光學(xué)設(shè)計(jì)第講光度學(xué)

光學(xué)設(shè)計(jì)第講光度學(xué)第一頁，共七十一頁，2022年，8月28日第2講光度學(xué)基礎(chǔ)1可見光2人的視覺3光度學(xué)基礎(chǔ)第二頁，共七十一頁，2022年，8月28日1可見光粒子-反射、折射、吸收—幾何光學(xué)波動-干涉、衍射、偏振（橫波）--波動光學(xué)—電磁波波粒二象性—光量子（愛因斯坦光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)解釋）紅

780nm~630nm橙630nm~590nm黃590nm~570nm綠570nm~500nm青500nm~460nm藍(lán)460nm~430nm紫430nm~380nm第三頁，共七十一頁，2022年，8月28日1可見光可見光譜：在電磁輻射范圍內(nèi)，只有從380-780(nm)波長的電磁輻射能夠引起人的視覺，這段波長叫做可見光譜。第四頁，共七十一頁，2022年，8月28日1可見光光學(xué)輻射：指波長為1納米到1毫米范圍的電磁輻射，它主要包括紫外輻射、可見輻射和紅外輻射等部分。分為：可見輻射和不可見輻射?？梢娸椛洌梢姽猓簩τ谌藖碚f，能為眼睛感受并產(chǎn)生視覺的光學(xué)輻射稱為可見輻射。這種來及外界的可見光輻射刺激人的視覺器官，在腦中產(chǎn)生光、顏色、形狀等視覺印象，而獲得對外界的認(rèn)識。不可見輻射（紫外線、紅外線）：不能為眼睛感受，也不產(chǎn)生視覺的光學(xué)輻射稱為不可見輻射。這種輻射刺激眼睛時不產(chǎn)生視覺，而作用在皮膚上有時會產(chǎn)生其它感覺，如紫外線產(chǎn)生疼痛感覺，紅外線長生灼熱感覺。第五頁，共七十一頁，2022年，8月28日2人的視覺1、視覺光作用于視覺器官，使其感受細(xì)胞興奮，其信息經(jīng)視覺神經(jīng)系統(tǒng)加工后便產(chǎn)生視覺。人的視覺器官不但反映光的強(qiáng)度，而且也能反映光的波長特性。前者表現(xiàn)為亮度的感覺，后者表現(xiàn)為顏色的感覺。通過視覺，人和動物感知外界物體的大小、明暗、顏色、動靜，獲得對機(jī)體生存具有重要意義的各種信息，至少有80％以上的外界信息經(jīng)視覺獲得，視覺是人和動物最重要的感覺。第六頁，共七十一頁，2022年，8月28日2人的視覺第七頁，共七十一頁，2022年，8月28日

視神經(jīng)盤（視神經(jīng)乳頭）（盲點(diǎn)）

黃斑（密集著椎體細(xì)胞的區(qū)域，顏色呈黃色）中央凹（最敏感的地方）視神經(jīng)乳頭第八頁，共七十一頁，2022年，8月28日雙極細(xì)胞神經(jīng)節(jié)細(xì)胞桿體細(xì)胞錐體細(xì)胞錐體與桿體細(xì)胞的混合系統(tǒng)第九頁，共七十一頁，2022年，8月28日2人的視覺光線進(jìn)入人眼的視網(wǎng)膜,桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞起作用。桿體細(xì)胞和錐體細(xì)胞經(jīng)電化學(xué)作用產(chǎn)生脈沖信號。脈沖信號通過視神經(jīng)傳送到大腦。從而產(chǎn)生視覺效應(yīng)，使人們能看到物體。第十頁，共七十一頁，2022年，8月28日1.2人的視覺2、人眼視網(wǎng)膜上有二種感光細(xì)胞：桿體細(xì)胞和錐體細(xì)胞。

桿體細(xì)胞：只在較暗條件下（在亮度為0.001cd/m2以下）起作用，適宜于微光視覺，感光靈敏度高，僅能分辨明暗，不能分辨顏色和細(xì)節(jié)。桿體細(xì)胞不能分辨色彩的原因是因?yàn)樗缓幸环N類型的感光色素，這些感光細(xì)胞集中在視網(wǎng)膜的外圍部分，引起的是外圍視覺。第十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日2人的視覺

