第13课【光度学与色度学】

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辐射度学辐射度学通过电磁光谱来处理辐射能的测量。通过电磁光谱来处理辐射能的测量。辐射度学主要研究频率为辐射度学主要研究频率为31011 31016Hz的光辐射，对应的光辐射，对应于于0.011000m微米的波长。微米的波长。波段范围包括红外、可见光、波段范围包括红外、可见光、紫外线紫外线。研究电磁波辐射的测试、计量和计研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为算的学科称为“辐射度学辐射度学”光光度学度学 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为即可见光，波长范围为380780nm(

2、纳米纳米)。 波长波长450nm对应于蓝色，对应于蓝色，540nm对应于绿色，对应于绿色，659nm对应于红色。对应于红色。研究可见光的测试、计量和计算称为研究可见光的测试、计量和计算称为“光度学光度学” 立体角的定义：立体角的定义： 一个任意形状的封闭锥一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立面所包含的空间称为立体角，用体角，用表示。表示。OrS 以锥体顶点为以锥体顶点为球心，任意球心，任意r r为半径为半径作一球面，此锥体作一球面，此锥体在球面上的截面为在球面上的截面为S S，则立体角表示为则立体角表示为2rS5-1 辐射量和光学量及其单位辐射量和光学量及其单位可见光的描述：辐射量（纯物理

3、现像）和光学量（视觉感受） 可见光是波长在3.810-77.810-7米范围内的电磁辐射，描述电磁辐射的物理量，即辐射量，也可用来描述可见光；可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人感受的电磁辐射，因而人们很自然地用视觉受到刺激的程度（引起的心理反应），即视觉感受来量度可见光。按这种视觉响应原则建立的表征可见光的量称作光学量。 由此可见，可见光是可以用辐射量和光学量这两种量值系由此可见，可见光是可以用辐射量和光学量这两种量值系统来度量的。把可见光做为纯物理现像来研究时，应采用统来度量的。把可见光做为纯物理现像来研究时，应采用辐射量量值系统；而研究与人的视觉有关问题时，采用光辐射量量值系统；而研究与

4、人的视觉有关问题时，采用光学量量值系统可能更方便。学量量值系统可能更方便。、辐射量、辐射量0.0.辐射能辐射能 1.1.辐通量辐通量2.2.辐出度辐出度3.3.辐照度辐照度4.4.辐强度辐强度 5.5.辐亮度辐亮度5-1 辐射量和光学量及其单位辐射量和光学量及其单位二、光学量二、光学量1.1.光通量光通量【流明流明】 2.2.光出射度光出射度 3.3.光照度光照度【勒克斯勒克斯】4.4.发光强度发光强度【坎德拉坎德拉】5.5.光亮度光亮度除“辐射能”以外，其他一一对应。 ddIee辐射强度辐射强度：单位立体角内发出的单位立体角内发出的辐射通量辐射通量。给定方。给定方向上取立体角向上取立体角d

5、d ，在，在d d 范围内的辐射通量为范围内的辐射通量为d d e e。把把d d e e与与d d 之比称为辐射体在该方向上的之比称为辐射体在该方向上的“辐射强辐射强度度”发光强度：发光强度：与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光源发光的强弱，即单位立体角内发出的源发光的强弱，即单位立体角内发出的光通量光通量ddI重要常识（1）发光强度：）发光强度：发光强度的单位为坎德拉发光强度的单位为坎德拉(cd)。1979年第十六届国年第十六届国际计量大会对发光强度的单位坎德拉作了明确的规定：际计量大会对发光强度的单位坎德拉作了明确的规定：“一一个光源发出频率为个光

6、源发出频率为5401012HZ (赫兹赫兹)的单色光，在一的单色光，在一定方向的辐射强度为定方向的辐射强度为1/683 W/sr，则此光源在该方向上，则此光源在该方向上的发光强度为的发光强度为1坎德拉坎德拉”。发光强度是光学基本量，是国际。发光强度是光学基本量，是国际单位制中七个基本量之一。单位制中七个基本量之一。（2）流明：）流明：从发光强度的单位坎德拉可以导出光通量的单位流明：发光强度为1坎德拉的匀强点光源，在单位立体角内发出的光通量为1流明。（3）常见发光表面的光亮度值（表）常见发光表面的光亮度值（表5-1)5-1 辐射量和光学量及其单位辐射量和光学量及其单位三、光学量和辐射量两种量值系

