第六章辐射度学和光度学基础应用光学
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辐射度学与光度学基础
吸收系数通常用α表示，它在数值上等于光波强度因吸收而减弱 到１／ｅ时透过的物质厚度的倒数，它的单位用ｃｍ－１表示。 吸收系数与材料的特性有关，各种物质的吸收系数差别很大， 一般对可见光而言，金属的吸收系数为α≈１０６ｃｍ－１， 玻璃的吸收系数为α≈１０－２ｃｍ－１， 一个大气压下空气的吸收系数为α≈１０－５ｃｍ－１， 这就表示空气的吸收最小，玻璃次之，而金属的吸收较大， 故极薄的金属片就能够吸收掉入射的全部光能，因此金属一般并 不透明，而空气和玻璃则是透明的。 光学玻璃的光吸收系数分为六类，最小为０．００１，最大为 ０．０３，故多数无色透明光学玻璃对白光的平均吸收系数取均 值，即α≈０．０１５ｃｍ－１，而１－α则表示透明系数。
光在透明介质中传播所产生的能量损失不仅与介质的吸收系数有 关，还与光学零件的厚度有关，一般来说光学零件越厚其能量吸
收也就越多，损失也就越大。若系统中所使用材料的吸收系数相
同，且所有元件中心厚度之和为ｄ（单位为ｃｍ），考虑到介质 吸收而造成的能量损失，其透过的光通量为
d (1 )
上述计算与比较表明，在照明系统中加入聚光镜后，可使被照明 平面上的照度得到显著提高（本例照度增强近40倍），因而体现 了照明系统中聚光镜的重要作用。
余弦辐射体
6.7光学系统中光通量与光亮度的传递
1、在介绍光度学基本概念的基础上，研究光学系统中光能的传递
与变化规律。 2、光学系统可以视为光能的传递系统，我们除关心最终像面处
（或接收器处）的光能情况外，还常常关心光学系统中间过程光
能的传递规律。 3、光能在光学系统中的传递与变化规律，可以通过两个量来表征，
即光通量与光亮度。
4、光通量的传递规律比较简单。如果不存在传递过程中的拦光、 吸收、反射等损失，则由能量守恒定律可知，从系统出射的光
应用光学-辐射度学和光度学基础PPT文档共42页
要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
应用光学-辐射度学和光度学基础
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
应用光学-辐射度学和光度学基础
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
应用光学第六章光能及其计算
• 2、光出射度 MV
• 光源单位发光面积发出的光通量，单 位为流明每平方米（ 3、光照度 EV 单位受照面积接受的光通 量，单位名称是勒克斯（lx ）。1lx 1lm/ m2
EV
dV ds
• 4、发光强度 IV 点光源的发光强度等于
点光源在单位立体角内发出的光通量，单
IN ds
常数
• 余弦辐射体向平面孔径角为的立体角范围
内发出的光通量可用下式计算
2 U
Lds
sin i cosidid
0 0
Ldssin 2 U
• If the surface of the lighted object has the same luminance(光亮度) in all
1、辐（射能）通量 e
辐通量 ：在单位时间内通过某一面积的辐 射能量的大小称为辐射通量。单位是w （瓦）。用 e表示。
2、辐[射]出[射]度 M e
辐射源单位发射面积发出的辐通量，通
常以 M e 表示，单位为瓦特每平方米。
Me
d e ds
3、辐[射]照度 Ee
辐射照射面单位受照面积上接受的辐 通量，以Ee 表示。假定受照面的微面积ds 上接受的辐通量d为e ，则辐照度为
• 5、辐[射]亮度 Le
有限尺寸辐射源
•
元面积为ds的辐射面，在和表面法线 N
成 角方向，在元立体角 d内发出的辐通
量为 de，则辐亮度为
Le
d e
cosdsd
• 单位是瓦特每球面度平方米 。
二、光度学
• 1、光通量V
• 辐射能中能引起人眼视觉的那一部分 辐射通量，单位为流明（lm）。
• 光源单位发光面积发出的光通量，单 位为流明每平方米（ 3、光照度 EV 单位受照面积接受的光通 量，单位名称是勒克斯（lx ）。1lx 1lm/ m2
EV
dV ds
• 4、发光强度 IV 点光源的发光强度等于
点光源在单位立体角内发出的光通量，单
IN ds
常数
• 余弦辐射体向平面孔径角为的立体角范围
内发出的光通量可用下式计算
2 U
Lds
sin i cosidid
0 0
Ldssin 2 U
• If the surface of the lighted object has the same luminance(光亮度) in all
1、辐（射能）通量 e
辐通量 ：在单位时间内通过某一面积的辐 射能量的大小称为辐射通量。单位是w （瓦）。用 e表示。
2、辐[射]出[射]度 M e
辐射源单位发射面积发出的辐通量，通
常以 M e 表示，单位为瓦特每平方米。
Me
d e ds
3、辐[射]照度 Ee
辐射照射面单位受照面积上接受的辐 通量，以Ee 表示。假定受照面的微面积ds 上接受的辐通量d为e ，则辐照度为
• 5、辐[射]亮度 Le
有限尺寸辐射源
•
元面积为ds的辐射面，在和表面法线 N
成 角方向，在元立体角 d内发出的辐通
量为 de，则辐亮度为
Le
d e
cosdsd
• 单位是瓦特每球面度平方米 。
二、光度学
• 1、光通量V
• 辐射能中能引起人眼视觉的那一部分 辐射通量，单位为流明（lm）。
第六章辐射度学和光度学基础应用光学
应用光学讲稿 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.
