光学基础知识和相关应用

光学基本概念

发光强度、光通量、光效、照度、亮度的简单介绍

光度学与光相关的常用量有4个：发光强度、光通量、照度、亮度。这4个量尽管是相关的，但为不同的，不能相混。正像压力、重力、压强、质量是不同的物理量一样。

1、强度（I、Intensity）

单位坎德拉（cd），是点光源的固有属性，表征光线的汇聚能力

定义：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)

解释：发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。

之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，现在LED都很厉害了，但还是沿用原来的说法。

用发光强度来表示“亮度”的缺点是，如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。因此，购买LED的时候不要一味追求高I值，还要看照射角度。很多高I值的LED 并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的，这尽管对LED

手电有用，但可观察角度也受限。另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。

之所以用发光强度来表示手电或LED，是因为在相同距离下对被照射地的照度是与这个成正比的。特别的说，距离1m的lx就是cd值。但是，很多场合下我们需要照射面积大一些，所以只用发光强度这一特性还不能全面反应手电的能力。比如，同样的筒身，换个大头（大反光杯）则I值马上增大许多。因此，很多情况下我们用光通量（单位流明，见下）来表示手电了。

光照度与勒克斯：

光照度是表明物体被照明程度的物理量。光照度与照明光源、被照表面及光源在空间的位置有关，大小与光源的光强和光线的入射角的余玄成正比，而与光源至被照物体表面的距离的平方成反比。光照度可用照度计直接测量。 光照度的单位是勒克斯，英文lux的音译，也可写为lx 。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一方向被照面上的照度。例如摄像、摄影照明灯、手电筒和汽车前灯等都装有反光镜。

以下是各种环境照度值：单位 lux

黑夜 0.001 - 0.02

月夜 0.02 - 0.3

阴天室内 5 - 50

阴天室外 50 - 500

晴天室内 100 – 1000

夏季中午太阳光下的照度 约为109

阅读书刊时所需的照度 50 - 60

电视演播室所需照度 300 – 2000

家用摄像机所需最小照度 0.3 - 1

家用摄像机标准照度 1400

当光源照射在一个物体上时，我们可以测出哪是光源发射的（Lumvnance?D亮度）或哪是物体反射的（Illuminance?D照度）。

（2）照度取决于物体的反射特性。它非常类似于照片，它测量的仅仅是反射光。它通用的单位是勒克斯。

（3）然而，EL灯是一个光源：它应当用亮度单位来表示，也就是fL（英尺朗伯）或cd/m2，也称为“nits”。有些工程师更倾向于用fL，而国际标准组织常用nits。nits与fL转换的公式为：1 nits×0.2919=1 fL；和1

fL×3.426=1 nits[注；这些因数由pi（π）和m2/ft2（0.0929）导出。

（4）很明显，用勒克斯是一个不正确的单位，从勒克斯也不能转换成其它单位。 1 Lux = 1 lumen per square

meter = 0.0929 footcandle 1 footcandle= 1lumen per square foot = 10.764 Lux 1 foot Lambert= 3.426 candelas per

...

.. 光学的基本原理及应用

人类很早就开始了对光的观察研究，逐渐积累了丰富的知识。远在2400多年前，我国的墨翟(公元前468—前376)及其弟子们所著的《墨经》一书，就记载了光的直线传播、影的形成、光的反射、平面镜和球面镜成像等现象，可以说是世界上最早的光学著作。

现在，光学已成为物理学的一个重要分支，并在实际中有广泛应用．光学既是物理学中一门古老的基础学科，又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前景。

按研究目的的不同，光学知识可以粗略地分为两大类．一类利用光线的概念研究光的传播规律，但不研究光的本质属性，这类光学称为几何光学；另一类主要研究光的本性(包括光的波动性和粒子性)以及光和物质的相互作用规律，通常称为物理光学。

一、光学现象原理

光的传播速度很快，地球上的光源发出的光，到达我们眼睛所用的时间很短，根本无法觉察，所以历史上很长一段时间里，大家都认为光的传播是不需要时间的．直到17世纪，人们才认识到光是以有限的速度传播的。

光速是物理学中一个非常重要的基本常量，科学家们一直努力更精确地测定光速．目前认为真空中光速的最可靠的值为 ...

.. c＝299 792 458 m/s

在通常的计算中可取

c＝3.00×108m/s

玻璃、水、空气等各种物质中的光速都比真空中的光速小．

（一）直线传播

光能够在空气、水、玻璃透明物质中传播，这些物质叫做介质．在小学自然和初中物理中我们已经学过，光在一种均匀介质中是沿直线传播的．自然界的许多现象，如影、日食、月食、小孔成像等，都是光沿直线传播产生的．

由于光沿直线传播，因此可以沿光的传播方向作直线，并在直线上标出箭头，表示光的传播方向，这样的直线叫做光线。物理学中常常用光线表示光的传播方向。有的光源，例如白炽灯泡，它发出的光是向四面八方传播的；但是有的光源，例如激光器，它产生的光束可以射得很远，宽度却没有明显的增加．在每束激光中都可以作出许多条光线，这些光线互相平行，所以叫做平行光线．做简单实验的时候，太阳光线也可以看做平行光线． ...

信息一二三班的同学们：

对物理光学上课重点和历年考试的重点，做了一下统计，你们可以按照下面写的方向好好复习。可能有的还不全面，不过那都是些小的点哈，我总结的是大部分重点。（总结的不一定全考，考到的不一定在这个范围内哈，这是绝大部分重点）

出题形式：画图，计算, 简答（这是金老师出题的形式，但是得让陈老师参考，具体哪种是从里面选哈，不过听往届的说，陈老师喜欢整点论述题，呵呵，这你们得理解透了~~~~

第一章：光的电磁理论基础

麦克斯韦方程（微分，积分形式，到底哪种不晓得，两种都得理解透，注意审题）

平面波的公式一般形式要会啥，里面参数含义要明白，平面电磁波的性质要晓得。右手法则理解记忆。

然后就是电介质分界面的反射和折射（这个看起很难哦，那只是推导难，理解记忆）电磁场连续条件要知道。接下来就是透射和反射公式。这里面最最重要的就是全偏振方向现象的条件，半波损失理论，布儒斯特角理论。然后就是倏逝波理论，要会看图，可能要考，接下来就是古斯哈恩森位移，也要会看图。

第二章：光的干涉和干涉系统（超级重点。出大题的，都比较难，注意审题，一般都有转弯的）

干涉条件记住就行。主要是光程差计算。

杨氏干涉实验（很重要，很多变化题都用此实验的理论基础出的）90%可能考的。

等倾干涉，等厚干涉，有可能画图，也有可能看图。就是那些图样.

然后就是麦克尔逊干涉系统，FP系统。（重点）

第三章：光的衍射

艾利斑，定义理解，极可能画图。多缝衍射强图和衍射图样。

光栅（非常重要）原理，光栅方程。

菲涅尔衍射图样，会看。

第四章：傅里叶光学

4f系统（年年考，一定要弄清楚）

光路会画，所用系统器件名字，位置，原理，数学公式等。

用滤波原理采取措施去除图像上的一些信息。（如何处理，要明白）

第五章：光的偏振和晶体光学基础

这章是简单的计算和画图

画图就是光在单轴晶体中的传播方向的确定，晶体偏振器件那些各种棱镜的光路图，（极有可能是作图题）一定要会哈~