5-光度学与色度学基础

第五章光度学和色度学基础Chapter5内容回顾及问题的提出：前面内容主要讲述几何光学的光线传播及正确成像问题——成像的位置、大小、虚实等但实际上光是以光能的形式传递的，在传递过程中光能损失情况，导致最后像面的亮暗程度不同（这其中还包括环境等因素对像面的影响）——须对光能进行度量Chapter5概述▲光学系统是一个传输辐射能量的系统▲能量传输能力的强弱，影响像的亮暗▲辐射度学：研究电磁波辐射的测试计量计算的学科▲光度学：在人眼视觉的基础上，研究可见光的测试计量计算的学科辐射度学与光度学基础Chapter5第一节辐射量和光学量及其应用一、立体角的意义和单位平面上的角：弧度ABOrABAOBChapter5空间上的角：立体角一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角Ω＝2rs若在以r为半径的球面上截得面积s=r2，则此立体角为1球面度整个空间球面面积为4πr2,对应立体角为42rssoΩChapter5以r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个dα对应的环带，环带宽度为rdα，环带半径为rsinα，所以环带长度为2πrsinα，环带总面积为立体角的计算假定一个圆锥面的半顶角为α，求该圆锥所包含的立体角大小220222sin4)cos1(2cos2cos2sin2sin2sin2较小时，或者将上式积分得它对应的立体角为dddrdsddrrrddsChapter5二.辐射度学中的基本量及其计量单位1、辐射通量单位时间内辐射体辐射的总能量-----辐射功率e单位：瓦特（W）反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分dddeee00lim：辐射通量的波长分布函数eChapter52、辐射强度辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量符号：单位：瓦每球面度（W/sr）eIddIee表示辐射体在不同方向上的辐射特性Chapter53、辐射出射度辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量符号：单位：瓦每平方米（W/m2）eMeddsdMee不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同位置上单位面积的辐射特性dsAChapter54、辐射照度辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐射通量符号：单位：瓦每平方米（W/m2）eEeddsdEeedsAChapter55、辐射亮度辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位投影面积上发出的辐射通量符号：单位：瓦每球面度每平方米（W/sr.m2）eLcosdsdsdsILnnee描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性Chapter5几种光接收器的光谱灵敏度1为锑铯光电管，不能感受波长为0.6μm以上的红光；2是人眼；3是硅光电池；4是一种热敏元件Chapter5三.人眼的视见函数•辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可以产生亮暗感觉；•可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同•光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数，称为视见函数，又称光谱光视效率。VChapter5视见函数Chapter5视见函数的相关因素受外界的照明条件影响而产生：①明视觉视见函数：最敏感波长为555nm（黄光），其相应的视见函数值V555=1，其它波长的V(λ)值均小于1。②暗视觉视见函数：最敏感波长为507nm（绿光），V507=1，其它波长的V(λ)值均小于1。（明亮环境）（昏暗环境）Chapter5举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和B，假定辐射强度相同，A辐射波长为600nm,B辐射波长为500nm。V(600)=0.631V(500)=0.323A对人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的0.631/0.323倍，近似2倍。若要使A和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的辐射强度应该是辐射体B强度的一半。Chapter5光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定有一单色光，其辐射通量为，其中能够引起视觉的部分为光通量--------用人眼视觉强度来度量的辐射通量。四.光度学中的基本量1、发光强度和光通量光通量定义ed()medKVd单位：流（明）lmKm为流明与瓦之间的换算系数，在明视觉中Km=683lm/W；在暗视觉条件下Km=1755lm/WChapter5发光效率光源的发光效率：光源发出的光通量与辐射通量之比，即为K=Φv/ΦeΦ/P式中，P为电光源的电功率。发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生的光通量（流明数）。Chapter5意义：发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生的光通量（流明数）。几种常用电光源的发光效率：钨丝灯：1020钠光灯：约60卤素钨灯：约30高压汞灯：6070荧光灯：3060镝灯：约80氙灯：4060金属卤素放电灯：约80炭孤灯：4060LED照明灯：40-3002014年，美国科锐公司(Nasdaq:CREE)宣布白光功率型LED实验室光效达到303lm/W发光效率Chapter5发光强度发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。也可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是发光强度()()memeKVddIKVIdd单位：坎（德拉）cdChapter5计算举例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。