7、统间的关系三、光学量和辐射量两种量值系统间的关系（一）光谱光效率函数（一）光谱光效率函数-视见函数视见函数1 1、人的视觉特性：输入（辐射量）、人的视觉特性：输入（辐射量）输出（光学量）输出（光学量） 就其实质而言，人眼就是一种可见光探测器，其输入就其实质而言，人眼就是一种可见光探测器，其输入为用辐射量度量的可见光辐射，而输出为用光学量表示的为用辐射量度量的可见光辐射，而输出为用光学量表示的光感受。所以，光学量和辐射量间的关系决定于人的视觉光感受。所以，光学量和辐射量间的关系决定于人的视觉特性特性（一）光谱光效率函数（一）光谱光效率函数-视见函数视见函数2、光谱光效率函数： 人的视觉对不同波长

8、光响应的灵敏度是波长的函数。 实验表明，具有相同辐通量而波长不同的可见光分别作用于人眼，人所感受的明亮程度将有所不同，这表明人的视觉对不同波长光有不同的灵敏度。 人对不同波长而辐通量相同的光响应的灵敏度是波长的函数，称之为光谱光效率函数。也叫视见函数（视感程度） 实验表明，观察场明暗不同时，光谱光效率函数亦稍有不同。国际照明委员会（CIE）根据多组测试实验结果，分别于1924年和1951年确定并正式推荐两种光谱光效率函数：明视觉光谱光效率函数明视觉光谱光效率函数暗视觉光谱光效率函数暗视觉光谱光效率函数光谱光效率函数光谱光效率函数人的视觉对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数。（二）光学量和辐射量

9、间的关系光谱量（微分形式）d内 积分量（积分形式）可见光范围内 注意：注意：1）明视条件和暗视条件2）其他对应量之间有相同的关系3）光学量辐射量：对同等大小的辐射量因波长不同，视觉感受不同4）光功当量：明视觉、光功当量：明视觉、暗视觉5）名称、定义（物理意义）式、单位6）各种辐射量和光学量代表符号中的下标e和v，在不致混淆的情况下，可以不必标出，例如，发光强度Iv 和光照度Ev可分别写做I、E等。 d)( )(maxVKKee5-2 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一、点光源在有限距离的表面上形成的照度一、点光源在有限距离的表面上形成的照度cos2lIdSdE照度平方反

10、比定律：照度平方反比定律：点光源在被照表面上点光源在被照表面上形成的照度与被照面形成的照度与被照面到光源距离的平方成到光源距离的平方成反比。反比。照度余弦定律 ：当光源到被照明表面的距离不变时，角为零时，照度值最大。随着角的不断增大，照度值将变小。即被照明表面处的照度与光线入射角的余弦成正比。 二、面光源在距离为二、面光源在距离为r的表面上形成的照度的表面上形成的照度三、单一介质元光管内光亮度的传递三、单一介质元光管内光亮度的传递四、光束经界面反射和折射后的亮度四、光束经界面反射和折射后的亮度五、余弦辐射体五、余弦辐射体 特点特点 1发光强度空间分布特点：发光强度空间分布特点：发光强度发光强度

11、空间分布空间分布为余弦分布为余弦分布 2光亮度空间分布特点：光亮度空间分布特点：在各方向的在各方向的光亮度光亮度相相同同五、余弦辐射体五、余弦辐射体 余弦辐射体可能是自发光面，如绝对黑体、平面灯丝钨灯等；也可能是透射或反射体。受光照射经透射或反射形成的余弦辐射体，称做漫透射体和漫反射面。乳白玻璃是漫透射体，其经光照射后透射光强度分布如图58a所示；硫酸钡涂层表面是典型的漫反射面。 一、轴上像点的光照度一、轴上像点的光照度讨论：讨论： 光学系统光学系统孔径孔径越大，像面越大，像面照度照度越大越大 系统系统放大倍率放大倍率越小，像面照度越大（若越小，像面照度越大（若大，大，为了保证像面足够的像面照

12、度，更要求照明好，为了保证像面足够的像面照度，更要求照明好，U要大）要大）5-3 成像系统像面的光照度成像系统像面的光照度轴外点的光照度随视场角的增大而显著下降。 二、轴外像点的光照度二、轴外像点的光照度 反射损失：光学零件与空气接触面能量损失 吸收损失：在空气中的吸收 在光学零件中的吸收 反射面不完全反射的损失：镀膜三、光通过光学系统时能量的损失三、光通过光学系统时能量的损失四四 、光学系统的总透射比、光学系统的总透射比一、颜色的分类一、颜色的分类1 1、颜色：颜色是不同波长可见光辐射作用于人的视觉器官后、颜色：颜色是不同波长可见光辐射作用于人的视觉器官后所产生的心理感受。所以，颜色是一种和

