应用光学光学.pptx
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1、会计学1应用光学光学应用光学光学n n作业:作业:1.1.有两薄透镜有两薄透镜L1L1和和L2L2的口径分别为的口径分别为6cm6cm和和4cm,4cm,在在L1L1和和L2L2距距L2L2为为2cm2cm处有处有一直径为一直径为6cm6cm的小孔光阑,物点位于的小孔光阑,物点位于L1L1前方前方12cm12cm处,处,求孔径光阑、入射瞳孔、出瞳的位置及大小求孔径光阑、入射瞳孔、出瞳的位置及大小n n2.(2.(选作选作)两个薄透镜两个薄透镜L1L1、L2L2的孔径为的孔径为4.0cm4.0cm,L1L1为凹透为凹透镜,镜,L2L2为凸透镜,它们的焦距分别为为凸透镜,它们的焦距分别为8cm8c
2、m和和6cm6cm,镜间,镜间距离为距离为3cm3cm,光线平行于光轴入射。求系统的孔径光阑、,光线平行于光轴入射。求系统的孔径光阑、入瞳和出瞳及视场光阑入瞳和出瞳及视场光阑 3.3.照相物镜照相物镜 ,对,对2m2m远处远处目标照相,假定底片上像点弥散斑直径小于目标照相,假定底片上像点弥散斑直径小于0.05mm0.05mm仍仍可认为成像清晰,问物空间能清晰成像的最远、最近可认为成像清晰,问物空间能清晰成像的最远、最近距离各位多少?距离各位多少?第1页/共56页n n4.人工照明下阅读时,纸面光亮度应大于10cd/m2,假定白纸的漫反射系数为0.75,用60w充气钨丝灯照明,光视效能为15lm
3、/w,求当灯泡离纸面距离不大于多少时,才能产生所要求的光亮度(假定纸面与照射光线方向垂直)?n n5.面积为1cm2的单面发光圆盘是一个朗伯光源,光亮度为1500lm/(m2sr),求 最大发光强度I0,与发光面法线30度角方向上的发光强度I30 圆盘发出的总光通量及光出射度第2页/共56页5.1 辐射度学与光度学中基本量辐射度学与光度学中基本量n n光是具有能量的激光焊接,激光致盲,太阳能热水器激光焊接,激光致盲,太阳能热水器n n光学系统是能量传输系统n n前面几章研究了光学系统的成像问题,只是研究了能量的传播方向,本章解决能量的数量问题第3页/共56页n n可见光是波长在400nm-76
4、0nm范围内的电磁辐射,是能对人的视觉形成刺激,并被能被人感受到的电磁辐射,按视觉响应原则建立的表征可见光的量为光学量n n描述电磁辐射的物理量为辐射量,也可描述可见光n n可见光可用辐射量和光学量两种量值系统来度量第4页/共56页1.立体角立体角n n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n n定义:一个任意形状的封闭锥面所包含的空间一个任意形状的封闭锥面所包含的空间n n计算公式:计算公式:d d =ds/r=ds/r2 2n n单位:以锥顶为球心,以以锥顶为球心,以r r为半径作一圆球,如果锥面在圆球为半径作一圆球,如果锥面在圆球上所截出的面积等于上所截出的面积等于r r
5、2 2,则该立体角为一个则该立体角为一个“球面度球面度”(sr sr)。)。n n例:整个球面的面积整个球面的面积4 4 r r2 2,则这个空间为则这个空间为4 4 球面度球面度 假定一个圆锥面的半顶角为假定一个圆锥面的半顶角为,该圆锥所包含的立该圆锥所包含的立体角为体角为 较小时,较小时,第5页/共56页2.辐射度学中的基本量辐射度学中的基本量辐射能辐射能辐射通量辐射通量辐射强度辐射强度辐出射度辐出射度辐照度辐照度辐亮度辐亮度UeIeMeEeLe光能量光能量光通量光通量发光强度发光强度光出射度光出射度光照度光照度光亮度光亮度QIMEL 辐射量和光学量的对应关系辐射量和光学量的对应关系第6页
6、/共56页3.视见函数视见函数n n人眼是一种可见光探测器n n输入:用辐射度量表示的可见光辐射输入:用辐射度量表示的可见光辐射n n输出:用光学量表示的光感受输出:用光学量表示的光感受n n人眼视觉的强弱:n n辐射在该方向上的辐射强度辐射在该方向上的辐射强度n n辐射的波长辐射的波长n n具有相同辐射量而波长不同的可见光分别作用具有相同辐射量而波长不同的可见光分别作用于人眼,人所感受到的明暗程度不同于人眼,人所感受到的明暗程度不同第7页/共56页n n视见函数V():n n表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别n n人眼视觉系统决定的人眼视觉系统决定的n n明
