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1、应用光学辐射度学和光度学基础1第1页，共40页，编辑于2022年，星期六发光体实际上为一个电磁波辐射源；发光体实际上为一个电磁波辐射源；研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为称为“辐射度学辐射度学”波长为波长为400760nm400760nm范围内的电磁波称为范围内的电磁波称为“可可见光见光”描述电磁辐射的物理量，称为描述电磁辐射的物理量，称为辐射量辐射量2第2页，共40页，编辑于2022年，星期六辐射度学辐射度学通过电磁光谱来进行辐射能的测量。通过电磁光谱来进行辐射能的测量。辐射度学主要研究频率为辐射度学主要研究频率为31011 31016Hz的光的
2、光辐射，射，对应于于0.011000m的波的波长。波段范波段范围包括包括红外、可外、可见光、光、紫外线紫外线。3第3页，共40页，编辑于2022年，星期六研究可见光的测试、计量和计算的学科称研究可见光的测试、计量和计算的学科称为为“光度学光度学”也可用视觉受到刺激的程度，即视觉感受来也可用视觉受到刺激的程度，即视觉感受来度量可见光。度量可见光。另一方面，可见光是能对人的视觉形成刺激并另一方面，可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人感受的电磁波。能被人感受的电磁波。按照视觉响应原则建立的表征可见光的按照视觉响应原则建立的表征可见光的量称为量称为光学量。光学量。4第4页，共40页，编辑于2022年，
3、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的光，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。5第5页，共40页，编辑于2022年，星期六将可见光作为纯物理现象来研究时，应采用将可见光作为纯物理现象来研究时，应采用辐射量值系统。辐射量值系统。研究与人的视觉有关的问题时，采用光学研究与人的视觉有关的问题时，采用光学量值系统。量值系统。6第6页，共40页，编辑于2022年，星期六把整个空间以某一点为中把整个空间以某
4、一点为中心，划分成若干立体角心，划分成若干立体角。立体角的定义：立体角的定义：一个任意一个任意形状的封闭锥面所包含的空形状的封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义和它在光度学中的应用7第7页，共40页，编辑于2022年，星期六如图所示，以锥体顶点为如图所示，以锥体顶点为球心，任意球心，任意r r为半径作一球为半径作一球面，此锥体在球面上的截面，此锥体在球面上的截面为面为S S，则立体角表示为，则立体角表示为8第8页，共40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
5、为半径作一圆球，为半径作一圆球，若锥面在园球上所截出的面积等于若锥面在园球上所截出的面积等于r r2 2，则该立体角为，则该立体角为一个一个“球面度球面度”（srsr）。）。整个球面的面积为整个球面的面积为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。9第9页，共40页，编辑于2022年，星期六立体角是平面角向三维空间的推广。立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，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的球面度立体角覆盖整个整个单单位球面。位球面。10第10页，共40页，编辑于2022
6、年，星期六第二节第二节 辐射度学中的基本量辐射度学中的基本量（1）辐射能）辐射能 Qe 光辐射是一种能量的传播形式。光辐射是一种能量的传播形式。度量辐射能的单位：焦耳（度量辐射能的单位：焦耳（J）11第11页，共40页，编辑于2022年，星期六 单位时间内发射、传输或接收的辐射能。单位时间内发射、传输或接收的辐射能。度量辐通量的单位：瓦（度量辐通量的单位：瓦（W）（2）辐射通量）辐射通量 e12第12页，共40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 e来表示辐射体的辐射通量来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性。按波长分布的特性。ee 辐射体总辐射通量即辐
