应用光学第六章光能及其计算

• 1、光谱光视效率
•
接收器对不同波长电磁辐射的反应程
度称为光谱响应度或光谱灵敏度。人对不
同波长光响应的灵敏度，称之为“视见函 数” V(λ) （“光谱光视效率Spectral Luminous Efficiency”）。
• 实验表明，观察场明暗不同时，光谱光视 效率亦稍有不同 。
国际照明委员会（CIE）正式推荐两种光谱光 视效率：明视觉光谱光视效率 V () 和暗视觉
第六章 光能及其计算
• 研究光学系统的辐射能量有两个方面需要 关注：
• 辐射能的传播方向； • 传播过程中辐射能的大小。 • 分两个出发点： • 辐射度学：对电磁能进行计算、测量的研
究 • 光度学：对可见光进行计算、测量的研究
第一节 辐射能通量和光通量
以电磁辐射形式发射 、传播或接收的能量
一、辐射度学

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
• 对于整个可见辐射范围内的总光通量
780
V 380 K mV () e ()d
第二节光传播过程中光学量的变化 规律
•
这是对所有光学仪器进行光能量计算，
进行相关设计的基础。
• 1、点光源在与之距离为 r 处的表面上形成
的照度
•
E I cos
r2
• 照度平方反比关系。
E d ds
L1 L
L

(1


)L
n2 n2
0
L L n2 n2
L 光束经理想反射，光亮度变化，但 n2 不变
• 5、余弦辐射体
• 发光强度空间分布可用式 Ii I N cosi 表 示的发光表面为余弦辐射体。
• 余弦辐射体在各方向的光亮度相同。
Li

Ii ds cosi

I N cosi ds cosi
d Id
cosds
d r2
I cosds
d r2
E

I r2
cos
• 2、面光源在与之距离为 r 处的表面上形成
的照度
E

d ds

Ldss
cos1
r2
c os 2
• 3、在同一介质的元光管中光通量和光亮度 的传递
d1

L1
c osi1ds1d1

L1
c osi1ds1
directions, we call this kind of surface perfect diffusive surface(全扩散表面).
This kind of surface has characteristics of cosine radiation(余弦辐射特性).
Ee

d e ds
The space contained in a closed conical surface(锥形面) of any shape is called the solid
angle.
• 4、辐[射]强度
• 点辐射源向各方向发出辐射，在某一方向，
在元立体角 内d发出的辐通量为 ，d则e辐
位为坎德拉（cd）
。
IV

dV d
7个国际单位制基本单位之一
• 5、光亮度LV 发光面的元面积，在和发光
表面法线 N 成 角的方向，在元立体角d内
发出的光通量为dV，则光亮度为
L dV
发光 强度
cosdsd
L = IV cosds
单位是：坎德拉每平方米 cd / m2
三、光学量和辐射量间的关系
ds2 cosi2 r2
d 2

L2
c osi2 ds2 d 2

L2
c osi2 ds2
ds1 cosi1 r2
L1
cos1
ds1
ds2
cos i2 r2

L2 cos i2ds2
ds1 cos i1 r2
L1 L2
若不考虑能量损失 光通量和光亮度不变
• 4、光束经界面反射和折射后的光通量和光亮度的 传递
• 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）。
• 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（lm / m2 ）。
MV

dV ds
• 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
强度为
Ie

d e d
• 辐射强度的单位为瓦特每球面度（W/sr）。
The unit of the solid angle
• We take the top of a cone as the center of a sphere and a radius of r to draw a sphere. If the conicoiБайду номын сангаас cuts an area of on the sphere and r2 the angle is a sterad(球面度) ( sr).
光谱光视效率V ()
• 2、光学量和辐射量间的关系
• 明视觉条件下 ，光通量dV ()和辐通量 e () 之间的关系
dV () KmV ()e ()d
Km 683lm /W
• 表示在明视觉条件下，波长 555nm时， 波长间隔d 内，1W 的辐射通量引起人眼感 觉的光通量为 683lm