半导体照明技术(第一章)

半导体照明技术参考书目：1、谢秀颖.郭宏祥，《电气照明技术》第二版，中国电力出版社，2007年11月2、王晓东，《电气照明技术》，机械工业出版社，2004年1月3、陈元灯.李元密，《LED制造技术与应用》，电子工业出版社，2007年7月4、刘木清.周小丽，《照明自动控制技术》，机械工业出版社，2007年8月半导体照明概述一、半导体照明

半导体照明是指用全固态发光器件（发光二极管，即LED，是由半导体材料制成的光电器件，可将电能直接转换为光能）作为光源的照明，具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等显著特点，是近年来全球最具发展前景的高新技术领域之一，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光源的革命。半导体照明(LED)二、LED（LightEmittingDiode）

LED，是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，空穴占主导地位，另一端是N型半导体，主要是电子。这两种半导体相连就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。LED构造图

三、LED产业链

LED产业链大致可分为五部分：原材料，LED上游产业，LED中游产业，LED下游产业，测试仪器和生产设备。1、原材料LED的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等。它们大部分是III—V族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在6N以上。（6N就是6个NICE，99%9999）2、LED上游产业

主要是指LED发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的高度发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成分割检测。

3、LED中游产业

4、LED下游产业

水立方景观照明

是指LED器件封装产业。根据用于现实、照明、通信等不同场合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。是指应用LED作为显示或照明器件后形成的产业。主要的应用产业有LED显示屏、LED交通信号灯、LED航标灯、LED景观灯饰、液晶背光源、LED车灯、LED特殊照明等。鸟巢景观照明篔筜湖畔的LED照明中山路商业街的LED照明位于湖滨北路的中闽大厦5、测试仪器和生产设备

测试仪器主要有：外延材料方面的X射线双晶衍射仪、荧光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等；芯片、器件测试仪器方面的LED光电特性测试仪、光谱分析仪等。

生产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪(Metal-organicChemicalVaporDePosition

，缩写MOCVD)、液相外镀炉、光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片检测仪、倒膜机、光色点全自动分选机等。MOCVD系统目前国际上MOCVD的价格在每台440万美元左右，按人民币计算接近3000万元。生产企业主要有：德国的Aixtron公司、美国的Emcore公司、英国的ThomasSwan公司等。

厦门为中国七大LED产业基地之一，首批4个半导体照明工程产业化基地之一（大连、上海、南昌和厦门

），已经成为中国大陆地区光电产业快速发展的重要城市。厦门生产LED外延片、芯片的企业有四家，即厦门三安光电、联厦光电、明达光电、乾照光电，芯片总产量约占祖国大陆自产芯片的25%。封装企业有十几家，下游应用企业有50多家，还有与之配套的荧光粉、环氧树脂、塑料镜头、蓝宝石外延材料、各种辅助材料和模具等生产厂，形成了较完整的产业链。2014年厦门光电产业实现总产值1218亿元，占厦门工业总产值20%左右，占全省光电总产值的一半以上，厦门已成为海西光电产业最大、最重要的集聚地和辐射地。目前，全市光电企业数量300多家。其中光电高新技术企业120家，实现产值657.6亿元，占光电产业总产值的54%，成为推动我市光电产业转型升级的中坚力量。

四、厦门市LED产业简介

第一章光视觉颜色

本章主要介绍光、视觉、颜色等与照明技术有关的基础知识。第一节光照明技术的实质主要是光的控制与分配技术。

一、光的本质

1、

“什么是光，光的本质是什么？”这个问题很早就引起了许多学者的关注，直到17世纪，基本上形成了两种学说：

一种是荷兰物理学家惠更斯提出的波动说，认为光是某种振动，在弹性介质中以波的形式向周围传播。

另一种牛顿支持的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。

光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。

历史上许多著名科学家都加入这一论战，包括牛顿、胡克、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等。直到1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文：

他认为对于时间的平均值，光表现为波动性；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示光的波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。

