5 光度学与色度学基础

1、第五章第五章 光度学和色度学基础光度学和色度学基础Chapter5内容回顾及问题的提出：内容回顾及问题的提出：u前面内容主要讲述几何光学的光线传播及正前面内容主要讲述几何光学的光线传播及正确成像问题确成像问题成像的位置、大小、虚实等成像的位置、大小、虚实等u但实际上光是以光能的形式传递的，在传递但实际上光是以光能的形式传递的，在传递过程中光能损失情况，导致最后像面的亮暗过程中光能损失情况，导致最后像面的亮暗程度不同（这其中还包括环境等因素对像面程度不同（这其中还包括环境等因素对像面的影响）的影响）须对光能进行度量须对光能进行度量Chapter5概述概述 光学系统是一个传输辐射能量的系统光学系统

2、是一个传输辐射能量的系统 能量传输能力的强弱，影响像的亮暗能量传输能力的强弱，影响像的亮暗辐射度学：研究辐射度学：研究电磁波辐射电磁波辐射的测试计量计算的测试计量计算的学科的学科光度学：在人眼视觉的基础上，研究光度学：在人眼视觉的基础上，研究可见光可见光的测试计量计算的学科的测试计量计算的学科辐射度学与光度学基础辐射度学与光度学基础Chapter5第一节第一节 辐射量和光学量及其应用辐射量和光学量及其应用一、立体角的意义和单位一、立体角的意义和单位平面上的角：平面上的角：弧度弧度A AB BO OrABAOBChapter5空间上的角：立体角空间上的角：立体角一个任意形状的封闭锥面所包含的空间

3、称为立体角一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角2rs若在以若在以r r为半径的球面上截得面积为半径的球面上截得面积s = rs = r2 2，则此立体角为，则此立体角为1 1球面度球面度整个空间球面面积为整个空间球面面积为4 4r r2 2, ,对应立体角为对应立体角为42rss so oChapter5以以r r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个为半径作一圆球，假定在圆球上取一个d d对应的环带，对应的环带，环带宽度为环带宽度为rdrd，环带半径为，环带半径为rsinrsin，所以环带长度为，所以环带长度为2 2rsinrsin，环带总面积为，环带总面积为立体角的计算立体角的计算假定

4、一个圆锥面的半顶角为假定一个圆锥面的半顶角为，求该圆锥所包含的立体角大小，求该圆锥所包含的立体角大小220222sin4)cos1 (2cos2cos2sin2sin2sin2较小时，或者将上式积分得它对应的立体角为dddrdsddrrrddsChapter5二二. 辐射度学中的基本量及其计量单位辐射度学中的基本量及其计量单位1 1、辐射通量、辐射通量 单位时间内辐射体辐射的总能量单位时间内辐射体辐射的总能量-辐射功率辐射功率e单位：瓦特单位：瓦特 （W W）反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分dddeee00lim ：辐射通量的波长分布函数辐射

5、通量的波长分布函数eChapter52 2、辐射强度、辐射强度辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量符号：符号： 单位：瓦每球面度（单位：瓦每球面度（W/srW/sr）eIddIee表示辐射体在不同方向上的辐射特性表示辐射体在不同方向上的辐射特性Chapter53 3、辐射出射度、辐射出射度辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量符号：符号： 单位：瓦每平方米（单位：瓦每平方米（W/mW/m2 2）eMeddsdMee不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同不管向哪个方向辐射，描述辐

6、射体表面不同位置上单位面积的辐射特性位置上单位面积的辐射特性dsdsA AChapter54 4、辐射照度、辐射照度辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐射通量射通量符号：符号： 单位：瓦每平方米（单位：瓦每平方米（W/mW/m2 2）eEeddsdEeedsdsA AChapter55 5、辐射亮度、辐射亮度辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位投影面积上发出的辐射通量单位投影面

7、积上发出的辐射通量符号：符号： 单位：瓦每球面度每平方米（单位：瓦每球面度每平方米（W/sr.mW/sr.m2 2）eLcosdsdsdsILnnee描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性Chapter5几种光接收器的光谱灵敏度几种光接收器的光谱灵敏度 1 为锑铯光电管，不能感受波长为为锑铯光电管，不能感受波长为 0.6m以上的红光；以上的红光；2 2 是人眼；是人眼； 3 是硅光电池；是硅光电池；4 是一种热敏元件是一种热敏元件 Chapter5三三. 人眼的视见函数人眼的视见函数 辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可辐射体发出电磁波，进入

