補(bǔ)充章節(jié)-光度學(xué)基礎(chǔ)課件

補(bǔ)充章節(jié)

光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容回顧及問題的提出：前面內(nèi)容主要講述幾何光學(xué)的光線傳播及正確成像問題——成像的位置、大小、虛實(shí)等。但實(shí)際上光是以光能的形式傳遞的，在傳遞過程中光能損失情況，導(dǎo)致最后像面的亮暗程度不同（這其中還包括環(huán)境等因素對(duì)像面的影響）——須對(duì)光能進(jìn)行度量。概述▲光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)傳輸輻射能量的系統(tǒng)▲能量傳輸能力的強(qiáng)弱，影響像的亮暗▲輻射度學(xué)：研究電磁波輻射的測(cè)試計(jì)量計(jì)算的學(xué)科▲光度學(xué)：在人眼視覺的基礎(chǔ)上，研究可見光的測(cè)試計(jì)量計(jì)算的學(xué)科輻射度學(xué)與光度學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)

輻射量和光學(xué)量及其應(yīng)用一、立體角的意義和單位平面上的角：弧度ABO空間上的角：立體角一個(gè)任意形狀的封閉錐面所包含的空間稱為立體角Ω＝若在以r為半徑的球面上截得面積s=r2，則此立體角為1球面度整個(gè)空間球面面積為4πr2,對(duì)應(yīng)立體角為soΩ輻射量和光學(xué)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系輻射通量輻射強(qiáng)度輻出射度輻照度輻亮度ΦeIeMeEeLe光通量發(fā)光強(qiáng)度光出射度光照度光亮度ΦIMEL二.

輻射度學(xué)中的基本量及其計(jì)量單位1、輻射通量單位時(shí)間內(nèi)輻射體輻射的總能量-----輻射功率單位：瓦特（W）反映輻射強(qiáng)弱，是輻射體各波段輻射能量的積分：輻射通量的波長(zhǎng)分布函數(shù)2、輻射強(qiáng)度輻射體在某一指定方向上單位立體角范圍內(nèi)的輻射通量符號(hào)：?jiǎn)挝唬和呙壳蛎娑龋╓/sr）表示輻射體在不同方向上的輻射特性3、輻射出射度輻射體上某一點(diǎn)附近某一微元面積上輻射的總輻射通量符號(hào)：?jiǎn)挝唬和呙科椒矫祝╓/m2）不管向哪個(gè)方向輻射，描述輻射體表面不同位置上單位面積的輻射特性ds4、輻射照度輻射照度與輻射出射度正好相反，不是發(fā)出輻射通量，而是被輻射體上某一點(diǎn)附近某一微元面積上接收的總輻射通量符號(hào)：?jiǎn)挝唬和呙科椒矫祝╓/m2）dsA5、輻射亮度輻射體表面某點(diǎn)附近，在某一指定方向上單位立體角內(nèi)單位投影面積上發(fā)出的輻射通量符號(hào)：?jiǎn)挝唬和呙壳蛎娑让科椒矫祝╓/sr.m2）描述了輻射體不同位置不同方向上的輻射特性幾種光接收器的光譜靈敏度1為銻銫光電管，不能感受波長(zhǎng)為0.6μm以上的紅光；2是人眼；3是硅光電池；4是一種熱敏元件三.人眼的視見函數(shù)輻射體發(fā)出電磁波，進(jìn)入人眼，在可見光范圍內(nèi)，可以產(chǎn)生亮暗感覺；光度學(xué)中，為表示人眼對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的敏感度差別，定義了一個(gè)函數(shù)，稱為視見函數(shù)，又稱光譜光視效率。可見光范圍內(nèi)，人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的視覺敏感度不同；視見函數(shù)暗視覺的V(λ)——λ曲線的最大值相對(duì)明視覺向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)了50nm。明視覺指人眼在明亮環(huán)境（亮度大于3cd/㎡）中，對(duì)不同波長(zhǎng)可見光的視覺。暗視覺指人眼在黑暗環(huán)境（亮度小于3x10^(-5)cd/㎡）中，對(duì)不同波長(zhǎng)可見光的視覺。視見函數(shù)的相關(guān)因素受外界的照明條件影響而產(chǎn)生：

