光学和辐射学.pptx

光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日0研究的主要问题：研究的主要问题：光学系统光能传输的问题（光度学）；光学系统光能传输的问题（光度学）；各种波长的辐射能计量问题（辐射度学）。各种波长的辐射能计量问题（辐射度学）。特点：特点：1.1.以相关概念的设立和理解为出发点；以相关概念的设立和理解为出发点；2.2.研究多种实际光学系统的光能传送；研究研究多种实际光学系统的光能传送；研究多种波长的辐射能计量。多种波长的辐射能计量。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日1辐射能通量辐射能通量辐射能通量辐射能通量：单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内通通通通过过过过某某某某面面面面元元元元的的的的各各各各种种种种波波波波长长长长的的的的总总总总电电电电磁辐射能称为通过该面元的磁辐射能称为通过该面元的磁辐射能称为通过该面元的磁辐射能称为通过该面元的辐射能通量辐射能通量辐射能通量辐射能通量。1 辐射能通量辐射能通量 视见函数和光通量视见函数和光通量 设设设设 表表表表示示示示在在在在波波波波长长长长范范范范围围围围 +中中中中的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能通量。有：通量。有：通量。有：通量。有：单色辐射能单色辐射能单色辐射能单色辐射能通量通量通量通量辐射能通量辐射能通量辐射能通量辐射能通量的谱密度的谱密度的谱密度的谱密度光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日2视见函数视见函数视见函数视见函数：如何比较两种颜色线的明亮感？如何比较两种颜色线的明亮感？如何比较两种颜色线的明亮感？如何比较两种颜色线的明亮感？波长为波长为波长为波长为555.0nm555.0nm555.0nm555.0nm的光波，人眼最敏感。故：的光波，人眼最敏感。故：的光波，人眼最敏感。故：的光波，人眼最敏感。故：视见函数视见函数视见函数视见函数：若某波长：若某波长：若某波长：若某波长 的光引起的明亮感的光引起的明亮感的光引起的明亮感的光引起的明亮感觉和觉和觉和觉和555.0nm555.0nm555.0nm555.0nm的光波相同，则称其辐射能通量的光波相同，则称其辐射能通量的光波相同，则称其辐射能通量的光波相同，则称其辐射能通量之比为视见函数。之比为视见函数。之比为视见函数。之比为视见函数。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日3实线：明视觉条件下的视见函数实线：明视觉条件下的视见函数实线：明视觉条件下的视见函数实线：明视觉条件下的视见函数虚线：暗视觉条件下的视见函数虚线：暗视觉条件下的视见函数虚线：暗视觉条件下的视见函数虚线：暗视觉条件下的视见函数光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日4光谱响应曲线光谱响应曲线光谱响应曲线光谱响应曲线1.1.1.1.锑铯光电管；锑铯光电管；锑铯光电管；锑铯光电管；2.2.2.2.人眼；人眼；人眼；人眼；3.3.3.3.硅光电池；硅光电池；硅光电池；硅光电池；4.4.4.4.热敏元件热敏元件热敏元件热敏元件光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日5明视觉视见函数国际标准明视觉视见函数国际标准明视觉视见函数国际标准明视觉视见函数国际标准光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日6光通量：光通量：光通量：光通量：光通量：光通量：对于波长对于波长对于波长对于波长 的单色光，其辐射通的单色光，其辐射通的单色光，其辐射通的单色光，其辐射通量与视见函数的乘积称为光通量；量与视见函数的乘积称为光通量；量与视见函数的乘积称为光通量；量与视见函数的乘积称为光通量；式中：辐射能通量以视见函数为权重因子。式中：辐射能通量以视见函数为权重因子。式中：辐射能通量以视见函数为权重因子。式中：辐射能通量以视见函数为权重因子。对复色光：对复色光：对复色光：对复色光：国国国国际际际际单单单单位位位位制制制制中中中中：辐辐辐辐射射射射能能能能通通通通量量量量的的的的单单单单位位位位为为为为瓦瓦瓦瓦特特特特(WW)，光通量的单位则为流明，光通量的单位则为流明，光通量的单位则为流明，光通量的单位则为流明(l l)。对。对。对。