13應(yīng)用光學(xué)

1、13 光亮度和光照度,報告人：周遠(yuǎn),,,,,,,回顧： 光度學(xué)的基本單位,1.發(fā)光強(qiáng)度,←→輻射強(qiáng)度,單位：坎德拉，cd,,I是光度學(xué)中的最基本量，描述了發(fā)光體在不同方向上的發(fā)光特性 ；坎德拉是光度學(xué)中最基本單位，是7個國際基本計(jì)量單位之一。,1cd =1lm/sr,2.光通量,←→輻射通量,,,,,單位：,,對于包含整個波長范圍的輻射體：,,光譜光視效能,,3. 發(fā)光體的發(fā)光效率K：,“光視效能”,,,單位為,,物理意義是輻射體消耗

2、1W功率所發(fā)出的流明數(shù),回顧： 光度學(xué)的基本單位,回顧： 光度學(xué)的基本單位,5. 光照度E：當(dāng)某一表面被發(fā)光體照明，被照明表面A單位面積接收的光通量。,4. 光出射度M：發(fā)光體表面單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量。,與輻出射度Me對應(yīng).,,單位：勒克斯，,,與輻照度Ee對應(yīng).,,6. 光亮度L前面所講的概念并不能表示發(fā)光面不同方向的發(fā)光特性。用光亮度來表示發(fā)光表面不同位置和不同方向的發(fā)光特性。在該方向上單位投影面積的發(fā)光強(qiáng)度。,回顧： 光

3、度學(xué)的基本單位,L表示發(fā)光面上A點(diǎn)處在AO方向上的發(fā)光特性光亮度等于發(fā)光表面上某點(diǎn)周圍的微面在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該微面在垂直于給定方向的投影面積光亮度L與輻射度學(xué)中的輻亮度相對應(yīng)。光亮度的單位為坎（德拉）/米2（cd/m2）光亮度表示發(fā)光面上單位投影面積在單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量,,例題1,,有一均勻磨砂球形燈，它的直徑為17cm，光通量為2000lm，求該球形燈的光亮度。,,,,燈的發(fā)光強(qiáng)度：,1. 光照度公式,假設(shè)一

4、點(diǎn)光源A照射一個面元dS，距離為l，面元法線與照明方向成 α 角。,,光照度與照明方向上的發(fā)光強(qiáng)度成正比，與距離的平方成反比。,用光照度公式測光源發(fā)光強(qiáng)度,調(diào)節(jié)待測光源的遠(yuǎn)近,直到看到兩個表面的光亮度相等,,2. 余弦輻射體,大多數(shù)均勻發(fā)光的物體，各方向上的光亮度近似一致，稱為余弦輻射體。,,發(fā)光強(qiáng)度余弦定律,,余弦輻射體面元發(fā)出的光通量,,若知道：L, dS, 求半頂角u的圓錐內(nèi)輻射的光通量。,,,,,余弦輻射體面元發(fā)出的光通量,若知

5、道：L, dS, 求半頂角u的圓錐內(nèi)輻射的光通量。,,,,例4. 一個鎢絲充氣燈泡的功率為300W，發(fā)光效率為20lm/W，燈絲尺寸為8×8.5mm2，如圖。雙面發(fā)光，求在燈絲面內(nèi)的平均光亮度。,解：鎢絲充氣燈可認(rèn)為是一個余弦輻射體。雙面發(fā)光,,例題2.,直徑20mm的標(biāo)準(zhǔn)白板（余弦輻射體），在與板面法線成300方向上測得發(fā)光強(qiáng)度為1cd，求：（1）標(biāo)準(zhǔn)白板在與法線成600角的方向上發(fā)光強(qiáng)度；（2）白板的光亮度；（3）白

6、板在半頂角u=150的圓錐內(nèi)輻射出的光通量；（4）白板輻射總光通量。,解：標(biāo)準(zhǔn)白板是余弦輻射體，各方向的光亮度相等。,,,,單面發(fā)光：,,3、全擴(kuò)散表面的光亮度,有些是發(fā)光的，比如太陽、電燈、火焰等有些本身不發(fā)光，靠反射光進(jìn)入人眼。不發(fā)光物體表面的光亮度？,全擴(kuò)散表面：被照明物體表面在各方向的光亮度相同,→具有余弦輻射特性,,余弦輻射單面：,,當(dāng)光照度E一定時，反射系數(shù)越大，光亮度越大。,,的燈垂直照墻，距離為3m，墻漫反射系數(shù)為

7、0.7，求墻面的光照度和光亮度。,例題2,,,墻可看做全擴(kuò)散表面,,4. 光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度,光在光學(xué)系統(tǒng)中傳播時，無非是三類過程：光在介質(zhì)中的傳播、介質(zhì)表面折射、介質(zhì)表面反射。,1. 光在均勻透明介質(zhì)中傳播,,,,1,A,,2,A,,,,,,,求進(jìn)入dS2的光通量：,求從dS2出來的光通量：,,在均勻透明介質(zhì)中，如不考慮光能損失，同一光線上各點(diǎn)在光的傳播方向上光亮度不變。,4. 光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度,2. 光在介質(zhì)界面上的折射

8、,,,分析上面射入的光通量,分析從下面射出的光通量,,4. 光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度,2. 光在介質(zhì)界面上的折射,,,分析上面射入的光通量,分析從下面射出的光通量,,3. 光在介質(zhì)界面上的折射,n1=n2時，即光在同種介質(zhì)傳播時：,4. 光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度,光在均勻介質(zhì)中傳播，界面上的反射都可看做是界面折射的特例，整個光學(xué)系統(tǒng)光亮度的普適關(guān)系式：,,不論光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過多少次折射、反射或均勻介質(zhì)傳播，這個式子恒成立。,如果不考慮光能損失，

9、系統(tǒng)中同一條光線上各點(diǎn)的折合光亮度不變。,理想成像時，軸上像光亮度與物光亮度關(guān)系：,,實(shí)際成像時，考慮光能損失：,,為光學(xué)系統(tǒng)的透過率,,5. 像平面的光照度,1. 軸上像點(diǎn)的光照度,,,,,,,,5. 像平面的光照度,假設(shè)軸外和軸向光束都填滿出瞳，即無漸暈。出瞳相當(dāng)與一發(fā)光面。,2. 軸外像點(diǎn)的光照度,,軸上點(diǎn)：,,系統(tǒng)無漸暈時,,若系統(tǒng)有漸暈：,,例題3,用一投影物鏡將熒光屏上的圖像放大20倍成像在屏幕上，如圖。假定物鏡焦距f’=1

10、50mm，相對孔徑D/f’=1:1，透過率τ=0.8，要求屏幕中心光照度不小于30lx，求熒光屏的光亮度多大？,,,,,第一題：一支功率為5mW的氦氖激光器，發(fā)光效率為152lm/W，發(fā)光面直徑1mm，發(fā)散角（光束半頂角）為0.001弧度，求： （1）激光器發(fā)出的總光通量； （2）發(fā)光強(qiáng)度； （3）激光器發(fā)光面的光亮度； （4）激光束在5m遠(yuǎn)處屏幕上產(chǎn)生的光照度。,家庭作業(yè),第二題：有一廣角照相物鏡，視場角2ω=1000