①明視覺視見函數(shù)：最敏感波長(zhǎng)為555nm（黃光），

其相應(yīng)的視見函數(shù)值V555=1，其

它波長(zhǎng)的V(λ)值均小于1。

②暗視覺視見函數(shù)：最敏感波長(zhǎng)為507nm（綠光），V507=1，其它波長(zhǎng)的V(λ)值均小

于1。舉例：人眼同時(shí)觀察距離相同的兩個(gè)輻射體A和B，假定輻射強(qiáng)度相同，A輻射波長(zhǎng)為600nm,B輻射波長(zhǎng)為500nm。V(600)=0.631V(500)=0.323A對(duì)人眼產(chǎn)生的視覺強(qiáng)度是B對(duì)人眼產(chǎn)生視覺強(qiáng)度的0.631/0.323倍，近似2倍。若要使A和B對(duì)人眼產(chǎn)生相同的視覺強(qiáng)度，則輻射體A的輻射強(qiáng)度應(yīng)該是輻射體B強(qiáng)度的一半。光度學(xué)中的光通量與輻射度學(xué)中的輻射通量相對(duì)應(yīng)。假定有一單色光，其輻射通量為，其中能夠引起視覺的部分為光通量--------用人眼視覺強(qiáng)度來度量的輻射通量。四.光度學(xué)中的基本量1、光通量光通量定義：?jiǎn)挝唬毫鳎鳎﹍mKm為流明與瓦之間的換算系數(shù)，在明視覺中Km=683lm/W；在暗視覺條件下Km=1755lm/W發(fā)光效率光源的發(fā)光效率：光源發(fā)出的光通量與輻射通量之比，即為K

=Φv/Φe

Φ/P式中，P為電光源的電功率。

發(fā)光效率值標(biāo)志了光源每瓦輻射功率所能產(chǎn)生的光通量（流明數(shù)）。意義：發(fā)光效率值標(biāo)志了光源每瓦輻射功率所能產(chǎn)生的光通量（流明數(shù)）。幾種常用電光源的發(fā)光效率：鎢絲燈：1020 鈉光燈：約60鹵素鎢燈：約30高壓汞燈：6070熒光燈：3060 鏑燈：約80 氙燈：4060 金屬鹵素放電燈：約80炭孤燈：4060LED照明燈：40-3002014年，美國(guó)科銳公司(Nasdaq:CREE)宣布白光功率型LED實(shí)驗(yàn)室光效達(dá)到303lm/W發(fā)光效率2.發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度與輻射度學(xué)中的輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。發(fā)光強(qiáng)度指指定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出光通量的多少。也可以理解為在這一方向上輻射強(qiáng)度中有多少是發(fā)光強(qiáng)度單位：坎（德拉）cd計(jì)算舉例：一個(gè)功率（輻射通量）為60W的鎢絲充氣燈泡，假定它在各方向上均勻發(fā)光，求它的發(fā)光強(qiáng)度。２、求發(fā)光強(qiáng)度：總立體角為１、求總光通量：3、光出射度發(fā)光體表面某點(diǎn)附近單位面積發(fā)出的光通量dsA發(fā)光表面均勻發(fā)光情況下（lm/m2）4、光照度某一表面被發(fā)光體照明，其表面某點(diǎn)附近單位面積接收的光通量。ds被照表面均勻照明情況下（lx）單位：勒克司1lx=1lm/m230~50lx50~70100~2001萬3萬~4萬100~50010萬0.23×10–4觀看儀器的示值一般閱讀及書寫精細(xì)工作（修表等）攝影場(chǎng)內(nèi)拍攝電影照相制版時(shí)的原稿明朗夏日采光良好的室內(nèi)太陽直照時(shí)的地面照度滿月在天頂時(shí)的地面照度無月夜天光在地面產(chǎn)生的照度常見物體的光照度值5、光亮度發(fā)光體表面某點(diǎn)附近微元面積在某一方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：坎/米2發(fā)光體某點(diǎn)在給定方向上的發(fā)光特性。常見物體的光亮度值2.5×103105×103在地球上看到的月亮表面人工照明下書寫閱讀的紙面白天的晴朗天空1.5×1091.5×108(5~15)×1063×104在地球上看到的太陽普通電弧鎢絲白熾燈燈絲太陽照射下漫射白色表面光亮度(cd/m2)光源名稱光亮度(cd/m2)光源名稱計(jì)算舉例：有一均勻磨砂球形燈,直徑為17cm,光通量為2000lm,求該燈的光亮度.解:根據(jù)光亮度與發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系來求.輻射量和光學(xué)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系輻射通量輻射強(qiáng)度輻出射度輻照度輻亮度ΦeIeMeEeLe光通量發(fā)光強(qiáng)度光出射度光照度光亮度ΦIMEL第二節(jié)光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律1、光照度公式假定點(diǎn)光源照明微小平面ds，ds離開光源距離為l，表面法線方向與照明方向成，若光源在此方向上發(fā)光強(qiáng)度為I，求光源在ds上的光照度。照度平方反比定律注意：公式是在點(diǎn)光源情況下導(dǎo)出的，對(duì)于發(fā)光面積和照明距離相比很小的情況也可以用。發(fā)光面積大時(shí)，如日光燈在室內(nèi)照明，就不能用了；但室外用日光燈，在遠(yuǎn)距離照度又可以應(yīng)用。計(jì)算舉例1：桌面OB上方有一盞100W鎢絲充氣燈泡P，光源在各方向均勻發(fā)光，燈泡可在垂直桌面方向上下移動(dòng)，問燈泡離桌面多高時(shí)，B點(diǎn)（OB=1m）處的光照度最大，該光照度等于多少？POl1mBx二.面光源的光照度

