第6章光能及其计算

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1、辐射能辐射能光通量光通量光通量光通量视见函数视见函数发光效率发光效率应 用 光 学.应用光学一、辐射能一、辐射能1 1）辐射能：以电磁辐射形式发射，传输或接）辐射能：以电磁辐射形式发射，传输或接收的能量称辐射能。指的是在给定时间辐射收的能量称辐射能。指的是在给定时间辐射的总能量。的总能量。2 2）辐射能通量：在单位时间内通过某一面积）辐射能通量：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。单位是的辐射能量的大小称为辐射通量。单位是w w（瓦）。用（瓦）。用P P表示。表示。6.1.应用光学接收器对不同波长电磁辐射的反应程度称为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

2、度。人对不同波长光光谱响应度或光谱灵敏度。人对不同波长光响应的灵敏度，称之为响应的灵敏度，称之为“视见函数视见函数”V(V()=555/pp V(V()5106104207000.50.50.0040.0046.1二、接收器的光谱响应二、接收器的光谱响应.应用光学 从光谱光效率函数的定义可知，不同波长的辐射所引起从光谱光效率函数的定义可知，不同波长的辐射所引起人眼的视觉感觉强度不同，即光谱灵敏度不同。而光谱灵人眼的视觉感觉强度不同，即光谱灵敏度不同。而光谱灵敏度要受到所处环境亮度水平的影响。光亮度在几个敏度要受到所处环境亮度水平的影响。光亮度在几个cd/mcd/m2 2（光亮度的单位）以上时，

3、正常人眼的适应状态叫（光亮度的单位）以上时，正常人眼的适应状态叫明适应，此时的视觉叫明视觉，明适应，此时的视觉叫明视觉，19241924年国际照明委员会年国际照明委员会（CIECIE）公布了明视觉光谱光效率函数）公布了明视觉光谱光效率函数V V（）。当亮度在）。当亮度在百分之几百分之几cd/mcd/m2 2以下时，正常人眼的适应状态叫暗视应，以下时，正常人眼的适应状态叫暗视应，相应暗视应的视觉称为暗视觉。相应暗视应的视觉称为暗视觉。19511951年国际照明委员会年国际照明委员会（CIECIE）公布了暗视觉的光谱光效率函数）公布了暗视觉的光谱光效率函数VV（），各种），各种波长的光谱光效率值见

4、表波长的光谱光效率值见表1 1。6.1.应用光学国际照明委员会（CIE）正式推荐两种光谱光视效率：明视觉光谱光视效率 和暗视光谱光视效率 )(V)(V6.1.应用光学波 长(nm)V()V()波 长(nm)V()V()3800.000040.0005895900.75700.06553900.000120.0020296000.63100.033154000.00040.009296100.50300.015934100.00120.034846200.38100.00744200.00400.09666300.26500.003344300.01160.19986400.17500.0015

5、4400.0230.32816500.10700.000684500.0380.45506600.06100.0003134600.0600.56706700.03200.0001484700.0910.67606800.01700.0000724800.1390.7936900.00820.0000354900.2080.9047000.00410.0000185000.3230.9827100.00210.0000095100.5030.9977200.001050.00000485200.7100.9357300.000520.00000265300.8620.8117400.00025

6、0.00000145400.9540.6507500.000120.000000765500.9950.4817600.000060.000000435600.9950.32887700.000030.000000245700.9520.20767800.0000150.000000145800.8700.12126.1表一：眼睛的视觉特性.应用光学三、光通量和发光效率三、光通量和发光效率1、光通量 光源表面的客观辐射能量中能引起人眼视觉的那一部分辐射通量，单位为流明（lm）。1)表达式：2)表示在明视觉条件下，波长 时，波长间隔 内，的辐射通量引起人眼感觉的光通量为 780380()()mK

7、 VPd nm555dW1lm6836.1.应用光学2、发光效率定义：一个辐射体或光源发出的总光通量与总辐射通量之比。物理含义：表示每瓦辐射通量所产生的光通量表达式：举例：白炽灯发光效率：14lm/w 荧光灯发光效率：50lm/w683()()=()VPdPPd6.1.应用光学发光强度发光强度1 1）立体角：）立体角：球面上所截取的面积球面上所截取的面积dsds除以半径除以半径r r的平方即为的平方即为立体角。立体角。单位：球面度，符号单位：球面度，符号SrSr。2 2）立体角的计算）立体角的计算其中其中u u是孔径角，而是孔径角，而是立体角。是立体角。2dsdr24 sin/2,u6.2.应