錐體細(xì)胞:在光亮（亮度為3cd/m2以上）條件下，能夠分辨顏色和物體的細(xì)節(jié)。其原因：在高亮度條件下，桿體細(xì)胞響應(yīng)飽和，視覺完全由錐體細(xì)胞引起，錐體細(xì)胞可能含有敏紅素、敏綠素和敏藍(lán)素三種感光色素中的一種，分別稱為L型（長波，590nm）、M型（中波，540nm）以及S型（短波，450nm）錐體細(xì)胞。由于光譜靈敏度不同，這些感光色素使我們能夠區(qū)分色彩。錐體細(xì)胞集中在視網(wǎng)膜的中心部分，密度在外圍下降。錐體細(xì)胞靈敏度較低但空間分辨率較高。第十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日2人的視覺3、明視覺、暗視覺、中間視覺

1912，馮·凱斯（J.VonKries）根據(jù)上述現(xiàn)象，提出了視覺的二重功能學(xué)說，認(rèn)為視覺有兩重功能：視網(wǎng)膜中央的“錐體細(xì)胞視覺”和視網(wǎng)膜邊緣的“桿體細(xì)胞視覺”，也叫做“明視覺”和“暗視覺”。當(dāng)環(huán)境亮度介于0.001cd/m2

和3cd/m2

之間稱為中間視覺。此時視網(wǎng)膜上的錐體細(xì)胞和桿體細(xì)胞同時起作用，藍(lán)光比紅光更為明亮。第十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日1.2人的視覺總結(jié)：視網(wǎng)膜：桿體細(xì)胞+錐體細(xì)胞

桿體細(xì)胞：感光靈敏度高（暗視覺），不能分辨細(xì)節(jié)，不能分辨色彩。錐體細(xì)胞：感光靈敏度低（明視覺），能分辨細(xì)節(jié)，能分辨色彩。錐體細(xì)胞可分敏紅、敏綠、敏藍(lán)細(xì)胞第十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日2人的視覺4、視覺適應(yīng)在變化的各種亮度、光譜分布、視覺刺激下，視覺系統(tǒng)會相應(yīng)地做出調(diào)整以適應(yīng)這種變化過程。明適應(yīng)：黑暗環(huán)境到明亮環(huán)境暗適應(yīng)：明亮環(huán)境到黑暗環(huán)境第十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日明適應(yīng)的時間較短，通常為10-3s-2min暗適應(yīng)的時間較長，通常為20分鐘到一個小時引起光感覺的最小亮度和最低光出射角度應(yīng)用：隧道路燈照明第十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日3光度學(xué)基礎(chǔ)3.1輻射度學(xué)與光度學(xué)3.2輻通量與光通量3.3發(fā)光強(qiáng)度3.4亮度3.5光出射度3.6照度3.7發(fā)光效率3.8各個物理量的關(guān)聯(lián)第十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.1輻射度學(xué)與光度學(xué)輻射度學(xué)（Radiometry）：當(dāng)外界物理輻射以能量（或功率）為單位來評價時，定義為輻射量，這是純物理量，屬于輻射度學(xué)研究的范疇。光度學(xué)（Photometry）：物理輻射作用在觀察者的視覺器官是產(chǎn)生光的感覺，當(dāng)輻射量與人眼的視覺特性相聯(lián)系而被評價時，定義為光度量，屬于光度學(xué)研究的范疇。光度學(xué)處理的是光亮度的視覺，測量的是視覺響應(yīng)。第十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.1輻射度學(xué)與光度學(xué)第十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量1、輻通量Φe（輻射功率）：單位時間內(nèi)光源發(fā)出或通過一定接收截面的輻射能，單位為W（瓦特）。譜密度，光譜分布第二十頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量第二十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量第二十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量第二十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量2、光譜光效率函數(shù)用來度量輻射能所引起的視覺能力的量稱為光譜光效率函數(shù)，（即光譜不同波長的能量對人眼產(chǎn)生光感覺的效率）。它主要是評價人體視覺對各種顏色的靈敏度。光譜光效率函數(shù)是光度學(xué)計(jì)算的重要依據(jù)。1933年國際計(jì)量委員會采用光譜光效率函數(shù)作為光度量的標(biāo)準(zhǔn)。第二十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日1.3.2輻通量與光通量InternationalCommissiononIllumination（國際照明委員會），簡稱CIE第二十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日一般用表示明視覺的光譜光效率函數(shù)；

明視覺光譜光效率函數(shù)是1924年國際照明委員會(CIE)根據(jù)吉普遜(Gibson)等幾組科學(xué)家對200多名觀察者測定的結(jié)果推薦的，適合于2度視場觀察條件，其峰值在555nm，也就是說對波長為555nm的黃綠光的感受效率最高，同樣對其它波長的光的感受效率較低。

