第1章光和光的傳播2

1、光是電磁輻射光是電磁輻射，是電磁波的一種，可見光只占一小部分。是電磁波的一種，可見光只占一小部分。5 5 光度學(xué)基本概念光度學(xué)基本概念 輻射通量輻射通量 客觀量，客觀量，只與輻射客體有關(guān)。輻射度只與輻射客體有關(guān)。輻射度量學(xué)的基本量量學(xué)的基本量，適合整個(gè)電磁波段。，適合整個(gè)電磁波段。 定義定義：文字表述文字表述； 單位：瓦（單位：瓦（W ）；符號(hào)）；符號(hào)= () 附近附近 內(nèi)：內(nèi)：212121( )d ，內(nèi)：；一、輻射通量和光通量一、輻射通量和光通量 光源表面光源表面光度學(xué)：只適用于光度學(xué)：只適用于可見光波段可見光波段。輻射度量學(xué)：輻射度量學(xué)：適用于整個(gè)電磁波段。適用于整個(gè)電磁波段。 / /nm

2、 輻射能量對(duì)波長(zhǎng)的分布函數(shù)輻射能量對(duì)波長(zhǎng)的分布函數(shù) 輻射通量譜密度輻射通量譜密度 2. 光譜響應(yīng)曲線光譜響應(yīng)曲線 （光電儀器）（光電儀器） 客觀輻射通量引起客觀輻射通量引起光電儀器（不同器件）響應(yīng)不同。光電儀器（不同器件）響應(yīng)不同。光譜響光譜響應(yīng)應(yīng)R的定義的定義: 檢測(cè)器件的輸出信號(hào)的大小與某個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)器件的輸出信號(hào)的大小與某個(gè)波長(zhǎng)的入射光的入射光功率之比功率之比不同光電器件的響應(yīng)靈敏度不同光電器件的響應(yīng)靈敏度3. 視見函數(shù)視見函數(shù)）（ V 視見函數(shù)的表式視見函數(shù)的表式 含義：客觀含義：客觀輻射通量引起人眼輻射通量引起人眼主觀主觀視覺強(qiáng)度的物理量。視覺強(qiáng)度的物理量。 555）（V/ / 視見函

3、數(shù)曲線視見函數(shù)曲線 011 nm760nm390nm55500 或或 錐狀和桿狀兩種視覺細(xì)胞的視見函數(shù)是不同的。分別是明視錐狀和桿狀兩種視覺細(xì)胞的視見函數(shù)是不同的。分別是明視見函數(shù)見函數(shù)V()V()和暗視覺函數(shù)和暗視覺函數(shù)V()V()曲線。曲線。 目前的光通量由目前的光通量由V()V()計(jì)算得到的。計(jì)算得到的。暗視覺函數(shù)的極大值向短波方向移。夜晚時(shí)，人感到周圍有藍(lán)綠的色彩。明視覺明視覺，中間視覺和，中間視覺和暗視覺暗視覺說明說明1瓦特瓦特555nm的的(客觀客觀)輻射通量輻射通量相當(dāng)于相當(dāng)于683流明的光通量。流明的光通量。Wlm683mK即：(1) 定義：輻射通量與視見函數(shù)的乘積；定義：輻射

4、通量與視見函數(shù)的乘積； 單位：?jiǎn)挝唬毫髅髁髅?；符號(hào)符號(hào): lm ；(2) 數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)表式表式最大光譜光視效能最大光譜光視效能 (最大光功當(dāng)最大光功當(dāng)量量) Km的物理意義：的物理意義：/ /nm輻射能量對(duì)波長(zhǎng)的分布函數(shù)輻射能量對(duì)波長(zhǎng)的分布函數(shù)）（）（ VKKm(3) 光譜光視效能光譜光視效能 光功當(dāng)量光功當(dāng)量4. 光通量光通量 （可見可見光輻射功率，光度學(xué)基本單位光輻射功率，光度學(xué)基本單位）maxKVd 人的眼睛對(duì)人的眼睛對(duì)555nm的的黃綠光黃綠光最敏感，其它顏色的光線的敏感度最敏感，其它顏色的光線的敏感度低于低于555nm的值。的值。用用 I 表示，單位是表示，單位是 坎德拉坎德拉（cd

