工程光学第五章光度学与色度学

第五章习题及答案

1、一个100W的钨丝灯，发出总光通量为

，求发光效率为多少?解：

2、有一聚光镜，（数值孔径

），求进入系统的能量占全部能量的百

分比。解：而一点周围全部空间的立体角为

3、一个的钨丝灯，已知：

，该灯与一聚光镜联用，灯丝中

心对聚光镜所张的孔径角，若设灯丝是各向均匀发光，求

1）灯

泡总的光通量及进入聚光镜的能量；2）求平均发光强度解:

4、一个的钨丝灯发出的总的光通量为

，设各向发光强度相等，

求以灯为中心，半径分别为：

时的球面的光照度是多少？解：

5、一房间，长、宽、高分别为：，一个发光强度为

的灯挂

在天花板中心，离地面，1）求灯正下方地板上的光照度；2）在房间角落

处地板上的光照度。解：

工程光学第五章知识点

第五章光学系统的光束限制

第一节概述

1，问题提出

●光学系统应满足前述的物像共轭位置和成像放大率要求

●应满足一定的成像范围

●应满足像平面上有一定的光能量和分辨本领

●这就是如何合理限制光束的问题

●每个光学零件都有一定的大小，能够进入系统成像的光束总是有一定限度的。决定每个光学零件尺寸

的是系统中成像光束的位置和大小，因此在设计光学系统时，都必须考虑如何选择成像光束的位置和大小的问题。这就是本章所要讨论的内容。

●例如：人的眼睛中的虹膜能随着外界光线的强弱改变瞳孔的直径。进入眼睛的光能量将随着瞳孔直径

的改变而改变。当外界景物过亮时，瞳孔就缩小，以减少进入眼睛的光能量，避免过度刺激视神经细胞；当外界景物较暗时，虹膜自动收缩，瞳孔直径加大，使进入眼睛的光能量增加，所以瞳孔其实就是一种孔径光阑。

●通常，光学系统中用一些中心开孔的薄金属片来合理的限制成像光束的宽度、位置和成像范围。这些

限制成像光束和成像范围的薄金属片称为光阑。光阑主要分两类：孔径光阑和视场光阑。此外还有消杂光阑、渐晕光阑。下面先一一做简单介绍，再重点讲解孔径光阑和视场光阑。

2.孔径光栅

●孔径光阑限制轴上点光束的孔径角（对于无限远物体，限制入射高度）

●对有限远处的物体用孔径角U来表示孔径大小，对于无限远物体则用入射高度（孔径高度）h来表示 照相机上的“光圈”就是可变的孔径光阑

●人眼的瞳孔也是可变的孔径光阑，对于目视光学系统如显微镜、望远镜等必须把瞳孔作为一个光阑来

考虑

●视场光阑限制成像范围

●对有限远处的物体用物高y（或像高y'）来表示视场（线视场），对无限远处的物体用视场角ω来表

示

●

●照相机中的底片框就是视场光阑

●照相机的标准镜头的视场角（2ω）为40~45°，而广角镜头的视场角（2ω）在65°以上

3.渐晕光栅

●渐晕：轴外点光束被部分拦截

●光束被部分拦截使得相应像点的照度下降

工程光学笔记总结

一、几何光学基本定律与成像概念。

1. 直线传播定律。

- 光在均匀介质中沿直线传播。例如小孔成像现象，就是光直线传播的体现。

- 应用：针孔相机的原理就是基于光的直线传播，光线通过小孔在成像面上形成倒立的实像。

2. 独立传播定律。

- 不同光线在空间相遇后互不干扰，各自沿原方向传播。

- 例如多束光在空间交叉时，每束光的传播路径不会因为其他光线的存在而改变。

3. 反射定律。

- 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内；反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角，即i = i'。

- 在平面镜成像中，像与物关于镜面对称，这是反射定律的重要应用。

4. 折射定律。

- n_1sinθ_1=n_2sinθ_2，其中n_1、n_2分别是两种介质的折射率，θ_1是入射角，θ_2是折射角。

- 全反射现象：当光线从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角θ_c=arcsin(n_2)/(n_1)时，发生全反射。光纤通信就是利用了全反射原理，光在光纤内部通过不断全反射来传输信号。

5. 成像概念。 - 物点发出的光线经光学系统后，重新会聚于一点（实像）或光线的反向延长线会聚于一点（虚像）。

- 像的大小、正倒、虚实等性质取决于光学系统的特性和物像之间的相对位置。

二、理想光学系统。

1. 基点和基面。

- 焦点（F,F'）：平行于光轴的光线经光学系统后会聚（或其反向延长线会聚）的点。

- 主点（H,H'）：物方主点和像方主点，通过主点的光线方向不变。

- 节点（N,N'）：通过节点的光线，其出射光线与入射光线平行。

- 焦平面：过焦点且垂直于光轴的平面。

- 主平面：过主点且垂直于光轴的平面。

2. 成像公式。

- 高斯成像公式(1)/(l')+(1)/(l)=(1)/(f)，其中l为物距，l'为像距，f为焦距。

- 牛顿成像公式xx' = f f'，其中x为物点到物方焦点的距离，x'为像点到像方焦点的距离。

工程光学

第五章 光度学和色度学基础

 辐射量和光学量及其单位

 光传播过程中光学量的变化规律

 成像系统像面的光照度

 颜色的分类及其表现特征

 颜色混合及格拉斯曼颜色混合定律

 颜色匹配

 色度学中的几个概念

 颜色相加原理及光源色和物体色的三刺激值

 CIE标准色度学系统

 均匀颜色空间及色差公式 第一节 辐射量和光学量及其单位辐射量：纯粹的物理量；

光学量：视觉感受来度量可见光。

一. 辐射量

1. 辐射能: 反射、传输、接收的能量，单位焦耳。

（Qe）

2. 辐通量：单位时间内的辐射能，单位瓦特。

e dQe

dt 3. 辐出度：辐射源单位发射面积发出的辐通量。

Me de

dA

4. 辐照度：辐射照射面单位受照面积上接收的辐

通量。 Ee de

dA 5. 辐强度：点辐射源在单位立体角发出的辐通量。Ie de

d6. 幅亮度： 发光源的元面积在方向的辐量度为

该辐射面在垂直于该方向的平面上的单位投影

面积在单位 立体角内发出的辐通量。

Le de

cosdAd