L
I dsn
2000 I 159.15cd 4 0.17 2 2 dsn R灯 ( ) 2.27 102 m 2 2 159.15 3 2 L 7 10 cd / m 2.27 102
一、立体角的意义和单位
平面上的角：
B 0 r A
弧度
AB AOB 弧度 r
应用光学讲稿 空间上的角：立体角 s
o
Ω
一个任意形状的封闭锥面所包含的空间成为立体角 Ω＝
s r2
若在以r为半径的球面上截得的面积s= r2，则此立体角为1球面度。
s 整个空间球面面积为4π r2,对应立体角为Ω ＝ 2 r
ds
ds
d
l
2
l2
ds. cos d I . l2
E
d I . cos ds l2
应用光学讲稿 注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离 相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明， 就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度时可以应用。 问题：同样一间屋子，用60W钨丝灯比用40W钨丝灯照明显 得亮？ 发光效率K相同， K e
d e Ie d
N
α dΩ
dФe
0
• 单位是瓦/球面度,
W/sr
A
ds
应用光学讲稿
• 三. 辐出射度，辐照度 • 在A点处取微小面积ds，
• 假定在ds辐射出的辐射通量为dФ e，
A
dФe
ds
• 则辐出射度为
辐射度学和光度学基础课件
能源利用效率。
02
医学影像技术
在医学影像技术中，辐射度学的知识可以帮助我们理解影像的形成机制
和优化影像质量；同时，光度学的知识可以帮助我们设计更好的医用光
源和照明系统。
03
视觉科学
光度学的知识在视觉科学中有着广泛的应用，例如人眼的光觉响应、颜
色视觉等；而辐射度学的知识可以帮助我们理解视觉感知的物理基础。
辐射度和光度在照明设计 中的应用
照明设计的基本原则
功能性原则
照明设计应满足人们的 基本照明需求，提供足 够的亮度以适应不同的
活动和环境。
舒适性原则
照明设计应考虑人的视 觉舒适感，避免过强或 过弱的光线造成视觉疲
劳或不适。
经济性原则
照明设计应考虑成本和 能耗，合理选择高效、 节能的照明设备和控制
系统。
研究的范围不同
辐射度学的研究范围涵盖了整个电磁波段，而光度学主要关注可见 光波段。
应用的领域不同
辐射度学在能源、环境、气象等领域有广泛应用，而光度学在照明 、显示、摄影等领域有广泛应用。
辐射度学与光度学的应用领域
01
能源与环境监测
辐射度学的方法可以用于测量和监测环境中的电磁辐射能量，例如太阳
辐射、地球辐射等；光度学的知识可以用于设计合理的照明系统，提高
辐射度学主要研究电磁辐射的能量分布和传输，而光度学则关注光 辐射的度量、测量和应用。
两者有共同的基础概念
例如，辐射通量、辐射照度、辐射亮度等概念在两者中都有涉及。
两者在某些领域有交叉
例如，在照明工程和光环境设计中，光度学的知识和方法常常与辐 射度学的知识相结合。
辐射度学与光度学的区别
研究重点不同
辐射度学更注重电磁辐射的物理特性和传输规律，而光度学更注 重光辐射的视觉感知和应用。
辐射度学与光度学的基础知识课件
总结词
辐射度学的应用领域广泛，包括天文、气象、环保、 能源等领域。
详细描述
辐射度学的应用领域非常广泛。在天文领域，通过对天 体的辐射特性进行研究，可以深入了解天体的组成和演 化过程；在气象领域，通过对地球表面和大气的辐射特 性进行测量和计算，可以预测天气和气候变化；在环保 领域，可以利用辐射度学的方法监测环境污染和评估环 境质量；在能源领域，可以通过研究物质的辐射特性， 实现能源的高效利用和节能减排。此外，辐射度学还在 医学、农业等领域有着广泛的应用。
详细描述
光度量是用来描述光的特性的物理量。其中，光通量表示光的总量，发光强度表示光源在一定方向上 发射光的强度，照度表示光照在物体表面的强度，光色则涉及到人对光的视觉感知。
光度学的应用领域
总结词
光度学的应用领域广泛，包括照明设计、显 示技术、摄影和医学影像等。
详细描述
光度学在各个领域都有重要的应用价值。在 照明设计领域，光度学为提高照明质量和能 效提供了理论支持；在显示技术领域，光度 学帮助优化屏幕亮度和色彩表现；在摄影和 医学影像领域，光度学则有助于获取高质量 的图片和影像。
03
辐射度学与光度学的关系
辐射度学与光度学的联系来自1 2两者都是研究光和辐射的学科
辐射度学主要研究光和电磁辐射的能量和功率， 而光度学则关注光的质量和视觉感知。
共同的理论基础
两者都基于物理光学和电磁理论，研究光和辐射 的传播、吸收、散射和发射等特性。
3
交叉应用领域
在某些领域，如照明工程、光环境评估等，辐射 度学和光度学有交叉应用，相互补充。
04
辐射度学与光度学的应用 实例
辐射度学的应用实例
太阳辐射测量
辐射度学可以用于测量太阳辐射，包括紫外、可见和红外 波段的辐射能量，对于太阳能利用和气象观测具有重要意 义。
辐射度学的应用领域广泛，包括天文、气象、环保、 能源等领域。
详细描述
辐射度学的应用领域非常广泛。在天文领域，通过对天 体的辐射特性进行研究，可以深入了解天体的组成和演 化过程；在气象领域，通过对地球表面和大气的辐射特 性进行测量和计算，可以预测天气和气候变化；在环保 领域，可以利用辐射度学的方法监测环境污染和评估环 境质量；在能源领域，可以通过研究物质的辐射特性， 实现能源的高效利用和节能减排。此外，辐射度学还在 医学、农业等领域有着广泛的应用。
详细描述
光度量是用来描述光的特性的物理量。其中，光通量表示光的总量，发光强度表示光源在一定方向上 发射光的强度，照度表示光照在物体表面的强度，光色则涉及到人对光的视觉感知。
光度学的应用领域
总结词
光度学的应用领域广泛，包括照明设计、显 示技术、摄影和医学影像等。
详细描述
光度学在各个领域都有重要的应用价值。在 照明设计领域，光度学为提高照明质量和能 效提供了理论支持；在显示技术领域，光度 学帮助优化屏幕亮度和色彩表现；在摄影和 医学影像领域，光度学则有助于获取高质量 的图片和影像。
03
辐射度学与光度学的关系
辐射度学与光度学的联系来自1 2两者都是研究光和辐射的学科
辐射度学主要研究光和电磁辐射的能量和功率， 而光度学则关注光的质量和视觉感知。
共同的理论基础
两者都基于物理光学和电磁理论，研究光和辐射 的传播、吸收、散射和发射等特性。
3
交叉应用领域
在某些领域，如照明工程、光环境评估等，辐射 度学和光度学有交叉应用，相互补充。
04
辐射度学与光度学的应用 实例
辐射度学的应用实例
太阳辐射测量
辐射度学可以用于测量太阳辐射，包括紫外、可见和红外 波段的辐射能量，对于太阳能利用和气象观测具有重要意 义。
辐射度与光度学基础知识课件
详细描述
辐射度学主要研究电磁波的发射、传播、吸收、散射和转换等过程，以及这些 过程中电磁波的能量分布和传输规律。它涉及到电磁波与物质相互作用的基本 规律，是光学、光谱学、热力学等多个学科的基础。
辐射度学单位
总结词
辐射度学中常用的单位包括瓦特、焦耳、坎德拉等，用于描述电磁辐射的能量、功率和亮度等物理量 。
照明工程中的辐射度和光度学的综合应用
在照明工程中，辐射度和光度学是相 辅相成的两个领域，综合应用可以更 好地满足实际需求。
综合应用还体现在照明设计过程中， 需要综合考虑光源的辐射特性和光照 效果，以及人类视觉感知的需求，以 实现最佳的照明效果。
通过结合辐射度和光度学的原理，可 以更精确地控制光源的辐射特性和光 照效果，提高照明质量和效率。
照明工程中的辐射度学应用
辐射度学是研究光辐射在空间分布、传输和度量的科学，在照明工程中有着广泛的 应用。
利用辐射度学原理，可以精确测量和控制光源的辐射特性，如光谱分布、光强空间 分布、辐射温度等，从而优化照明系统的性能。
辐射度学还用于研究光环境对人类视觉感知的影响，为照明设计提供科学依据，提 高照明质量和舒适度。
详细描述
辐射度学涉及一系列物理量，这些物理量用于描述电 磁波的各种特性。其中包括辐射能量（描述电磁波携 带的能量大小），辐射通量（描述单位时间内通过某 一面积的能量大小），辐射强度（描述光源在某一方 向上发射的光的强度），辐射亮度（描述物体表面反 射或发射光的亮度）。这些物理量在研究电磁波的发 射、传播、吸收、散射和转换等过程中具有重要意义 。
详细描述
流明是光通量的单位，表示单位时间内发出的光的总量。坎德拉是发光强度的单位，表示单位方向上单位立体角 内发出的光的强度。勒克斯是光照强度的单位，表示单位面积上单位立体角内发出的光的强度。这些单位在光度 学中具有重要地位，用于描述光辐射的度量和性质。