7、视觉视见函数,暗视觉视见函数明视觉视见函数,暗视觉视见函数n n规定规定V V(555555)1 1,555nm555nm人眼最灵敏的波长人眼最灵敏的波长n nV V()I I()/I(555)/I(555)n n光学量与辐射量间的关系n nd d =K=Kmmdde e V V 第8页/共56页第9页/共56页4.光度学中的基本量光度学中的基本量n n光能量光能量依人眼的感觉强弱,进行量度的辐射能依人眼的感觉强弱,进行量度的辐射能,Q,Qn n光通量描写辐射通量引起人眼的视觉强度光通量描写辐射通量引起人眼的视觉强度n n=dQ/dt=dQ/dt ,单位时间内,光源发出或通过一定面积的,单位时
8、间内,光源发出或通过一定面积的光能光能n n对单色光源:对单色光源:d d =K Kmmdde e V V n n单位:流明单位:流明 lmlmn nK Kmm的规定:的规定:1 1瓦瓦555nm555nm的单色光辐射通量的单色光辐射通量683683流明的光流明的光通量,通量,K Kmm 683683流明流明/瓦,是光通量与功率的转换当量瓦,是光通量与功率的转换当量第10页/共56页n n发光效率(光视效能)发光效率(光视效能)n n 光源的光通量光源的光通量/该光源的耗电功率,表示发光体的发光该光源的耗电功率,表示发光体的发光特性特性n n流明流明/瓦,辐射体每消耗瓦,辐射体每消耗1 1瓦电
9、功率所发出的光通量瓦电功率所发出的光通量例:例:100100瓦钨丝灯,光通量为瓦钨丝灯,光通量为15001500流明,则流明,则 15lm/w15lm/w 40 40瓦荧光灯,光通量为瓦荧光灯,光通量为20002000流明,则流明,则 50lm/w50lm/wn n光强度光强度光源在光源在各个方向各个方向上的发光特性上的发光特性n nI Id d/d/d ,点光源沿某一给定方向上在单位立体角内发出,点光源沿某一给定方向上在单位立体角内发出的光通量的光通量n n单位:单位:坎德拉坎德拉 CdCd,1cd=1lm/sr1cd=1lm/sr,国际单位制中七个基本单国际单位制中七个基本单位之一,光度学
10、中其它单位都是导出单位位之一,光度学中其它单位都是导出单位rd第11页/共56页u光出射度光出射度光源光源上不同位置的上不同位置的发光发光特性特性用单位面积所发射的光通量描写光源上某点的发光本领用单位面积所发射的光通量描写光源上某点的发光本领 Md/ds,面光源上,面光源上A附近的面积元附近的面积元ds辐射的光通量辐射的光通量单位:勒克斯,单位:勒克斯,1lx=1lm/m2Adds 透射面或反射面接受光通量,又可作为二次光源发出光通量。透射面或反射面接受光通量,又可作为二次光源发出光通量。M=E,为透射率或反射率,与波长有关,因而物体呈现彩色为透射率或反射率,与波长有关,因而物体呈现彩色。对所
11、有波长对所有波长趋于趋于0 0的物体,的物体,黑体黑体第12页/共56页n n光照度被照表面不同位置的收光特性n n单位面积上接收到的光通量大单位面积上接收到的光通量大小小n nE Ed d/ds/ds n n单位:勒克斯,单位:勒克斯,1lx=1lm/m1lx=1lm/m2 2 dAds第13页/共56页u光亮度光亮度发光表面发光表面不同位置和不同方向不同位置和不同方向的发光特性的发光特性 LI/dsn=I/(dscos)LI/dsn=d/(dscosd)发光面上单位投影面积在单发光面上单位投影面积在单 位立体角内发出的光通量位立体角内发出的光通量单位:坎德拉单位:坎德拉/米米2,cd/m2
