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1、应用光学第六章1第1页，共36页，编辑于2022年，星期六波长为波长为400760nmnm范围内的电磁波称为范围内的电磁波称为“可见光可见光”研究可见光的测试、计量和计算称为研究可见光的测试、计量和计算称为“光光度学度学”研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为科称为“辐射度学辐射度学”2第2页，共36页，编辑于2022年，星期六辐射度学辐射度学通过电磁光谱来处理辐射能的测量。通过电磁光谱来处理辐射能的测量。辐射度学主要研究频率为辐射度学主要研究频率为31011 31016Hz的的光光辐射，射，对应于于0.011000m微米的波微米的波长。波段范波段范围包
2、括包括红外、可外、可见光、光、紫外线紫外线。3第3页，共36页，编辑于2022年，星期六光光度学度学与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为的光，即可见光，波长范围为380780nm(纳米纳米)。波长波长450nm对应于蓝色，对应于蓝色，540nm对应于绿色，对应于绿色，659nm对应于红色。对应于红色。4第4页，共36页，编辑于2022年，星期六立体角的定义：立体角的定义：一个任意形状的封一个任意形状的封闭锥面所包含的空闭锥面所包含的空间称为立体角，用间称为立体角，用表示。表示。第一节第一节 立体角的意义和它在光度学中的应用立体角的意
3、义和它在光度学中的应用5第5页，共36页，编辑于2022年，星期六立体角定义图立体角定义图6第6页，共36页，编辑于2022年，星期六 以锥体顶点为球心，以锥体顶点为球心，任意任意r r为半径作一球面，为半径作一球面，此锥体在球面上的截面此锥体在球面上的截面为为S S，则立体角表示为，则立体角表示为7第7页，共36页，编辑于2022年，星期六 立体角单位：以锥顶为球心，以立体角单位：以锥顶为球心，以r r为半径作一圆球，若为半径作一圆球，若锥面在原球上所截出的面积等于锥面在原球上所截出的面积等于r r2 2，则该立体角为一个，则该立体角为一个“球面度球面度”（srsr）。）。整个球面的面积为整
4、个球面的面积为4 4r r2 2,对于整个空间有对于整个空间有即整个空间等于即整个空间等于4 球面度球面度8第8页，共36页，编辑于2022年，星期六立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2角度覆盖整个角度覆盖整个单单位位圆圆。在三在三维维空空间间，4的球面度立体角覆盖整个的球面度立体角覆盖整个单单位球位球面。面。从一个球面上去处从一个球面上去处1球面度球面度立体角的圆锥立体角的圆锥9第9页，共36页，编辑于2022年，星期六计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系10第10页，共36页，编辑于2022年，星期六第二节第二节 辐射度学中
5、的基本量辐射度学中的基本量一、辐射通量一、辐射通量 辐射通量的定义：辐射通量的定义：单位时间内辐射体所辐射的总能量，用单位时间内辐射体所辐射的总能量，用e表示；其表示；其计量单位用功率单位计量单位用功率单位瓦特瓦特。表示了一个辐射体辐射的强弱表示了一个辐射体辐射的强弱辐射通量就是辐射体的辐射功率辐射通量就是辐射体的辐射功率用辐射通量的用辐射通量的光谱密集度光谱密集度来表示辐射体的辐射通量按来表示辐射体的辐射通量按波长分布波长分布的特性的特性11第11页，共36页，编辑于2022年，星期六 用辐射通量的光谱密集度用辐射通量的光谱密集度e来表示辐射体的辐来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性射通量