暗視覺光譜光效率函數(shù)(ScotopicVision)是CIE于1951年推薦的，是在克拉福特(Craford)和沃爾特(Wald)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上綜合后推出的，它的峰值在507nm，也就是說對波長為507nm的藍(lán)綠光的感受效率最高。一般用表示暗視覺的光譜光效率函數(shù)；

光譜光視效率第二十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量光譜光效率函數(shù)歸一化：

光譜光視效率與波長的關(guān)系曲線在月色朦朧的夜晚，總感到周圍一切籠罩一層藍(lán)灰色的色彩第二十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日第二十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量3、光通量（Flux）Φv（流明，lm）按照CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的視覺特性來評價的輻射通量，即為光通量，它表示光源的發(fā)光能力。Km為輻射的光譜光效能的最大值，單位：流明每瓦特（lm/W）。第二十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量第三十頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量例如：對于555nm的綠光，1瓦特=683流明，440nm的光的視覺函數(shù)為0.023，那么，1W的440nm的光對應(yīng)多少流明？683lm/W*1W*0.023=15.71lm第三十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.2輻通量與光通量常用燈具的電功率與光通量第三十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度（LuminousIntensity）：點(diǎn)光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，也可解釋為在一定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量。單位：流明/球面度（lm/sr）或坎德拉（cd）。

坎德拉是國際單位制（SI）的基本單位，等于一個發(fā)射頻率5.4X1014Hz（555nm）的單色光，輻射強(qiáng)度為1/683(W/sr)的光源的發(fā)光強(qiáng)度。注意：發(fā)光強(qiáng)度的概念不能直接應(yīng)用于不可看作為點(diǎn)光源的眾多光源。第三十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3發(fā)光強(qiáng)度國際單位制（SI）7個基本單位長度單位——米(m)質(zhì)量單位——千克(kg)時間單位——秒(s)電流單位——安培(A)熱力學(xué)溫度單位——開爾文(K)物質(zhì)的量單位——摩爾(mol)發(fā)光強(qiáng)度單位——坎德拉(cd)第三十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3發(fā)光強(qiáng)度國際單位制（SI）2個輔助單位平面角單位—弧度（1rad=180°/3.142）立體角單位—球面度（sr）第三十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3發(fā)光強(qiáng)度第三十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3發(fā)光強(qiáng)度第三十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3發(fā)光強(qiáng)度第三十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3發(fā)光強(qiáng)度第三十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.4亮度1、亮度（Luminance）：離開，到達(dá)或者穿過某一表面，單位立體角單位投影面積上的光通量。單位：坎德拉每平方米（cd/m2，也可用尼特（nt）表示）。Iv是指擴(kuò)展光源表面的每塊面元dS沿某方向r有一定的發(fā)光強(qiáng)度第四十頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.4亮度亮度可描述有限尺寸的發(fā)光體發(fā)出的可見光在空間分布的情況，也可描述光路中的任意一個截面的光分布。一個不發(fā)光但反射的物體明亮程度的視覺可以用它對某個光源發(fā)射光的反射來表征。當(dāng)亮度低于10-3cd/m2時，暗視覺其主要作用，若亮度超過3cd/m2，則完全是明視覺。從海平面上看太陽的平均亮度為1.6X109cd/m2月亮的亮度大約是2500cd/m2蠟燭的亮度約為（）X104cd/m2藍(lán)天的亮度為0.8X104cd/m2。無月的夜空約10-4cd/m2第四十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.4亮度第四十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.4亮度第四十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日表室內(nèi)外照明的亮度分布情況亮度（cd/m2）亮度分類1推薦的道路亮度2剛能識別人臉部特征的亮度51020能滿意辨認(rèn)50墻和天棚的優(yōu)選亮度優(yōu)選的作業(yè)亮度1002005001,000一般照明燈具允許的亮度值2,0005,00010,000第四十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.4亮度2、朗伯（Lambert）定律—余弦發(fā)射體、漫反射體如果有一個面積為A的均勻發(fā)光面，它在某一方向上的亮度為L，則它在這個方向上的發(fā)光強(qiáng)度I應(yīng)為：發(fā)光面的法線與所指定的方向的夾角。假若這個面光源的亮度在各個方向上都相等，即亮度不依賴于方向角，則現(xiàn)定義I0為這個面光源法線方向上的發(fā)光強(qiáng)度，即I0＝L·A。上式變?yōu)榈谒氖屙?，共七十一頁?022年，8月28日3.4亮度一個朗伯發(fā)射面，它向空間兩個任意1和2之間所發(fā)出的光通量：對于半球體應(yīng)取1=0°，2=90°，可得