1921年，爱因斯坦因光电效应研究而获得奖诺贝尔物理学奖。

2、光的波动性，是指光是一种电磁波。

电磁波包括微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、Y射线、宇宙射线等，如图1-1所示。电磁波能量的传播称为辐射，辐射在通过物质时一般不改变频率，速度则随物质而改变。在真空中，光速是一常数c=2.9979×108m/s，光的速度、频率与波长之间的关系为：

c=λν图1-1电磁波谱和可见光谱

在电磁波谱中，波长为380~780nm(1nm＝10-9m)的电磁波，作用于人眼能产生视觉，这部分电磁波叫可见光。可见光只占电磁波谱极小的一部分。

单色光:由单一波长组成的光。可见光按波长依次排列可以得到可见光谱。不同波长的可见光，在视觉上会形成不同的颜色。通常将可见光分为：

红(780~630nm)、橙(630~600nm)、黄(600~570nm)、

绿(570~490nm)、青(490~450nm)、蓝(450~430nm)和

紫(430~380nm)等七种单色光。

将可见光按波长从380~780nm依次展开，光将分别呈现紫、蓝、青、绿、黄、橙、红色。

3、光的微粒性是指光束是微粒流。微粒的运动速度就是光速,这些粒子就是光子。不同波长的光,具有不同的能量，即由不同能量的光子组成。光子具有的能量E正比于光的频率：E=hνh=6.62×10-34J.S，为普朗克常数。光子所具有的能量hν是频率为ν的光所具有的能量的最小单位，不能再分割了，故光子又称光量子。在光和其他物质相互作用是，能量的交换是以hν的形式一份一份地进行的，即能量是不连续的。二、光的产生和传播1、光的产生通常，光按两种方式产生，即热辐射和发光。（1）热辐射

热辐射是指物质在高温下辐射出热能。当物体被加热到高温时，组成它的原子或分子将产生热运动，并互相碰撞使电子获得能量而被激发，从而产生辐射。

黑体辐射是热辐射的一种。黑体又称为完全辐射体．其特点是入射到黑体上的光辐射将完全被吸收，而没有反射和透射，即它的反射比和透射比为0，吸收比为1。

著名的普朗克定律所描述的就是不同温度下的黑体的光谱辐射功率与波长的函数关系，普朗克的黑体辐射公式是：其中λ为辐射波长；T为黑体的绝对温度，h为普朗克常量，c为真空中的光速，k=1.38×10﹣23为玻尔兹曼常量。（W/m3）图1-2不同温度黑体辐射的能量分布（2）发光

发光就是其他任何种类能量变换成光能的过程，通常通过激发过程来完成。激发是一个能量转移过程。一个系统得到激发，得到到能量由低能态E1跃迁到高能态E2，当它由高能态回到低能态时，根据能量守恒定律，多余的能量就可能以光的形式释放出来，这就是激发发光。发光波长的长短取决于能量差△E=E2-E1,△E正是发射的光子所具有的能量。按激发的方式不同，可把发光分为以下几种：1）生物发光：萤火虫、发光细菌等的生物发光。

2）化学反应：由化学反应直接引起的发光。物质的燃烧属于化学反应。3）光致发光：由光、紫外线、X射线等激发而引起的发光。如荧光灯是由汞蒸气产生的紫外线激发荧光粉而发光的。4）阴极射线发光：由电子束激发荧光物质发光：如电视机的显像管。

5）电致发光：直接由电能转变为光能。

a、气体或伴随气体放电而发光：如霓虹灯和各种放电灯。b、加交流或直流电场于硫化锌等粉末材料而发光：如场致发光板。c、在磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等一类半导体PN结处注入载流子时的发光：如通常的发光二极管。2、光的传播（1）光的反射

光从一种介质传播到另一种介质时，有一部分或全部从分界面射回原来的介质，这种现象叫做光的反射。

在光的反射中，光的传播方向和能量可能发生变化，但光的频率是不会改变的。（2）光的折射。

光从一种介质射入另一种介质时，若光的入射方向不是垂直于上述两种介质分界面，则在分界面将有一部分光被反射回原来的介质，另一部分将射人另一种介质中，但传播方向改变了，这种现象称为光的折射。图1-3光的发射和折射

光在其介质中传播速度较高(折射率小)的媒质被称为光疏媒质，而传播速度较低(折射率大)的称为光密媒质。当光从光疏媒质射入光密媒质时(n1＜n2)，折射角θ2将小于入射角θ1,反之，则折射角θ2将大于入射角θ1。同时，入射角发生变化时，折射角随之发生变化，但两角之间的关系符合折射定律：折射定律也叫斯涅耳（snall）定律。图1-4光的折射；(a)n1﹤n2，(b)n1﹥n2（3）光的全反射