5、），簡(jiǎn)稱），簡(jiǎn)稱“坎坎” （1 1） 含義：含義：光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出光通量的空間分布光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出光通量的空間分布（2 2）量度方法：）量度方法：點(diǎn)光源在單位立體角中發(fā)出的光通量的數(shù)值點(diǎn)光源在單位立體角中發(fā)出的光通量的數(shù)值數(shù)學(xué)表式數(shù)學(xué)表式ddII 應(yīng)當(dāng)是可以測(cè)量應(yīng)當(dāng)是可以測(cè)量1. 1. 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度-發(fā)光強(qiáng)度是發(fā)光強(qiáng)度是SISI制制7 7個(gè)基本物理量之一個(gè)基本物理量之一 發(fā)光強(qiáng)度物理意義發(fā)光強(qiáng)度物理意義 二、發(fā)光強(qiáng)度與亮度二、發(fā)光強(qiáng)度與亮度輻射度量學(xué)（電磁波段）稱為輻射強(qiáng)度。輻射度量學(xué)（電磁波段）稱為輻射強(qiáng)度。 一個(gè)電珠一個(gè)電珠, , 光通量一樣光通量一樣, , 但裝于手電

6、后效果不同了，還需要但裝于手電后效果不同了，還需要發(fā)光強(qiáng)度的概念發(fā)光強(qiáng)度的概念. . 一束光射遠(yuǎn)而強(qiáng)的能力稱一束光射遠(yuǎn)而強(qiáng)的能力稱光強(qiáng)光強(qiáng) 手 電 筒 發(fā) 出 的 光 雖 只 有手 電 筒 發(fā) 出 的 光 雖 只 有100lm，但光束很強(qiáng)，但光束很強(qiáng)，100米外還米外還很亮，日光燈光有很亮，日光燈光有2000lm，光束，光束強(qiáng)度卻比不過手電筒。這種衡量強(qiáng)度卻比不過手電筒。這種衡量光束射遠(yuǎn)而強(qiáng)的能力稱光強(qiáng)，手光束射遠(yuǎn)而強(qiáng)的能力稱光強(qiáng)，手電筒光強(qiáng)（電筒光強(qiáng)（cd）比日光燈高。）比日光燈高。電燈發(fā)光強(qiáng)度的角分布電燈發(fā)光強(qiáng)度的角分布 點(diǎn)光源（沿某一點(diǎn)光源（沿某一 i i 方向）的發(fā)光強(qiáng)度方向）的發(fā)光強(qiáng)

7、度 ididRidRRdiRdsdnsinsin22 ),(),(),( ididiII ididsin), i (I), i (d020 球坐標(biāo)下立體角的求法球坐標(biāo)下立體角的求法 （1）1881年年,“燭光燭光”，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（用蠟燭發(fā)光），國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（用蠟燭發(fā)光） （2）1948年，第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)規(guī)定年，第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)規(guī)定“坎德拉坎德拉”為發(fā)光強(qiáng)為發(fā)光強(qiáng)度單位度單位 （3）我國(guó)）我國(guó)1979年，建立鉑凝固點(diǎn)黑體光度基準(zhǔn)，年，建立鉑凝固點(diǎn)黑體光度基準(zhǔn)，0.3% 2. 光度學(xué)基準(zhǔn)的界定及其演變光度學(xué)基準(zhǔn)的界定及其演變 燭光燭光坎德拉坎德拉 （4）發(fā)光強(qiáng)度）發(fā)光強(qiáng)度坎德拉的

8、最新定義坎德拉的最新定義（1979年年10月，第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過）月，第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過） 坎德拉是頻率為坎德拉是頻率為 （真空中波長(zhǎng)（真空中波長(zhǎng)555nm）的）的單色輻射源，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，在該方向上的輻射強(qiáng)單色輻射源，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，在該方向上的輻射強(qiáng)度為度為 1/683 瓦特瓦特/ 球面度。（球面度。（W/sr）（主、客觀量）主、客觀量）Hz100154.540121（cd）坎德拉）坎德拉=1/683瓦特瓦特/ 球面度（球面度（W/sr） （555nm）（1） 定義定義*coscosdIdIBdSdSdBdSd發(fā)光面發(fā)光面法線法線方向上單位面積之發(fā)光強(qiáng)度。方向上單

9、位面積之發(fā)光強(qiáng)度。亮度的單位：亮度的單位：熙提（熙提（sbsb）即：流明每平方米球面度即：流明每平方米球面度22cd/msr)lm/(m或或 3.3.亮度亮度（發(fā)光體）和（發(fā)光體）和出光度出光度 （反光體）（反光體）（2 2）計(jì)算：）計(jì)算：r r 方向上的亮度方向上的亮度眼睛看到電視屏幕感覺亮不亮眼睛看到電視屏幕感覺亮不亮-稱稱視覺視覺亮度，亮度，單位是亮度單位是亮度cd/mcd/m2 2。輻射度量學(xué)：輻射亮度；光度學(xué)：（光）亮度輻射度量學(xué)：輻射亮度；光度學(xué)：（光）亮度亮度定義應(yīng)用亮度定義應(yīng)用: : 兩個(gè)發(fā)光體間的投影面積之比兩個(gè)發(fā)光體間的投影面積之比. .1. 余弦發(fā)光體余弦發(fā)光體cosnd

