第13課【光度學(xué)與色度學(xué)】

1、第五章第五章 光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)輻射度學(xué)輻射度學(xué)通過電磁光譜來處理輻射能的測量。通過電磁光譜來處理輻射能的測量。輻射度學(xué)主要研究頻率為輻射度學(xué)主要研究頻率為31011 31016Hz的光輻射，對的光輻射，對應(yīng)于應(yīng)于0.011000m微米的波長。微米的波長。波段范圍包括紅外、可見光、波段范圍包括紅外、可見光、紫外線紫外線。研究電磁波輻射的測試、計量和計研究電磁波輻射的測試、計量和計算的學(xué)科稱為算的學(xué)科稱為“輻射度學(xué)輻射度學(xué)”光光度學(xué)度學(xué) 與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光，波長范圍為即可見光，波長范圍為380780nm(

2、納米納米)。 波長波長450nm對應(yīng)于藍(lán)色，對應(yīng)于藍(lán)色，540nm對應(yīng)于綠色，對應(yīng)于綠色，659nm對應(yīng)于紅色。對應(yīng)于紅色。研究可見光的測試、計量和計算稱為研究可見光的測試、計量和計算稱為“光度學(xué)光度學(xué)” 立體角的定義：立體角的定義： 一個任意形狀的封閉錐一個任意形狀的封閉錐面所包含的空間稱為立面所包含的空間稱為立體角，用體角，用表示。表示。OrS 以錐體頂點為以錐體頂點為球心，任意球心，任意r r為半徑為半徑作一球面，此錐體作一球面，此錐體在球面上的截面為在球面上的截面為S S，則立體角表示為則立體角表示為2rS5-1 輻射量和光學(xué)量及其單位輻射量和光學(xué)量及其單位可見光的描述：輻射量（純物理

3、現(xiàn)像）和光學(xué)量（視覺感受） 可見光是波長在3.810-77.810-7米范圍內(nèi)的電磁輻射，描述電磁輻射的物理量，即輻射量，也可用來描述可見光；可見光是能對人的視覺形成刺激并能被人感受的電磁輻射，因而人們很自然地用視覺受到刺激的程度（引起的心理反應(yīng)），即視覺感受來量度可見光。按這種視覺響應(yīng)原則建立的表征可見光的量稱作光學(xué)量。 由此可見，可見光是可以用輻射量和光學(xué)量這兩種量值系由此可見，可見光是可以用輻射量和光學(xué)量這兩種量值系統(tǒng)來度量的。把可見光做為純物理現(xiàn)像來研究時，應(yīng)采用統(tǒng)來度量的。把可見光做為純物理現(xiàn)像來研究時，應(yīng)采用輻射量量值系統(tǒng)；而研究與人的視覺有關(guān)問題時，采用光輻射量量值系統(tǒng)；而研究與

4、人的視覺有關(guān)問題時，采用光學(xué)量量值系統(tǒng)可能更方便。學(xué)量量值系統(tǒng)可能更方便。1 、輻射量、輻射量0.0.輻射能輻射能 1.1.輻通量輻通量2.2.輻出度輻出度3.3.輻照度輻照度4.4.輻強度輻強度 5.5.輻亮度輻亮度5-1 輻射量和光學(xué)量及其單位輻射量和光學(xué)量及其單位二、光學(xué)量二、光學(xué)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.發(fā)光強度發(fā)光強度【坎德拉坎德拉】5.5.光亮度光亮度除“輻射能”以外，其他一一對應(yīng)。 ddIee輻射強度輻射強度：單位立體角內(nèi)發(fā)出的單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量輻射通量。給定方。給定方向上取立體角向上取立體角