对555nm555nm555nm555nm：1 1瓦特瓦特633633流明流明 1 1流明流明0.001460.00146瓦特瓦特光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日7光通量：光通量：光通量：光通量：发光效率：发光效率：消耗功率与发出的光通量之比，消耗功率与发出的光通量之比，消耗功率与发出的光通量之比，消耗功率与发出的光通量之比，称为发光效率；称为发光效率；称为发光效率；称为发光效率；讨论：讨论：可见光？全部电磁波谱？可见光？全部电磁波谱？可见光？全部电磁波谱？可见光？全部电磁波谱？光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日8光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日9发光强度发光强度发光强度发光强度：为为为为表表表表征征征征点点点点光光光光源源源源发发发发出出出出的的的的光光光光通通通通量量量量的的的的空空空空间间间间分分分分布布布布，定定定定义义义义点点点点光光光光源源源源在在在在某某某某方方方方向向向向上上上上单单单单位位位位立立立立体体体体角角角角内内内内发发发发出出出出的的的的光光光光通量为通量为通量为通量为该方向的发光强度该方向的发光强度该方向的发光强度该方向的发光强度。2 发光强度发光强度若光源为各向同性，则：若光源为各向同性，则：若光源为各向同性，则：若光源为各向同性，则：光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日10白炽灯发光强度的角分布白炽灯发光强度的角分布白炽灯发光强度的角分布白炽灯发光强度的角分布光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日11发光强度的单位发光强度的单位发光强度的单位发光强度的单位：1979197919791979年年年年第第第第16161616届届届届国国国国际际际际计计计计量量量量大大大大会会会会规规规规定定定定：若若若若光光光光源源源源发发发发出出出出的的的的光光光光频频频频率率率率为为为为5401054010540105401012121212HzHzHzHz，且且且且辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度为为为为(1/683)W/sr(1/683)W/sr(1/683)W/sr(1/683)W/sr，则则则则 其其其其 发发发发 光光光光 强强强强 度度度度 为为为为 1 1 1 1坎坎坎坎 德德德德 拉拉拉拉(CandelaCandelaCandelaCandela)，简称坎，简称坎，简称坎，简称坎(cd)(cd)(cd)(cd)。CandelaCandelaCandelaCandela为为为为国国国国际际际际单单单单位位位位制制制制中中中中的的的的7 7 7 7个个个个基基基基本本本本单单单单位位位位之之之之一，光度学中的其他单位均以之为导出单位。一，光度学中的其他单位均以之为导出单位。一，光度学中的其他单位均以之为导出单位。一，光度学中的其他单位均以之为导出单位。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日12光出射度光出射度光出射度光出射度：面面面面光光光光源源源源上上上上单单单单位位位位面面面面元元元元所所所所发发发发出出出出的的的的总总总总光光光光通通通通量量量量为为为为该该该该面元所在点的面元所在点的面元所在点的面元所在点的光出射度光出射度光出射度光出射度。3 光出射度和光亮度光出射度和光亮度光出射度的单位是勒克斯（光出射度的单位是勒克斯（光出射度的单位是勒克斯（光出射度的单位是勒克斯（luxluxluxlux），记为），记为），记为），记为lxlxlxlx。1 1 1 1勒克斯勒克斯勒克斯勒克斯1 1 1 1流明流明流明流明/米米米米2 2 2 2；1 1 1 1辐脱辐脱辐脱辐脱(phot)=10(phot)=10(phot)=10(phot)=104 4 4 4lxlxlxlx光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日13光亮度光亮度光亮度光亮度：为为为为描描描描述述述述面面面面光光光光源源源源上上上上各各各各小小小小面面面面元元元元发发发发出出出出的的的的光光光光通通通通量量量量的的的的空间分布，引入空间分布，引入空间分布，引入空间分布，引入光亮度光亮度光亮度光亮度，简称，简称，简称，简称亮度亮度亮度亮度。发发发发光光光光表表表表面面面面某某某某方方方方向向向向的的的的光光光光亮亮亮亮度度度度等等等等于于于于该该该该方方方方向向向向上上上上单单单单位位位位投投投投影影影影面积在单位立体角内发出的光通量。