质吸收及散射若不考虑介质吸收及散射,则则入射光能入射光能 反射光能反射光能折射光能折射光能投射在介质分界面上得微面元投射在介质分界面上得微面元 之上。之上。以入射角投射在介质分界面上得微面元之上以入射角投射在介质分界面上得微面元之上,反射角、折射反射角、折射角分别用角分别用、表示表示,设入射光、反射光、折射光得光亮度分别为、设入射光、反射光、折射光得光亮度分别为、,各自各自所对应得立体角分别为所对应得立体角分别为、,则根据立体角公则根据立体角公式有式有入射光、反射光及折入射光、反射光及折射光得光通量分别为射光得光通量分别为)反射光得光亮度传递反射光得光亮度传递)根据反射定律根据反射定律,故故,由上边式子可得由上边式子可得,则则为、为、介质分界面上得反射率介质分界面上得反射率,故有故有即反射光光亮度等于入射光光亮度与介质分界面得反射率之积。即反射光光亮度等于入射光光亮度与介质分界面得反射率之积。)折射光得光亮度传递折射光得光亮度传递对折射定律公式两边进行微分有对折射定律公式两边进行微分有将折射定律将折射定律与微分式相乘与微分式相乘,有有 进一步整理得到进一步整理得到又由于又由于,则透射率则透射率表明表明,折射光束得光亮度与介质分界面得透射率及两边介质得折折射光束得光亮度与介质分界面得透射率及两边介质得折射率有关。射率有关。若折射前后光能没有损失即若折射前后光能没有损失即,则式又可以转化为则式又可以转化为即折射前后光亮度虽然发生改变即折射前后光亮度虽然发生改变,但就是但就是 值保持不变。值保持不变。6、8光学系统得光能损失光学系统得光能损失任何一个实际得光学系统都不可能完全透明任何一个实际得光学系统都不可能完全透明,射入系统得光能量射入系统得光能量永远要大于射出系统得光能量永远要大于射出系统得光能量,即光学系统得透过率即光学系统得透过率/,这意味着在系统传递过程中不可避免地存在一定得光能损失。这意味着在系统传递过程中不可避免地存在一定得光能损失。造成光能损失得因素就是多方面得造成光能损失得因素就是多方面得,主要体现在透明介质分界面得主要体现在透明介质分界面得反射损失、反射面得光能损失与透明介质材料得吸收损失。反射损失、反射面得光能损失与透明介质材料得吸收损失。、透明介质分界面得反射损失、透明介质分界面得反射损失1)按照折射定律与反射定律按照折射定律与反射定律,当光照射到两个透明介质分界面上当光照射到两个透明介质分界面上(折射率分别为、折射率分别为、)时将同时发生反射及折射时将同时发生反射及折射,2)由于透射元件主要就是利用折射光进行能量传输或成像由于透射元件主要就是利用折射光进行能量传输或成像,故而分故而分 界面上得反射光能就构成系统光能损失得一个很重要得因素界面上得反射光能就构成系统光能损失得一个很重要得因素,3)分界面上得反射能量可以通过反射率分界面上得反射能量可以通过反射率进行计算求取。进行计算求取。4)电磁理论得基本知识电磁理论得基本知识,反射率反射率可表示为反射光通量可表示为反射光通量与入与入 射光通量射光通量之比之比,即即5)5)反射率反射率与入射角得大小有关与入射角得大小有关,通常认为入射角小于通常认为入射角小于 时得反射率与入射角为零时得反射率基本相同时得反射率与入射角为零时得反射率基本相同,入射角小于入射角小于 时也相差不多时也相差不多,但当入射角大于但当入射角大于时时,反射率就反射率就 增加很快增加很快,如图如图6)6)实际上实际上,光束经光学系统传播时光线在每一个面上得入射角很少光束经光学系统传播时光线在每一个面上得入射角很少会超过会超过,因此光学系统得反射率可以近似用垂直入射时反射因此光学系统得反射率可以近似用垂直入射时反射率得相关公式进行计算率得相关公式进行计算,即即7)从式可见从式可见,反射率仅取决于介质分界面两侧得折射率大小反射率仅取决于介质分界面两侧得折射率大小,、得差值越大、得差值越大,反射率就越大。若不考虑吸收及散射反射率就越大。