5、d d ，在，在d d 范圍內(nèi)的輻射通量為范圍內(nèi)的輻射通量為d d e e。把把d d e e與與d d 之比稱為輻射體在該方向上的之比稱為輻射體在該方向上的“輻射強輻射強度度”發(fā)光強度：發(fā)光強度：與輻射強度相對應(yīng)。它表示在指定方向上光與輻射強度相對應(yīng)。它表示在指定方向上光源發(fā)光的強弱，即單位立體角內(nèi)發(fā)出的源發(fā)光的強弱，即單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量光通量ddI重要常識（1）發(fā)光強度：）發(fā)光強度：發(fā)光強度的單位為坎德拉發(fā)光強度的單位為坎德拉(cd)。1979年第十六屆國年第十六屆國際計量大會對發(fā)光強度的單位坎德拉作了明確的規(guī)定：際計量大會對發(fā)光強度的單位坎德拉作了明確的規(guī)定：“一一個光源發(fā)出頻率為

6、個光源發(fā)出頻率為5401012HZ (赫茲赫茲)的單色光，在一的單色光，在一定方向的輻射強度為定方向的輻射強度為1/683 W/sr，則此光源在該方向上，則此光源在該方向上的發(fā)光強度為的發(fā)光強度為1坎德拉坎德拉”。發(fā)光強度是光學(xué)基本量，是國際。發(fā)光強度是光學(xué)基本量，是國際單位制中七個基本量之一。單位制中七個基本量之一。（2）流明：）流明：從發(fā)光強度的單位坎德拉可以導(dǎo)出光通量的單位流明：發(fā)光強度為1坎德拉的勻強點光源，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量為1流明。（3）常見發(fā)光表面的光亮度值（表）常見發(fā)光表面的光亮度值（表5-1)5-1 輻射量和光學(xué)量及其單位輻射量和光學(xué)量及其單位三、光學(xué)量和輻射量兩種量

7、值系統(tǒng)間的關(guān)系三、光學(xué)量和輻射量兩種量值系統(tǒng)間的關(guān)系（一）光譜光效率函數(shù)（一）光譜光效率函數(shù)-視見函數(shù)視見函數(shù)1 1、人的視覺特性：輸入（輻射量）、人的視覺特性：輸入（輻射量）輸出（光學(xué)量）輸出（光學(xué)量） 就其實質(zhì)而言，人眼就是一種可見光探測器，其輸入就其實質(zhì)而言，人眼就是一種可見光探測器，其輸入為用輻射量度量的可見光輻射，而輸出為用光學(xué)量表示的為用輻射量度量的可見光輻射，而輸出為用光學(xué)量表示的光感受。所以，光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系決定于人的視覺光感受。所以，光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系決定于人的視覺特性特性（一）光譜光效率函數(shù)（一）光譜光效率函數(shù)-視見函數(shù)視見函數(shù)2、光譜光效率函數(shù)： 人的視覺對不同

8、波長光響應(yīng)的靈敏度是波長的函數(shù)。 實驗表明，具有相同輻通量而波長不同的可見光分別作用于人眼，人所感受的明亮程度將有所不同，這表明人的視覺對不同波長光有不同的靈敏度。 人對不同波長而輻通量相同的光響應(yīng)的靈敏度是波長的函數(shù)，稱之為光譜光效率函數(shù)。也叫視見函數(shù)（視感程度） 實驗表明，觀察場明暗不同時，光譜光效率函數(shù)亦稍有不同。國際照明委員會（CIE）根據(jù)多組測試實驗結(jié)果，分別于1924年和1951年確定并正式推薦兩種光譜光效率函數(shù)：明視覺光譜光效率函數(shù)明視覺光譜光效率函數(shù)暗視覺光譜光效率函數(shù)暗視覺光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù)人的視覺對不同波長光響應(yīng)的靈敏度是波長的函數(shù)。（二）光學(xué)量和輻

9、射量間的關(guān)系光譜量（微分形式）d內(nèi) 積分量（積分形式）可見光范圍內(nèi) 注意：注意：1）明視條件和暗視條件2）其他對應(yīng)量之間有相同的關(guān)系3）光學(xué)量輻射量：對同等大小的輻射量因波長不同，視覺感受不同4）光功當(dāng)量：明視覺、光功當(dāng)量：明視覺、暗視覺5）名稱、定義（物理意義）式、單位6）各種輻射量和光學(xué)量代表符號中的下標(biāo)e和v，在不致混淆的情況下，可以不必標(biāo)出，例如，發(fā)光強度Iv 和光照度Ev可分別寫做I、E等。 d)( )(maxVKKee5-2 光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律一、點光源在有限距離的表面上形成的照度一、點光源在有限距離的表面上形成的照度cos2lIdSdE照度平