面积在单位立体角内发出的光通量。面积在单位立体角内发出的光通量。面积在单位立体角内发出的光通量。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日14光亮度光亮度光亮度光亮度：光光光光亮亮亮亮度度度度的的的的单单单单位位位位为为为为尼尼尼尼特特特特（ntntntnt），还还还还有有有有熙熙熙熙提提提提(sb)(sb)(sb)(sb)：光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日15光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日16余弦发射体余弦发射体余弦发射体余弦发射体：若某发光体有：若某发光体有：若某发光体有：若某发光体有：即即即即该该该该面面面面元元元元在在在在相相相相等等等等立立立立体体体体角角角角内内内内发发发发射射射射的的的的光光光光通通通通量量量量与与与与coscos 成成成成正正正正比比比比，即即即即称称称称该该该该发发发发光光光光体体体体为为为为余余余余弦弦弦弦发发发发光光光光体体体体（朗朗朗朗伯伯伯伯面面面面）。此此此此时时时时其其其其光光光光亮亮亮亮度度度度是与方向无关的常数。是与方向无关的常数。是与方向无关的常数。是与方向无关的常数。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日17光照度光照度光照度光照度：若若若若被被被被照照照照面面面面上上上上面面面面元元元元dSdSdSdS所所所所接接接接收收收收的的的的光光光光通通通通量量量量为为为为dFdFdFdF，则定义该面元上的则定义该面元上的则定义该面元上的则定义该面元上的光照度光照度光照度光照度为：为：为：为：4 光照度光照度平均光照度：平均光照度：平均光照度：平均光照度：单位也是勒克斯单位也是勒克斯单位也是勒克斯单位也是勒克斯(lux)(lux)(lux)(lux)和辐脱和辐脱和辐脱和辐脱(phot)(phot)(phot)(phot)，但意义不同。，但意义不同。，但意义不同。，但意义不同。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日18光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日19点光源照射一平面时所产生的光照度点光源照射一平面时所产生的光照度点光源照射一平面时所产生的光照度点光源照射一平面时所产生的光照度：如如如如图图图图，若若若若点点点点光光光光源源源源的的的的发发发发光光光光强强强强度为度为度为度为I I I I，则有：，则有：，则有：，则有：dSdSdSdS上光通量：上光通量：上光通量：上光通量：照度的距离平方反比定律照度的距离平方反比定律照度的距离平方反比定律照度的距离平方反比定律。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日20面光源产生的光面光源产生的光面光源产生的光面光源产生的光照度照度照度照度：如如如如图图图图，若若若若面面面面光光光光源源源源的的的的亮亮亮亮度度度度为为为为B B B B，则有：，则有：，则有：，则有：而：而：而：而：d d d dS S S S 的照度：的照度：的照度：的照度：光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日21通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量：5 像的光亮度和光照度像的光亮度和光照度光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日22通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量：面元面元面元面元dSdSdSdS在在在在 方向方向方向方向d d d d 立体角内进入系统的光通量立体角内进入系统的光通量立体角内进入系统的光通量立体角内进入系统的光通量：考虑面元为余弦发射体，则考虑面元为余弦发射体，则考虑面元为余弦发射体，则考虑面元为余弦发射体，则：光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日23通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量通过光学系统的光通量：面元面元面元面元dSdSdSdS在在在在 方向方向方向方向d d d d 立体角内进入系统的光通量立体角内进入系统的光通量立体角内进入系统的光通量立体角内进入系统的光通量：考虑面元为余弦发射体，则考虑面元为余弦发射体，则考虑面元为余弦发射体，则考虑面元为余弦发射体，则：因为因为因为因为：光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日24像的光亮度像的光亮度像的光亮度像的光亮度：到达像面的光通量可设为到达像面的光通量可设为到达像面的光通量可设为到达像面的光通量可设为：式中式中式中式中k k称为系统的透射系数称为系统的透射系数称为系统的透射系数称为系统的透射系数。