6、按波长分布的特性ee 辐射体总辐射通量辐射体总辐射通量即辐射体的总辐射功即辐射体的总辐射功率为率为12第12页，共36页，编辑于2022年，星期六其他表示其他表示面积元面积元ds的辐射通量的辐射通量：单位时间内面积元单位时间内面积元ds辐射出辐射出来的所有波长的光能量。来的所有波长的光能量。分布函数（谱辐射通量密度）分布函数（谱辐射通量密度）：在单位时间内通过光源面积元的某一波长附近在单位时间内通过光源面积元的某一波长附近的单位波长间隔内的光能量。用的单位波长间隔内的光能量。用e()表示，表示，是波是波长的函数。长的函数。13第13页，共36页，编辑于2022年，星期六其他表示其他表示总辐射通
7、量：总辐射通量：从光源面积元从光源面积元ds辐射出来的波长在辐射出来的波长在 +d 间的辐射通量为：间的辐射通量为：从光源面积元从光源面积元ds发出的各种波长光的总发出的各种波长光的总辐射通量为：辐射通量为：14第14页，共36页，编辑于2022年，星期六二、辐射强度二、辐射强度辐射体在不同方向上的辐射特性用在给定方向上辐射体在不同方向上的辐射特性用在给定方向上取立体角取立体角d，在，在d范围内的辐射通量为范围内的辐射通量为de。把把de与与d之比称为辐射体在该方向上的之比称为辐射体在该方向上的“辐辐射强度射强度”，Ie表示表示15第15页，共36页，编辑于2022年，星期六 单位立体角内发出
8、的辐射通量单位立体角内发出的辐射通量 辐射强度的单位为辐射强度的单位为瓦每球面度（瓦每球面度（W/sr）。d de ed d均匀点光源均匀点光源 16第16页，共36页，编辑于2022年，星期六三、辐（射）出射度、辐（射）照度三、辐（射）出射度、辐（射）照度辐射强度不能表示辐射体表面不同位置的辐射特性辐射强度不能表示辐射体表面不同位置的辐射特性表示辐射体表面上任意一点表示辐射体表面上任意一点A处的辐射强弱：处的辐射强弱：假定假定dS微面辐射出的辐射通量为微面辐射出的辐射通量为de，则，则A点的辐（射）点的辐（射）出射度为出射度为Me称为称为“辐（射）出射度辐（射）出射度”，单位为单位为瓦每平方
9、米（瓦每平方米（W/m2）A Ad de edSdS17第17页，共36页，编辑于2022年，星期六某点单位面积内发出的辐射通量某点单位面积内发出的辐射通量 单位为单位为瓦每平方米（瓦每平方米（W/m2）18第18页，共36页，编辑于2022年，星期六如果某一物体表面被其它辐射体照射如果某一物体表面被其它辐射体照射即为了表示即为了表示A点被照射的强弱，假定物体所接受的点被照射的强弱，假定物体所接受的辐射通量为辐射通量为de，把把dS接受的接受的de与与dS之比称为之比称为“辐（射）照度辐（射）照度”，符号为，符号为Ee，即，即辐（射）照度与辐（射）辐（射）照度与辐（射）出射度的单位一样，出射度
10、的单位一样，也为也为瓦每平方米（瓦每平方米（W/m2）A Ad de edSdS19第19页，共36页，编辑于2022年，星期六四、辐（射）亮度四、辐（射）亮度 用辐（射）亮度来表示用辐（射）亮度来表示辐射体表面不同位置和不辐射体表面不同位置和不同方向上的辐射特性同方向上的辐射特性dS在在AO垂直方向上的投影面积为垂直方向上的投影面积为dSnA AdSdSNNd dOOI Ie e 20第20页，共36页，编辑于2022年，星期六若在若在AO方向上的辐射强度为方向上的辐射强度为Ie，把，把Ie与与dSn之比称之比称为为“辐辐（射）亮度（射）亮度”，符号为，符号为Le辐辐（射）亮度代表了辐射体不
