光学基本知识

1、1-1 1-1 1-2 1-2 人眼的视觉特性人眼的视觉特性 1-3 1-3 材料的光学性质材料的光学性质 光的性质：光的性质： l可见光：波长在可见光：波长在 380 760nm 之间的电磁波辐射。之间的电磁波辐射。 l不同波长的光在视觉上形成不同的颜色。不同波长的光在视觉上形成不同的颜色。 l多色光：一般光源发出的光往往是由不同波长的电多色光：一般光源发出的光往往是由不同波长的电 磁波组成，这样的光，称为多色光。磁波组成，这样的光，称为多色光。 l单色光：波长单一的光，称为单色光。单色光：波长单一的光，称为单色光。 光学基本知识 光谱光谱 颜色颜色中心波长中心波长nm范围范围nm 红红70

2、0640750 橙橙620600640 黄黄580550600 绿绿510480550 蓝蓝470450480 紫紫420400450 光学基本知识 1-1 基本光度单位及应用基本光度单位及应用 一、光通量一、光通量 二、发光强度二、发光强度 三、照度三、照度 四、亮度四、亮度 一、一、光通量：光通量： l光通量：是按照国际约定的人眼视觉特光通量：是按照国际约定的人眼视觉特 性评价的辐射能通量（辐射功率）。用性评价的辐射能通量（辐射功率）。用 F 表示，单位：光瓦，流明（表示，单位：光瓦，流明（lm ）。）。 光学基本知识 l明视觉明视觉(3(3cd/mcd/m2 2) )光谱光效应光谱光效应

3、 函数函数( (锥状视觉细胞）锥状视觉细胞）： 将黄绿光将黄绿光 =555=555nmnm的感觉量定的感觉量定 为为1 1，其余波长光的感觉量都，其余波长光的感觉量都 小于小于1 1，如图中的实线；，如图中的实线； 暗视觉光谱光效应函数（杆状暗视觉光谱光效应函数（杆状 视觉细胞）：视觉细胞）： 以蓝绿光以蓝绿光 =510=510nmnm的感觉量定的感觉量定 为为1 1，如图中虚线。，如图中虚线。 l光谱光效应函数光谱光效应函数 V ： 描述人眼对不同波长单色描述人眼对不同波长单色 光的视亮度感受性的差异。如图光的视亮度感受性的差异。如图2.1-3 l光通量的计算公式：光通量的计算公式： V P

4、 若为多色光，则光通量为各单色光的总和。即：若为多色光，则光通量为各单色光的总和。即： 波长为波长为 的辐射通量的辐射通量 l单位换算：单位换算： 1光瓦等于辐射通量为光瓦等于辐射通量为1W，波长波长 的黄绿光所产的黄绿光所产 生的光感觉量。生的光感觉量。 光瓦单位太大，常用另一较小单位流明（光瓦单位太大，常用另一较小单位流明（ ）。）。 nm555 lm lm6831光瓦 ,mE KVd 二、二、发光强度：发光强度： l发光强度：指光源所发出的光通量在空发光强度：指光源所发出的光通量在空 间的分布密度。间的分布密度。 l不同光源发出的光通量在空间的分布往不同光源发出的光通量在空间的分布往 往

5、不同。往不同。 l公式计算：当点光源在某一方向上的无公式计算：当点光源在某一方向上的无 限小立体角限小立体角 内发出的光通量为内发出的光通量为 时，则该方向上的发光强度为时，则该方向上的发光强度为 ddF d dF I l发光强度的单位：坎德拉发光强度的单位：坎德拉（CandelaCandela），），符号符号 。 立体角的单位：球面度，符号立体角的单位：球面度，符号 。 sr lm cd 1 1 1 cd sr 如图如图13-213-2，在一半径为，在一半径为 的球心的球心 O O 处放一光源，它向球表面处放一光源，它向球表面 ABCD ABCD 所包所包 围面积围面积 S S 上发出上发出

