光度学基础和反射理论
- 格式:docx
- 大小:575.52 KB
- 文档页数:9
光学基础知识:光的反射、折射、衍射光的传播可以归结为三个实验定律:直线传播定律、反射定律和折射定律。
【光的直线传播定律】:光在均匀介质中沿直线传播。
在非均匀介质种光线将因折射而弯曲,这种现象经常发生在大气中,比如海市蜃楼现象,就是由于光线在密度不均匀的大气中折射而引起的。
【费马定律】:当一束光线在真空或空气中传播时,由介质1投射到与介质2的分界面上时,在一般情况下将分解成两束光线:反射(reflection)光线和折射(refraction)光线。
光线的反射光线的反射取决于物体的表面性质。
如果物体表面(反射面)是均匀的,类似镜面一样(称为理想的反射面),那么就是全反射,将遵循下列的反射定律,也称“镜面反射”。
入射光线、反射光线和折射光线与界面法线在同一平面里,所形成的夹角分别称为入射角、反射角和折射角。
【反射定律】:反射角等于入射角。
i = i'对于理想的反射面而言,镜面表面亮度取决于视点,观察角度不同,表面亮度也不同。
当反射面不均匀时,将发生漫反射。
其特点是入射光线与反射光线不满足反射定律。
一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做均匀反射,其亮度与视点无关,是个常量。
光线的折射一些透明/半透明物体允许光线全部/部分地穿透它们,这种光线称为透射光线。
当光线从一种介质(比如空气)以某个角度(垂直情形除外)入射到另外一种具有不同光学性质的介质(比如玻璃镜片)中时,其界面方向会改变,就是会产生光线的折射现象。
光的折射是由于光在不同介质的传播速度不同而引起的。
光线折射满足下列折射定律:入射角的正弦与折射角的正弦之比与两个角度无关,仅取决于两种不同介质的性质和光的波长,【折射定律】:n1 sin i = n2 sin r任何介质相对于真空的折射率,称为该介质的绝对折射率,简称折射率(Index of refraction)。
对于一般光学玻璃,可以近似地认为以空气的折射率来代替绝对折射率。
公式中n1和n2分别表示两种介质的折射率。
光度学基础光度学是研究光的流动和光能的传播的科学,也是物理学的一个分支。
它研究光的性质、光的产生、传播、相互作用以及光与物质之间的相互作用等方面的内容。
在光度学中,我们关注的是光的强度、光的波长、光的频率以及光的速度等基本特性。
光的强度是指光的能量在单位时间内通过单位面积的流量,也就是单位时间内光通过的功率。
在国际单位制中,光的强度的单位是瓦特/平方米(W/m²)。
光的强度是光度学中最基本的量度,它可以用来描述光源的亮度。
当光的强度增大时,我们感觉到的亮度也会增加。
光的波长是指光波在传播过程中一个完整波动所需的距离。
在光度学中,我们常用纳米米(nm)来表示光的波长。
不同波长的光会引起不同的视觉效果,例如红光的波长较长,而紫光的波长较短。
光的波长还与光的颜色有关,我们常见的七彩光谱就是由不同波长的光组成的。
光的频率是指单位时间内光波的震动次数。
光的频率与光的波长有关系,它们之间的关系可以用光速来计算。
光速是光在真空中传播的速度,它是一个常数,约为每秒30万公里。
光的频率和波长满足一个简单的关系,即频率乘以波长等于光速。
因此,当光的波长变长时,光的频率会相应变小。
光的速度是光度学中非常重要的一个特性。
光的速度是自然界中最快的速度,它在真空中的数值约为每秒30万公里。
光的速度在不同介质中会发生变化,通常情况下,光在介质中的传播速度会比在真空中的传播速度慢。
这是因为光在介质中会与介质中的原子或分子相互作用,导致传播速度减小。
除了以上几个基本特性外,光度学还研究光与物质之间的相互作用。
光与物质之间的相互作用可以分为吸收、反射、折射和散射等几种形式。
当光通过物质时,物质会吸收光的能量,这就是光的吸收现象。
当光遇到物体表面时,一部分光会被物体表面反射回来,这就是光的反射现象。
当光从一种介质传播到另一种介质时,光的传播方向会发生改变,这就是光的折射现象。
当光通过物质时,光与物质中的微粒相互作用,导致光的传播方向发生随机改变,这就是光的散射现象。
反射原理一、反射的物理基础反射是物理学中的一个基本概念,涉及到光、声、电等不同领域。
在光学中,当光遇到不同介质(如空气、水、玻璃等)的分界面时,会因为速度的突然变化而发生反射或折射现象。
反射的本质是光波在物质表面发生能量交换,部分能量被反射回来,部分能量则继续传播。
1.波动性与粒子性:光既具有波动性,又具有粒子性。
在反射过程中,光的波动性表现为电磁波的传播和干涉、衍射等现象;光的粒子性则表现为能量交换和光子数量的减少。
2.能量守恒与半波损失:反射过程中能量是守恒的,即入射光的能量等于反射光和折射光的总能量。
但在某些特殊情况下,可能会发生半波损失,即光在界面处传播时,相位突然改变π。
3.费马原理与斯涅尔定律:费马原理指出光线在两点间传播时,总是沿着所需时间为极值的路径传播,这个极值可以是极大值、极小值或恒定值。
根据这一原理,可以推导出反射角等于入射角(斯涅尔定律)和折射定律等基本光学规律。
二、反射的类型与表现根据不同的分类标准,可以将反射分为多种类型。
1.镜面反射与漫反射:根据反射面的平滑程度,可以将反射分为镜面反射和漫反射。