8、人眼，在可见光范围内，可以产生亮暗感觉；以产生亮暗感觉；可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数了一个函数 ，称为视见函数，又称光谱光视效率。，称为视见函数，又称光谱光视效率。VChapter5视视 见见 函函 数数Chapter5视见函数的相关因素视见函数的相关因素受外界的照明条件影响而产生：受外界的照明条件影响而产生： 明视觉视见函数明视觉视见函数：最敏感波长为：最敏感波长为555nm（黄光）（黄光）， 其相应的视见函数值其相

9、应的视见函数值V555=1，其其 它波长的它波长的V()值均小于值均小于1。 暗视觉视见函数暗视觉视见函数：最敏感波长为：最敏感波长为507nm（绿光）（绿光）， V507=1，其它波长的其它波长的V()值均小值均小 于于1。（明亮环境）（明亮环境）（昏暗环境）（昏暗环境）Chapter5举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A A和和B B，假定辐射，假定辐射强度相同，强度相同，A A辐射波长为辐射波长为600nm, B600nm, B辐射波长为辐射波长为500nm500nm。V(600)=0.631 V(500)=0.323V(600)=0.631 V

10、(500)=0.323A A对人眼产生的视觉强度是对人眼产生的视觉强度是B B对人眼产生视觉强度的对人眼产生视觉强度的0.631/0.3230.631/0.323倍，近似倍，近似2 2倍。倍。若要使若要使A A和和B B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A A的辐射的辐射强度应该是辐射体强度应该是辐射体B B强度的一半。强度的一半。Chapter5光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定有一单色光，其辐射通量为有一单色光，其辐射通量为 ，其中能够引起视觉的部，其中能够引起视觉的部分为光通量分为光通量-

11、用人眼视觉强度来度量的辐射通量。用人眼视觉强度来度量的辐射通量。四四. . 光度学中的基本量光度学中的基本量1 1、发光强度和光通量、发光强度和光通量光通量定义光通量定义ed( )medKVd 单位：流（明）单位：流（明） lmKm为流明与瓦之间的换算系数，在明视觉中 Km = 683 lm / W；在暗视觉条件下Km = 1755 lm / WChapter5l 发光效率发光效率光源的发光效率光源的发光效率：光源发出的：光源发出的光通量与辐射光通量与辐射通量之比通量之比，即为，即为 K = v/e /P 式中，式中，P 为电光源的电功率为电光源的电功率。 发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能

12、产生发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生的光通量（流明数）。的光通量（流明数）。Chapter5意义：意义： 发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生 的光通量（流明数）。的光通量（流明数）。 几种常用电光源的发光效率：几种常用电光源的发光效率：钨丝灯：钨丝灯：10 20 钠光灯：钠光灯： 约约60卤素钨灯：卤素钨灯： 约约30 高压汞灯：高压汞灯：60 70荧光灯：荧光灯：30 60 镝灯：镝灯： 约约80 氙灯：氙灯： 40 60 金属金属卤素放电灯：约卤素放电灯：约80 炭孤灯：炭孤灯：40 60 LED照明灯：照明灯：40-300 2014年

13、，美国科锐公司(Nasdaq: CREE)宣布白光功率型LED实验室光效达到303lm/Wl 发光效率发光效率Chapter5发光强度发光强度发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。也可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是发光强度也可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是发光强度( )( )memeK VddIK VIdd单位：坎（德拉）单位：坎（德拉） cdcdChapter5计算举例：一个功率（辐射通量）为计算举例：一个功率（辐射通量）为60W60W的钨

14、丝充气灯的钨丝充气灯泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。、求发光强度：总立体角为、求发光强度：总立体角为、求总光通量：、求总光通量：lmKe90060154cdI62.714900Chapter52 2、光出射度和光照度、光出射度和光照度光出射度：发光体表面某点附近单位面积发出的光通量光出射度：发光体表面某点附近单位面积发出的光通量dsdMddsdsA A发光表面均匀发光情况下发光表面均匀发光情况下sM（lm/mlm/m2 2）Chapter5光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位

