光度与色度学-第1章绪论

辐射度、光度与色度及其测量,张进zhangjinhi_2005,绪论,色度学,多光谱多波段超光谱高光谱,辐射度学,辐射度学是一门研究电磁辐射能测量的科学。辐射度学的基本概念和定律适用整个电磁波段的辐射测量，但对于电磁辐射的不同频段，由于其特殊性，又往往有不同的测量手段和方法。本课程主要限于阐述电磁辐光学谱段内辐射能的计算与测量。,光度学,使人眼产生的目视刺激度量是光度学的研究范畴。光度学除包括光辐射能的客观度量外，还应考虑人眼视觉的生理和感觉印象等心理因素。光度量是用具有“标准人眼”视觉响应的探测器对辐射能的度量。人眼的生理、心理因素常常对光度测量有着很大的影响。,色度学,使人眼产生色感刺激的度量是色度学的研究范畴。研究人眼辨认物体的明亮程度、颜色类别和颜色的纯洁度(明度、色调、饱和度)，是一门以光学、光化学、视觉生理和视觉心理等学科为基础的综合性科学，也是一门以大量实验为基础的实验性科学，解决对颜色的定量描述和测量问题。,三度学的沿革,辐射度学和光度学系统的研究始于18世纪中光辐射的目视效应。法国的Bouguer在1727年提出光度学的概念。1760年Lamber提出光度学的基本定律(如照明可加性定律，照度的平方反比定律，余弦定律等)。光度学发展是与当时照明光源的进步密切相关的。光源由蜡烛、戊烷气灯到1879年Edisen发明的白炽灯，积极推动了光度学的发展。光度基准由火焰灯发展到Violle提出的用凝固温度时的铂作为光强度的基准，并为1889年国际电工会议所采纳。Hershel 1800年测量太阳光通过棱镜色散在不同光谱位置上目视和液体温长的效应而发现了红外辐射，次年Ritter发现了紫外辐射，这样，辐射度学的研究领域逐步扩大。,三度学的沿革,19世纪上半叶制造出第一个热电偶，用于测量辐射热。Becguerel发现了光伏效应。19世纪中叶，Kirchhoff和Stewart提出了黑体的概念。1900年在大量实验和理论分析的基础上，Planck导出了描述黑体辐射能量和光谱分布的物理定律。19世纪后20年，Langley研制了辐射热计，研究大气辐射。Angstrom于1893年做出第一台电标定辐射热计。20世纪初，辐射度学和光度学在许多科学研究和应用领域得到广泛的应用。气体放电灯、充气白炽灯等相继问世，白炽灯在1914年用作辐照度标准光源。1920年使用具有一定色温的标准灯。人眼明视觉光谱光视效率和色度系统有国际标准。,三度学的沿革,20世纪中期，光电探测器开始应用到光辐射探测；开始研究光辐射在吸收、散射介质中的传输。辐射度学在大气物理，红外、紫外分光光度测量，色度的质量检查中都有广泛的应用。色度学最早开创于牛顿的颜色环概念。19世纪Grassmann、Maxwell、Helmholtz等对色度学的发展作出了巨大的贡献。Guild、Judd、Macadam、Stiles、Wright和Wyszecki等科学家的研究奠定了现代色度学基础。从1931年建立国际照明委员会CIE色度学系统建立以来，色度学在工业、农业、科学技术和文化事业等部门获得广泛的应用，指导着彩色电视、彩色摄影、彩色印刷、染料、纺织、造纸、交通信号和照明技术的发展和应用。,第1章 辐射度量、光辐射度量基础,辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量。光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量。即光度量是具有平均人眼视觉响应特性的人眼所接收到的辐射量的度量。因此，辐射度量和光度量都可定量地描述辐射能强度，但辐射度量是辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量；而光度量则还包括了生理学、心理学的概念在内。,1.1 辐射度量,立体角 立体角是描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度，定义为：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比式中，为天顶角；为方位角；d d分别为其增量。立体角单位是球面度(sr)。,1.1 辐射度量,(1) 辐射能(Q): 简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳(J)。