光由光密媒质（折射率大）入射到光疏媒质（折射率小）的界面时，全部被反射回原媒质内的现象称为全反射。全反射的临界角为：应用：光纤通信等。高锟，

“光纤之父”，2009年获诺贝尔物理学奖图1-5光的全反射（4）光的透射。

光从一种介质射入另一种介质，并从这种介质穿透出来的现象叫光的透射。图1-6光的透射（5）光的吸收和散射

光在介质中传播时其强度将越来越弱，在这个过程中有一部分光的能量转变为其它形式的能量(例如热能)。这就是介质对光的吸收。

光在不均匀媒质中传播会产生散射，这是由于无数杂乱无章的界面对光进行多次的反射和折射引起的。（6）光的漫反射和漫透射

当光线遇到某种表面，该表面的不平整度与光的波长差不多或大于光的波长时，就不再存在单一的反射或折射光线，而向光的散射一样，光线在入射点上向四面八方散开。这种光回到入射光所在媒质的现象称为漫反射，而透射入第二种媒质的现象称为漫透射。图1-7光的漫反射图1-8光的漫透射（7）光的偏振

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。（8）光的干涉和衍射

1）光的干涉：满足一定条件的两列相干光相遇叠加，在叠加区域内光强按空间周期性变化的现象称为干涉。等厚干涉等倾干涉牛顿环图1-9各种干涉条纹杨氏干涉2)光的衍射

光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。

只有当小孔、单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时，才能观察到明显的衍射现象．图1-10光的衍射条纹作业：1、光的本质是什么？可见光的波长范围是多少？2、光的产生有哪几种方式及其原理？3、试述光的全反射的条件及原理，临界角的表达式。光入射到折射率为n1=1.33的玻璃和折射率为n2=1的空气的界面时，产生全反射的临界角θ为多少度？二、光度学及其测量照明光源和灯具的主要性能指标是光学参数。1、能量的辐射分布光源的总辐射能量是各种波长能量的总和，波长不同，能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以PA表示。发光器件在λ1-λ2波长范围内的辐射功率可表示为：如果是全部波长范围内的辐射功率，则为：P

λ是一个相对的分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和带宽。2、辐射度量及单位（1）辐射能U度量辐射能的物理量成为辐射度，单位是：焦耳（J）。辐射能是一种传播着电磁波的能量。（2）辐射通量或辐射功率P

单位时间内流过面积元dσ的能量，称为流过的辐射通量，单位是：瓦（W）。

（3）辐射强度J

单位时间在单位立体角内所辐射的能量，单位为：W/sr。对于点辐射源，在整个空间的辐射通量P为：如果辐射通量在空间分布均匀，即J

φθ不随φ和θ而改变，则：（4）面辐射度M

对于实际的辐射体，由于占有一定的面积，常用面辐射度来度量物体的辐射能力，定义为单位面积所辐射的通量，单位为W/m2。注：立体角其定义为任意一个封闭的圆锥面所围的空间。立体角是以锥的顶点为球心，半径为r的球面被锥面所截得的面积来度量的。当锥面在球面上截得的面积为dA时，则该立体角即为一个单位立体角dω,表达式为：立体角由上式可知，闭合球面的立体角都是4π。（5）辐射照度H落在单位面积上辐射通量的数值，单位为：W/m2。（6）辐射亮度R给定方向上单位有效面积在单位立体角内的辐射通量值，单位为W/m2.srRθ的数值与辐射面的性质有关，并且随给定方向而改变。2、朗伯定律对于某些面辐射源或理想的漫射面，辐射亮度Rθ不随给定方向θ变化，就称这些面辐射源是遵守朗伯定律的辐射源。这种源又称为余弦辐射体或朗伯光源，对于这些表面，所有方向亮度都相等，而且元表面dσ的辐射强度dJθ与表面法线和给定方向间夹角θ的余弦成正比，即也可以写成式中，J0是垂直方向的辐射强度；Jθ是与J0成θ角方向的辐射强度。

光是能量的一种存在形式，光对物质的作用是与光能量的转化相关的。在照明技术中，由于光作用于人的眼睛所产生的视觉强度，不仅与光能量的大小有关，还与光的波长有关，所以在照明技术中，为了更好地研究光在照明工程中的应用，通常采用的是以视觉效果来评价光辐射的量——光度量。在照明工程中，常用的光度量有光通量、发光强度、照度和亮度等。3、光度量（1）光能Q