镜面反射是指光线照射到平滑表面时发生的反射,此时反射光线与入射光线平行且方向一致;漫反射则是由于表面粗糙不平,导致反射光线向各个方向散射。
2.规则反射与不规则反射:根据物体表面反射特性的规律性,可以将反射分为规则反射和不规则反射。
规则反射是指物体表面具有恒定的反射比率和方向,如镜子、金属表面等;不规则反射则是指物体表面反射比率和方向随观察角度和光照条件的变化而变化,如生物体表面、粗糙墙面等。
3.单次反射与多次反射:根据光在物体表面发生的反射次数,可以将反射分为单次反射和多次反射。
单次反射是指光在物体表面只发生一次反射,即直接返回光源方向;多次反射则是指光在物体表面多次发生反射,可以在物体内部形成复杂的传播路径。
三、反射系数与边界条件在光学中,反射系数用于描述物体表面反射能力的大小,通常用百分比表示。
光学基础知识详细版光学是一门研究光及其与物质相互作用的科学。
它不仅对科学研究和技术发展具有重要意义,而且在我们日常生活中也随处可见。
光学基础知识包括光的传播、光的反射、光的折射、光的干涉、光的衍射和光的偏振等方面。
1. 光的传播光是一种电磁波,它在真空中的传播速度约为每秒30万千米。
光在同一种均匀介质中沿直线传播,这是光学中的基本原理之一。
当光从一种介质传播到另一种介质时,会发生折射现象。
2. 光的反射光的反射是指光线遇到界面时改变传播方向的现象。
根据反射定律,入射角等于反射角。
光的反射可以分为镜面反射和漫反射两种。
镜面反射是指光线在光滑表面上的反射,反射光线方向明确;漫反射是指光线在粗糙表面上的反射,反射光线方向杂乱无章。
3. 光的折射光的折射是指光线从一种介质传播到另一种介质时,传播方向发生改变的现象。
根据折射定律,入射角、折射角和两种介质的折射率之间存在一定的关系。
光的折射现象在生活中非常普遍,如眼镜、放大镜、显微镜等光学仪器都是基于光的折射原理制成的。
4. 光的干涉光的干涉是指两束或多束光线相遇时产生的光强分布现象。
光的干涉可以分为相干干涉和非相干干涉两种。
相干干涉是指频率相同、相位差恒定的光线相遇时产生的干涉现象;非相干干涉是指频率不同或相位差不恒定的光线相遇时产生的干涉现象。
光的干涉现象在光学测量、光学成像等领域有着广泛的应用。
5. 光的衍射光的衍射是指光线通过狭缝或障碍物时,发生偏离直线传播的现象。
光的衍射现象在光学成像、光学检测等领域有着重要的应用。
6. 光的偏振光的偏振是指光波的电场矢量在某一特定方向上振动的现象。
光的偏振可以分为自然光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光等。
光的偏振现象在光学通信、光学测量等领域有着重要的应用。
欧几里得光的透射和反射原理欧几里得光的透射和反射原理是指光线在介质之间传播时所遵循的规律。
欧几里得光学是光的几何光学的一种理论,主要研究光的传播和相互作用。
透射和反射是光与边界面相互作用时常见的现象。
在介绍透射和反射原理之前,我们先简单了解一下光的本质。
光是由电磁波形成的,电磁波由电场和磁场交替变化而组成。
光有波粒二象性,既可以看作是一种波动现象,也可以看作是由粒子(光子)组成的微观粒子。
首先,我们来讨论光的透射现象。
当光从一种介质传播到另一种介质时,光线会遇到两个介质之间的边界面。
根据欧几里得光学的规律,光线在边界面上发生折射,即改变传播方向。
折射的规律可以用斯涅尔定律来描述,斯涅尔定律表示了入射角、出射角和介质折射率之间的关系。
斯涅尔定律可以用以下公式表示:n1sin(θ1) = n2sin(θ2)其中,n1和n2分别为两个介质的折射率,θ1和θ2分别为光线在入射介质和出射介质中的入射角和折射角。
根据这个公式,我们可以得出结论:入射角和折射角之间的正弦值成正比,折射角的大小与入射角和介质折射率有关。
在讨论透射的时候,我们还需要了解一下全反射现象。
当光从光密介质射向光疏介质时,折射角可能大于90度。
当入射角增大到一定程度时,折射角会达到90度,此时光无法进入光疏介质,而会全部反射回光密介质。
这种现象称为全反射。
全反射的发生与介质的折射率有关。
当光由折射率较大的介质射向折射率较小的介质时,全反射会发生。
折射率越大,全反射发生的入射角就越小。
全反射在实际生活中有广泛的应用,例如光纤通信中的信号传输就是基于全反射原理。
接下来,我们来讨论光的反射现象。
当光线遇到一个平面的边界面时,一部分光线会返回原来的介质,这种现象称为反射。
根据反射定律,入射角和反射角之间的关系可以表示为:θi = θr其中,θi为入射角,θr为反射角。
根据反射定律,入射角和反射角相等,光线在反射过程中保持了与边界面的入射角度相同的方向。
反射学的原理及应用1. 反射学的原理反射是光线在与介质边界相交时改变方向的现象。
反射学是研究光线从一种介质射入另一种介质时的现象和规律的学科。
在反射中,光线遵循一定的规律,即反射定律。
1.1 反射定律反射定律是描述光线反射行为的基本规律。
根据反射定律,光线在入射介质和出射介质的界面上的反射角等于入射角,且入射光线、法线和反射光线在同一平面内。
反射定律可以用数学表达式表示为:入射角 = 反射角1.2 反射的类型根据光线经过的介质不同,反射可以分为以下几种类型:•光线由光密介质射向光疏介质时,为正常反射。