7、射体的总辐射功率为13第13页，共40页，编辑于2022年，星期六 点辐射源向各方向发出辐射，在某一个方向，点辐射源向各方向发出辐射，在某一个方向，在一个圆锥立体角在一个圆锥立体角d内发出的辐射通量。即单内发出的辐射通量。即单位时间、单位球面度上发出的能量。位时间、单位球面度上发出的能量。辐射强度的单位：辐射强度的单位：W/sr（3）辐射强度）辐射强度 Ie表示了辐射体在不同方向上的辐射特性。表示了辐射体在不同方向上的辐射特性。d de ed d14第14页，共40页，编辑于2022年，星期六 辐射源单位发射面积发出的辐射通量，也就是辐辐射源单位发射面积发出的辐射通量，也就是辐射源单位时间内单
8、位面积发出的能量。射源单位时间内单位面积发出的能量。辐出射度的单位：辐出射度的单位：W/m2（4）辐出射度）辐出射度 Me表示了辐射体在不同位置上的辐射特性表示了辐射体在不同位置上的辐射特性A Ad de edSdS15第15页，共40页，编辑于2022年，星期六单位受照面积上接收的辐射通量，也就是单位单位受照面积上接收的辐射通量，也就是单位时间内单位面积接收的辐射能量。时间内单位面积接收的辐射能量。与辐出度相同，一个是发出，一个是接受。与辐出度相同，一个是发出，一个是接受。（5）辐照度）辐照度 Ee辐照度的单位：辐照度的单位：W/m2A Ad de edSdS16第16页，共40页，编辑于2
9、022年，星期六 表示单位面积在与法线成表示单位面积在与法线成角的立体圆锥角内的角的立体圆锥角内的辐射通量。辐射通量。辐亮度的单位：辐亮度的单位：W/srm2（6）辐亮度）辐亮度 Le表示了单位面积辐射源发出的辐通量的空间分布表示了单位面积辐射源发出的辐通量的空间分布A AdSdSNNd dOOI Ie e 17第17页，共40页，编辑于2022年，星期六可见光可见光：辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域。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
10、）有关。射强度（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。度是不相同的。在光度学中，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“视视见函数见函数”（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18第18页，共40页，编辑于2022年，星期六视见函数视见函数把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准，其它色光的把人眼对黄光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
11、光的相对视觉灵敏度，称为视见函数，用V()表示。表示。把人眼最灵敏波长（把人眼最灵敏波长（=555nm）的视见函数规定为）的视见函数规定为1，即，即V(555)=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。19第19页，共40页，编辑于2022年，星期六/nmV()如果以同样功率的不同波长的辐射通量射入人眼，波长如果以同样功率的不同波长的辐射通量射入人眼，波长=555nm的光人眼感觉最亮。的光人眼感觉最亮。紫紫红红20第20页，共40页，编辑于2022年，星期六如如=660nm的红光，要引起与黄绿光相同亮的光的红光，要引起与黄绿光相同亮的光感，
12、必须要比感，必须要比555nm的辐射通量大的辐射通量大16倍。而倍。而=780nm的红光，要引起与黄绿光相同亮的光感，的红光，要引起与黄绿光相同亮的光感，必须要比必须要比555nm的辐射通量大的辐射通量大5万倍。万倍。但是波长在但是波长在380nm，780nm以外区域的辐射能，以外区域的辐射能，不管有多大功率的辐射通量进入人眼，将是感觉不不管有多大功率的辐射通量进入人眼，将是感觉不到的。到的。21第21页，共40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 （1 1）光通量光通量()标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。一只一只4