13、物理、生理及心所产生的心理感受。所以，颜色是一种和物理、生理及心理学有关的复杂现像。理学有关的复杂现像。2 2、非彩色和彩色：颜色可分为非彩色和彩色两大类。、非彩色和彩色：颜色可分为非彩色和彩色两大类。 非彩色系指白色、黑色及白与黑之间深浅不同的灰色所构成的颜色系列。 彩色是指白黑非彩色系列以外的所有颜色。如各种光谱色彩色是指白黑非彩色系列以外的所有颜色。如各种光谱色均为彩色。均为彩色。5-4 色度学概述色度学概述一、颜色的分类一、颜色的分类3、物理机制：、物理机制： 根据颜色形成的物理机制的不同，颜色又有光源色根据颜色形成的物理机制的不同，颜色又有光源色、物体色及荧光色之分。、物体色及荧光色

14、之分。 自发光形成的颜色，一般称之为自发光形成的颜色，一般称之为光源色光源色； 自身不发光，凭借其它光源照明，通过反射或透射自身不发光，凭借其它光源照明，通过反射或透射而形成的颜色，称之为而形成的颜色，称之为物体色物体色； 物体受光照射激发所产生的荧光及反射或透射光共物体受光照射激发所产生的荧光及反射或透射光共同形成的颜色，称之为同形成的颜色，称之为荧光色荧光色。 二、颜色的表观特征颜色有三种表观特征，即明度、色调和饱和度。彩色彩色必须具备上述三个特征，特征参数的不同，标示着颜色间的差别。非彩色非彩色只有明度值的差别，没有色调区分，饱和度均等于0三、颜色混合的两种方式三、颜色混合的两种方式三、

15、颜色混合的两种方式三、颜色混合的两种方式色光的混合始于牛顿，红光加绿光产生黄光，红橙黄绿青蓝紫七色相加合成白光。彩色电视机制造中利用红、绿、蓝作为“三基色”，显示出大自然中千变万化的色彩。色光混合的原理在舞台灯光、布景、夜景灯光、现代广告等有广泛的应用价值。1、色光混合：色光混合是不同颜色光的直接混合。混合色光为参加混合各色光之和，又称之为加混色。三、颜色混合的两种方式三、颜色混合的两种方式2、色料混合：色料是对光有强烈选择吸收的物质，在白光照明下呈现一定的颜色。色料混合是从白光中去除某些色光，从而形成新的颜色，又称之为减混色。绘画是用颜料来表现光。颜料本身不能产生光，它只是一种在一定光照下的

16、显色物质。无论是透明色彩的调和或是直接混和颜料，对于光而言，都是在做减法，其原理和加光混合法并非无缘，在道理上是相通的，只 不过在光亮的程度上是方向相反的。 四、三原色四、三原色1、红、绿、兰三种颜色以不同的量值（有的可能为负值）相混合，可以匹配任何颜色。红、绿、兰不是唯一的能匹配所有颜色的三种颜色。三种颜色，只要其中的每一种都不能用其它两种混合产生出来，就可以用它们匹配所有颜色。2、能够匹配所有颜色的三种颜色，称做三原色。人们通常选用红（R）、绿（G）、兰（B）做为三原色，其原因可能是：用不同量的红、绿、兰三种颜色直接混合，几乎可得到经常使用的所有颜色; 红、绿、兰三种颜色恰与人的视网膜上红

17、视锥、绿视锥和兰视锥细胞所敏感的颜色相一致。五、三刺激值五、三刺激值在颜色匹配中，以一定数量的三原色完在颜色匹配中，以一定数量的三原色完成某种颜色的匹配。匹配某种颜色所需成某种颜色的匹配。匹配某种颜色所需的三原色的量称做该颜色的三刺激值。的三原色的量称做该颜色的三刺激值。颜色方程中的颜色方程中的R R、G G、B B 就是三刺激值。就是三刺激值。六、颜色相加原理六、颜色相加原理设两颜色方程为设两颜色方程为(C1)=R1 (R)+G1 (G)+B1 (B) (C2)=R2 (R)+G2 (G)+B2 (B)两种颜色混合形成的混合色（两种颜色混合形成的混合色（C）为）为(C)=(C1)+(C2)=R1(R)+G1(G)+B1(B)+R2(R)+G2(G)+B2(B)=(R1+R2)(R)+(G1+G2)(G)+(B1