11、同位置和不同方向上的（射）亮度代表了辐射体不同位置和不同方向上的辐射特性。辐射特性。单位为单位为瓦每球面度平方米（瓦每球面度平方米（W/（sr.m2）。21第21页，共36页，编辑于2022年，星期六可见光可见光光的辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域。光的辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域。这个区域从这个区域从400纳米到纳米到760纳米。纳米。人眼观察辐射体时，其视觉强弱与辐射波长和辐射强人眼观察辐射体时，其视觉强弱与辐射波长和辐射强度（某一方向）有关度（某一方向）有关在可见光中不同波长的光所引起的视觉效应的灵敏度是不相同在可见光中不同波长的光所引起的视觉效应的灵敏度是不相同的。的。在光度学
12、中，为了表示这种差别，定义在光度学中，为了表示这种差别，定义V()为为“视见函数视见函数”（光谱光视效率）。（光谱光视效率）。第三节第三节 人眼的视见函数人眼的视见函数22第22页，共36页，编辑于2022年，星期六视见函数视见函数把人眼对把人眼对黄光黄光的视觉灵敏度作为基准，其它色光的的视觉灵敏度作为基准，其它色光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得出各种色视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得出各种色光的相对视觉灵敏度，称为视见函数，用光的相对视觉灵敏度，称为视见函数，用V()表表示。示。把人眼最灵敏波长（把人眼最灵敏波长（=555nm）的视见函数规定）的视见函数规定为为1，即，即V(55
13、5)=1V()1不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别23第23页，共36页，编辑于2022年，星期六/nmV()24第24页，共36页，编辑于2022年，星期六视见函数是表征人眼对不同波长光平均相对灵视见函数是表征人眼对不同波长光平均相对灵敏度的函数，又称视觉灵敏度敏度的函数，又称视觉灵敏度 即：即：它与辐射通量的关系它与辐射通量的关系：25第25页，共36页，编辑于2022年，星期六第四节第四节 光度学中的基本量光度学中的基本量 一、发光强度和光通量一、发光强度和光通量发光强度是光度学中发光强度是光度学中最基本量最基本量之一，与辐射度学中的辐之一，
14、与辐射度学中的辐射强度相对应。射强度相对应。辐射体的辐射波长为辐射体的辐射波长为的单色光，在眼睛观察的方向上的的单色光，在眼睛观察的方向上的辐射强度为辐射强度为Ie，眼瞳孔对辐射体所张的立体角为，眼瞳孔对辐射体所张的立体角为d d，则眼睛接受到的眼睛接受到的辐射通量射通量为眼睛的眼睛的视觉强度与度与辐射通量射通量d de e和视见函数和视见函数V(V()成正比成正比这就表示该辐射所产生的这就表示该辐射所产生的视觉强度（视觉强度（d d）。26第26页，共36页，编辑于2022年，星期六d是按人眼视觉强度来度量的辐射通量，称为是按人眼视觉强度来度量的辐射通量，称为“光通量光通量”。C为单位换算常
15、数，由为单位换算常数，由d和和de所采用的单位决定。所采用的单位决定。光通量是描述客观辐射通量所引起的人眼视觉强光通量是描述客观辐射通量所引起的人眼视觉强弱的物理量弱的物理量光通量的单位是光通量的单位是流明（流明（lm）一只一只40W白炽灯的全部辐射的光通量为白炽灯的全部辐射的光通量为500lm，而而40W的荧光灯的全部辐射约为的荧光灯的全部辐射约为2300lm27第27页，共36页，编辑于2022年，星期六发光强度与辐射强度相对应。它表示在指定方向上发光强度与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光源发光的强弱，即光源发光的强弱，即单位立体角内发出的光通量单位立体角内发出的光通量 发光强度的单位