考虑系统满足正弦条件：考虑系统满足正弦条件：考虑系统满足正弦条件：考虑系统满足正弦条件：光学系统不能光学系统不能光学系统不能光学系统不能改变光学系统改变光学系统改变光学系统改变光学系统的光通量。的光通量。的光通量。的光通量。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日25像的光照度像的光照度像的光照度像的光照度：像面上的照度为像面上的照度为像面上的照度为像面上的照度为：由正弦条件得：由正弦条件得：由正弦条件得：由正弦条件得：光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日26像的光照度的两种特殊情况像的光照度的两种特殊情况像的光照度的两种特殊情况像的光照度的两种特殊情况：1.1.1.1.适用电影机或幻灯机时，象距远大于焦适用电影机或幻灯机时，象距远大于焦适用电影机或幻灯机时，象距远大于焦适用电影机或幻灯机时，象距远大于焦距；物平面总在物方焦面附近，入射孔径角距；物平面总在物方焦面附近，入射孔径角距；物平面总在物方焦面附近，入射孔径角距；物平面总在物方焦面附近，入射孔径角 近近近近似是一个常数。而像的照度与似是一个常数。而像的照度与似是一个常数。而像的照度与似是一个常数。而像的照度与 2 2 2 2成正比。成正比。成正比。成正比。2.2.2.2.适用照相机拍摄或眼睛观察物体，一般适用照相机拍摄或眼睛观察物体，一般适用照相机拍摄或眼睛观察物体，一般适用照相机拍摄或眼睛观察物体，一般物距远大于焦距；像平面总在像方焦面附近，物距远大于焦距；像平面总在像方焦面附近，物距远大于焦距；像平面总在像方焦面附近，物距远大于焦距；像平面总在像方焦面附近，出射孔径角出射孔径角出射孔径角出射孔径角 近似一个常数，像的照度不变。近似一个常数，像的照度不变。近似一个常数，像的照度不变。近似一个常数，像的照度不变。光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日27 设有薄透镜系统，孔径光阑和光瞳可视为设有薄透镜系统，孔径光阑和光瞳可视为设有薄透镜系统，孔径光阑和光瞳可视为设有薄透镜系统，孔径光阑和光瞳可视为透镜本身，其直径为透镜本身，其直径为透镜本身，其直径为透镜本身，其直径为D D D D。于是：。于是：。于是：。于是：相相相相对对对对孔孔孔孔径径径径的的的的倒倒倒倒数数数数称称称称为为为为F F F F数数数数，由由由由于于于于像像像像的的的的照照照照度度度度正正正正比比比比与与与与相相相相对对对对孔孔孔孔径径径径的的的的平平平平方方方方，而而而而相相相相机机机机光光光光圈圈圈圈的的的的刻刻刻刻度度度度标标标标记记记记1.41.41.41.4、2 2 2 2、2.82.82.82.8、4 4 4 4、5.65.65.65.6、8 8 8 8、11111111、16161616序序序序列列列列中中中中，后后后后一一一一个个个个数数数数近近近近似似似似前前前前一一一一个个个个的的的的2 2 2 21/21/21/21/2。故故故故照照照照度度度度依次减小一半。依次减小一半。依次减小一半。依次减小一半。相对孔径相对孔径相对孔径相对孔径光度学和辐射度学光度学和辐射度学2024年8月22日28主观亮度主观亮度主观亮度主观亮度：人眼观察时，像的照度越大，像面积内感人眼观察时，像的照度越大，像面积内感人眼观察时，像的照度越大，像面积内感人眼观察时，像的照度越大，像面积内感光细胞上的光通量越多光细胞上的光通量越多光细胞上的光通量越多光细胞上的光通量越多。故对扩展光源，规定故对扩展光源，规定故对扩展光源，规定故对扩展光源，规定眼睛的主观亮度就是网膜上像的照度眼睛的主观亮度就是网膜上像的照度眼睛的主观亮度就是网膜上像的照度眼睛的主观亮度就是网膜上像的照度。对于点光源，网膜上的照度失去意义，主对于点光源，网膜上的照度失去意义，主对于点光源，网膜上的照度失去意义，主对于点光源，网膜上的照度失去意义，主观亮度由网膜上接收到的总光通量决定。观亮度由网膜上接收到的总光通量决定。观亮度由网膜上接收到的总光通量决定。观亮度由网膜上接收到的总光通量决定。下一节课内容：下一节课内容：下一节课内容：下一节课内容：将进入波动光学的学习将进入波动光学的学习将进入波动光学的学习将进入波动光学的学习