若不考虑吸收及散射,则反射则反射光通量光通量、透射光通量、透射光通量与入射光通量与入射光通量就是守恒得就是守恒得,即即8)由于透过率由于透过率可表示为透射得光通量可表示为透射得光通量与入射得光通量与入射得光通量之比之比,即即则单个折射面得透过率为则单个折射面得透过率为9)9)若系统由个折射面构成若系统由个折射面构成,则当光射入系统时将在每一个不同则当光射入系统时将在每一个不同透明介质分界面上都存在一定程度得反射损失透明介质分界面上都存在一定程度得反射损失,射出系统得光通射出系统得光通量量式中式中,分别表示第一个折射面分别表示第一个折射面,第二个折第二个折射面射面,第个折射面得反射率。整个系统得透过率则为第个折射面得反射率。整个系统得透过率则为/()()()()光学系统得透过率实际上反映了经过系统之后光通量得损失光学系统得透过率实际上反映了经过系统之后光通量得损失程度程度,透过率值越小说明光通量损失越大。透过率值越小说明光通量损失越大。例一胶合物镜由两片透镜组成例一胶合物镜由两片透镜组成,其折射率分别为其折射率分别为、,、,这两片透镜用、得树胶这两片透镜用、得树胶黏在一起黏在一起,设光在透镜上得入射角都很小设光在透镜上得入射角都很小,试求光在透过此物试求光在透过此物镜时由于反射而造成得光能损失镜时由于反射而造成得光能损失;若两透镜不用树胶黏合若两透镜不用树胶黏合,而而仅就是留有一空气薄隙仅就是留有一空气薄隙,由于反射而造成得光能损失又就是多少？由于反射而造成得光能损失又就是多少？不考虑介质吸收及散射。不考虑介质吸收及散射。故由于反射造成得光能损失约为故由于反射造成得光能损失约为、。、。若两透镜不用树胶黏合若两透镜不用树胶黏合,而仅就是留有一空气薄隙时而仅就是留有一空气薄隙时,则同理则同理可得可得由于反射造成得光能损失约为由于反射造成得光能损失约为、。、。此外此外,从例可见从例可见,在每一个空气玻璃介质分界面上都将产生在每一个空气玻璃介质分界面上都将产生得光能损失得光能损失,若光学系统由多个折射面构成若光学系统由多个折射面构成,则仅由于反则仅由于反射所产生得光能损失就相当可观。射所产生得光能损失就相当可观。一般情况下可认为未镀增透膜表面得冕牌玻璃透过率一般情况下可认为未镀增透膜表面得冕牌玻璃透过率、,火石玻璃透过率火石玻璃透过率、,镀增透膜表面得透镀增透膜表面得透过率过率、。、。、反射面得光能损失、反射面得光能损失 1)1)光系统中存在大量得反射元件光系统中存在大量得反射元件,反射元件将涂镀不同得金属材料反射元件将涂镀不同得金属材料(或介质材料或介质材料)以提高其反射性能。以提高其反射性能。2 2)由于金属层由于金属层(或介质层或介质层)反射面也不同程度上存在一定得光能反射面也不同程度上存在一定得光能 吸收吸收,不能将入射其上得光通量全部反射不能将入射其上得光通量全部反射,因此反射面得吸收因此反射面得吸收 损失也就是必须要考虑得一个主要因素。损失也就是必须要考虑得一个主要因素。3 3)以金属反射面为例以金属反射面为例,由于其反射率与所使用得材料、波长及所由于其反射率与所使用得材料、波长及所 使用得工艺方法有关使用得工艺方法有关,在可见光区范围内多使用银在可见光区范围内多使用银(化学镀银化学镀银 后镀铜后镀铜,再涂保护漆再涂保护漆,反射率反射率、)与铝与铝(真空镀真空镀 铝后氧化加固铝后氧化加固,反射率反射率、)作为反射材料作为反射材料,但就是但就是 毕竟存光能损失。设入射得光通量为毕竟存光能损失。设入射得光通量为,则反射得光通量为则反射得光通量为而且反射面越多而且反射面越多,由此所造成得光能量损失就越大。若系统中存在由此所造成得光能量损失就越大。若系统中存在个反射面个反射面,则反射后得能量为则反射后得能量为式中式中,分别代表第一个分别代表第一个,第二个第二个,第个反射面得反射率。第个反射面得反射率。、透明介质材料得吸收损失、透明介质材料得吸收损失 光在透明介质中传播时也存在一定程度得能量吸收光在透明介质中传播时也存在一定程度得能量吸收,只不过吸只不过吸收比较小而已收比较小而已,所以在前面探讨中没有过多考虑她得吸收效应。但所以在前面探讨中没有过多考虑她得吸收效应。但实际上光在介质中传播时得吸收损失也就是不可忽略得实际上光在介质中传播时得吸收损失也就是不可忽略得,其吸收能量其吸收能量得大小与介质得吸收系数密切相关。得大小与介质得吸收系数密切相关。