dAs光源的發(fā)光面積，光源亮度L，在距離為r的dA平面上形成的光照度E。dΩ為dA對(duì)O點(diǎn)所張立體角

注:dA以相同L發(fā)光照射dAs,則得出同樣的光照度，即二者的L相同，可互易。三.均勻透明介質(zhì)情形光在同一介質(zhì)中傳播，忽略散射及吸收，則在傳播中的任一截面上，光通量與亮度不變。光束的亮度就是光源的亮度。

單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞。光在元光管傳播，無光能損失。A1A2dS1輸入到dS2內(nèi)的光通量為dΦ1從dS2射出的dΦ2若不考慮光能損失四.光束經(jīng)截面反射和折射后的亮度（1）反射光束亮度等于入射光束亮度乘以反射系數(shù)：（2）折射光束的亮度不僅與入射光束的亮度以及界面兩邊介質(zhì)的折射率比值的平方成正比，還與界面的反射系數(shù)有關(guān)：如果界面反射損失可以忽略，則：光束經(jīng)理想折射，光亮度也會(huì)產(chǎn)生變化。五.余弦輻射體在各方向上光亮度都近似一致的均勻發(fā)光體稱為余弦輻射體I0Ids發(fā)光強(qiáng)度余弦定律，也稱朗伯定律，符合余弦定律的發(fā)光體稱為余弦輻射體或朗伯輻射體。dsI0I余弦輻射體可能是發(fā)光面，也可能是投射或反射體乳白玻璃漫反射面漫反射體本身并不發(fā)光，受發(fā)光體光照射經(jīng)投射或反射形成的余弦輻射體，稱做漫透射體和漫反射體漫反射體稱做朗伯散射表面或全擴(kuò)散表面第三節(jié)成像系統(tǒng)像面的光照度一.軸上像點(diǎn)的光照度軸上像點(diǎn)的照度與孔徑角正弦的平方成正比，與線放大率的平方成反比。

假設(shè)物體為余弦輻射體（它有L是定值的特點(diǎn)）像平面上光軸周圍微小面元dA’。二.軸外像點(diǎn)的光照度軸外像點(diǎn)的光照度隨視場(chǎng)角的增大而降低。照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)1、像平面光照度代入得物鏡的相對(duì)孔徑H'F'DU'max2、光圈、光圈數(shù)光圈：相對(duì)孔徑分度的方法是按每一刻度值對(duì)應(yīng)的像面照度減小一半。相對(duì)孔徑按等比級(jí)數(shù)變化。光圈數(shù)：相對(duì)孔徑的倒數(shù)，用F表示……三、曝光量假定像面照度為E，曝光時(shí)間為t,底片上單位面積接受的曝光亮H為