10、方反比定律：照度平方反比定律：點光源在被照表面上點光源在被照表面上形成的照度與被照面形成的照度與被照面到光源距離的平方成到光源距離的平方成反比。反比。照度余弦定律 ：當(dāng)光源到被照明表面的距離不變時，角為零時，照度值最大。隨著角的不斷增大，照度值將變小。即被照明表面處的照度與光線入射角的余弦成正比。 二、面光源在距離為二、面光源在距離為r的表面上形成的照度的表面上形成的照度三、單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞三、單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞四、光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度四、光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度五、余弦輻射體五、余弦輻射體 特點特點 1發(fā)光強度空間分布特點：發(fā)光強度空間分布特點：發(fā)光強度發(fā)光

11、強度空間分布空間分布為余弦分布為余弦分布 2光亮度空間分布特點：光亮度空間分布特點：在各方向的在各方向的光亮度光亮度相相同同五、余弦輻射體五、余弦輻射體 余弦輻射體可能是自發(fā)光面，如絕對黑體、平面燈絲鎢燈等；也可能是透射或反射體。受光照射經(jīng)透射或反射形成的余弦輻射體，稱做漫透射體和漫反射面。乳白玻璃是漫透射體，其經(jīng)光照射后透射光強度分布如圖58a所示；硫酸鋇涂層表面是典型的漫反射面。 一、軸上像點的光照度一、軸上像點的光照度討論：討論： 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)孔徑孔徑越大，像面越大，像面照度照度越大越大 系統(tǒng)系統(tǒng)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，為了保證像面足夠的像

12、面照度，更要求照明好，為了保證像面足夠的像面照度，更要求照明好，U要大）要大）5-3 成像系統(tǒng)像面的光照度成像系統(tǒng)像面的光照度軸外點的光照度隨視場角的增大而顯著下降。 二、軸外像點的光照度二、軸外像點的光照度 反射損失：光學(xué)零件與空氣接觸面能量損失 吸收損失：在空氣中的吸收 在光學(xué)零件中的吸收 反射面不完全反射的損失：鍍膜三、光通過光學(xué)系統(tǒng)時能量的損失三、光通過光學(xué)系統(tǒng)時能量的損失四四 、光學(xué)系統(tǒng)的總透射比、光學(xué)系統(tǒng)的總透射比一、顏色的分類一、顏色的分類1 1、顏色：顏色是不同波長可見光輻射作用于人的視覺器官后、顏色：顏色是不同波長可見光輻射作用于人的視覺器官后所產(chǎn)生的心理感受。所以，顏色是一

13、種和物理、生理及心所產(chǎn)生的心理感受。所以，顏色是一種和物理、生理及心理學(xué)有關(guān)的復(fù)雜現(xiàn)像。理學(xué)有關(guān)的復(fù)雜現(xiàn)像。2 2、非彩色和彩色：顏色可分為非彩色和彩色兩大類。、非彩色和彩色：顏色可分為非彩色和彩色兩大類。 非彩色系指白色、黑色及白與黑之間深淺不同的灰色所構(gòu)成的顏色系列。 彩色是指白黑非彩色系列以外的所有顏色。如各種光譜色彩色是指白黑非彩色系列以外的所有顏色。如各種光譜色均為彩色。均為彩色。5-4 色度學(xué)概述色度學(xué)概述一、顏色的分類一、顏色的分類3、物理機制：、物理機制： 根據(jù)顏色形成的物理機制的不同，顏色又有光源色根據(jù)顏色形成的物理機制的不同，顏色又有光源色、物體色及熒光色之分。、物體色及熒