10、IdI 含義含義 物理意義物理意義:各個(gè)面元法線方向的發(fā)光各個(gè)面元法線方向的發(fā)光強(qiáng)度相同，但不同方向強(qiáng)度不同。強(qiáng)度相同，但不同方向強(qiáng)度不同。 三、余弦發(fā)光體和定向發(fā)光體三、余弦發(fā)光體和定向發(fā)光體余弦發(fā)光體也稱為余弦發(fā)光體也稱為朗伯光源朗伯光源（1）球面朗伯光源的亮度）球面朗伯光源的亮度 *cosdIdIBdSdS按照亮度的定義按照亮度的定義 朗伯定律朗伯定律球面朗伯光源球面朗伯光源dS，其法線方向亮度為，其法線方向亮度為cosndIdI 1nd IBd S2. 朗伯光源亮度的計(jì)算朗伯光源亮度的計(jì)算結(jié)論結(jié)論球面朗伯光源的亮度與方向無(wú)關(guān)！球面朗伯光源的亮度與方向無(wú)關(guān)！ 平面朗伯光源的亮度平面朗伯光

11、源的亮度 （2）平面朗伯光源亮度的計(jì)算平面朗伯光源亮度的計(jì)算1nnd IBd S21coscosnnnndIdIBdSdSdIBdS定值法線方向亮度的計(jì)算法線方向亮度的計(jì)算任意方向亮度的計(jì)算任意方向亮度的計(jì)算按照朗伯定律按照朗伯定律 cosndIdI 結(jié)論結(jié)論平面朗伯光源的亮度也與方向無(wú)關(guān)平面朗伯光源的亮度也與方向無(wú)關(guān)！ 3、定向發(fā)光體、定向發(fā)光體 激光器的亮度激光器的亮度 102261mW10 W/(m sr)cos1mm10 srBS 激光的準(zhǔn)直度非常好激光的準(zhǔn)直度非常好激光的亮度激光的亮度HeNe激光器激光亮度是太陽(yáng)表面的激光器激光亮度是太陽(yáng)表面的1萬(wàn)倍！萬(wàn)倍！sr)W/(m10B26太

12、陽(yáng)書桌臺(tái)面受到光照多少書桌臺(tái)面受到光照多少-稱稱照度照度 一盞或多盞燈照明書桌臺(tái)面，如果光照多看書則亮。這個(gè)一盞或多盞燈照明書桌臺(tái)面，如果光照多看書則亮。這個(gè)受到光照多少稱照度受到光照多少稱照度lx。教室書桌臺(tái)面照度一般需要大于。教室書桌臺(tái)面照度一般需要大于300lx。照度。照度 E（Illuminance）單位：?jiǎn)挝唬簂x（讀勒克斯）（讀勒克斯）測(cè)量用手持照度表測(cè)量用手持照度表單位：?jiǎn)挝唬豪湛怂梗ɡ湛怂梗↙xLx），），舊稱舊稱 輻透（輻透（phph）；1、定義定義：入射在被照物單位面積上的光通量入射在被照物單位面積上的光通量2、計(jì)算計(jì)算1點(diǎn)光源的照度點(diǎn)光源的照度22co sco sdIdI

13、d SIEd Sd Sd SRR 輻射度量學(xué)輻射度量學(xué)-輻射照度，光度學(xué)輻射照度，光度學(xué)-光照度；物面照度，像光照度；物面照度，像面照度；光源出射度面照度；光源出射度 四、照度四、照度 被被點(diǎn)光源點(diǎn)光源照射物的照度照射物的照度 2lm/m1lx 計(jì)算計(jì)算2面光源的照度（面光源的照度（P28） 被被面光源面光源照射物的照度照射物的照度 2coscosdSdB ddSBdSr2coscos()ESdBdSEdEddSr光 源 表 面S 面元發(fā)出的面元發(fā)出的光通量光通量例題例題5的問題的問題 rddrdSSdrdSBSdBddn coscos21寬寬的的環(huán)環(huán)帶帶rddSdrrdrBdd coscos

14、20212對(duì)對(duì)環(huán)環(huán)帶帶積積分分 rdrSdrBddRcoscos2022 大盤光源上大盤光源上dS對(duì)被照面元對(duì)被照面元dS的光通量的光通量大盤光源上大盤光源上環(huán)帶環(huán)帶對(duì)被照面元對(duì)被照面元dS的光通量的光通量大盤光源大盤光源整個(gè)整個(gè)對(duì)被照面元對(duì)被照面元dS的光通量的光通量220222422222002coscoscoscos22()RrRRBdSzddr drrrBz dSrBR dSr drBz dSdrrrzRz 222dBREdSRz 2222222coscos;zrzrzzrzrzzrr 大盤光源大盤光源整個(gè)整個(gè)對(duì)對(duì)在圓盤軸線上的照度為在圓盤軸線上的照度為 小 結(jié)1.對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)對(duì)光