辐射度学主要研究电磁波的发射、传播、吸收、散射和转换等过程，以及这些 过程中电磁波的能量分布和传输规律。它涉及到电磁波与物质相互作用的基本 规律，是光学、光谱学、热力学等多个学科的基础。
辐射度学单位
总结词
辐射度学中常用的单位包括瓦特、焦耳、坎德拉等，用于描述电磁辐射的能量、功率和亮度等物理量 。
照明工程中的辐射度和光度学的综合应用
在照明工程中，辐射度和光度学是相 辅相成的两个领域，综合应用可以更 好地满足实际需求。
综合应用还体现在照明设计过程中， 需要综合考虑光源的辐射特性和光照 效果，以及人类视觉感知的需求，以 实现最佳的照明效果。
通过结合辐射度和光度学的原理，可 以更精确地控制光源的辐射特性和光 照效果，提高照明质量和效率。
照明工程中的辐射度学应用
辐射度学是研究光辐射在空间分布、传输和度量的科学，在照明工程中有着广泛的 应用。
利用辐射度学原理，可以精确测量和控制光源的辐射特性，如光谱分布、光强空间 分布、辐射温度等，从而优化照明系统的性能。
辐射度学还用于研究光环境对人类视觉感知的影响，为照明设计提供科学依据，提 高照明质量和舒适度。
详细描述
辐射度学涉及一系列物理量，这些物理量用于描述电 磁波的各种特性。其中包括辐射能量（描述电磁波携 带的能量大小），辐射通量（描述单位时间内通过某 一面积的能量大小），辐射强度（描述光源在某一方 向上发射的光的强度），辐射亮度（描述物体表面反 射或发射光的亮度）。这些物理量在研究电磁波的发 射、传播、吸收、散射和转换等过程中具有重要意义 。
详细描述
流明是光通量的单位，表示单位时间内发出的光的总量。坎德拉是发光强度的单位，表示单位方向上单位立体角 内发出的光的强度。勒克斯是光照强度的单位，表示单位面积上单位立体角内发出的光的强度。这些单位在光度 学中具有重要地位，用于描述光辐射的度量和性质。
红外物理(第二版)课件：辐射度学和光度学基础
其中,V 为体积,单位是 m3。
辐射度学和光度学基础 2.2.3 辐射功率
辐射功率就是发射、传输或接收辐射能的时间速率,用 P 表示,单位是 W,其定义 式为
其中,t为时间,单位为s。
辐射度学和光度学基础
辐射功率主要描述辐射能的时间特性,如许多辐射源的 发射特性,以及辐射探测器的 响应值不取决于辐射能的时间 积累,而取决于辐射功率的大小。
辐射度学和光度学基础 因此,在θ方向观测到的辐射源表面上位置x 处的辐亮度,
就是 Δ2P与 ΔAθ及 ΔΩ 之比的极限值,即
辐亮度的单位是 W/(m2·sr)。
辐射度学和光度学基础
图2-5 辐亮度的定义
辐射度学和光度学基础
由(2-7)式可知,源面上的小面源dA在θ方向的小立体角元 dΩ 内发射的辐射功率为d2P=LcosθdΩdA,所以,dA 向半球空 间发射的辐射功率可以通过对立体角积分得到,即
辐射度学和光度学基础
辐射度学主要是建立在几何光学的基础上,作两个假设: 第一,辐射按直线传播,因 此,辐射的波动性不会使辐射能的空 间分布偏离一条几何光线所规定的光路;第二,辐射 能是不相 干的,所以辐射度学不考虑干涉效应。
与其他物理量的测量相比较,辐射能的测量误差是很大 的,百分之一的误差就认为是 很精确的了。这也只能是在操 作非常小心,所采用的元件、技术、测试标准与上述误差十 分匹配的条件下才能达到的。
辐射度学和光度学基础 对于上述所测量的小面源 ΔA,有
由上式可得
辐射度学和光度学基础 如果小面源的辐亮度L 不随位置变化(由于小面源 ΔA
面积较小,通常可以不考虑L 随 ΔA 上位置的变化),则
即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐 亮度乘以小面源在该方向上的 投影面积(或表观面积)。
辐射度学和光度学基础 2.2.3 辐射功率
辐射功率就是发射、传输或接收辐射能的时间速率,用 P 表示,单位是 W,其定义 式为
其中,t为时间,单位为s。
辐射度学和光度学基础
辐射功率主要描述辐射能的时间特性,如许多辐射源的 发射特性,以及辐射探测器的 响应值不取决于辐射能的时间 积累,而取决于辐射功率的大小。
辐射度学和光度学基础 因此,在θ方向观测到的辐射源表面上位置x 处的辐亮度,
就是 Δ2P与 ΔAθ及 ΔΩ 之比的极限值,即
辐亮度的单位是 W/(m2·sr)。
辐射度学和光度学基础
图2-5 辐亮度的定义
辐射度学和光度学基础
由(2-7)式可知,源面上的小面源dA在θ方向的小立体角元 dΩ 内发射的辐射功率为d2P=LcosθdΩdA,所以,dA 向半球空 间发射的辐射功率可以通过对立体角积分得到,即
辐射度学和光度学基础
辐射度学主要是建立在几何光学的基础上,作两个假设: 第一,辐射按直线传播,因 此,辐射的波动性不会使辐射能的空 间分布偏离一条几何光线所规定的光路;第二,辐射 能是不相 干的,所以辐射度学不考虑干涉效应。
与其他物理量的测量相比较,辐射能的测量误差是很大 的,百分之一的误差就认为是 很精确的了。这也只能是在操 作非常小心,所采用的元件、技术、测试标准与上述误差十 分匹配的条件下才能达到的。
辐射度学和光度学基础 对于上述所测量的小面源 ΔA,有
由上式可得
辐射度学和光度学基础 如果小面源的辐亮度L 不随位置变化(由于小面源 ΔA
面积较小,通常可以不考虑L 随 ΔA 上位置的变化),则
即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐 亮度乘以小面源在该方向上的 投影面积(或表观面积)。
应用光学辐射度学和光度学基础
4r2 4
r2
即整个空间等于4 π球面度。
8
立体角是平面角向三维空间的推广。 在二维空间，2π角度覆盖整个单位 圆。
在三维空间， 4π的球面度立体角 覆盖整个单位球面。
9
第二节 辐射度学中的基本量
（1）辐射能 Qe ➢ 光辐射是一种能量的传播形式。 ➢度量辐射能的单位：焦耳（J）
10
（2）辐射通量 Φe ➢ 单位时间内发射、传输或接收的辐射能。
36
（二）、硅光电池
即常说的太阳能电池。 （三）、硅光二极管
利用P－N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，理论上可以达到几个G
37
（四）、硅光三极管
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 比具有放大作用。响应频率不如二极管， 还与负载有关 RL=1KΩ 时，f=100kHz
2、光源照射到物体上所产生的客观效果，称为光 源的显色性。
34
光源的光谱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，则色表和显色性一定好，反之 则较差。 四、光的接收器
设计一个光学系统，其最终的目的是使接收 器接受到所需的信号。
人眼是光学系统最重要的接收器。
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。
但是波长在380nm，780nm以外区域的辐 射能，不管有多大功率的辐射通量进入人眼， 将是感觉不到的。
20
第四节 光度学中的基本量
（1）光通量( Φ )
标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。 光通量的单位：流明（lm）
光源发出555nm波长的光，如果功率为1W ， 则其光通量为683lm
r2
即整个空间等于4 π球面度。
8
立体角是平面角向三维空间的推广。 在二维空间，2π角度覆盖整个单位 圆。
在三维空间， 4π的球面度立体角 覆盖整个单位球面。
9
第二节 辐射度学中的基本量
（1）辐射能 Qe ➢ 光辐射是一种能量的传播形式。 ➢度量辐射能的单位：焦耳（J）
10
（2）辐射通量 Φe ➢ 单位时间内发射、传输或接收的辐射能。
36
（二）、硅光电池
即常说的太阳能电池。 （三）、硅光二极管
利用P－N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，理论上可以达到几个G
37
（四）、硅光三极管
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 比具有放大作用。响应频率不如二极管， 还与负载有关 RL=1KΩ 时，f=100kHz
2、光源照射到物体上所产生的客观效果，称为光 源的显色性。
34