•光线由光疏介质射向光密介质时,为逆反射(全反射)。
•光线由光疏介质射向光密介质时,如果入射角大于临界角,则发生全反射。
2. 反射学的应用反射学在生活和科学研究中有许多应用,下面列举了一些典型的应用:2.1 镜面反射镜面反射是反射学中最常见的现象之一。
镜面反射指的是光线从光密介质射向光疏介质时,光线的反射方向遵循反射定律并且反射光线呈现镜像关系。
根据这一原理,我们可以制造出各种用途的镜子,如平面镜、凸镜和凹镜等。
镜面反射的应用广泛,包括光学仪器、望远镜、显微镜、反光镜等。
2.2 光纤通信光纤通信是一种利用光线的反射特性进行信息传输的技术。
光纤是由一种具有高反射率的光学材料制成的细长光学导波器件。
利用光线在光纤中的多次反射,可以将信息以光信号的形式传输到较大距离的地方。
光纤通信具有高速传输、大容量、抗干扰能力强等优点,在现代通信中应用广泛。
2.3 汽车车灯设计汽车车灯设计中的反光原理是利用反射光线的特性来实现灯光的有效照射。
汽车车灯通常包括大灯、刹车灯、转向灯等。
通过合理设计反射器、聚光镜等部件,可以使灯光聚焦和扩散,达到提高照明效果和能见度的目的。
反射学的原理在汽车车灯设计中起到了重要的作用。
2.4 光学薄膜光学薄膜是指利用光学多次反射和干涉的原理来制备的薄膜材料。
光学薄膜可以用于反射镜、透镜、偏振器、滤光器等光学元件的制造。
光度学基础和反射
理论——Photometry principle & Reflection theory
简介
光度学是1760年由朗伯建立的,且定义了光通量、发光强度、照度、亮度等主要光学光度学参量,并用数学阐明了它们之间的关系和光度学几个重要定律,如照度的叠加性定律、距离平方比定律、照度的余弦定律等,这些定律一直沿用至今,实践已证明是正确的。
在可见光波段内,考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学。
▪
参量定义
光度学(Photometry )的核心定义是光通量Φ,单位是流明,可以理解为光能的功率。
其他定义与其的关系如下:
光通量Φ 单位
lm
发光强度I 单位lm/sr
I=d Φ/d ω= r 2*d Φ/(cos θ*d A)辅照度E 单位lm/m 2
E= d Φ/*d A
其中d ω=cos θ*d A/r 2辅射度L
单位lm/(sr*m 2)
L= d 2Φ/(cos θ*d A*d ω)
单位方向角内的光通量=单位圆上
单位透视缩小面积上的光通量
单位面积接受的光通量
单位透视缩小面积单位辐射角接受
/发出的光通量
BRDF=L/E
dI=r 2Ld ω
▪双向反射分布函数
BRDF被定义为物体表面处辐射度和辐照度的比值(单位sr-1):
f(x,ωi,ωo)=L0(x,ωo)
E i(x,ωi)
=
L0(x,ωo)
d∅
dA
=
L0(x,ωo)
I i(x,ωi)
dω
dA
=
L0(x,ωo)
I i(x,ωi)cosθi/r2
整理后得到点光源情况下辐射度的公式:
L0(x,ωo)=I i(x,ωi)cosθi f(x,ωi,ωo)
r2
因:dI i(x,ωi)=r2L i(x,ωi)dω带入上式,得到光源不是点光源情况下,如光源区域在Ω内,辐射度的公式:
L0(x,ωo)=∫L i(x,ωi)cosθi f(x,ωi,ωo)dω
Ω
▪典型反射模型
Lambert:f(x,ωi,ωo)=const
I0=kI i〈l,n〉——l:light norm,n:surface norm 描述:理想漫反射模型
Lommel-Seelinger:f(x,ωi,ωo)=const
一般p(α)=1
——μ0=cosϖi,μ=cosϖo,ϖ:single scattering albedo单次照射散射率描述:月球天体模型
Lunar-Lambert:
描述:月球天体模型
Phong:I0=k a I a+k d I i〈l,n〉+k s I i〈r,v〉s
——r:perfect ref norm,v:view norm,
——I a:envirument light,s:surface smoothness 描述:漫反射与镜面反射综合模型
Oren–Nayar
The surface roughness model used in the derivation of the Oren-Nayar model is the microfacet model, proposed by Torrance and Sparrow,[2] which assumes the surface to be composed of long symmetric V-cavities. Each cavity consists of two planar facets. The roughness of the surface is specified using a probability function for the distribution of facet slopes. In particular, the Gaussian distribution is often