13、0W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2300lm光通量的单位：流明（光通量的单位：流明（lm）光源发出光源发出555nm波长的光，如果功率为波长的光，如果功率为1W，则，则其光通量为其光通量为683lm22第22页，共40页，编辑于2022年，星期六（2 2）发光强度发光强度(I)发光强度是光度学中最基本量之一。发光强度发光强度是光度学中最基本量之一。发光强度与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光源与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光源发光的强弱，即单位立体角内发出的光通量发光的强弱，即单位立体角内发出的
14、光通量。发光强度的单位为坎（德拉）（发光强度的单位为坎（德拉）（cd）23第23页，共40页，编辑于2022年，星期六1cd（坎德拉）代表发光体发出的电磁波频率为（坎德拉）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。1lm（流明）表示在某一方向上的发光强度为（流明）表示在某一方向上的发光强度为1cd的发光体在单位立体角内的通光量，即的发光体在单位立体角内的通光量，即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
15、量单位之一。24第24页，共40页，编辑于2022年，星期六（3）光出射度光出射度(M)指发光表面单位面积内所发出的光通量，它与指发光表面单位面积内所发出的光通量，它与辐射度学中辐（射）出射度相对应辐射度学中辐（射）出射度相对应光出射度的单位为勒克斯（光出射度的单位为勒克斯（lx）1lx等于等于1m2面积上发出或接收面积上发出或接收1lm的光能量，即：的光能量，即：25第25页，共40页，编辑于2022年，星期六（4）光照度）光照度(E)当某一表面被发光体照明，用光照度当某一表面被发光体照明，用光照度E来表示被照明来表示被照明表面表面A处的照明强弱处的照明强弱光照度表示被照明的表面单位面积上所
16、接收的光通量。光照度表示被照明的表面单位面积上所接收的光通量。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。它们的它们的单位为勒克斯（单位为勒克斯（lx）。）。26第26页，共40页，编辑于2022年，星期六A AdSdSNNd dOOI I 前面所讲的概念并不能表示发光面不同前面所讲的概念并不能表示发光面不同方向的发光特性。方向的发光特性。用光亮度来表示发光表面不同位置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。和不同方向的发光特性。在该方向上单位投影面积的发光强在该方向上单位投影面积的发光强度。度。（5）光亮度（）光亮度（L)27第27页，共40页，编辑于
17、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上的发光强度除以该微面在垂直于给定方向的投影面积面积光亮度光亮度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）28第28页，共40页，编辑于2022年，星期六第五节第五节 光照度公式和发光强度的余弦定律光照度公式和发光强度的余弦定律一、光照度公式A Al ld d I IdSdSN NO O
18、 d d这是实际应用的光照度公式应用计算时 I 以坎（cd）为单位，l 以米（m）为单位，E以勒克斯（lx）为单位29第29页，共40页，编辑于2022年，星期六二、发光强度余弦定律二、发光强度余弦定律当发光体在各方向的光亮度相同时，不同当发光体在各方向的光亮度相同时，不同方向上的发光强度变化规律如何？方向上的发光强度变化规律如何？设发光体在各方向上的光亮度一致设发光体在各方向上的光亮度一致则有则有此式为发光强度余弦定律，又称此式为发光强度余弦定律，又称“朗伯定朗伯定律律”符合余弦定律的发光体被称为符合余弦定律的发光体被称为“余弦辐余弦辐射体射体”或或“朗伯辐射体朗伯辐射体”dSdSN NI
19、I0 0 I I dSdSI I0 030第30页，共40页，编辑于2022年，星期六在一个余弦辐射体上任意一点在一个余弦辐射体上任意一点O O向四周发出光时，向四周发出光时，但在各个方向上的发光强度是不等的。但在各个方向上的发光强度是不等的。对于余弦辐射体，在法线方向的发光强度最大，对于余弦辐射体，在法线方向的发光强度最大，其它方向上的发光强度是按余弦规律变小。其它方向上的发光强度是按余弦规律变小。如图所示，在辐射体的表面上如图所示，在辐射体的表面上O O点的法点的法线上取一线段线上取一线段OAOA，使，使OAOA比例于比例于I I0 0，以，以OAOA为直径作一球体切于辐射体。过为直径作一