光源的光谱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，则色表和显色性一定好，反之 则较差。 四、光的接收器
设计一个光学系统，其最终的目的是使接收 器接受到所需的信号。
人眼是光学系统最重要的接收器。
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。
但是波长在380nm，780nm以外区域的辐 射能，不管有多大功率的辐射通量进入人眼， 将是感觉不到的。
20
第四节 光度学中的基本量
（1）光通量( Φ )
标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。 光通量的单位：流明（lm）
光源发出555nm波长的光，如果功率为1W ， 则其光通量为683lm
辐射度学与光度学的基础知识
辐射度学与光度学的基础 知识
• 辐射度学基础 • 光度学基础 • 辐射度学与光度学的关系 • 实际应用中的辐射度和光度问题 • 总结与展望
01
辐射度学基础
辐射度学的定义与概念
总结词
辐射度学是研究电磁辐射的发射、传 播、吸收、散射和转换等过程的科学。
详细描述
辐射度学主要关注电磁辐射的能量、 功率、辐射通量、辐射强度等物理量 的测量和计算，以及这些物理量在不 同介质和环境中的变化规律。
02
光度学基础
光度学的定义与概念
总结词
光度学是研究光辐射的度量、测量和应用的学科，它涉及到光辐射的定量描述和测量。
详细描述
光度学主要研究光辐射的属性、度量单位、测量方法和应用。它关注的是光辐射的能量、 功率和辐射通量等物理量的度量，以及这些物理量在不同媒介中的传播、散射和吸收等
行为。
光度量
1. 光通量
光度定律
总结词
光度定律是描述光辐射在不同媒介中传播时遵循的规律， 包括斯涅尔定律、反射定律和折射定律等。
1. 斯涅尔定律
也称为反射定律，它描述了光线在两种不同媒介的交界面 上的反射和折射行为，即入射角等于反射角，折射角与入 射角成正比。
2. 折射定律
当光线从一种媒介进入另一种媒介时，其传播方向会发生 变化，这个变化与两种媒介的折射率有关。折射定律描述 了折射光线与入射光线之间的关系。
光源的辐射度和光度性能
光谱分布
不同光源的光谱分布不同，这决定了它们在颜色 表现、显色指数等方面的性能。
光效
光效是衡量光源效率的指标，光效高的光源在相 同亮度下消耗的电能更少。
寿命与稳定性
光源的寿命和稳定性也是重要的性能指标，它们 决定了光源的使用和维护成本。
• 辐射度学基础 • 光度学基础 • 辐射度学与光度学的关系 • 实际应用中的辐射度和光度问题 • 总结与展望
01
辐射度学基础
辐射度学的定义与概念
总结词
辐射度学是研究电磁辐射的发射、传 播、吸收、散射和转换等过程的科学。
详细描述
辐射度学主要关注电磁辐射的能量、 功率、辐射通量、辐射强度等物理量 的测量和计算，以及这些物理量在不 同介质和环境中的变化规律。
02
光度学基础
光度学的定义与概念
总结词
光度学是研究光辐射的度量、测量和应用的学科，它涉及到光辐射的定量描述和测量。
详细描述
光度学主要研究光辐射的属性、度量单位、测量方法和应用。它关注的是光辐射的能量、 功率和辐射通量等物理量的度量，以及这些物理量在不同媒介中的传播、散射和吸收等
行为。
光度量
1. 光通量
光度定律
总结词
光度定律是描述光辐射在不同媒介中传播时遵循的规律， 包括斯涅尔定律、反射定律和折射定律等。
1. 斯涅尔定律
也称为反射定律，它描述了光线在两种不同媒介的交界面 上的反射和折射行为，即入射角等于反射角，折射角与入 射角成正比。
2. 折射定律
当光线从一种媒介进入另一种媒介时，其传播方向会发生 变化，这个变化与两种媒介的折射率有关。折射定律描述 了折射光线与入射光线之间的关系。
光源的辐射度和光度性能
光谱分布
不同光源的光谱分布不同，这决定了它们在颜色 表现、显色指数等方面的性能。
光效
光效是衡量光源效率的指标，光效高的光源在相 同亮度下消耗的电能更少。
寿命与稳定性
光源的寿命和稳定性也是重要的性能指标，它们 决定了光源的使用和维护成本。
第六章辐射度学与光度学基础
第六章辐射度学与光度学基础辐射度学与光度学基础应用光学讲稿概述▲ 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、计算的学科应用光学讲稿§6-1 立体角的意义和它在光度学中的应用一、立体角的意义和单位平面上的角：OA B1弧度AB AOB r应用光学讲稿空间上的角：立体角soΩ一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角Ω=s r2r2,对应立体角为Ω=若在以r为半径的球面上截得的面积s= r2,则此立体角为1球面度。
整个空间球面面积为4πs =4 π 2 r应用光学讲稿二、立体角的计算假定一个圆锥面的半顶角为,求该圆锥所包含的立体角大小。
以r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个d 对应的环带，环带宽度为rd ,环带半径为r sin ,所以环带长度为2 r sin ,环带总面积为ds rd 2 r sin 2 r 2 sin d d 它对应的立体角为ds 2 sin d 2 d cos 2 r 将上式积分得2 d cos 2 (1 cos )0或者4 sin22较小时，2应用光学讲稿§6-2 辐射度学中的基本量及其计量单位一、辐射通量e 单位时间内辐射体辐射的总能量-----辐射功率单位：瓦特(W)反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分Φeλ :光谱密集度曲线d e lim 0 d e e d 0应用光学讲稿二、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：Ied e Ie d单位：瓦每球面度(W/sr) 表示辐射体在不同方向上的辐射特性应用光学讲稿三、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：Med e Me dsd eAds单位：瓦每平方米(W/m2) 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应用光学讲稿四、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：d e Ee ds 单位：瓦每平方米(W/m2)Eed eA ds应用光学讲稿五、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：LeIe Le dsn dsn ds cos单位：瓦每球面度每平方米(W/sr.m2) 描述了辐射体不同位置、不同方向上的辐射特性应用光学讲稿§6-3 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V ,称为视见函数，又称光谱光视效率。
第6章 辐射度与光度基础B 2014
• 热辐射，亦称温度辐射，任何物体（固体、液体、 致密气体）在任何温度均可进行这种辐射，并且 其光谱是连续光谱，能量对不同波长的分布随波 长连续改变。 • 但对不同温度的系统，能量对波长的分布也不同。 • 例如，温度低的铁块主要辐射不可见的红外线； 温度到500℃左右，铁块才开始辐射暗红色的可 见光；随着温度的提高，不但光的强度逐渐增大， 颜色也由暗红转为橙红；温度越高，波长较短的 辐射越丰富，大约到1500℃开始显示为白光，还 有相当多的紫外线。
习题2.在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头， 已知探头的光敏面积为0.5 cm2，若照度计测得的最大照 度为100(lx)，试求 1、所发出的光通量为多少？ 2、标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少？
黑体辐射
27
• 如果物体发射出去的能量恰好等于在同一 时间内所吸收的能量，则辐射过程达到平 衡，称为平衡辐射，此时物体具有确定的 温度。否则为非平输出功率为3mW，试 计算其发出的光通量为多少lm？假设 V(λ=632.8nm)=0.24
Φv,λ=Kλ*Φe,λ=KmV(λ)Φe,λ =683×0.24×3×10-3 =0.492(lm)