若朗伯發(fā)射面的面積為A，則因I0＝LA，可得

若朗伯發(fā)射面為漫反射的二次發(fā)光面，其入射照度為E，則第四十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.4亮度朗伯發(fā)光體：太陽（天空）、LED朗伯反射體：積雪、刷粉的白墻、粗糙白紙INIθθ(a)INIθθ(b)第四十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.5光出射度光出射度：光源表面上單位面積發(fā)出的光通量，單位為lm/m2。因透射或反射的二次發(fā)光面：照度：被照面所接收到的光通量的表面密度，光出射度：發(fā)光面發(fā)出的光通量的表面密度。第四十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.5光出射度理想漫反射面的出射度：第四十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度1、照度（Illuminance）：投射在單位面積上的光通量。單位：流明每平方米（lm/m2，也稱為勒克斯lx，即1lm/m2=1lx）注意：1）1lx的照度是比較小的，在此照度下只能大致辨認(rèn)周圍物體。通常，滿月夜晚的地面照度約為0.2lx，白天采光良好的室內(nèi)照度為100－500lx，晴朗的室外太陽非直射下的地面照度為103－104lx，而中午太陽直射下的地面照度可達(dá)105lx。2）照度越高，眼睛分辨細(xì)節(jié)、低反差以及色調(diào)的能力越強(qiáng)。因此，不同活動需要不同的照度級別。第五十頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度

在通常照明條件下，將20lx的平均照度取為非工作區(qū)的最小照度，它相當(dāng)于剛能識別人的臉部特征的約為1cd/m2的亮度。對于長期有人活動的房間，其最小照度要求為200lx的平均照度，此時能輕松而清楚的看到人的面部特征。對于學(xué)習(xí)和辦公等場合，要求的最低有500lx的照度。

對于工作區(qū)的照明，為獲得滿意的視覺效果，優(yōu)先選擇的照度范圍為1000－2000lx。但從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的角度考慮，對于一般的作業(yè)照明，所選擇的照度值比此范圍低。第五十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度表對不同類型活動推薦的照度范圍活動類型照度(lx)方向指示和簡單的視覺工作（公共空間）30-100普通視覺工作（商業(yè)、工業(yè)和居室應(yīng)用）300-1000專門視覺工作，包括與很小或低反差物件有關(guān)的工作3000－10,000第五十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度表對各種場合和勞動形式的推薦照度值場合或活動推薦照度（lx）戶外和非工作區(qū)域20（在通常照明條件下非工作區(qū)的最小照度）通行區(qū)域，簡單定向或短暫停留100不連續(xù)用于工作目的的房間150視覺簡單的作業(yè)300一般視覺作業(yè)500對視覺有要求的作業(yè)750有困難的視覺要求的作業(yè)1000有特殊視覺要求的作業(yè)1500非常精確的視覺作業(yè)2000第五十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度日照環(huán)境下的照度第五十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度照度與易讀性第五十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度2、點(diǎn)光源產(chǎn)生的照度一般當(dāng)光源的最大尺寸不超過光源至被照平面間的最小距離的五分之一（立體角小于0.002sr）時，就可將此光源看作點(diǎn)光源。N平面的P點(diǎn)照度(法線照度)—平方反比定律H平面的P點(diǎn)照度—余弦定律第五十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度S1面：E1==；S2面：E2=

；

∵S1=S2cosθ∴

顯而易見：E2=E1cosθ

將它與照度的平方反比定律結(jié)合起來就有：第五十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度H平面的P點(diǎn)照度—余弦立方定律應(yīng)用：蝙蝠翼配光曲線計(jì)算h為光源與被照平面的距離如果H為水平面，則Evh可稱為P點(diǎn)的水平照度。第五十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度P點(diǎn)垂直照度（即V平面的P點(diǎn)照度）EvvEvvEvvV平面第五十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日法線照度：垂直面照度：水平面照度：第六十頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度點(diǎn)光源的尺度要求點(diǎn)、線、面、體光源第六十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度2第六十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度朗伯點(diǎn)光源照度計(jì)算第六十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度3、多個點(diǎn)光源產(chǎn)生的照度一般的照明光源不存在相干的問題，因此當(dāng)有n個點(diǎn)光源同時照射工作面時，n個點(diǎn)光源產(chǎn)生的照度等于每一點(diǎn)光源分別產(chǎn)生的照度的總和。Iθn—光源在照度計(jì)算點(diǎn)方向的發(fā)光強(qiáng)度;θn—光源至照度計(jì)算點(diǎn)的連線與光源至照度計(jì)算平面的垂線之間夾角的余弦;ln—光源至照度計(jì)算點(diǎn)的距離。第六十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.6照度4、面光源產(chǎn)生的照度由面元dS（