２、求发光强度：总立体角为１、求总光通量：lmKe90060154cdI62.714900Chapter52、光出射度和光照度光出射度：发光体表面某点附近单位面积发出的光通量dsdMddsA发光表面均匀发光情况下sM（lm/m2）Chapter5光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位面积接收的光通量。dsdEddsA被照表面均匀照明情况下sE（lx）单位：勒克司1lx=1lm/m2Chapter530~50lx50~70100~2001万3万~4万100~50010万0.23×10–4观看仪器的示值一般阅读及书写精细工作（修表等）摄影场内拍摄电影照相制版时的原稿明朗夏日采光良好的室内太阳直照时的地面照度满月在天顶时的地面照度无月夜天光在地面产生的照度常见物体的光照度值Chapter53、光亮度发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角内发出的光通量。cosdsdddsILn单位：坎/米2发光体某点在给定方向上的发光特性。Chapter5常见物体的光亮度值2.5×103105×103在地球上看到的月亮表面人工照明下书写阅读的纸面白天的晴朗天空1.5×1091.5×108(5~15)×1063×104在地球上看到的太阳普通电弧钨丝白炽灯灯丝太阳照射下漫射白色表面光亮度(cd/m2)光源名称光亮度(cd/m2)光源名称Chapter5计算举例：有一均匀磨砂球形灯,直径为17cm,光通量为2000lm,求该灯的光亮度.解:根据光亮度与发光强度的关系来求.ndsIL2322222/1071027.215.1591027.2)217.0(15.15942000mcdLmRdscdIn灯Chapter5第二节光传播过程中光学量的变化规律1、光照度公式假定点光源照明微小平面ds，ds离开光源距离为l，表面法线方向与照明方向成，若光源在此方向上发光强度为I，求光源在ds上的光照度。222coscoscoslIElIdsdldsdIdddSdE照度平方反比定律Chapter5应用：测定光源发光强度标准光源待测光源I1I2l1l2两个完全相同的漫反射表面，标准光源I1，l1已知,用眼睛观察两表面，由光照度公式移动待测光源，改变l2,即改变E2，当眼睛观察两表面同样亮时(E相等)，测出l2，由得出可以求得I22coslIE222211coscoslIlI222121llIIChapter5计算举例1：桌面OB上方有一盏100W钨丝充气灯泡P，光源在各方向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多高时，B点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？POl1mBx表示出来即可。将由lIlIE,cos,,cos2cdKIe36.11941001541cos,1,22xxlxxlxOP则令1)1/(22xxxIEE公式得代入lxEEmxllxmxxdxdEB94.45225.117071.00210max22此时，表示式得代入将整理化简后得点光照度最大，令要使Chapter5二.面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度221coscosrLdAdAdEsChapter5三.单一介质元光管内光亮度的传递两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间就是一个元光管。光在元光管传播，无光能损失。2121211222222211111111coscoscoscoscosLLddrdAdALdrdAdALddALd同理：所以，光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同Chapter5四.光束经截面反射和折射后的亮度LL12)1(nnLL（1）反射光束亮度等于入射光束亮度乘以反射系数：（2）折射光束的亮度不仅与入射光束的亮度以及界面两边介质的折射率比值的平方成正比，还与界面的反射系数有关：如果界面反射损失可以忽略，则：22nLnL光束经理想折射，光亮度也会产生变化。Chapter5五.余弦辐射体在各方向上光亮度都近似一致的均匀发光体称为余弦辐射体I0Idscoscos000IIdsIdsILIds一致，发光体在各方向光亮度的发光强度为在与该微面垂直方向上假定发光微面发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定律的发光体称为余弦辐射体或朗伯辐射体。dsI0IChapter5余弦辐射体可能是发光面，也可能是投射或反射体乳白玻璃漫反射面完全镜面反射不具有余弦辐射性质！！Chapter5dALu已知：发光微面dA，光亮度为L，求它在半顶角为u的圆锥内所辐射的总光通量。90,2uLdALdA单面发光，双面发光，＝2002cossinsincossinUdΦLdAdΩdΩddΦLdAddLdAU又则有（空间任意方位元立体角的普遍公式）Chapter5计算举例：假定一个钨丝充气灯泡功率为300W，光视效能为20lm/W,灯丝尺寸为8x8.5mm，双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。27233/104.1260002600030020105.8108,2mcddsdsLlmKWmdsLdsLds可求。，则和如果已知解：由Chapter5第三节成像系统像面的光照度一.轴上像点的光照度222sinnELUn轴上像点的照度与孔径角正弦的平方成正比，与线放大率的平方成反比。为透射比Chapter5二.轴外像点的光照度40cosMEE2202sinnELUn0E为像面轴上点的光照度轴外像点的光照度随视场角的增大而降低。Chapter5照相物镜像平面的光照度和光圈数H'F'DU'max1、像平面光照度'2'sinmaxfDU代入max20'sin'ULE得20'4'fDLE'fDA物镜的相对孔径Chapter52、光圈、光圈数光圈：相对孔径分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。相对孔径按等比级数变化。2:11:14.1:12:18.2:111:116:122:1……光圈数：相对孔径的倒数，用F表示F制光