8、用光学dId发光强度的单位：坎德拉发光强度的单位：坎德拉光度学的基本单位，光度学的基本单位，七个国际基本单位，七个国际基本单位，cdcd111lmcdsr4 4）光通量的单位：流明（）光通量的单位：流明（lumenlumen）定义：发光强度定义：发光强度1 1坎德拉的点光源在单位立体角坎德拉的点光源在单位立体角内发出的光通量为内发出的光通量为1lm1lm11lmcd sr6.23)3)发光强度：单位立体角内发出的光通量。发光强度：单位立体角内发出的光通量。.应用光学例题：例题：1 1、一个、一个100w100w的的钨丝灯，发出总光通量钨丝灯，发出总光通量为为1400lm1400lm，求发光效，

9、求发光效率？率？解：解：24 sin2sin0.5300.84uuuSr例题：例题：2 2、有一个聚光、有一个聚光镜，镜，sinusinu=0.5,=0.5,求进入求进入系统能量占全部能量的系统能量占全部能量的百分比？百分比？解：解：1400=14/100lmlm wPw6.2一点周围的全部空间立体一点周围的全部空间立体角为角为0=4sr则则00.84=6.7%4.应用光学例题：例题：3 3、一个一个6v6v，15w15w的钨丝的钨丝灯，已知灯，已知=14lm/w,=14lm/w,该灯与一聚光镜联用，该灯与一聚光镜联用，灯丝中心对聚光镜所灯丝中心对聚光镜所张角度张角度U=sinUU=sinU=

10、0.25,=0.25,若设灯丝是各若设灯丝是各向均匀发光，求向均匀发光，求1 1）灯泡总的光通量）灯泡总的光通量及进入聚光镜的能量及进入聚光镜的能量2 2）求发光强度。）求发光强度。=14 15210Plm6.2解：解：1 1）总的光通量）总的光通量进入系统的能量进入系统的能量20sin0.254 sin=2161=1.6%64uu则则1.6%2103.36lm 发光强度发光强度021016.74Icd.应用光学一、光照度一、光照度1 1、物理含义：光源发出的光投射在某表面，该表、物理含义：光源发出的光投射在某表面，该表面的亮暗程度。面的亮暗程度。2 2、定义：单位面上所接收到的光通量。、定义

11、：单位面上所接收到的光通量。3 3、单位：勒克斯、单位：勒克斯(lx),(lx),辐脱辐脱(ph)(ph)1 1勒克斯相当于勒克斯相当于1 1流明的光通量均匀地分布在流明的光通量均匀地分布在1 1平方米的面积上所产生的照度。平方米的面积上所产生的照度。1ph=1lm/1cm1ph=1lm/1cm2 2=10=104 4lxlx4 4、平均光照度：、平均光照度：dEdS0ES6.3.应用光学二、距离平方反比律二、距离平方反比律点光源直接照射一平面时产生的光照度点光源直接照射一平面时产生的光照度Idd2cosrdsd2cosrdsId2cosdIEdSr6.3则则:1 1）光照度与点光源的发光强度

12、成正比。）光照度与点光源的发光强度成正比。2 2）与面元的距离）与面元的距离r r的平方成反比。的平方成反比。3 3）与面元法线和照射光束方向的夹角的余弦成正比，当）与面元法线和照射光束方向的夹角的余弦成正比，当角度等于角度等于0 0时，光照度最大，等与时，光照度最大，等与9090度时，光照度最小。度时，光照度最小。.应用光学三、光出射度三、光出射度1 1、定义：离开表面一点处的面元的光通量除以面、定义：离开表面一点处的面元的光通量除以面元的面积。用元的面积。用M M表示。表示。2 2、M M和和E E是一对相对意义的物理量，前者是发出光是一对相对意义的物理量，前者是发出光通量，后者则是接收光

13、通量。通量，后者则是接收光通量。6.33 3、对于非均匀辐射的发光表面、对于非均匀辐射的发光表面dMdS 对于均匀辐射的发光表面对于均匀辐射的发光表面0MS4 4、说明：发光表面可以是自身发光，也可以是受、说明：发光表面可以是自身发光，也可以是受外光束照射后透射或者发射发光。外光束照射后透射或者发射发光。.应用光学一、光亮度的定义一、光亮度的定义（描述有限大小光源的发光特性）（描述有限大小光源的发光特性）1 1、定义：、定义：L L，在发光表面上取一块微面积，在发光表面上取一块微面积dsds，设，设此微面积在与表面法线此微面积在与表面法线N N夹夹i i角方向上立体角角方向上立体角dd内内发出