15、的本性的認(rèn)識(shí)（1）微粒說：服從經(jīng)典力學(xué)的微粒）微粒說：服從經(jīng)典力學(xué)的微粒（2）波動(dòng)說：彈性以太波）波動(dòng)說：彈性以太波電磁波電磁波（3）波粒二象性：光子及其波函數(shù)）波粒二象性：光子及其波函數(shù)2.光強(qiáng)：光的平均能流密度。光強(qiáng)：光的平均能流密度。 按光的電磁理論：按光的電磁理論： 光強(qiáng)光強(qiáng) n折射率，折射率，E0電場(chǎng)振幅電場(chǎng)振幅202002EEcnHEI 3.幾何光學(xué)三定律幾何光學(xué)三定律（1）直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)里沿直線傳播）直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)里沿直線傳播（2）反射定律：反射線在入射面內(nèi)，反射角等于入射角：）反射定律：反射線在入射面內(nèi)，反射角等于入射角：（3）折射定律：折射線在入射面內(nèi)

16、，折射角與入射角正弦之比）折射定律：折射線在入射面內(nèi)，折射角與入射角正弦之比等于常數(shù)（相對(duì)折射率）。等于常數(shù)（相對(duì)折射率）。光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，入射角入射角i1ic=arcsin(n2/n1)時(shí)發(fā)時(shí)發(fā)生全反射。生全反射。122121sinsinnnnii4. 惠更斯原理惠更斯原理波面上的每一面元可認(rèn)為是次波源，這些次波面的包絡(luò)面是下波面上的每一面元可認(rèn)為是次波源，這些次波面的包絡(luò)面是下一時(shí)刻的波面。一時(shí)刻的波面。u2折射波傳播方向折射波傳播方向u1FDru2 t入射波入射波AECi法線法線媒質(zhì)媒質(zhì)1、折射率折射率n1媒質(zhì)媒質(zhì)2、折射率折射率n2B12sinsin

17、nnriiACtuBCsin1rACtuADsin221sinsinuuri5.費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理 QP兩點(diǎn)間光線的實(shí)際路徑，是光程（兩點(diǎn)間光線的實(shí)際路徑，是光程（QP）為平穩(wěn)（極小、）為平穩(wěn)（極小、極大或恒定）的路徑。（光程極大或恒定）的路徑。（光程折射率折射率幾何路程）幾何路程）0)(QPndlQP6. 棱鏡最小偏向角棱鏡最小偏向角min: 2sin2sinminn光通量：光通量：能被人的視覺系統(tǒng)感受到的那部份光輻射功率的大能被人的視覺系統(tǒng)感受到的那部份光輻射功率的大小，單位是小，單位是lm(流明流明). 理解：理解：1. 它是指在單位時(shí)間里通過一個(gè)面積的能量流它是指在單位時(shí)間里通過一個(gè)面積

18、的能量流. 2. 它是人的視覺系統(tǒng)所感受到的那一部份光，即可見光單它是人的視覺系統(tǒng)所感受到的那一部份光，即可見光單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)光的實(shí)際功率位波長(zhǎng)間隔內(nèi)光的實(shí)際功率Km：是一個(gè)轉(zhuǎn)換常數(shù)，即光功當(dāng)量，數(shù)值：是一個(gè)轉(zhuǎn)換常數(shù)，即光功當(dāng)量，數(shù)值=683lm/W，即，即表示在人眼視覺系統(tǒng)最敏感的波長(zhǎng)（表示在人眼視覺系統(tǒng)最敏感的波長(zhǎng)（555nm）上，每瓦光）上，每瓦光功率相應(yīng)的流明數(shù)。功率相應(yīng)的流明數(shù)。dVK)()(max7.光度學(xué)基本概念光度學(xué)基本概念:光強(qiáng)：光強(qiáng)： 描述在某一個(gè)方向上發(fā)出光通量的能力，定義在指定方向上描述在某一個(gè)方向上發(fā)出光通量的能力，定義在指定方向上的一個(gè)很小的立體角元內(nèi)所包含的光通量值，除以這個(gè)立體角的一個(gè)很小的立體角元內(nèi)所包含的光通量值，除以這個(gè)立體角元，所得的商就定義為光源在此方向上的發(fā)光強(qiáng)度，公式為：元，所得的商就定義為光源在此方向上的發(fā)光強(qiáng)度，公式為： 式中：式中：I為發(fā)光強(qiáng)度，為發(fā)光強(qiáng)度，d為立體角元，為立體角元，d為立體角元所包含為立體角元所包含的光通量，發(fā)光強(qiáng)度的單位是的光通量，發(fā)光強(qiáng)度的單位是cd（坎德拉）（坎德拉）ddI亮度：亮度：發(fā)光強(qiáng)度只描