15、面积接收的光通量。面积接收的光通量。dsdEddsdsA A被照表面均匀照明情况下被照表面均匀照明情况下sE（lxlx）单位：勒克司单位：勒克司 1 1 lx lx = 1 = 1 lmlm/ /m m2 2Chapter53050 lx50701002001万万3万万4万万10050010万万0.23 104观看仪器的示值观看仪器的示值一般阅读及书写一般阅读及书写精细工作（修表等）精细工作（修表等）摄影场内拍摄电影摄影场内拍摄电影照相制版时的原稿照相制版时的原稿明朗夏日采光良好的室内明朗夏日采光良好的室内太阳直照时的地面照度太阳直照时的地面照度满月在天顶时的地面照度满月在天顶时的地面照度无月

16、夜天光在地面产生的照度无月夜天光在地面产生的照度 常见物体的光照度值常见物体的光照度值Chapter53 3、光亮度、光亮度发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角内发出的光通量。体角内发出的光通量。cosdsdddsILn单位：坎单位：坎/ /米米2 2发光体某点在给定方向上的发发光体某点在给定方向上的发光特性。光特性。Chapter5 常见物体的光亮度值常见物体的光亮度值2.52.5 10103 310105 5 10103 3在地球上看到的月亮表面在地球上看到的月亮表面人工照明下书写阅读的纸面人工照明下书写阅读的纸面白天的晴朗天空白天的

17、晴朗天空1.51.510109 91.51.5 10108 8(515) (515) 10106 63 3 10104 4在地球上看到的太阳在地球上看到的太阳普通电弧普通电弧钨丝白炽灯灯丝钨丝白炽灯灯丝太阳照射下漫射白色表面太阳照射下漫射白色表面光亮度光亮度(cd/m(cd/m2 2) )光源名称光源名称光亮度光亮度(cd/m(cd/m2 2) )光源名称光源名称Chapter5计算举例：有一均匀磨砂球形灯计算举例：有一均匀磨砂球形灯, ,直径为直径为17cm,17cm,光通量为光通量为2000lm,2000lm,求该灯的光亮度求该灯的光亮度. .解解: :根据光亮度与发光强度的关系来求根据光

18、亮度与发光强度的关系来求. .ndsIL 2322222/1071027. 215.1591027. 2)217. 0(15.15942000mcdLmRdscdIn灯Chapter5第二节第二节 光传播过程中光学量的变化规律光传播过程中光学量的变化规律1 1、光照度公式、光照度公式假定点光源照明微小平面假定点光源照明微小平面dsds，dsds离开光源距离为离开光源距离为l l，表，表面法线方向与照明方向成面法线方向与照明方向成 ，若光源在此方向上发光，若光源在此方向上发光强度为强度为I I，求光源在，求光源在dsds上的光照度。上的光照度。222coscoscoslIElIdsdldsdId

19、ddSdE照度平方反比定律照度平方反比定律注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明，就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度又可以应用。Chapter5应用：测定光源发光强度应用：测定光源发光强度标准光源标准光源待测光源待测光源I1I2l1l2两个完全相同的漫反射表面，标两个完全相同的漫反射表面，标准光源准光源I1，l1已知已知,用眼睛观察两表面，由光照度公用眼睛观察两表面，由光照度公式式移动待测光源，改变移动待测光源，改变l2,即改变即改变E2，当眼睛观察两表面同样亮时，当眼睛观察两表面同样亮时(E相等相等)，测出，测出

20、l2，由由得出得出可以求得可以求得I22coslIE222211coscoslIlI222121llIIChapter5计算举例计算举例1 1：桌面：桌面OBOB上方有一盏上方有一盏100W100W钨丝充气灯泡钨丝充气灯泡P P，光源在各方，光源在各方向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多高时，高时，B B点（点（OB=1mOB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？）处的光照度最大，该光照度等于多少？POl1mBx表示出来即可。将由lIlIE,cos,cos2cdKIe36.11941001541cos, 1,22x

21、xlxxlxOP则令1)1/(22xxxIEE公式得代入lxEEmxllxmxxdxdEB94.45225. 117071. 00210max22此时，表示式得代入将整理化简后得点光照度最大，令要使Chapter5二二. 面光源在与之距离为面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度处的表面上形成的照度221coscosrLdAdAdEsChapter5三三. 单一介质元光管内光亮度的传递单一介质元光管内光亮度的传递两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间就是一个元光管。光在元光管传播，无光能损失。2121211222222211111111coscoscoscoscosLLddrdAdALdr