used, and thus the variance of the Gaussian distribution, , is a measure of the roughness of the surfaces. The standard deviation of the facet slopes (gradient of the surface elevation), ranges in .
In the Oren–Nayar reflectance model, each facet is assumed to be Lambertian in reflectance. As shown in the image at right, given the radiance of the incoming light
, the radiance of the reflected light , according to the Oren-Nayar model, is
Where
and is the albedo of the surface, and is the roughness of the surface. In the case of (i.e., all facets in the same plane), we have , and , and thus the Oren-Nayar model simplifies to the Lambertian model:
Minnaert function
From Wikipedia, the free encyclopedia
The Minnaert function is a photometric function used to interpret astronomical observations [1][2] and remote sensing data for the Earth.[3] This function expresses the radiance factor (RADF) as a function the phase angle () and the photometric latitude () and the photometric longitude ().
where is the Minnaert albedo, is an empirical parameter, is the
scattered radiance in the direction , ,is the incident radiance, and
The phase angle is the angle between the light source and the observer with the object as the center.
The assumptions made are:
the surface is illuminated by a distant point source.
the surface is isotropic and flat.
Minnaert's contribution is the introduction of the parameter , having a value between 0 and 1,[4] originally for a better interpretation of observations of the Moon. In remote sensing the use of this function is referred to as Minnaert topographic correction, a necessity when interpreting images of rough terrain.
参考文献:
[1]. 维基百科:/wiki/光度学
[2]. 维基百科:/wiki/Oren–Nayar_reflectance_model
[3]. 维基百科:/wiki/Phong_reflection_model
[4]. 维基百科:
/wiki/Bidirectional_reflectance_distribution_function
[5]. 维基百科:/wiki/Minnaert_function
[6]. http://space.unibe.ch/staff/thomas/07_Photometry_Rev.pdf
[7]. http://www.astro.uvic.ca/~tatum/plphot/plphot03.pdf,Chapter 3. A Brief History of the Lommel-Seeliger Law.
[8].郑作勇, 基于图像的带高光物体的形状和反射属性建模技术研究, 2009, 上海交通大学.
[9].杨磊, 韩九强, 王国珲,基于Shape - from - Shading 的月球表面三维形状
恢复算法研究,宇航学报,2008.11,29(6),1995~2000
[10].Maxwell B.Fairbairn,Planetary Photometry:The Lommel-Seeliger Law,The Royal Astronomical Society of Canada,NASA Astrophysics Data System。