1、第六章 光能及其计算 本章要点1. 辐射能通量、光通量2. 光谱光视效率、发光效率3. 发光强度、光照度、光出射度、光亮度4. 黑体与白体，余弦辐射体5. 光束在同种介质中传播时的光亮度6. 经界面反射和折射时光亮度的传播7. 光学系统透过率的计算8. 成像光学系统像面轴上点的照度9. 像面照度与视场的关系引言光有能，入瞳出瞳就是限制能量的。对能的讨论本不是应用光学的范畴，但要设计仪器，不又能不了解一些起码的问题，否则所设计的仪器可能是无用的，因为不能传递足够的能量。我们要求光学系统传递的能量必须能被光能接收器所感知。6-1 辐射能通量，光通量 返回本章要点一、辐射量以电磁辐射形式发射、传输或
2、接收的能量称辐射能 1、辐射能单位：焦耳（J），尔格（erg)单位时间内通过某一面积的全部辐射能 W2、辐射能通量 由于辐射能总包含一定的光谱范围，若已知能量的光谱分布曲线即: 则任何辐射能接收器都只能接收某一光谱范围内的能量，即对不同光谱范围有不同的灵敏度。如人眼，=400760nm 为可见光。在这个范围内，人眼能比较光谱波长及能量大小。但各种波长的光引起人眼感觉、灵敏度不同。光谱光视效率二、光谱光视效率（视见函数） 返回本章要点人眼对 =555nm 的黄光最灵敏，定 420 510 555 610 700V 0.004 0.5 1.0 0.5 0.004这里 K 表示：对单位波长（1nm)
3、内具有 P 瓦的辐射能通量，能感受到 流明的光通量,即lm与辐射能通量相当的光度学单位（光通量）任意波长的 K表示 1W 该波长的光所相当的流明数，为绝对灵敏度。对其它波长有V 表征人眼的光谱灵敏度 人眼的相对灵敏度称光谱光视效率或视见函数三、光通量与发光效率 返回本章要点光通量是辐射能通量的光量度，即若干辐射能相当于多少光。由得 这是单位波长内的，因此整个光谱范围内有发光效率辐射体（光源）发出的总光通量与总辐射能通量之比。光源发出的总光通量/总辐射能通量 白炽灯 1W14lm莹光灯 1W50lm6-2 发光强度，光照度，光出射度和光亮度一、发光强度描述点光源的发光特性 返回本章要点设点光源在
4、元立体角 d 内发出的光通量为d，则其发光强度为发光强度为单位立体角内发出的光通量立体角 因此，整个空间 当光源在各个方向上发光强度相同时，总光通量为发光强度的单位坎德拉 （是光度学的基本单位）光源在给定方向上 1 球面度立体角内发出0.00146W 波长为 555nm 的单色光的能通量时的发光强度对 555nm 波长，1lm 光通量相当于 0.00146W的辐射能通量，因此二、光照度光源发出的光投射到某表面，该表面上的亮暗程度定义为单位面积上得到的光通量，即 返回本章要点若是点光源照明某个面积，有所以讨论： 1. I 越大则 E 越大；2.R 越大则 E 越小；3.与方向有关，当 i =0
5、即垂直照明时 E 最大；4.人眼具有分辨 E 大小的能力三、光出射度描述面光源的发光特性，定义为发光表面单位面积上发出的光通量，即(单位与光照度相同) 返回本章要点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。此时该二次光源的发光特性除与接受到的光通量有关外，还与自身的透射或反射率有关，有 为透射率或反射率，与波长有关，因而物体呈现彩色四、光亮度描述有限大小光源的发光特性对有限大小光源，显然给出比例系数 L Li光源在与法线成 i 角方向上的光亮度另一方面，考虑到 可得 i 方向单位面积上的发光强度单位：尼特面积 1 平方米的发光表面在法线方向的发光强度为 1 cd 时的亮度为 1 n
6、t。1nt=1cd/m 2某些光源，L 不随方向变，此时 I 随方向变，可推得这种光源称为余弦辐射体 返回本章要点6-3 光传播过程中光学量的变化规律一、点光源照明距离为 R 的表面时形成的照度参见光照度二、光亮度在同一介质中的传递光束的光亮度 返回本章要点发光的面光源为 dS1, 接受光通量的面积为 dS2, 得元光管因为光直线传播，光路可逆，也可看成 dS 2发光光束的光亮度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。三、光束经界面反射和折射后的亮度 返回本章要点忽略散射、吸收损失，有 d =d +d ”且按球坐标定义反射时 i”
7、= i , 因此 d ”=d则这里 是反射率。当入射角不大时此二式相乘，可导出 得且6-4 光学系统光能损失的计算 返回本章要点光学零件与空气接触面损失 胶合面n 与 n差不多，可略反射损失 漫反射、散射、多次反射杂散光，应改善材料及加工质量在空气中的吸收可略吸收损失 在光学零件中的吸收损失（1）能量损失反射面不完全反射的损失镀膜反射面，损失（1 r） 为透过率，即当光亮度为 1，经 1cm 传播，剩下 。若传播 dcm, 则1 为吸收率。一般玻璃中 1=0.01，空气中 =1据此，按面推导，可得光学系统所通过的光能（亮度）为k系统总面数K系统总透过率m金属反射面数d近似取各光学零件的沿轴厚度
8、6-5 成像光学系统像面的照度 返回本章要点一、通过光学系统的光通量1.进入系统的光通量（设光源发出的光在各方向上 L 相同）物面上 dS, 在 u 方向 d 立体角内所以， dS 发出的能进入系统的总光通量如果系统的能量透过率为 K，则由出瞳出射的光通量同理，从像面 dS考虑，可得出瞳出射的光通量二、轴上像点的光照度 返回本章要点dS上有 的光通量根据应相等得 正弦条件讨论： 光学系统孔径越大，像面照度越大系统放大倍率越小，像面照度越大（若 大，为了保证像面足够的像面照度，更要求照明好，U 要大）三、轴外像点的光照度 返回本章要点当物面亮度均匀时因所以得 E为轴上点的光照度，可见，轴外点的光照度随视场角的增大而显著下降。