H=E.t(lx.s)T制光圈假定某個(gè)透鏡透過率為，相對(duì)孔徑為這樣，像平面光照度公式可以寫為更精確測(cè)量通光量，考慮了各種因素對(duì)鏡頭的透光率的影響三.光通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的能量損失

透明介質(zhì)折射界面的光反射、介質(zhì)對(duì)光的吸收、反射面對(duì)光的透射和吸收都會(huì)造成光能損失。1.光在兩透明介質(zhì)界面上的反射損失1.光在兩透明介質(zhì)界面上的反射損失這種情況下，反射比只與兩邊介質(zhì)的折射率有關(guān)。反射光造成光能損失，在像面上形成雜散光，降低了像的對(duì)比度。

降低反射損失的方法是在玻璃元件的表面鍍?cè)鐾改ぁ?.介質(zhì)吸收造成的光能損失光通過厚度為l的介質(zhì)后的光通量為：光束通過多元件系統(tǒng)后的光通量：3.反射面的光能損失4.光學(xué)系統(tǒng)的總透射比作業(yè)1、一個(gè)100W的鎢絲燈，發(fā)出總光通量為1400lm，求發(fā)光效率為多少?2、一房間，長(zhǎng)寬高分別為5米、3米、3米，一個(gè)發(fā)光強(qiáng)度為I=60cd的燈掛在天花板中心，離地面2.5米。求（1）燈正下方地板上的光照度；（2）在房間角落處地板上的光照度。

色度學(xué)是研究人眼的顏色視覺規(guī)律、顏色測(cè)量理論與技術(shù)的學(xué)科，它是一門以光學(xué)、視覺生理、視覺心理、心理物理等學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)。對(duì)于顏色科學(xué)的研究，國(guó)內(nèi)受到越來越廣泛的重視，國(guó)外也是非常熱門的學(xué)科，它在許多技術(shù)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。色度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)紅綠

經(jīng)過生理醫(yī)學(xué)的研究證明，在正常人眼的視網(wǎng)膜上有三種錐體感光細(xì)胞——紅、綠、藍(lán)三種視色素，相當(dāng)于在人眼的視網(wǎng)膜上作用著不同光譜響應(yīng)度的三種接收器。當(dāng)光照射到人眼的視網(wǎng)膜上后，可以同時(shí)引起三種感光細(xì)胞的反應(yīng)。而波長(zhǎng)不同時(shí)，反應(yīng)程度不同，人眼就產(chǎn)生不同的顏色感覺。各種顏色的光都可以由紅、綠、藍(lán)三種顏色按照一定的比例混合而得到，則將紅、綠、藍(lán)成為三原色。在色度學(xué)中，某種顏色的獲得是由三原色按照一定的比例混合而成的。

在顏色視覺領(lǐng)域里，通常由色調(diào)(H)、明度(V)、飽和度（純度)(C)三個(gè)參數(shù)來描述彩色特性。色調(diào)：彩色彼此相互區(qū)分的一種特性。明度：人眼對(duì)物體明暗的一種感覺。明度除了和亮度有關(guān)外，還受色調(diào)和背景的影響。如相同的能量，綠光引起人眼的視覺感覺強(qiáng)度大；同一彩色物體，亮背景的明度高于暗背景的明度。飽和度：指彩色的純潔性，也稱純度。彩色指黑白系列以外的各種顏色，非彩色是指黑色、白色及各種深淺不同的灰色。在各種可見光譜中，各種波長(zhǎng)的單色光是最純的彩色。如果在單色光中摻加白光，則純度下降。非彩色彩色色調(diào)環(huán)色調(diào)環(huán)上紅、橙、黃稱暖色；藍(lán)、靛、藍(lán)紫為冷色；綠和紫中性色。補(bǔ)色又稱互補(bǔ)色，余色，