光能是指辐射能落于人眼而引起视觉的这部分能量的大小，单位是lm·s。光通量是说明光源发光能力的基本量。具有均匀光强度1cd的点光源在单位立体角1sr(球面度)内发出的光通量为1lm—物理意义。（2）光通量F

光通量是根据人眼对光的感觉来评价光源在单位时间内光辐射能量的大小，单位是流明，符号lm。当辐射体发出的辐射通量按V(λ)曲线的效率被人眼所接受时，其表达式为:40W白炽灯光通量为350Lm，36W荧光灯光通量为2500Lm（3）发光强度(光强)I一个光源在单位立体角dω内所发出的光通量称为该光源的光强Ⅰ，单位是坎德拉，符号：cd。若光源发射的光通量比较均匀时．各个方向的光强相等，其值为发光强度是用来描述光源发出的光通量在空间给定方向上的分布情况的，1单位立体角内发出1流明的光称为1坎德拉。（4）面发光度L对于一定面积的发光体来说，在单位面积上所发出的光通量被称为面发光度。即面积为1m2的均匀发光面发出1流明的光通量，它与方向无关。4．亮度B

亮度是描述发光面或反光面上光的明亮程度的光度量。并且,亮度考虑了光的辐射方向，所以它是表征发光面在不同方向上的光学特性的物理量。发光体的表面dσ在与其法线成θ角的方向上的亮度Bθ为：亮度的单位是尼特(nt)，1尼特(nt)=1坎德拉／平方米(cd／m2)。即1m2发光面沿其法线方间发出1cd光强时，该发光面在其法线方向上呈现的亮度为1nt。注意：一般当亮度超过1.6×105cd／m2时，人眼就感到难以忍受了。照度是描述被照面被照射的程度的光度量。照度的单位是勒克斯(lx)。1lx表示在1m2面积上均匀分布1lm光通量的照度值，即1lx＝1lm/m2。（6）照度E照度表示被照明物体的单位面积所接受的总光通量，即一般情况下，1lx的照度仅能辨别物体的轮廓；照度为5-10lx时，看一般书籍比较困难；短时阅读的照度不应低于50lx。常见照度（勒克斯）：阳光直射(正午)下:110000阴天室外:1000商场内:500阴天有窗室内:100普通房间灯光下:100满月照射下:0.2照度计各光度量之间的关系图4、光度学参数的测量

光度学参数包括法向光强、光强分布、半值角、总光通量、亮度、面发光度和照度等（1）法向光强I

v光强I的测定非常重要，如总光通量、亮度等都可以从I导出。有了标准光源和校正好视见度的接收器即可进行法向光强的测定。强度为I的标准光源在接收器上产生的照度σ为：接收器处于光源正前方，θ=0，故：如此定标后，将待测光源置于同样距离的位置，可测出该光源的法向光强。（2）总光通量F

光源的总光通量是描述光源总的光输出的重要参数。测量总光通量的常用方法是积分球法。积分球积分球是由两个半球体组成的一个空心球体，球体上开有出射窗口，此处安装视见度校正过的接收器。球的内表面涂有白色的氧化镁或硫酸钡涂料，使其反射符合朗伯定律的漫反射，以使在积分球的内表面各处产生均匀的照度。待测光源置于球中，并以一屏挡住光源向出射窗口的直射光。接收器上的照度正比于光源的总光通量F。实际测定时只要将标准光源标定仪器，然后将标准光源换成待测光源即可测出。（3）发光强度的角分布发光强度的角分布Iθ是描述器件在空间各个方向上的发光强度分布。Iθ主要取决于光源封装形式、封装透镜的几何参数。（4）亮度测量用测得的光强除以在给定方向上表面的投影面积就可以得到亮度。（5）照度测量照度可以用照度计测量。照度计通常由进行过视见度曲线校正的硅光电池和数字式电表组成。第二节视觉视觉是指光射入眼睛后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。视觉的功用：人们通过视觉可以察觉某些物体的存在，鉴别并确定它在空间中的位置，阐明它与其它事物的关系，辨认它的运动、颜色、明亮程度或形状等等。一、眼睛眼睛人眼的工作状态很像一架简单的照相机，把倒立的实像投射到视网膜上，它的焦距由晶状体控制。透镜的孔径即瞳孔的大小由虹膜控制，在低照度下瞳孔变大，而在高照度下瞳孔孔径缩小。近视的原因：近视眼是由于晶状体变厚，焦距变短，使成像落在视网膜之前，因此看物体模糊。矫正近视眼采用凹透镜。远视则刚好相反。二、视网膜