22、dAdALddALd同理：所以，光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同所以，光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同Chapter5四四. 光束经截面反射和折射后的亮度光束经截面反射和折射后的亮度LL12)1 (nnLL（1）反射光束亮度反射光束亮度等于入射光束亮度乘以反射系数：（2）折射光束的亮度折射光束的亮度不仅与入射光束的亮度以及界面两边介质的折射率比值的平方成正比，还与界面的反射系数有关：22nLnL光束经理想折射，光亮度也会产生变化。Chapter5五. 余弦辐射体在各方向上光亮度都近似一致的均匀发光体称为在各方向上光亮度都近似一致的均匀发光体称为余弦辐射体余弦辐射体I I0 0I I

23、dsdscoscos000IIdsIdsILIds一致，发光体在各方向光亮度的发光强度为在与该微面垂直方向上假定发光微面发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定律的发光体称为律的发光体称为余弦辐射体余弦辐射体或或朗伯辐射体朗伯辐射体。dsdsI I0 0I IChapter5余弦辐射体可能是发光面，也可能是投射或反射体余弦辐射体可能是发光面，也可能是投射或反射体乳白玻璃乳白玻璃漫反射面漫反射面完全镜面反射不具有余弦辐射性质！Chapter5dAdAL Lu u已知：发光微面已知：发光微面dAdA，光亮度为，光亮度为L L，求它在半顶角为，求它在半顶角

24、为u u的圆的圆锥内所辐射的总光通量。锥内所辐射的总光通量。90 ,2uLdALdA 单面发光，双面发光， 2002 cos sin sincos sinUdLdAddddLdAddLdAU 又则有（空间任意方位元立体角的普遍公式）（空间任意方位元立体角的普遍公式）Chapter5计算举例：假定一个钨丝充气灯泡功率为计算举例：假定一个钨丝充气灯泡功率为300W300W，光，光视效能为视效能为20lm/W,20lm/W,灯丝尺寸为灯丝尺寸为8x8.5mm8x8.5mm，双面发光，双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。求在灯丝面内的平均光亮度。27233/104 . 1260002600030020

25、105 . 8108,2mcddsdsLlmKWmdsLdsLds可求。，则和如果已知解：由Chapter5第三节第三节 成像系统像面的光照度成像系统像面的光照度一一. 轴上像点的光照度轴上像点的光照度222sinnELUn为透射比Chapter5二二. 轴外像点的光照度轴外像点的光照度40cosMEE2202sinnELUn0E为像面轴上点的光照度轴外像点的光照度随视轴外像点的光照度随视场角的增大而降低。场角的增大而降低。Chapter5p 照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度和光圈数H H FFD DU U maxmax1 1、像平面光照度、像平面光照度2sinmaxfDU

26、代入代入max20sinULE得得204fDLE fDA物镜的相对孔径物镜的相对孔径Chapter52 2、光圈、光圈数、光圈、光圈数光圈：相对孔径光圈：相对孔径 分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。相对孔径按相对孔径按 等比级数变化。等比级数变化。2:11: 14 . 1:12: 18 . 2: 111: 116: 122: 1光圈数：相对孔径的倒数，用光圈数：相对孔径的倒数，用F F表示表示F F制光圈制光圈Chapter5三、曝光量三、曝光量假定像面照度为假定像面照度为E E， 曝光时间为曝光时间为t,t,底片上单位面积接受的曝

27、底片上单位面积接受的曝光亮光亮H H为为 H = E.t (lx .s)H = E.t (lx .s)T T制光圈制光圈假定某个透镜透过率为假定某个透镜透过率为 ，相对孔径为，相对孔径为 fD22)()(fDfDT这样，像平面光照度公式可以写为这样，像平面光照度公式可以写为204TfDLEChapter5三三. 光通过光学系统时的能量损失光通过光学系统时的能量损失透明介质折射界面的光反射、介质对光的吸收、透明介质折射界面的光反射、介质对光的吸收、反射面对光的透射和吸收都会造成光能损失。反射面对光的透射和吸收都会造成光能损失。1. 光在两透明介质界面上的反射损失光在两透明介质界面上的反射损失和入