1、光通量Φ ：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度 值。 例：若在波长λ到λ＋dλ间隔之内的光源辐射通量为 Φe，λ d λ 。则光通量为
光度量
1.2.2 光度量与辐射度量的关系
X e ( λ ) 可通过人眼视觉特性进行 (光谱)光度量 X v ( λ ) 和(光谱)辐射度量 转换，即: X vλ = K (λ ) X eλ 光谱光度量和光谱辐射度量: X vλ = K mV (λ ) X eλ
光度量和辐射度量:
Xv =
Xv
∫ X λ dλ = K ∫ V ( λ ) X λ dλ
辐射度学与光度学的基础知识课件
共同的理论基础
两者都基于物理光学和电磁波理论，研究光与物质的相互作用以及 光的传播、散射、吸收等特性。
交叉应用
在某些领域，如照明工程、光环境评估等，辐射度学与光度学的知 识是相互补充的。
辐射度学与光度学的区别
研究重点不同
辐射度学更注重光辐射的物理特 性和能量测量，而光度学则关注 光对人眼的视觉效应和光照度的
度量。
测量对象不同
辐射度学测量的是光辐射的能量和 功率，而光度学则测量光照度和亮 度等视觉感知相关的参数。
应用领域有差异
辐射度学在能源、环境监测等领域 有广泛应用，而光度学在照明设计、 视觉科学等领域更为常见。
辐射度学与光度学的应用领域
能源与环境监测
照明工程
辐射度学用于测量太阳辐射、红外辐射等 能源相关领域的光辐射参数，以评估能源 利用效率和环境影响。
仪器性能测试
利用光度学参数对光学仪 器进行性能测试和校准。
视觉科学
研究人眼对光的响应和视 觉感知，提高视觉舒适度 和视觉效率。
在辐射测量和检测技术中的应用
辐射度测量
测量光辐射的能量和功率，用于 太阳能利用、激光技术等领域。
辐射安全与防护
评估辐射对人体的影响，制定辐 射安全与防护措施。
检测技术
利用光度学原理发展各种检测技 术，如光谱分析、荧光分析等。
05 辐射度学与光度学的未来 发展
新的物理量和单位的发展
新的物理量
随着科技的发展，辐射度学与光度学 中可能会引入新的物理量，如光子能 量、光子流密度等，以更好地描述光 辐射和光传输过程中的特性。
新的单位
为了适应新的物理量，可能需要发展 新的单位，如光子能量单位“电子伏 特”等，以提供更准确、更一致的度 量标准。
两者都基于物理光学和电磁波理论，研究光与物质的相互作用以及 光的传播、散射、吸收等特性。
交叉应用
在某些领域，如照明工程、光环境评估等，辐射度学与光度学的知 识是相互补充的。
辐射度学与光度学的区别
研究重点不同
辐射度学更注重光辐射的物理特 性和能量测量，而光度学则关注 光对人眼的视觉效应和光照度的
度量。
测量对象不同
辐射度学测量的是光辐射的能量和 功率，而光度学则测量光照度和亮 度等视觉感知相关的参数。
应用领域有差异
辐射度学在能源、环境监测等领域 有广泛应用，而光度学在照明设计、 视觉科学等领域更为常见。
辐射度学与光度学的应用领域
能源与环境监测
照明工程
辐射度学用于测量太阳辐射、红外辐射等 能源相关领域的光辐射参数，以评估能源 利用效率和环境影响。
仪器性能测试
利用光度学参数对光学仪 器进行性能测试和校准。
视觉科学
研究人眼对光的响应和视 觉感知，提高视觉舒适度 和视觉效率。
在辐射测量和检测技术中的应用
辐射度测量
测量光辐射的能量和功率，用于 太阳能利用、激光技术等领域。
辐射安全与防护
评估辐射对人体的影响，制定辐 射安全与防护措施。
检测技术
利用光度学原理发展各种检测技 术，如光谱分析、荧光分析等。
05 辐射度学与光度学的未来 发展
新的物理量和单位的发展
新的物理量
随着科技的发展，辐射度学与光度学 中可能会引入新的物理量，如光子能 量、光子流密度等，以更好地描述光 辐射和光传输过程中的特性。
新的单位
为了适应新的物理量，可能需要发展 新的单位，如光子能量单位“电子伏 特”等，以提供更准确、更一致的度 量标准。
第六章辐射度学与光度学基础
• 发光体都是在它周围一定空间内辐射能 量的，是立体空间问题
• 定义：一个任意形状的封闭锥面所包含的空
间 • 计算公式：d Ω =ds/r2
dΩ
• 单位：
以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，如果锥面在圆 球上所截出的面积等于r2,则该立体角为一个“球面 度”（sr）。
例：整球面的面积4πr2,则这个空间为4 π球面度
• dS1输入到dS2内的光通量为dΦ1
d1
L1
cos1dS1d1
L1
cos1dS1
dS2
cos2
l2
• 从dS2射出的dΦ2
d2
L2
cos2dS2d2
L2
cos2dS2
dS1
cos1
l2
• 若不考虑光能损失
d1 d2
L1 L2
结论：光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播中的 任一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的亮度
A ds′
计算举例：
如下照明器，在15m远的地方照明直径为2.5m的圆 面积，要求达到平均照度为50lx，聚光镜的焦距 为150mm，通光直径也等于150mm，试求灯泡 的发光强度和灯泡通过聚光镜成像后在照明范围 内的平均发光强度，以及灯泡的功率和位置。
解： 均匀照明下：
ES 50 (1.25)2 246lm
L
辐射量和光学量的对应关系
3.辐射度学中的基本量
• 辐射通量（单位：W） 功率
定义：单位时间内该辐射体所辐射的总能量
Φeλ
光谱密集度：
e
d
d
e 0 ed
Δλ
λ
• 辐射强度（单位：W/sr）
• 定义：一个任意形状的封闭锥面所包含的空
间 • 计算公式：d Ω =ds/r2
dΩ
• 单位：
以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，如果锥面在圆 球上所截出的面积等于r2,则该立体角为一个“球面 度”（sr）。
例：整球面的面积4πr2,则这个空间为4 π球面度
• dS1输入到dS2内的光通量为dΦ1
d1
L1
cos1dS1d1
L1
cos1dS1
dS2
cos2
l2
• 从dS2射出的dΦ2
d2
L2
cos2dS2d2
L2
cos2dS2
dS1
cos1
l2
• 若不考虑光能损失
d1 d2
L1 L2
结论：光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播中的 任一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的亮度
A ds′
计算举例：
如下照明器，在15m远的地方照明直径为2.5m的圆 面积，要求达到平均照度为50lx，聚光镜的焦距 为150mm，通光直径也等于150mm，试求灯泡 的发光强度和灯泡通过聚光镜成像后在照明范围 内的平均发光强度，以及灯泡的功率和位置。
解： 均匀照明下：
ES 50 (1.25)2 246lm
L
辐射量和光学量的对应关系
3.辐射度学中的基本量
• 辐射通量（单位：W） 功率
定义：单位时间内该辐射体所辐射的总能量
Φeλ
光谱密集度：
e
d
d
e 0 ed
Δλ
λ
• 辐射强度（单位：W/sr）
北京理工应用光学习题【精选】
第一章 : 几何光学基本原理 ( 理论学时： 4 学时 )•讨论题：几何光学和物理光学有什么区别？它们研究什么内容？•思考题：汽车驾驶室两侧和马路转弯处安装的反光镜为什么要做成凸面，而不做成平面？•一束光由玻璃（ n=1.5 ）进入水（ n=1.33 ），若以45 ° 角入射，试求折射角。
•证明光线通过二表面平行的玻璃板时，出射光线与入射光线永远平行。
•为了从坦克内部观察外界目标，需要在坦克壁上开一个孔。
假定坦克壁厚为 200mm ，孔宽为 120mm ，在孔内部安装一块折射率为 n=1.5163 的玻璃，厚度与装甲厚度相同，问在允许观察者眼睛左右移动的条件下，能看到外界多大的角度范围？•一个等边三角棱镜，若入射光线和出射光线对棱镜对称，出射光线对入射光线的偏转角为40 °，求该棱镜材料的折射率。
•构成透镜的两表面的球心相互重合的透镜称为同心透镜，同心透镜对光束起发散作用还是会聚作用？•共轴理想光学系统具有哪些成像性质？第二章 : 共轴球面系统的物像关系 ( 理论学时： 10 学时，实验学时： 2 学时 )•讨论题：对于一个共轴理想光学系统，如果物平面倾斜于光轴，问其像的几何形状是否与物相似？为什么？•思考题：符合规则有什么用处？为什么应用光学要定义符合规则？•有一放映机，使用一个凹面反光镜进行聚光照明，光源经过反光镜以后成像在投影物平面上。