视网膜是视觉的光学过程和电生理过程的接口，是人眼感受光的部分。其边缘部位主要分布着杆状细胞，中央部位主要分布着锥状细胞。当光落在视网膜上时，视细胞吸收了光能，使视细胞中含有的视紫质分解、并刺激神经末梢，形成生物脉冲(生物电流)，通过视神经把信息传导到大脑后部的视觉皮层，经大脑综合处理而形成视知觉。三、视觉过程光线→角膜→瞳孔→晶状体（折射光线）→玻璃体（固定眼球）→视网膜（形成物像）→视神经（传导视觉信息）→大脑视觉中枢（形成视觉）产生视觉的首要条件就是要有光的存在，并射入眼睛中。四、视觉特性由于视网膜上的锥状细胞和杆状细胞对光的感受性不同，因而当视野(是指当头和眼睛不动时．眼睛所能观察到的空间)亮度发生变化时，人眼就会产个不同的视觉特性。（一）人眼的光谱灵敏度人眼在可见光范围内的视觉灵敏度是不均匀的，它随波长而变化。另外，人眼的光谱灵敏度，随环境亮度的改变而变化。

（二）明视觉、暗视觉和中间视觉1、明视觉。视场亮度超过10cd/m2时．锥状细胞的工作起着主要作用，这种视觉状态称为明视觉(或称锥状视觉)。锥状细胞的最大的视觉灵敏度在555nm处。所以，明视觉锥状细胞工作时，波长较长的光谱如红色光显得特别明亮。特征：锥状细胞具有较高的视觉灵敏度，能分辨物体的细节，且在感受波长范围为380-780nm的光刺激时，对各种色光感觉不同。因此，在明视觉状态下，正常人的眼睛都能有良好的颜色感觉。

2、暗视觉。在微弱的照度(视场亮度在10-6-10-2cd/m2)下，只有杆状细胞工作，锥状细胞不工作的视觉状态称为暗视觉(或称杆状视觉)。

杆状细胞的最大的视觉灵敏度在507nm处。所以，暗视觉杆状细胞工作时，绿光和蓝光显得特别明亮。特征：对物体细节的分辨能力很差，且对颜色也无法分辨。因此，暗视觉条件下，只有当目标足够大，才能被看到；并且世界是无色的，各种颜色的物体都给人以蓝、灰色感。3、中间视觉。视场亮度在10-2-10cd/m2时，杆状细胞和锥状细胞同时起作用，这种视觉状态称为中间视觉。（三）视觉阈限

能引起视觉的最低限度的光量称为视觉的阈限，一般用亮度来度量，故又称为亮度阈限。视觉的亮度阈限与目标物的大小有关。目标物的大小一般用目标物对眼睛所张的角度表示，称为视角。视角越小，则亮度阈限越高；视角越大，亮度阈限就越低。但当视角超过300时，亮度阈限不再降低。

视觉的亮度朗限与目标物发出的光的颜色有关。在相同的视角下．对波长较长的光，例如红光、黄光，其亮度阈限就高；对于波长较短的光，例如蓝光，则亮度阈限值要低一些。这是因为在暗视觉条件下，光谱光效率向短波方向偏移的缘故。视觉的亮度阈限与观察目标物的时间有关。目标物呈现的时间越长，亮度阈限值就越低；呈现时间越短，亮度阈限值就越高。一般来说，亮度越高，越有利于视觉。但当视野亮度值超过106cd/m2时，视网膜可能被灼伤，所以人们只能忍受不超过106cd／m2的亮度。（四）明适应、暗适应和眩光明适应和暗适应是指视觉对现场亮度变化的适应过程。1、明适应眼睛由暗(视野亮度低于10-3cd/m2)到亮(高于几个cd／m2)的视觉适应过程。在明适应过程中，杆状细胞和锥状细胞的替换工作大约需要经过1min多的时间才能完成。2、暗适应眼睛由明(高于几个cd／m2)到暗(视野亮度低于10-3cd/m2)的视觉适应过程。暗适应过程的长短与适应前后的光环境有关。适应前后两种光环境的亮度之差越大，则适应的时间也就越长。同时还与一些生理因素有关，例如维生素A是否缺乏、有无夜盲症、年龄大小、营养状况及是否缺氧等。当视场内明暗急剧变化时，人们会因眼睛不能很快适应而视力下降。所以在照明工程中，有些场合要考虑明暗适应的过渡照明，以满足眼睛适应性的要求。