6、 F F 的光通量。的光通量。 面积面积 S S 在球心形成的立体角为在球心形成的立体角为 ： 则这一方向的发光强度为：则这一方向的发光强度为： r lm 2 r s F I 三、照度：三、照度： l照度：表示被照面上的光通量密度。照度：表示被照面上的光通量密度。 l计算公式：计算公式： 设被照面无限小面积设被照面无限小面积 上所接受的光通量为上所接受的光通量为 ， 则该点处的照度为：则该点处的照度为： 当光通量当光通量 均匀分布在被照面均匀分布在被照面 上时，则此时上时，则此时 被照面的照度为：被照面的照度为： l单位：勒克斯单位：勒克斯 dS dF E S F E dSdF F S )(

7、xl 2 1 1 1 m lm lx 四、亮度：四、亮度： l一单元表面在某一方向上的光强密度。一单元表面在某一方向上的光强密度。 l物体在视线方向上的发光强度越大，投影面积越小，就感到它越亮，物体在视线方向上的发光强度越大，投影面积越小，就感到它越亮， 即亮度越大。即亮度越大。 l亮度单位：熙提亮度单位：熙提sb，1cd/cm2=104cd/m2 l太阳亮度太阳亮度20万万sb，蓝天蓝天0.22.0sb，白炽灯灯丝亮度白炽灯灯丝亮度300500sb。 cos dA dI L 光学基本知识 100W白炽灯的光通量、发光强度、照度、亮度关系白炽灯的光通量、发光强度、照度、亮度关系 1、光通量：1

8、250lm。 2、发光强度： )(5 .99 4 1250 cd F I 如果加反射灯罩，把光向1/4个球面的立体角范围 投射，该方向的发光强度为398cd。 3、照度：在该灯正下方2米位置的照度为 lx S F E88.24 24 1250 2 在灯正下方1米位置照度为多少？被照面倾斜接收时如何计算？ 光学基本知识 4、亮度： 灯光垂直照射在其正下方2米处的白纸上（全漫反射）， 发光强度（反射光在半空间内均匀分布） 光学基本知识 1-2 人眼的视觉特性人眼的视觉特性 一、视觉一、视觉 二、亮度二、亮度阈阈 三、视野三、视野 四、视力四、视力 五、眩光五、眩光 一、视觉一、视觉 l视觉：指人眼

9、通过对光的感受由大脑中产生的感觉。视觉：指人眼通过对光的感受由大脑中产生的感觉。 l视觉的形成过程：视觉的形成过程： 光源（太阳或灯）发出光辐射；光源（太阳或灯）发出光辐射； 外界景物在光照射下产生颜色、明暗和形体的差异，外界景物在光照射下产生颜色、明暗和形体的差异， 相当于形成二次光源；相当于形成二次光源； 二次光源发出不同强度、颜色的信号进入人眼瞳孔，二次光源发出不同强度、颜色的信号进入人眼瞳孔， 借助眼球调节，在视网膜上成像；借助眼球调节，在视网膜上成像； 视网膜上接受的光刺激（即物象）变为脉冲信号，视网膜上接受的光刺激（即物象）变为脉冲信号， 经视神经传给大脑，通过大脑的解释、分析、判

10、断而经视神经传给大脑，通过大脑的解释、分析、判断而 产生视觉。产生视觉。 二、亮度阈二、亮度阈 l亮度阈：指能够引起视觉感觉的亮度范围的上、亮度阈：指能够引起视觉感觉的亮度范围的上、 下限值。下限值。 物体具有一定亮度是在视网膜上成像以引起视物体具有一定亮度是在视网膜上成像以引起视 觉感觉的基本条件。觉感觉的基本条件。 l实验表明人眼能感觉到物体存在一个最低亮度实验表明人眼能感觉到物体存在一个最低亮度 阈阈 ；视觉可以忍受的亮度上限约；视觉可以忍受的亮度上限约 为为 ，超过这一数值，视网膜就会因辐射，超过这一数值，视网膜就会因辐射 过强而受到损伤。过强而受到损伤。 sb 9 10 sb100