光源高为10mm ，投影物高为 40mm ，要求光源像高等于物高，反光镜离投影物平面距离为 600mm ，求该反光镜的曲率半径等于多少？•试用作图法求位于凹的反光镜前的物体所成的像。
物体分别位于球心之外，球心和焦点之间，焦点和球面顶点之间三个不同的位置。
•试用作图法对位于空气中的正透镜（）分别对下列物距：求像平面位置。
•试用作图法对位于空气中的负透镜（）分别对下列物距：求像平面位置。
•已知照相物镜的焦距毫米，被摄景物位于距离米处，试求照相底片应放在离物镜的像方焦面多远的地方？•设一物体对正透镜成像，其垂轴放大率等于－ 1 ，试求物平面与像平面的位置，并用作图法验证。
辐射度学与光度学课件
光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。
光谱辐射通量Ф（λ） 辐射源发出的光在波长λ处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。 其关系式为：
单位：W／μm(瓦每微米)， 或W／nm(瓦每纳米)。
辐射源的总辐射通量：
前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：
光谱辐照度： 光谱辐射出射度： 光谱辐射亮度：
人眼的光谱光视效率的数值
波长（nm）
波长（nm）
明视觉
明视觉
暗视觉
暗视觉
暗视觉光谱光视效率 虚线：亮度小于0.001cd/㎡时的暗视觉光谱光视效率，用Vˊ(λ)表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的； 最大值：507nm
明视觉光谱光视效率 实线：亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V(λ)表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的，最大值在555nm处。
光度量中的单位
1.最基本的是发光强度单位：坎德拉(Candela)． cd； 国际单位制中七个基本单位之一。 定义：频率为540×1012Hz(对应在空气中555nm波长) 的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1／683W/sr时，在该方向上的发光强度为1cd。 2.光通量的单位是流明(lm) 1lm它是发光强度为1cd的点光源在单位立体角内1sr发出的光通量。 3.光照度的单位：勒克斯(lx) 1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1㎡面积上所产生的光照度。
光亮度
LV
lm/(m2.sr)
辐射度量和光度量的对照表
由于人眼对相同能量、不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的， 因而按人眼的视觉特性V(λ)来评价的辐射通量Φ即为光通量ΦV，这两者的关系为：
光谱辐射通量Ф（λ） 辐射源发出的光在波长λ处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。 其关系式为：
单位：W／μm(瓦每微米)， 或W／nm(瓦每纳米)。
辐射源的总辐射通量：
前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系：
光谱辐照度： 光谱辐射出射度： 光谱辐射亮度：
人眼的光谱光视效率的数值
波长（nm）
波长（nm）
明视觉
明视觉
暗视觉
暗视觉
暗视觉光谱光视效率 虚线：亮度小于0.001cd/㎡时的暗视觉光谱光视效率，用Vˊ(λ)表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激所引起的； 最大值：507nm
明视觉光谱光视效率 实线：亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V(λ)表示，此时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起的，最大值在555nm处。
光度量中的单位
1.最基本的是发光强度单位：坎德拉(Candela)． cd； 国际单位制中七个基本单位之一。 定义：频率为540×1012Hz(对应在空气中555nm波长) 的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1／683W/sr时，在该方向上的发光强度为1cd。 2.光通量的单位是流明(lm) 1lm它是发光强度为1cd的点光源在单位立体角内1sr发出的光通量。 3.光照度的单位：勒克斯(lx) 1lx它相当于1lm的光通量均匀地照在1㎡面积上所产生的光照度。
光亮度
LV
lm/(m2.sr)
辐射度量和光度量的对照表
由于人眼对相同能量、不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的， 因而按人眼的视觉特性V(λ)来评价的辐射通量Φ即为光通量ΦV，这两者的关系为：
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e 0
应用光学讲稿
• • • • •
光视效能表示辐射体消耗1W的功率所发出的流明数 K越大，意味着光源的发光效率越高 例如 钨丝灯： k=8~9.2 流明/瓦 日光灯： k=27~41 流明/瓦
• 问题：为什么用手摸日光灯，不烫手 而摸白炽灯却烫手？ • 钨丝灯： k=8~9.2 流明/瓦 • 日光灯： k=27~41 流明/瓦 • 据报道，全国约有15亿只白炽灯
应用光学讲稿
• 三.光出射度 • 发光体表面不同位置的发光特性
d M ds
• 四.光照度
dΦ dΦ ds A ds
B
d E ds
• 单位：勒克司＝流明/平方米 , lx ，lx=lm/m2 • 房间里照明情况的好坏是由光照度决定的
应用光学讲稿 计算举例：照明器在15m的地方照亮直径为2.5m的圆，要求达到 的照度为50lx，聚光镜焦距为150mm，通光直径也为150mm， 求：1、灯泡发光强度；
x l x x2 1
P
K e 15 100 119 .36cd 4 4
x
l
令OP x, 则l x 2 1, cos
I ( x / x 2 1) 代入E公式得E x2 1
dE 要使B点光照度最大，令 0 dx 整理化简后得 1 2x2 0 x 0.7071 m 将x代入l表示式得l x 2 1 1.225m 此时，E Emax 45.94lx
宽＝r d
u
长＝2 r sin
u 0
ds 2 r 2 sin d s 2 r sin d 2 r cos
2 2 0 2 2
2 r (cosu cos 0) 2 r (1 cosu ) 2 2 u 2 2 u 2 r 2 sin 4 r sin 2 2 s 2 u 2 4 sin r 2 2 如果u角较小，则＝u
ds
• 单位：瓦特/平方米, W/m2
应用光学讲稿
• 四. 辐亮度 • 在A点周围取微面ds，在
• AO方向取微小立体角dΏ
N α dΩ
dФe
0
• 设在AO方向上的投影面积为dsn A ds • dsn=ds.cosα • 设在AO方向上的辐射强度为Ie，则辐亮度为
d e • 因为 I e d
应用光学讲稿 • 含义：按人眼视觉强弱来度量的辐射强度
d e I C.V ( ). d I C.V ( ).I e
• 单位：坎，坎德拉, cd。如果发光体发光的波长为555nm，
1 Ie (W / sr ) 683
并且在指定方向上的辐射强度为
，
则发光体在该方向上的发光强度为1坎 • 坎德拉是光度学中的基本量 • 常数C，将V(λ )=1, Ie=1/683, I=1cd代入 • C=683(cd.sr)/W • I=683.V(λ ).Ie
＝4π
应用光学讲稿 二、立体角的应用
假定有一光学系统，对轴上点成像，孔径角为u，问这个圆锥角 对应的立体角多大？
根据立体角的定义：
s 2 r
应用光学讲稿 • 以A为球心，以r为半径作一球面，求出圆锥在球面上的面 积s，除以半径r的平方即可将球面分成很多小环带，然后 积分求s,小环带面积：ds=长× 宽
应用光学讲稿 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.