20、球体切于辐射体。过O O点作点作一射线，使该射线与法线之间的夹角为一射线，使该射线与法线之间的夹角为，射线与球面相交于，射线与球面相交于B B点，则点，则OBOB的长的长度就比例于该方向的发光强度。度就比例于该方向的发光强度。I I00I I OOAABB31第31页，共40页，编辑于2022年，星期六第五节第五节 光源与光度学基础知识光源与光度学基础知识一、光源一、光源自然光源：自然光源：人工光源人工光源日光，月光，星光日光，月光，星光人工光源：人工光源：（1）白炽灯：钨丝达到白炽状态，内充惰性气体。）白炽灯：钨丝达到白炽状态，内充惰性气体。灯丝：单螺旋、双螺旋灯丝：单螺旋、双螺旋接口：螺口
21、、卡口接口：螺口、卡口32第32页，共40页，编辑于2022年，星期六（2）卤钨灯：灯泡内加入碘、溴等卤素。）卤钨灯：灯泡内加入碘、溴等卤素。钨蒸发钨蒸发与碘、溴等结合与碘、溴等结合在灯丝附近分解在灯丝附近分解钨回到灯丝上钨回到灯丝上（3）气体放电灯：电流通过气体（或者金属蒸汽）而发光。）气体放电灯：电流通过气体（或者金属蒸汽）而发光。日光灯，霓虹灯等。日光灯，霓虹灯等。33第33页，共40页，编辑于2022年，星期六（4）其他光源：）其他光源：发光二极管发光二极管激光器激光器二、光源的发光效率二、光源的发光效率定义：光源消耗定义：光源消耗1W 的电功率，发出的光通量的流明数。的电功率，发出的
22、光通量的流明数。34第34页，共40页，编辑于2022年，星期六一般白炽灯：一般白炽灯：812日光灯：日光灯：4080汞灯：汞灯：50钠光灯：钠光灯：160180氙灯：氙灯：3045照明光源要求发出的光具有良好的颜色照明光源要求发出的光具有良好的颜色1、人眼直接观察光源时所看到的颜色，称为光源的、人眼直接观察光源时所看到的颜色，称为光源的色表色表。2、光源照射到物体上所产生的客观效果，称为光源的、光源照射到物体上所产生的客观效果，称为光源的显显色性色性。三、光源的色表和显色性三、光源的色表和显色性35第35页，共40页，编辑于2022年，星期六光源的光谱能量分布情况是决定该光源色表与光源的光谱
23、能量分布情况是决定该光源色表与显色性的重要因素。如果能量分布连续而均与，显色性的重要因素。如果能量分布连续而均与，则色表和显色性一定好，反之则较差。则色表和显色性一定好，反之则较差。四、光的接收器四、光的接收器设计一个光学系统，其最终的目的是使接收器接设计一个光学系统，其最终的目的是使接收器接受到所需的信号。受到所需的信号。很多现代光学仪器采用光电探测器作为接收器，很多现代光学仪器采用光电探测器作为接收器，将光信号转换为电信号。将光信号转换为电信号。人眼是光学系统最重要的接收器。人眼是光学系统最重要的接收器。36第36页，共40页，编辑于2022年，星期六常用的接收器常用的接收器（一）、感光胶
24、片（一）、感光胶片重要指标：感光速度重要指标：感光速度黑白黑白彩色彩色在传统胶卷相机上在传统胶卷相机上ISO代表感光速度的标准，在数码相机中代表感光速度的标准，在数码相机中ISO定义和胶定义和胶卷相同，代表着卷相同，代表着CCD或者或者CMOS感光元件的感光速度，感光元件的感光速度，ISO数值越高就数值越高就说明该感光材料的感光能力越强。感光度越高，对曝光量的要求就越少。说明该感光材料的感光能力越强。感光度越高，对曝光量的要求就越少。ISO 200的胶卷的感光速度是的胶卷的感光速度是ISO 100的两倍，换句话说在其他条件相的两倍，换句话说在其他条件相同的情况下，同的情况下，ISO 200胶卷
25、所需要的曝光时间是胶卷所需要的曝光时间是ISO 100胶卷的一半。胶卷的一半。37第37页，共40页，编辑于2022年，星期六（二）、硅光电池（二）、硅光电池即常说的太阳能电池。即常说的太阳能电池。（三）、硅光二极管（三）、硅光二极管利用利用PN结单向导电的结型光电器件。当有光结单向导电的结型光电器件。当有光照时，会产生电流。其特点是响应频率非常高，照时，会产生电流。其特点是响应频率非常高，理论上可以达到几个理论上可以达到几个G38第38页，共40页，编辑于2022年，星期六（四）、硅光三极管（四）、硅光三极管结构与晶体三极管相似，但基极不接导线，是结构与晶体三极管相似，但基极不接导线，是一个较大的光接受面。与光电二极管相比具有一个较大的光接受面。与光电二极管相比具有放大作用。响应频率不如二极管，还与负载有放大作用。响应频率不如二极管，还与负载有关关RL=1K 时，时，f=100kHz39第39页，共40页，编辑于2022年，星期六（五）、电荷耦合器件（五）、电荷耦合器件（CCD）在光照下在势阱附近产生载流子并流入势阱。在光照下在势阱附近产生载流子并流入势阱。产生载流子的多少取决于光强。产生载流子的多少取决于光强。黑白的是黑白的是0255级，即级，即256级灰度。级灰度。40第40页，共40页，编辑于2022年，星期六