16、为发光强度的单位为坎（德拉）（坎（德拉）（cd）对于均匀点光源对于均匀点光源28第28页，共36页，编辑于2022年，星期六1cd（坎德拉）（坎德拉）代表发光体发出的电磁波频率为代表发光体发出的电磁波频率为540X1012Hz的单色辐射（波长为的单色辐射（波长为555nm），且在此），且在此方向上的辐射强度为（方向上的辐射强度为（1/683）W/sr。1坎德拉等于光源在坎德拉等于光源在1个立体弧度内产生个立体弧度内产生1流明的光通流明的光通量量坎德拉是光度学中最基本的单位，也是国际基本坎德拉是光度学中最基本的单位，也是国际基本计量单位之一。计量单位之一。光通量光通量光通量光通量d的单位为流明（
17、的单位为流明（lm）1lm表示在某一方向上的发光强度为表示在某一方向上的发光强度为1cd的发光体的发光体在单位立体角内的通光量，即在单位立体角内的通光量，即29第29页，共36页，编辑于2022年，星期六由坎德拉及发光强度的定义可知：由坎德拉及发光强度的定义可知：30第30页，共36页，编辑于2022年，星期六用符号用符号K()来表示系数来表示系数CV()，即，即K()称为称为 波长的波长的“光谱光视效能光谱光视效能”,其单位是（其单位是（cdsr）/W或或lm/W其最大值为其最大值为Km，称为，称为“最大光谱光视效能最大光谱光视效能”上面的公式中辐射通量上面的公式中辐射通量de以瓦（以瓦（W
18、）为单位）为单位，光光通量通量d以流明（以流明（lm）为单位）为单位31第31页，共36页，编辑于2022年，星期六在在实际应用中，用中，辐射体都有一定的波射体都有一定的波长范范围，所以，所以光通量与光通量与辐射通量的关系就有射通量的关系就有用用K来表示来表示发光体的光体的发光特性光特性注意：注意：K和和K()是不同的。是不同的。K称称为发光体光体“光光视效能效能”，其，其单位位为流明每瓦流明每瓦（lm/W）其物理意）其物理意义是是辐射体消耗射体消耗1W功率所功率所发出出的流明数的流明数K()称为称为 波长的波长的“光谱光视函数光谱光视函数”32第32页，共36页，编辑于2022年，星期六二、
19、光出射度和光照度二、光出射度和光照度用光出射度用光出射度M来表示来表示A点处的发光强弱点处的发光强弱指发光表面单位面积内所发出的光通量，它与辐指发光表面单位面积内所发出的光通量，它与辐（射）出射度相对应（射）出射度相对应当发光表面均匀发光时，其光出射度为当发光表面均匀发光时，其光出射度为反之，当某一表面被发光体照明，用光照度反之，当某一表面被发光体照明，用光照度E来表来表示被照明表面示被照明表面A处的照明强弱处的照明强弱在均匀照明情况下在均匀照明情况下33第33页，共36页，编辑于2022年，星期六光照度表示被照明的表面单位面积上所光照度表示被照明的表面单位面积上所接收的光通量。接收的光通量。
20、它与辐射度学中的辐（射）照度相对应。它与辐射度学中的辐（射）照度相对应。它们的单位为它们的单位为勒克斯（勒克斯（lx）。1lx等于等于1m2面积上发出或接收面积上发出或接收1lm的光能的光能量，即：量，即：34第34页，共36页，编辑于2022年，星期六A AdSdSNNd dOOI I 三、光亮度三、光亮度前面所讲的概念并不能表示发前面所讲的概念并不能表示发光面不同方向的发光特性。光面不同方向的发光特性。用光亮度来表示发光表面不同用光亮度来表示发光表面不同位置和不同方向的发光特性。位置和不同方向的发光特性。在该方向上单位投影面积的发在该方向上单位投影面积的发光强度。光强度。35第35页，共36页，编辑于2022年，星期六L表示发光面上表示发光面上A点处在点处在AO方向上的发光特性方向上的发光特性光亮度等于发光表面上某点周围的微面在给定方向上光亮度等于发光表面上某点周围的微面在给定方向上的发光强度除以该微面在垂直于给定方向的投影面积的发光强度除以该微面在垂直于给定方向的投影面积光亮度光亮度L与辐射度学中的辐亮度相对应。与辐射度学中的辐亮度相对应。光亮度的单位为坎（德拉）光亮度的单位为坎（德拉）/米米2（cd/m2）光亮度表示发光面上单位投影面积在单光亮度表示发光面上单位投影面积在单位立体角内所发出的光通量位立体角内所发出的光通量36第36页，共36页，编辑于2022年，星期六