L
I dsn
2000 I 159.15cd 4 0.17 2 2 dsn R灯 ( ) 2.27 102 m 2 2 159.15 3 2 L 7 10 cd / m 2.27 102
应用光学讲稿 • • • • • 五. 光亮度 光亮度表示发光面在不同位置和不同方向上的发光特性 微小面元ds在AO方向上的投影 N dФ dsn=ds.cosα 光亮度 α dΩ 0 I I I L A dsn ds. cos ds
d L ds. cos .d
• 光亮度表示发光面在单位投影面积在单位立体角内所发出 的光通量。单位：坎/平方米 cd/m2
应用光学讲稿 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)=0.631 V(500)=0.323
A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 只需要辐射体B强度的一半。
• 所以
Ie Le dsn
d e Le dsn d
• 单位：瓦特/（球面度.平方米），W/(sr.m2)
应用光学讲稿
6-3 人眼的视见函数
• 亮暗的产生 • 视觉强弱与波长 • 视见函数V(λ )
I e (555) V ( ) I e ( )
• 人眼对λ ＝555nm的视觉敏感度最大， V(λ )=1 • V(λ ) ≤ 1
解：微小立体角内光通 量为d Id 半顶角为u的圆锥对应的立体角为 ＝ d
0
ds
u
L
I I 0 cos , I 0 L ds, I L ds cos
d 2d cos 将I与d代入公式，得 ＝ Id 2 Lds cosd cos Lds sin 2 u
O
1m
B
应用光学讲稿
• 二. 发光强度余弦定律 • 绝大多数发光体均匀发光，在各个方向上的亮度一样
I I0 L ds. cos ds I I 0 cos
• • • • 余弦定律也叫朗伯定律 余弦发光体，朗伯发光体 余弦定律的应用： 求发光微面发出的光通量
ds
I
I
应用光学讲稿 应用：求发光微面发出的光通量 已知：发光微面ds，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。
应用光学讲稿
• 6-4
• 一. 光通量 • 人眼接收的辐射通量为
光度学中的基本量
A
dΩ
Ie dФe
• •
dФ e＝Ie.dΩ dФ ＝C.V(λ ). dФ e
• 视觉强弱与辐射通量和视见函数成正比
• 二. 发光强度 • 在人眼观察方向上，人眼接收的光通量dФ 与瞳孔 所张的立体角dΩ 之比，即发光强度 d I d
应用光学讲稿
6－5 光照度公式和发光强度余弦定律
• • • • • • •
一.光照度公式 I A 假定点光源照明微小平面ds， l 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。 已知：I, l, ds, α 求：E d ds n ds. cos E d I d
一、立体角的意义和单位
平面上的角：
B 0 r A
弧度
AB AOB 弧度 r
应用光学讲稿 空间上的角：立体角 s
o
Ω
一个任意形状的封闭锥面所包含的空间成为立体角 Ω＝
s r2
若在以r为半径的球面上截得的面积s= r2，则此立体角为1球面度。
s 整个空间球面面积为4π r2,对应立体角为Ω ＝ 2 r
-u’
-u
2、灯泡通过聚光镜后在
照明范围内的平均发光强度， 以及灯泡的功率和位置。
150mm
2.5m
15m
思路：像方照度 物像方孔径角 灯泡发光强度
像方接收的总光通量 像方立体角 物方立体角 像方发光强度 总光通量 灯泡功率、位置
解：像方接收总光通量 E S 50 (1.25) 2 246lm 1.25 0.075 0.0783 15 -u 2 u' 立体角为' 4 sin 0.0195sr 2 由理想光学系统光路计 算公式：n' tgu'ntgu hn' / f ' 像方光锥角tg (u ' ) tgu 0.578 u 0.845sr 2 照明空间平均发光强度 I' 1.26 104 cd ' 立体角为 4 sin 2
应用光学讲稿
第六章 辐射度学与光度学基础
应用光学讲稿
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 和计算的学科
▲光度学：在人眼视觉的基础上，研究可见 光的测试、计量和计算的学科
应用光学讲稿 6-1 立体角的意义和它在光度学中的应用
应用光学讲稿
• 光通量的单位 • 如果发光体在所观察的方向上的发光强度为1个坎德拉， 则这个发光体辐射在单位立体角内的光通量为1个流明 • I＝1cd, dΩ =1sr dФ ＝I.dΩ
•
• • • • • •
1 lm = 1cd. Sr
光谱光视效能k(λ ) dФ ＝C.V(λ ). dФ e k(λ )=C.V(λ )=683V(λ ) dФ ＝k(λ ). dФ e 最大光谱光视效能km km=683(cd.sr)/w
ds
ds
d
l
2
l2
ds. cos d I . l2
E
d I . cos ds l2
应用光学讲稿 注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离 相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明， 就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度时可以应用。 问题：同样一间屋子，用60W钨丝灯比用40W钨丝灯照明显 得亮？ 发光效率K相同， K e
d e Ie d
N
α dΩ
dФe
应用光学讲稿
• • • • •
光视效能表示辐射体消耗1W的功率所发出的流明数 K越大，意味着光源的发光效率越高 例如 钨丝灯： k=8~9.2 流明/瓦 日光灯： k=27~41 流明/瓦
• 问题：为什么用手摸日光灯，不烫手 而摸白炽灯却烫手？ • 钨丝灯： k=8~9.2 流明/瓦 • 日光灯： k=27~41 流明/瓦 • 据报道，全国约有15亿只白炽灯
应用光学讲稿
• 三.光出射度 • 发光体表面不同位置的发光特性
d M ds
• 四.光照度
dΦ dΦ ds A ds
B
d E ds
• 单位：勒克司＝流明/平方米 , lx ，lx=lm/m2 • 房间里照明情况的好坏是由光照度决定的
应用光学讲稿 计算举例：照明器在15m的地方照亮直径为2.5m的圆，要求达到 的照度为50lx，聚光镜焦距为150mm，通光直径也为150mm， 求：1、灯泡发光强度；
x l x x2 1
P
K e 15 100 119 .36cd 4 4
x
l
令OP x, 则l x 2 1, cos
I ( x / x 2 1) 代入E公式得E x2 1
dE 要使B点光照度最大，令 0 dx 整理化简后得 1 2x2 0 x 0.7071 m 将x代入l表示式得l x 2 1 1.225m 此时，E Emax 45.94lx
宽＝r d
u
长＝2 r sin
u 0
ds 2 r 2 sin d s 2 r sin d 2 r cos
2 2 0 2 2
2 r (cosu cos 0) 2 r (1 cosu ) 2 2 u 2 2 u 2 r 2 sin 4 r sin 2 2 s 2 u 2 4 sin r 2 2 如果u角较小，则＝u
ds