3．眩光当视野内由于亮度分布或亮度不适宜，或存在着极端的亮度对比，以致引起不舒适感觉和降低目标可见度的视觉现象，统称为眩光。

可见度是指人眼辨认物体存在或物体形状的难易程度。

通常将眩光分为不舒适眩光和失能眩光：

(1)不舒适眩光：产生不舒适感觉，但并不一定是降低视觉功效或可见度的眩光。

(2)失能眩光：降低视觉功效和可见度的眩光。五、视觉功效人们完成视觉工作的效率称为视觉功效。用来定量评价视觉器官完成给定视觉作业的能力。其主要的评价指标有以下几个方面：（一）对比敏感度和可见度眼睛要辨认目标物，目标物与背景之间要有一定的颜色对比和亮度对比。1、亮度差临界亮度差：人眼开始能识别目标物与背景的最小亮度差。

2、亮度对比被观察目标与背景亮度之差和背景亮度之比称为亮度对比。临界亮度对比：临界亮度差与背景亮度之比。一般情况下，以面积较大的部分为背景，以面积较小的部分为目标。当目标亮度大于背景亮度时，目标物的亮度对比C值在0～∞范围内。当目标物亮度小于背景亮度时，它们的亮度差应取绝对值，而亮度对比的C值在0～1范围内。3、对比敏感度在给定的眼睛适应状态下，视觉的临界亮度对比的倒数称为对比敏感度。

4、可见度人眼辨认物体存在或确定物体形状的难易程度称为可见度。在室外是以人眼恰好可以看到标准目标的距离来定义。在室内是以目标与背景的实际亮度对比与临界对比的比值来描述。用V表示，即可见度取决于视角、背景亮度和亮度对比三个因素。5、视觉敏锐度视觉敏锐度：眼睛能辨认的两个相邻物体(点或线)的最小视角的倒数。临床医学上称为视力。意义：表明人眼辨别物体轮廓和细节的能力。影响视力的因素：首先取决于生理因素，其次还与背景亮度Lb和亮度对比C密切相关。注意：在亮度对比值较小时或背景亮度较小时，它们的增大对提高视力是很有益的；随着亮度对比值或背景亮度值的提高，它们对视力的影响逐渐减小。当亮度对比过大或背景亮度过大时，不仅不会再对提高视力起积极作用，反而会影响视力，其至损伤眼睛。

6.视觉感受速度（υ）

从物体出现到形成视觉所需要的时间的倒数称为视觉感受速度，简称视觉速度。视觉感受速度与背景亮度、背景与日标的亮度对比以及目标物的尺寸(视角)有关，即视觉感受速度与照明有直接的关系，良好的照明条件可以缩短形成视觉的时间，提高视觉感受速度，从而提高工作效率。作业：1、试述下列常用光度量的定义及其单位：（1）光通量（2）光强（3）亮度（4）照度2、试简述明视觉、暗视觉和中间视觉。色彩是唤起人的第一视觉作用的重要媒质，因为人眼只有通过光作用在物体上造成的色彩才能获得深刻印象。因此对照明质量的评价不仅要考虑光的强度，还要考虑光源和环境的颜色。一、颜色的形成

颜色起源于光，波长不同的单色光，具有不同的颜色。颜色是不同波长的可见光作用于人的视觉器官后所产生的心理感受。颜色是一种和物理、生理及心理学都有关的复杂现象。第三节颜色二、颜色的分类

2、彩色

是指黑白系列以外的各种颜色。根据波长不同，彩色可以依次排成一个系列，称为彩色系列。波长由长到短依次为：红、橙、黄、绿、青、篮、紫。

1、非彩色

是指黑色、白色和介于两者之间的深浅不同的灰色。非彩色可以排成一个系列，称作黑白系列或无色系列，从黑色开始，依次逐渐地到深灰色、中灰色、浅灰色、直到白色。三、物体的颜色1、物体的光源色2、物体的固有色3、物体的环境色

1、色调

可见光谱不同波长的光在视觉上的表现称为色调。色调是区分不同颜色的特征。因为可见光的波长有无数种，即光谱色有无数种，但实际上，相近波长的单色光用肉眼是很难区分它们的颜色。为了能用文字描述不同的颜色，通常把各种光谱色归纳成有限种色调,以表示色刺激的主观属性，以红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等区分。四、颜色的基本特征：色调、彩度和明度。