(2) 辐能密度(w, 单位J/m-3 ) (3) 辐射通量(, P, 单位W) :以辐射形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。实际应用中，对于连续辐射体或接收体，以单位时间内的辐射能，即辐射通量表示。,1.1 辐射度量,(4) 辐射强度(I，单位Wsr-1): 在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即,辐射强度描述了光源辐射的方向特性。点光源扩展源:即光源发光部分的尺寸比起其实际辐射传输距离小得多时，把其近似认为是一个点光源，在辐射传输计算，测量上不会引起明显的误差。点光源向空间辐射球面波。,对点光源的辐射强度描述,1.1 辐射度量,(5) 辐亮度 (L，单位Wm-2sr-1):光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，光源微面元辐强度特性辐亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作用。例如，描述螺旋灯丝白炽灯时，由于描述灯丝每一局部表面(灯丝、灯丝之间的空隙)的发射特性常常是没有实用意义的，而把它作为一个整体，即一个点光源，描述在给定观测方向上的辐射强度；而在描述天空辐射特性时，希望知道其各部分的辐射特性，则用辐亮度可描述天空各部分辐亮度分布的特性。,1.1 辐射度量,(6) 辐射出射度 (M，单位m-2): 离开光源表面单位面元的辐射通量面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。平面与球面辐射出射度的表面积。(7) 辐照度 (E，单位m-2): 单位面元被照射的辐射通量辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。,1.1 辐射度量,(8) 吸收比(率)、反射比、透射比由于辐射度量也是波长的函数，当描述光谱辐射量时，可在相应名称前加“光谱”，并在相应的符号上加波长的符号“”作为下标，例如光谱辐射通量记为或()，等等。,i,r,s,a,1.2 光度量,光谱光视效能： 即波长为的光通量与引起人眼相同感受的同一波长的辐射通量P的比值。Km为最大光谱光视效能。 波长为的光谱光视效能K与最大光谱光视效能之比就是光谱光视效率或视见函数：,1.2 光度量,人眼的视见函数 光通量V和辐射通量e可通过人眼视觉特性进行转换,V()是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率(或称视见函数) 。对于明视觉，对应为辐射通量e(555)与某波长 能对平均人眼产生相同光视刺激的辐射通量e()的比值。Km是最大光谱光视效能(常数), 对于明视觉，Km=683 lm/W。对暗视觉，Km=1725 lm/W。,常见光源的光视效能,1.2 光度量,(1) 光能(QV，单位流明秒lms)(2) 光能密度(wv, 单位lms /m-3 ) (3) 光通量(v, 单位流明lm) (4) 发光强度(Iv, 单位坎德拉, cd, lmsr-1)(5) 亮度 (Lv, 单位cdm-2):(6) 光出射度(Mv ,lmm-2)(7) 照度(Ev ,lmm-2),1.3 人眼视觉特性,人眼在光度量和色度学评价中起着极为重要的作用。研究人眼的视觉特性是正确地进行各种光度/色度测量的基础，也是各种光度或色度仪器设计的依据。,锥体细胞和杆体细胞 颜色是人眼明视觉的主观感觉。颜色可分为彩色和非彩色。非彩色指白/黑色和各种深浅不同的灰色系列，称为白黑系列彩色指白黑系列以外的各种颜色,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(1) 成像功能 人眼类似于一个自动调焦的成像系统。,人眼简化眼模型的主要参数,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(2) 视觉的适应 人眼能在一个相当大(约10个数量级)的范围内适应视场亮度。随着外界视场亮度的变化，人眼视觉响应可分为三类：明视觉响应：当人眼适应大于或等于3 cd/m2的视场亮度后，视觉由锥体细胞起作用。暗视觉响应：当人眼适应小于或等于310-5cd/m2视场亮度之后，视觉只由杆体细胞起作用。由于杆体细胞没有颜色分辨能力，故夜间人眼观察景物呈灰白色。中介视觉响应：随着视场亮度从3cd/m2降至310-5cd/m2，人眼逐渐由锥体细胞的明视觉响应转向杆体细胞的暗视觉响应。