12、,熙提(熙提(st),1st=1cd/cm2 人们常说人们常说40w日光灯比日光灯比40w钨丝灯亮,是否说明日光灯的光亮度比钨丝灯大?这里所说的钨丝灯亮,是否说明日光灯的光亮度比钨丝灯大?这里所说的“亮亮”是指什么?是指什么?物体的光亮度就是人眼感到的明亮程度,这种说法对吗?物体的光亮度就是人眼感到的明亮程度,这种说法对吗?第14页/共56页n n例:He-NeHe-Ne激光器:激光器:P P 10mw,10mw,=632.8nm,V=632.8nm,V=0.24,=0.24,d=1mm,d=1mm,=1mSr(=1mSr(毫弧度毫弧度),求,求L L d d=683V=683V d de e
13、=6830.241010=6830.241010-3-3=1.6152=1.6152流明流明 d d=2 2=3.14(10=3.14(10-3-3)2 2 L=d L=d/(dsddsd)=6.55310)=6.553107 7st st L L太阳太阳1.5101.5105 5st st L LHe-NeHe-Ne=440L=440L太阳太阳 “勿对着眼睛照射勿对着眼睛照射”“激光致盲武器激光致盲武器”第15页/共56页5.2朗伯余弦定律及朗伯源朗伯余弦定律及朗伯源n n发光强度空间分布可用式发光强度空间分布可用式I I I INNcoscos 表示的的发光表表示的的发光表面面n n只有绝
14、对黑体是理想的余只有绝对黑体是理想的余弦辐射体,具有粗糙表面弦辐射体,具有粗糙表面的发光体与余弦发光体接的发光体与余弦发光体接近近n n对朗伯源,发光强度向量对朗伯源,发光强度向量I I 端点轨迹是一个与发光面端点轨迹是一个与发光面相切的球面相切的球面n n余弦辐射体在和法线成任余弦辐射体在和法线成任意角度方向的光亮度意角度方向的光亮度朗伯源的光亮度朗伯源的光亮度L与方向无关,只是与方向无关,只是I随随变化而变化变化而变化第16页/共56页n n余弦辐射体的光出射度余弦辐射体的光出射度MM与光亮度与光亮度L L的关系的关系 L LM/M/,余弦辐射体的光亮度等于光出射度的,余弦辐射体的光亮度等
15、于光出射度的分之一分之一 单位面积的余弦辐射体,所发出的光通量为它在法线方向上,单位立体角内发出光通量的单位面积的余弦辐射体,所发出的光通量为它在法线方向上,单位立体角内发出光通量的倍倍 。若光源两面发光,则若光源两面发光,则M 2 L第17页/共56页n n本身并不发光,受发光体光照射经投射或反射形成的余弦辐射体,称做漫透射体和漫反射体n n漫反射体称做朗伯散射表面或全扩散表面 设全扩散表面设全扩散表面dA上的光照度为上的光照度为E,为反射系数,为反射系数,L L和和E E的关系的关系第18页/共56页5.3光照度计算光照度计算n n点光源点光源点光源S S,r r处有处有dAdA平面,平面
16、,I I,法线与法线与r r成成角角求点光源在求点光源在dAdA面上面上形成的照度形成的照度平方反比定律平方反比定律 实际应用的光照度公式实际应用的光照度公式第19页/共56页n n光源大小与距离l比较起来不大的情况,适用n n单位:cd,m,lx;cd,cm,phn n测量光源的发光强度光照度计光照度计第20页/共56页n n面光源的光照度面光源的光照度 dAsdAs光源的发光面积,光源亮度光源的发光面积,光源亮度L L,在距离为,在距离为r r的的dAdA平面上平面上形成的光照度形成的光照度E E 注注:dA以相同以相同L发光照射发光照射dAs,则得出同样的光照度,即二者的则得出同样的光照
17、度,即二者的L相同,可互易相同,可互易d为为dA对对O点所张立体角点所张立体角第21页/共56页5.4 光学系统中光束的光亮度光学系统中光束的光亮度n n均匀透明介质情形n n折射情形n n反射情形第22页/共56页n n假定A1A2直线为均匀透明介质中的一条光线n n讨论:直线上任意两点A1和A2在光线前进方向上的L1和L2之间的关系均匀透明介质情形均匀透明介质情形A1A2第23页/共56页n ndSdS1 1输入到输入到dSdS2 2内的光通量为内的光通量为d d1 1n n从从dSdS2 2射出的射出的d d2 2n n若不考虑光能损失若不考虑光能损失 光在同一介质中传播,忽略散射及吸收
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