14、光色之分。 自發(fā)光形成的顏色，一般稱之為自發(fā)光形成的顏色，一般稱之為光源色光源色； 自身不發(fā)光，憑借其它光源照明，通過反射或透射自身不發(fā)光，憑借其它光源照明，通過反射或透射而形成的顏色，稱之為而形成的顏色，稱之為物體色物體色； 物體受光照射激發(fā)所產(chǎn)生的熒光及反射或透射光共物體受光照射激發(fā)所產(chǎn)生的熒光及反射或透射光共同形成的顏色，稱之為同形成的顏色，稱之為熒光色熒光色。 二、顏色的表觀特征顏色有三種表觀特征，即明度、色調(diào)和飽和度。彩色彩色必須具備上述三個特征，特征參數(shù)的不同，標(biāo)示著顏色間的差別。非彩色非彩色只有明度值的差別，沒有色調(diào)區(qū)分，飽和度均等于0三、顏色混合的兩種方式三、顏色混合的兩種方式

15、三、顏色混合的兩種方式三、顏色混合的兩種方式色光的混合始于牛頓，紅光加綠光產(chǎn)生黃光，紅橙黃綠青藍(lán)紫七色相加合成白光。彩色電視機制造中利用紅、綠、藍(lán)作為“三基色”，顯示出大自然中千變?nèi)f化的色彩。色光混合的原理在舞臺燈光、布景、夜景燈光、現(xiàn)代廣告等有廣泛的應(yīng)用價值。1、色光混合：色光混合是不同顏色光的直接混合?；旌仙鉃閰⒓踊旌细魃庵?，又稱之為加混色。三、顏色混合的兩種方式三、顏色混合的兩種方式2、色料混合：色料是對光有強烈選擇吸收的物質(zhì)，在白光照明下呈現(xiàn)一定的顏色。色料混合是從白光中去除某些色光，從而形成新的顏色，又稱之為減混色。繪畫是用顏料來表現(xiàn)光。顏料本身不能產(chǎn)生光，它只是一種在一定光照

16、下的顯色物質(zhì)。無論是透明色彩的調(diào)和或是直接混和顏料，對于光而言，都是在做減法，其原理和加光混合法并非無緣，在道理上是相通的，只 不過在光亮的程度上是方向相反的。 四、三原色四、三原色1、紅、綠、蘭三種顏色以不同的量值（有的可能為負(fù)值）相混合，可以匹配任何顏色。紅、綠、蘭不是唯一的能匹配所有顏色的三種顏色。三種顏色，只要其中的每一種都不能用其它兩種混合產(chǎn)生出來，就可以用它們匹配所有顏色。2、能夠匹配所有顏色的三種顏色，稱做三原色。人們通常選用紅（R）、綠（G）、蘭（B）做為三原色，其原因可能是：用不同量的紅、綠、蘭三種顏色直接混合，幾乎可得到經(jīng)常使用的所有顏色; 紅、綠、蘭三種顏色恰與人的視網(wǎng)膜

17、上紅視錐、綠視錐和蘭視錐細(xì)胞所敏感的顏色相一致。五、三刺激值五、三刺激值在顏色匹配中，以一定數(shù)量的三原色完在顏色匹配中，以一定數(shù)量的三原色完成某種顏色的匹配。匹配某種顏色所需成某種顏色的匹配。匹配某種顏色所需的三原色的量稱做該顏色的三刺激值。的三原色的量稱做該顏色的三刺激值。顏色方程中的顏色方程中的R R、G G、B B 就是三刺激值。就是三刺激值。六、顏色相加原理六、顏色相加原理設(shè)兩顏色方程為設(shè)兩顏色方程為(C1)=R1 (R)+G1 (G)+B1 (B) (C2)=R2 (R)+G2 (G)+B2 (B)兩種顏色混合形成的混合色（兩種顏色混合形成的混合色（C）為）為(C)=(C1)+(C2)=R1(R)+G1(G)+B1(B)+R2(R)+G2(G)+B2(B)=(R1+R2)(R)+(G1+G2)(G)+(B1