11、三、视野三、视野 l视野：指当头和眼睛不动时视野：指当头和眼睛不动时 人眼能察觉到的空间范围。人眼能察觉到的空间范围。 l视野范围视野范围 ： 单眼视野在垂直方向的角度单眼视野在垂直方向的角度 约约 ，水平方向约，水平方向约 ； 双眼视野较小一些，约占总视野中的双眼视野较小一些，约占总视野中的 范围。范围。 视线周围视线周围 内物体能在视网膜中心成像，清晰度内物体能在视网膜中心成像，清晰度 最高，这部分叫最高，这部分叫“中心视野中心视野”； 目标偏离中心视野以外观看时，叫目标偏离中心视野以外观看时，叫“周围视野周围视野”；视；视 线周围线周围 视觉环境的清晰度也较好。视觉环境的清晰度也较好。

12、0 130 0 180 0 120 00 51 0 30 四、视力四、视力 l视力：指任凭借视力：指任凭借 视觉器官辨认视觉器官辨认 目标或细节的敏锐程度。目标或细节的敏锐程度。 在数量上，视觉敏锐度等于刚在数量上，视觉敏锐度等于刚 能分辨的视角的倒数，即能分辨的视角的倒数，即 l视角视角 ：物体大小（或其中某细节的大小）对眼睛形成：物体大小（或其中某细节的大小）对眼睛形成 的张角。如图的张角。如图13-913-9。 视角计算式视角计算式 较小时的近似式较小时的近似式 min 1 V l d arctg 1 l d 通常用通常用“分分”表示视角大小：表示视角大小： l d l d 344060

13、 180 l眼分辨细节的能力主要是中心眼分辨细节的能力主要是中心 视野的功能。医学上常用兰道视野的功能。医学上常用兰道 尔环或尔环或“ E ”型视标检验人的型视标检验人的 视视 力。如图力。如图13-1013-10。 l视觉敏锐度随背景亮度、亮度对比、细节呈现时间、眼睛视觉敏锐度随背景亮度、亮度对比、细节呈现时间、眼睛 的适应状况等因素而变化。的适应状况等因素而变化。 五、眩光五、眩光 l眩光：指亮度过高或亮度对眩光：指亮度过高或亮度对 比过大的比过大的 刺眼光源。刺眼光源。 l不同位置的眩光对视力影响不同位置的眩光对视力影响 程度不同。程度不同。 如图如图13-1113-11。 l眩光源的尺

14、寸也影响刺激量的大小，眩光源的尺寸也影响刺激量的大小， 尺寸大的就刺眼一些。尺寸大的就刺眼一些。 l直射眩光：直接被眼看到，引起视觉直射眩光：直接被眼看到，引起视觉 功能损失的眩光；功能损失的眩光； 反射眩光：在一些光滑表面上，也可反射眩光：在一些光滑表面上，也可 能看到眩光源的反射形象，同样能引能看到眩光源的反射形象，同样能引 起视觉功能的损失，称反射眩光。起视觉功能的损失，称反射眩光。 光学基本知识 1-3 材料的光学性质材料的光学性质 一、定向反射和透射一、定向反射和透射 二、扩散反射和透射二、扩散反射和透射 （一）均匀扩散材料（一）均匀扩散材料 （二）定向扩散材料（二）定向扩散材料 l

15、光的反射、吸收和透射。如图光的反射、吸收和透射。如图13-1313-13。 据能量守恒，有据能量守恒，有 反射、吸收和透射光通量与入射光反射、吸收和透射光通量与入射光 通量之比，分别称为反光系数通量之比，分别称为反光系数 、 吸收系数吸收系数 和透光系数和透光系数 ，即，即 FFFF 1 F F F F F F F F F F F F 表表13-113-1， 13-213-2列出了列出了 常用建筑材常用建筑材 料的反光系料的反光系 数和透射系数和透射系 数，供采光数，供采光 设计时参考设计时参考 使用。使用。 l为作好采光和照明设计，还需了解光通量经介质为作好采光和照明设计，还需了解光通量经介