28、射光通量的比值。反射比，即反射光通量:)(tan)(tan)(sin)(sin212222iiiiiiiiChapter51. 光在两透明介质界面上的反射损失光在两透明介质界面上的反射损失2）（射角入射时，当光垂直或以很小的入nnnn这种情况下，反射比只与两边介质的折射率有关。反射光造成光能损失，在像面上形成杂散光，反射光造成光能损失，在像面上形成杂散光，降低了像的降低了像的对比度对比度。降低反射损失的方法是在玻璃元件的表面镀降低反射损失的方法是在玻璃元件的表面镀增透膜增透膜。Chapter52. 介质吸收造成的光能损失介质吸收造成的光能损失光通过厚度为光通过厚度为l的介质后的光通量为：的介质

29、后的光通量为：0001）（光通量损失：则：设介质的透明率为：llklklPPePe光束通过多元件系统后的光通量：光束通过多元件系统后的光通量：21210ddPPChapter53. 反射面的光能损失反射面的光能损失为反射比。0101)1 (4. 光学系统的总透射比光学系统的总透射比321213212121210021211111NdMddNNNdMddNNMMPPPPPP）（）（）（）（Chapter5p 作业（抄题并认真解答！）作业（抄题并认真解答！）1、一个100W的钨丝灯，发出总光通量为1400lm，求发光效率为多少? 2、一个6V、15W的钨丝灯，已知发光效率为14lm/w，该灯与一聚

30、光灯联用，灯丝中心对聚光镜所张的孔径角u=sinu=0.25。若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）灯泡的平均发光强度。3、一房间，长宽高分别为5米、3米、3米，一个发光强度为I=60cd的灯挂在天花板中心，离地面2.5米。求（1）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。Chapter5 色度学色度学是研究人眼的是研究人眼的颜色视觉规律颜色视觉规律、颜色测量理论与技术颜色测量理论与技术的学科，它是一门以的学科，它是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。对于颜色科学学科为基础的综合性

31、科学。对于颜色科学的研究，国内受到越来越广泛的重视，国的研究，国内受到越来越广泛的重视，国外也是非常热门的学科，它在许多技术领外也是非常热门的学科，它在许多技术领域都有重要应用。域都有重要应用。色度学基础知识色度学基础知识Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5Chapter5 经过生理医学的研究证明，在正常人眼经过生

32、理医学的研究证明，在正常人眼的视网膜上有三种锥体感光细胞的视网膜上有三种锥体感光细胞红、红、绿绿、蓝蓝三种视色素，相当于在人眼的视网膜上作三种视色素，相当于在人眼的视网膜上作用着不同光谱响应度的三种接收器。当光照用着不同光谱响应度的三种接收器。当光照射到人眼的视网膜上后，可以同时引起三种射到人眼的视网膜上后，可以同时引起三种感光细胞的反应。而波长不同时，反应程度感光细胞的反应。而波长不同时，反应程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉。不同，人眼就产生不同的颜色感觉。各种颜色的光都可以由红、绿、蓝三种颜色各种颜色的光都可以由红、绿、蓝三种颜色按照一定的比例混合而得到按照一定的比例混合而得到，则将红、

33、，则将红、绿绿、蓝蓝成为成为三原色三原色。在色度学中，某种颜色的获。在色度学中，某种颜色的获得是由三原色按照一定的比例混合而成的。得是由三原色按照一定的比例混合而成的。Chapter5 在颜色视觉领域里，通常由在颜色视觉领域里，通常由色调色调(H)、明度、明度(V)、饱和度（纯、饱和度（纯度）度）(C)三个参数来描述彩色特性三个参数来描述彩色特性色调色调：彩色彼此相互区分的一种特性。：彩色彼此相互区分的一种特性。明度明度：人眼对物体明暗的一种感觉。明度除了和亮度有关外，：人眼对物体明暗的一种感觉。明度除了和亮度有关外，还受色调和背景的影响。如相同的能量，绿光引起人眼的视觉还受色调和背景的影响。如相同的能量，绿光引起人眼的视觉感觉强度大；同一彩色物体，亮背景的明度高于暗背景的明度感觉强度大；同一彩色物体，亮背景的明度高于暗背景的明度饱和度饱和度：指彩色的纯洁性，也称纯度。彩色指黑白系列以外的：指彩色的纯洁性，也称纯度。彩色指黑白系列以外的各种颜色，非彩色是指黑色、白色及各种深浅不