2、彩度（又称饱和度）彩度是指颜色的深浅程度。某种颜色的彩度高，则表示这种颜色深；反之，则颜色浅。实际上，彩度是色调的表现程度，它可以反映光线波长范围的大小。波长范围越窄明颜色越纯、彩度越高。

3、明度指颜色的明暗程度。

物体表面色的明度主要取决于物体表面的反射比。★若物体表面为彩色，反射比越高则颜色越明亮，反射比越低则颜色发暗，反射比中等则颜色发灰。

各种颜色都可以用上述三个基本特征来表示，但只有彩色系列具有完整的三个特征；而黑白系列只有明度；彩度为零，没有色调。★若物体表面为黑白色，当物体表面的反射比在0~0.05之间时，物体呈黑色；当反射比高于0.8时，物体就呈白色；而反射比处于0.05~0.8时，物体呈灰色，且反射比越低，灰色越暗，即反射比增加时，灰色就会由深到浅变化。五、表色系统用日常语言描述颜色，会因人的感受差异产生多样性结论，而且不能说明相近颜色之间的细小差别。表色系统就是为了能精确地标定颜色的一种规定体系。

常用的表色系统有孟塞尔表色系统和CIE表色系统(国际照明委员会),而CIE表色系统是应用最广泛的表色系统。(一)孟塞尔表色系统孟塞尔表色系统把颜色看作是一个三维量，以颜色的三个基本特征为依据，将颜色的三个基本特征量化后，通过一个颜色立体图来形象地表征物体表面的颜色,如图1-19所示。颜色立体图的中央轴表示的是黑白系列的中性色，它的刻度表示明度等级。每一明度值都对应于在标准光源照射下颜色样品的反射比，明度越高，样品就越亮，其反射比也越大。颜色立体图中包含中央轴线的垂直面则表示颜色的彩度和色调(如图1-20所示)。每一个垂直面从中央轴向外可分成若干等分，表征颜色的彩度等级。色调则是围绕中央轴依次按红(5R)、黄红(5YR)、黄(5Y)、黄绿(5GY)、绿(5G)、蓝绿(5BG))、蓝(5B)、蓝紫(5PB)、紫(5P)、红紫(5RP)分成10个主色调。每一主色调又等分成10个相近色调。共有40个不同的色调。孟塞尔表色系统按颜色的三个基本特性的组合来表征颜色。彩色系列的表达式为：其中H表示色调，V表示明度，C表示彩度。HV/C黑白系列的表达式为：

其中N表示中性色，V为明度。NV（二）CIE表色系统

CIE表色系统是以三原色学说为依据，由色刺激表示的系统。它能够定量地分析光源色的相加混合，也可以用于表示物体固有色，是比较完善和精确的系统。CIE表色系统有多种，其中1931CIE—RGB系统较为直观，1931CIE—XYZ系统是应用最广泛的系统。例如：1、某颜色样品的孟塞尔表示式为5YR8/4，则表示该颜色的色调是黄红色H=5YR，明度V=8，彩度C=4。2、N5即表示明度为5的中灰色。1、三原色原理（也称三基色原理）

1）任一给定颜色可以用三种原色(红、绿、蓝)按一定比例混合而成，或者说各种颜色的光都可以分解成红、绿、蓝三种原色。2）三原色理论认为，人眼视网膜上的锥状细胞包含着红、绿、蓝三种反映色素，它们分别对不同波长的光发生反应，视觉神经中枢综合这三种刺激的相对强度而产生一种颜色感觉，三种刺激的相对强度不同时，就产生不同的颜色视觉。所以，当眼睛受到单一波长的光刺激时产生一种颜色视觉，而当受到—束包含不同波长的复合光刺激时也只产生一种颜色视觉。三原色的选取原则：其一是三原色中任意一种原色不能由另外两种原色混合而成；其二是应该使三原色按不同比例混合时能产生尽量多的颜色。

为此，CIE规定的三原色为700nm的红色、546.1nm的绿色和435.8nm的蓝色。根据三原色原理，任意颜色可以用下式表示：式中[C]为某一特定的混合色，即被匹配的颜色；[R]、[G]、[B]为红、绿、蓝的单位三原色；R、G、B为混合色中所含红、绿、蓝三原色的量值，称为色的三刺激值。三原色虽然能混合成所有不同色调的颜色，但当要求混合成高彩度的颜色时就很难实现。这时需将三原色之一加到被匹配的颜色一方。假设将红原色R[R]加到被匹配的颜色一方，则其颜色方程可表示为：或