,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(2) 视觉的适应 当视场亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视觉状态需经历一段时间，这种特性称为适应，适应主要包括明暗适应和色彩适应二种。适应由两个方面来调节。调节瞳孔的大小，改变进入人眼的光通量。眼瞳大小是随视场亮度而自动调节的。视细胞感光机制的适应。杆体细胞内有一种紫红色的感光化学物质视紫红质。 人眼的明暗视觉适应分为亮适应和暗适应。对视场亮度由暗突然到亮的适应称为亮适应，大约需要23分钟；对视场亮度由亮突然到暗的适应称为暗适应，通常需要45分钟，充分暗适应则需要1个多小时。,1.3.1 人眼黑白视觉特性,不同视场亮度一人眼瞳孔直径和面积,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(3) 人眼的绝对视觉阈 在充分暗适应的状态下，全黑视场中人眼感觉到的最小光刺激值，称为人眼的绝对视觉阈。以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示时，人眼的绝对视觉阈值在10-9 lx数量级。以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是58145个蓝绿光(波长为0.51m)的光子轰击角膜引起的，据估算，这一刺激只有514个光子实际到达并作用于视网膜上。对于点光源:天文学家认为正常视力的眼睛能看到六等星，其在眼睛上形成的照度近似为8.510-9lx。实验室“人工星点”测定的视觉阈值约为2.4410-9lx。对具有一定大小的光源(张角小于10)，自身发光或被照明的圆形目标，在瞳孔上的照度阈值与张角无关，并等于510-9 lx。,1.3.1 人眼黑白视觉特性,在一定的背景亮度Lb条件下(10-91 cd/m2)，人眼能够观察到的最小照度Emin约为 当Lb 16.4cd/m2后将产生眩目现象，绝对视觉阈值迅速提高。实验表明，眩目亮度L0与像场亮度L(cd/m2)之间有 由此可说明为何100W的灯在白天眼光下不感眩目，但在暗室将产生眩目效应。,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(4) 人眼的阈值对比度 人眼的视觉探测是在一定背景中把目标鉴别出来。人眼的视觉敏锐程度与背景的亮度及目标在背景中的衬度有关。目标的衬度以对比度C来表示式中, LT和LB分别为目标和背景的亮度。有时也将C的倒数称为反衬灵敏度。 把人眼视觉在一定背景亮度下可探测的最小衬度对比度称为阈值对比度，或称亮度差灵敏度。,1.3.1 人眼黑白视觉特性,实验表明：人眼视觉特性与视场亮度、景物对比度和目标大小等参数相关。通常背景亮度LB、对比度C和人眼所能探测的目标张角之间具有下述关系(Wald定律) 式中, x值在02之间变化。,1946年Blackwell阈值对比度实验当观察亮度不同的两个面时，亮度很低就察觉不出差别。如果两个面的亮度按比例提高, 并维持其C值不变, 则一定亮度后有可能察觉在210-3cd/m2附近的间断点表明明/暗视觉的转折。,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(5) 人眼的分辨力 人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角，其倒数则为眼睛的分辨力，或称为视觉锐度。 集中于人眼视网膜中央凹的锥体细胞具有较小的直径，且每个锥体细胞都具有单独向大脑传递信号的能力。杆体细胞的分布密度较稀，且成群地联系于公共神经的末稍，故人眼中央凹处的分辨本领比视网膜边缘处高，故人眼在观察物体时，总是在不断地运动以促使各个被观察的物体依次地落在中央凹处，使被观察物体看得最清楚。 在较好的照明条件下，眼睛的极限分辨角的平均值在1,1.3.1 人眼黑白视觉特性,眼睛的分辨力除与眼睛的构造有关外, 还与目标的亮度、形状及景物对比度等有关。实验测得的人眼极限分辨角(白光且观察时间不受限制条件下, 双目观察白色背景上具有不同对比度且带有方形缺口的黑环)。,1.3.1 人眼黑白视觉特性,人眼的分辨角 可按以下经验公式估算式中, d为瞳孔直径(mm)。