14、的光通量为发出的光通量为ddi iiidId微面积微面积dsds在在i i方向的光亮度方向的光亮度LiLi定义为：微面积定义为：微面积在在i i方向上的发光强度与此微面积在垂直于该方向上的发光强度与此微面积在垂直于该方向的平面上的投射面积方向的平面上的投射面积dscosidscosi之比之比6.4.应用光学coscosiiiIdLdsiidsd单位单位:坎德拉每平方米，尼特（坎德拉每平方米，尼特（ntnt）,西提（西提（sbsb）224111111110cdlmntmmsrsbnt6.4.应用光学二、余弦辐射体二、余弦辐射体l 发光强度空间分布可用式 表示的发光表面为余弦辐射体。l 余弦辐射体

15、在各方向的光亮度相同。l 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iIINicos常数dsIidsiIidsILNNiicoscoscos200cossinUididiLdsULds2sin黑体是严格的余弦辐黑体是严格的余弦辐射体，漫反射近似为射体，漫反射近似为余弦辐射体余弦辐射体6.4.应用光学光 源 名 称亮 度（cd/m2）在地球上看到的太阳普通电弧太阳照射下漫射的白色表面钨丝白炽灯灯丝在地球上看到的月亮表面人工照明下书写阅读时的纸面白天的晴朗天空超高压气体放电灯15108151073104(5001500)1042510210510325108表表2列出了常见发光

16、体表面光亮度的近似值，列出了常见发光体表面光亮度的近似值，表表3为常见受照物体表面光照度值。为常见受照物体表面光照度值。(两表所列数值仅供参考两表所列数值仅供参考)被 照 表 面 照 度（lx）无月夜间在地面上生产的照度满月在天定时对地面产生的照度辨认方向所需要的照度办公室工作所必需的照度晴朗夏日采光良好时室内照度太阳直射的照度310-40.2120100100500105（表2）（表3）6.4.应用光学一、在同一介质的元光管中光通量和光亮度的传递一、在同一介质的元光管中光通量和光亮度的传递 22211111111coscoscosridsdsiLddsiLd21122222222coscos

17、cosridsdsiLddsiLd光束通过微面积元光束通过微面积元ds1ds1的光通量为的光通量为光束通过微面积元光束通过微面积元ds2ds2的光通量为的光通量为6.5.应用光学若不考虑能量损失光通量和光亮度不变若不考虑能量损失光通量和光亮度不变21211222222111coscoscoscosLLridsdsiLridsdsL二、距离平方反比律二、距离平方反比律（面光源直接照射一平面时所产生的光照度）（面光源直接照射一平面时所产生的光照度）发光面发光面ds1ds1在被照面上在被照面上ds2ds2上造成的光照度上造成的光照度E2E211112222cos cosdLdsiiEdsr6.5则则

18、:1:1）E2E2与与L L和光源面积大小成正比。和光源面积大小成正比。2 2）与距离平方成反比。）与距离平方成反比。3 3）与）与cosicosi1 1与与cosicosi2 2成正比。成正比。.应用光学三、光束经界面反射和折射后的光通量和光亮度三、光束经界面反射和折射后的光通量和光亮度的传递的传递 入射光的光通量为入射光的光通量为cosdLid ds 反射光的光通量为反射光的光通量为11111cosdLi dds 折射光的光通量为折射光的光通量为cosdLidds 6.5.应用光学对于反射光束：对于反射光束：1111,dLii dddL则则11dLLd对于折射光：对于折射光：1coscos

19、1sinsindLiddsdLid dsddddddididdidid 6.5.应用光学故有：故有：2222222cos sin1cos sinsinsincos sinsin cos110,LiidiLiidinininiidiniidiLnnLLLnnLLnn则当有说明：光束经过理想折射后，光亮度与对应介说明：光束经过理想折射后，光亮度与对应介质折射率的平方之比为常数。质折射率的平方之比为常数。6.5.应用光学 主要原因：透明介质折射界面的光反射 介质对光的吸收 反射面对光的透射和吸收等所造成的光能损失 1、光在两透明介质界面上的反射损失 光垂直入射到两介质分界面时的反射率2nnnn该面的

20、反射光通量与入射光该面的反射光通量与入射光通量之比通量之比 6.61该面的透过率该面的透过率 k=经过经过k k个面后的透过光通量个面后的透过光通量.应用光学2、介质吸收造成的光能损失穿过厚度为1cm的玻璃后被吸收损失的光通量百分比称为吸收率，以 表示。入射时的光通量为 ，通过厚度为 厘米的光学材料后出射的光通量 为 dd16.6设每一反射面的反射率为 ，若光学系统中共有 个反射面 2k2k.应用光学4、光学系统的总透过率一个光学系统有 个折射面；光通过光学元件中心厚度为 ；系统有 个反射面。若入射光通量为 ，则出射光通量 为 1kd2kKdkkK)1(21光学系统的透过率光学系统的透过率 6.6