2、混色方法

把三原色按照不同的比例混合获得彩色的方法称为混色法。混色法有相加混色和相减混色之分。可根据需要相加或相减调配颜色。由右图可见:红色+绿色=黄色红色+蓝色=紫色(品红)绿色+蓝色=青色红色+绿色+蓝色=白色相加混色图黄色、青色、品红都是由两种原色相混合而成，所以它们又称相加二次色。另外：红色+青色=白色绿色+品红=白色蓝色+黄色=白色

所以青色、黄色、品红分别又是红色、蓝色、绿色的补色。以上各色即均是按照基色光等量相加的结果；若改变它们之间的混合比例，经相加可获得各种颜色的彩色。1853年格拉斯曼（H.Grasman）教授总结了下列相加混色定律：1、补色律：自然界任一颜色都有其补色，它与它的补色按一定比例混合，可以得到白色或灰色。2、中间律：两个非补色相混合，便产生中间色。其色调决定于两个颜色的相对数量，其彩度决定于二者在颜色顺序上的远近。3、代替律：相似色混合，混合色仍相似。可用公式表示如下：颜色A=颜色B，颜色C=颜色D，颜色(A+C)=颜色(B+D)代替律表明，在混色中，某种颜色用外貌相同的另外颜色代替，最后效果不变。4、亮度相加律：混合色的亮度等于各分色的亮度之和。3、光谱三刺激值若用、、表示波长为λ的光谱色用三原色混合时各原色的量值，则称、、是波长为λ的光谱色的三刺激值,简称光谱三刺激值。193lCIE—RGB标准色度系统的标准色度观察者光谱三刺激值曲线如图1-21所示。

4、1931CIE—RGB表色系统的色度图。色度图是指在色度直角坐标上画出的光谱轨迹。

CIE色度图将颜色看作是三原色的三维量，用三原色的空间直角坐标来表示颜色，其中R、G、B是颜色的色坐标值，即颜色的三刺激值；r、g、b是颜色的色度坐标值，则任意被匹配的颜色[C]就为RGB三维坐标上的一个点。由于

三个色度坐标中，只要已知r和g的值，就能得到b的值，于是把原来的三维空间坐标问题简化为二维平面问题，即可把研究颜色的三维空间直角坐标，改用二维直角坐标、1931CIE—RGB系统色度图如图1-22所示。

1931CIE—RGB系统色度图是在色度直角坐标是求得的光谱色的色度轨迹，由于其形状呈马蹄形，故又称之为马蹄形轨迹。

★凡在马蹄形轨迹上的点都表示光谱色的色度坐标。或者说，各种不同波长可见单色光的颜色色度坐标都落在该轨迹上；因此，轨迹上的每一点代表的颜色必然是高彩度的单一波长的可见光颜色，色度点不同，表示光谱色的波长也不同,也就是色调不同。

★马蹄形轨迹两端的连线称为底线,它是380nm和780nm色度坐标的连接线。底线代表的是紫与红的混合色。凡是在底线上的点所代表的颜色也是高彩度，但它们的色调无法用波长来表示，仅说明它们不是光谱色，而是混合色。★在马蹄形轨迹和底线包围内，任意点都有相应的颜色与之对应，但均属于混合色，而该范围之外的各点将不再有任何彩色与之对应。★图中以435.8、546.1、700nm光谱色的色度坐标为顶点的三角形，称为颜色三角形。凡在三角形内(包括三条边)的各点所对应的颜色均可用三原色直接混合而成；而在三角形之外与光谱轨迹和底线包围范围之内的各点所对应的颜色，将无法用三原色直接混合而成，必须将其中的一种原色加到被匹配的颜色中，才能与其它两种颜色混合而成。

5、1931CIE—XYZ表色系统的色度图。由于RGB系统的光谱三刺激值和色度坐标都会出现负值，这会给计算、分析带来诸多不便。故选用XYZ表色系统，该系统的三基色单位量分别为(X)、(Y)、(Z)，它们并不代表实际颜色，也不能通过三原色相混合而得到，只能由计算得到。因此常称(X)、(Y)、

(Z)为计算三原色。计算三原色具有如下特点:①可根据C=X(X)+Y(Y