16、质 反射和透射后分布上的变化。反射和透射后分布上的变化。 l根据光通量分布变化的角度不同，反光和透光材根据光通量分布变化的角度不同，反光和透光材 料均可分为两类：一类是定向的；一类是扩散的。料均可分为两类：一类是定向的；一类是扩散的。 光线经定向类材料的反射和透射后，光分布的立光线经定向类材料的反射和透射后，光分布的立 体角没有变；而光线经扩散类材料的反射和透射体角没有变；而光线经扩散类材料的反射和透射 后，入射光通量程度不同的分散在更大立体角范后，入射光通量程度不同的分散在更大立体角范 围。围。 一、定向反射和透射一、定向反射和透射 l定向反射：光照射到表面很光滑的不透定向反射：光照射到表面

17、很光滑的不透 明材料上，出现定向反射。人眼通过对明材料上，出现定向反射。人眼通过对 光的感受由大脑中产生的感觉。光的感受由大脑中产生的感觉。 特点：（如图）特点：（如图） 入射角等于反射角；入射角等于反射角； 入射光线，入射光线， 反射光线以及反射表面的法线处于反射光线以及反射表面的法线处于 同一平面。同一平面。 利用这种特点将光滑表面放在合适利用这种特点将光滑表面放在合适 位置，可将光线反射到所需位置，位置，可将光线反射到所需位置， 或避免光源在视线中出现。或避免光源在视线中出现。 a a a 光学基本知识 光学基本知识 三棱镜折射 l定向透射：光照射到透明材定向透射：光照射到透明材 料上，

18、出现定向透射。料上，出现定向透射。 若透明材料两表面彼此平行，若透明材料两表面彼此平行， 则透过光线的方向和入射方则透过光线的方向和入射方 向保持不变，只在材料内产向保持不变，只在材料内产 生微小的折射；生微小的折射； 若两表面不平性，各处厚薄若两表面不平性，各处厚薄 不均，因折射角不同透过的不均，因折射角不同透过的 光线就不平行。光线就不平行。 二、扩散反射和透射二、扩散反射和透射 l半透明材料使入射光线发生扩散透射半透明材料使入射光线发生扩散透射； 表面粗糙的不透明材料使入射光线发生表面粗糙的不透明材料使入射光线发生 扩散反射。扩散反射。 l据对光的扩散状况，可将材料分为均匀据对光的扩散状

19、况，可将材料分为均匀 扩散和定向扩散两类。扩散和定向扩散两类。 l均匀扩散材料将入射光线均匀均匀扩散材料将入射光线均匀 地地 向四面八方反射（抹灰墙面、向四面八方反射（抹灰墙面、 石膏）或透射（乳白玻璃、半石膏）或透射（乳白玻璃、半 透明塑料），从各角度看，其透明塑料），从各角度看，其 亮度完全相同，看不见亮度完全相同，看不见 光源形光源形 象。这类材料的亮度和发光强象。这类材料的亮度和发光强 度分布如图度分布如图13-1513-15。 l用于灯罩、发光天棚用于灯罩、发光天棚 光学基本知识 对于反光材料： E B E B 对于透光材料 l某些材料同时具有定向和扩散两种性质。某些材料同时具有定向和扩散两种性质。 在其定向反射（透射）方向上具有最大在其定向反射（透射）方向上具有最大 的亮度，而在其它方向也有一定亮度，的亮度，而在其它方向也有一定亮度， 如图亮度和发光强度分布。（亮光漆、如图亮度和发光强度分布。（亮光漆、 冰花玻璃）冰花玻璃） l这时在反射方向可看到光源的大致形象，这时在反射方向可看到光源的大致形象， 但轮廓不似定向反射那样清晰，而在其但轮廓不似定向反射那样清晰，而在其 它方向又类似扩散材料具有一定亮度，它方向又类似扩散材料具有一定亮度， 不象定向反射材料那样没有亮度。不象定向反射材料那样没有亮度