,人眼的分辨角随照度的变化,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(6) 人眼对间断光的响应 人们观察周期性波动光刺激时，对波动频率较低的光，可明显感到光亮闪动；频率增高，产生闪烁感；进步增高频率，闪烁感消失，波动光被看成是恒定光。周期性波动光在主观上不引起闪烁感时的最低频率叫做临界闪烁频率。,临界闪烁频率与波动光的亮度(或人眼视网膜上的照度)、波动光的波形以及振幅有关。在亮度较低时，临界闪烁频率还与颜色有关。,1.3.1 人眼黑白视觉特性,当视网膜上的照度较低时, 不同颜色对临界闪烁频率影响较大, 蓝光的临界闪烁频率最高, 红光的临界闪烁频率最低当照度大于1.210-2lx时，临界闪烁频率与颜色无关；视网膜上的照度与临界闪烁频率在很大的范围内呈线性关系, 随着视网膜上照度的增大，临界闪烁频率也不断增大。在观看电影时，当屏幕的亮度小于20cd/m2时，在每秒18帧的频率下, 人眼不能察觉闪烁；而当屏幕亮度增加到200 cd/m2时，人眼便能感觉闪烁现象。人眼最大临界闪烁频率50Hz。常见的光电探测器的响应时间远远小于人眼。,对于频率大于临界闪烁频率的周期性光刺激，人眼感觉的恒定光亮度L,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(7) 视觉系统的调制传递函数(MTF) 人眼的分辨力表征了眼睛分辨两点或两线的能力，但仍有较大的局限性。为了更全面地实现对人眼图像传递和复现性能评价，可引用光学调制传递函数的概念，,A为分离视网膜中央凹处；B为角膜加晶状体；C为网膜加处理系统(视神经、大脑)D为处理系统(视神经加大脑),1.3.1 人眼黑白视觉特性,1.3.1 人眼黑白视觉特性,(8) 色差灵敏度 人眼能恰好分辨色度差异的能力叫做色差灵敏度，人眼刚能分辨光线颜色变化时波长改变量称为色差阈值。色差阈值随在光谱带的位置有所不同。,1.3.2 人眼的颜色视觉特性,(1) 彩色的特性及其表示 彩色一般可用明度、色调和饱和度三个特性来描述。 明度：人眼对物体的明暗感觉。 色调：区分彩色的特性，不同波长的单色光具有不 同的色调。 饱和度：指彩色的纯洁性，可见光谱的单色光是最 饱和的彩色。,1.3.2 人眼的颜色视觉特性,(2) 视网膜的颜色区(3) 颜色恒常性 外界条件变化后，人们的色知觉仍然保持相对的不变。(4) 色对比 在视场中，相邻区域不同颜色的相互影响叫做颜色对比，包括：明度对比、色调对比和饱和度对比。,1.3.2 人眼的颜色视觉特性,1.3.2 人眼的颜色视觉特性,1.3.2 人眼的颜色视觉特性,1.3.2 人眼的颜色视觉特性,(5) 色适应 当人眼对某一色光适应后，观察另一物体的颜色，不能立即获得客观的颜色印象，而带有原适应色光的补色成分，需经过一段时间适应后才会获得客观的颜色感觉。(6) 明度加法定理 明度是人眼对外界光线明暗感觉程度的度量。 明度加法定理：对于混合光，不论光谱成分如何，它所产生的表观明度等于混合光各个光谱成分分别产生的表观明度之和。(7) 色觉缺陷,1.3.3 颜色视觉理论,(1) 扬-赫姆霍尔兹的三色学说 根据红、绿、蓝三原色可混合出各种不同色彩颜色的混合规律，假设人眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉。光作用于视网膜上虽然能同时引起三种纤维的兴奋，但波长不同，引起三种纤维的兴奋程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉。 (2) 赫林的“对立”颜色学说 四色学说：假设视网膜中有白-黑视素、红-绿视素、黄-蓝视素三对视素，其代谢作用包括建设（同化）和破坏（异化）两种对立过程。,1.3.3 颜色视觉理论,(3) 颜色视觉理论的发展 阶段学说：颜色视觉过程可以分成几个阶段： 第一阶段是在视网膜内有三种独立的锥体感色物质，它们有选择地吸收光谱不同波长的辐射，同时每一物质又可单独产生白和黑的反应，在强光作用下产生白的反应，无刺激时是黑的反应。 第二阶段是在兴奋由锥体细胞向视觉中枢的传导过程中，这三种反应又重新组合，最后形成三对对立性的神经反应：白-黑、红-绿、黄-蓝。,1.4 朗伯辐射体及其辐射特性,朗伯辐射体：某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变。 绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。,1.4.1 朗伯余弦定律,朗伯体反射或发射辐射的空间分布可表示为