• 单位：瓦特/平方米, W/m2
应用光学讲稿
• 四. 辐亮度 • 在A点周围取微面ds，在
• AO方向取微小立体角dΏ
N α dΩ
dФe
0
• 设在AO方向上的投影面积为dsn A ds • dsn=ds.cosα • 设在AO方向上的辐射强度为Ie，则辐亮度为
d e • 因为 I e d
应用光学讲稿 • 含义：按人眼视觉强弱来度量的辐射强度
d e I C.V ( ). d I C.V ( ).I e
• 单位：坎，坎德拉, cd。如果发光体发光的波长为555nm，
1 Ie (W / sr ) 683
并且在指定方向上的辐射强度为
，
则发光体在该方向上的发光强度为1坎 • 坎德拉是光度学中的基本量 • 常数C，将V(λ )=1, Ie=1/683, I=1cd代入 • C=683(cd.sr)/W • I=683.V(λ ).Ie
＝4π
应用光学讲稿 二、立体角的应用
假定有一光学系统，对轴上点成像，孔径角为u，问这个圆锥角 对应的立体角多大？
根据立体角的定义：
s 2 r
应用光学讲稿 • 以A为球心，以r为半径作一球面，求出圆锥在球面上的面 积s，除以半径r的平方即可将球面分成很多小环带，然后 积分求s,小环带面积：ds=长× 宽
应用光学讲稿 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.
L
I dsn
2000 I 159.15cd 4 0.17 2 2 dsn R灯 ( ) 2.27 102 m 2 2 159.15 3 2 L 7 10 cd / m 2.27 102
应用光学讲稿 • • • • • 五. 光亮度 光亮度表示发光面在不同位置和不同方向上的发光特性 微小面元ds在AO方向上的投影 N dФ dsn=ds.cosα 光亮度 α dΩ 0 I I I L A dsn ds. cos ds
d L ds. cos .d
• 光亮度表示发光面在单位投影面积在单位立体角内所发出 的光通量。单位：坎/平方米 cd/m2
应用光学讲稿 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)=0.631 V(500)=0.323
A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 只需要辐射体B强度的一半。
• 所以
Ie Le dsn
d e Le dsn d
• 单位：瓦特/（球面度.平方米），W/(sr.m2)
应用光学讲稿
6-3 人眼的视见函数
• 亮暗的产生 • 视觉强弱与波长 • 视见函数V(λ )
I e (555) V ( ) I e ( )
• 人眼对λ ＝555nm的视觉敏感度最大， V(λ )=1 • V(λ ) ≤ 1
解：微小立体角内光通 量为d Id 半顶角为u的圆锥对应的立体角为 ＝ d
0
ds
u
L
I I 0 cos , I 0 L ds, I L ds cos
d 2d cos 将I与d代入公式，得 ＝ Id 2 Lds cosd cos Lds sin 2 u
O
1m
B
应用光学讲稿
• 二. 发光强度余弦定律 • 绝大多数发光体均匀发光，在各个方向上的亮度一样
I I0 L ds. cos ds I I 0 cos
• • • • 余弦定律也叫朗伯定律 余弦发光体，朗伯发光体 余弦定律的应用： 求发光微面发出的光通量
ds
I
I
应用光学讲稿 应用：求发光微面发出的光通量 已知：发光微面ds，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。
应用光学讲稿
• 6-4
• 一. 光通量 • 人眼接收的辐射通量为
光度学中的基本量
A
dΩ
Ie dФe
• •
dФ e＝Ie.dΩ dФ ＝C.V(λ ). dФ e
• 视觉强弱与辐射通量和视见函数成正比
• 二. 发光强度 • 在人眼观察方向上，人眼接收的光通量dФ 与瞳孔 所张的立体角dΩ 之比，即发光强度 d I d
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6－5 光照度公式和发光强度余弦定律
• • • • • • •
一.光照度公式 I A 假定点光源照明微小平面ds， l 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。 已知：I, l, ds, α 求：E d ds n ds. cos E d I d
一、立体角的意义和单位
平面上的角：
B 0 r A
弧度
AB AOB 弧度 r
应用光学讲稿 空间上的角：立体角 s
o
Ω
一个任意形状的封闭锥面所包含的空间成为立体角 Ω＝
s r2
若在以r为半径的球面上截得的面积s= r2，则此立体角为1球面度。
s 整个空间球面面积为4π r2,对应立体角为Ω ＝ 2 r
-u’
-u
2、灯泡通过聚光镜后在
照明范围内的平均发光强度， 以及灯泡的功率和位置。
150mm
2.5m
15m
思路：像方照度 物像方孔径角 灯泡发光强度
像方接收的总光通量 像方立体角 物方立体角 像方发光强度 总光通量 灯泡功率、位置
解：像方接收总光通量 E S 50 (1.25) 2 246lm 1.25 0.075 0.0783 15 -u 2 u' 立体角为' 4 sin 0.0195sr 2 由理想光学系统光路计 算公式：n' tgu'ntgu hn' / f ' 像方光锥角tg (u ' ) tgu 0.578 u 0.845sr 2 照明空间平均发光强度 I' 1.26 104 cd ' 立体角为 4 sin 2
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第六章 辐射度学与光度学基础
应用光学讲稿
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 和计算的学科
▲光度学：在人眼视觉的基础上，研究可见 光的测试、计量和计算的学科
应用光学讲稿 6-1 立体角的意义和它在光度学中的应用
应用光学讲稿
• 光通量的单位 • 如果发光体在所观察的方向上的发光强度为1个坎德拉， 则这个发光体辐射在单位立体角内的光通量为1个流明 • I＝1cd, dΩ =1sr dФ ＝I.dΩ
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• • • • • •
1 lm = 1cd. Sr
光谱光视效能k(λ ) dФ ＝C.V(λ ). dФ e k(λ )=C.V(λ )=683V(λ ) dФ ＝k(λ ). dФ e 最大光谱光视效能km km=683(cd.sr)/w
ds
ds
d
l
2
l2
ds. cos d I . l2
E
d I . cos ds l2
应用光学讲稿 注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离 相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明， 就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度时可以应用。 问题：同样一间屋子，用60W钨丝灯比用40W钨丝灯照明显 得亮？ 发光效率K相同， K e
d e Ie d
N
α dΩ
dФe