光学第5章_光度学和色度学-1

第五章光度学和色度学基础,几何光学用光线来研究成像规律。,几何光线是能量的载体，只有携带了足够的能量，所成的像才能有一定的光度水准，才能被接收器所感受。,尽管几何光学不涉及能量问题，但了解光能经过光学系统的传播问题，有助于理解光学仪器。,第五章光度学和色度学基础,可见光是电磁波中能引起视觉的部分,不可视的参数也可转化为可视图像：红外、紫外、X-ray、温度、压力、流场、资源分布、人口分布,第五章光度学和色度学基础,第一节光度学基本概念,1.辐通量和光通量,辐通量：单位时间内通过某截面的所有波长的总电磁辐射能量。(瓦：W),辐射体发出各种波长成分，不同波长具有不同的辐射本领。,人眼对不同波长的电磁辐射具有不同的响应灵敏度。对555nm最敏感。引入视见函数,人眼对不同波长光的视觉相对灵敏度。,为表征光源辐射对人眼所引起的视觉强度光通量。流明即为辐通量与视见函数的乘积。,光通量就是将辐通量以视见函数为权重因子折合成对人眼视觉的有效通量。,光通量增加，视觉强度强；但辐射功率大，不一定有大的光通量。,第五章光度学和色度学基础,2.发光强度和光亮度描述光源发光能力大小的物理量,发光强度:点光源点光源在某一方向上，在单位立体角内发出的光通量。单位：坎德拉，光学基本量，七个基本单位之一。单位：坎德拉：cd,光亮度:有限尺寸发光体，面光源表5-1单位：cd/m2面光源：实际光源、或实际光源的像、或漫反射体(本身不发光，受光照后),辅助光源,高集光型LED光射头可将光源整体装在设备上、电缆配线容易,线型，聚光照明,高密度的LED阵列,散射的照明光可以对即使弯曲的金属表面进行均匀的照射,用高密度LED阵列面提供高强度背光照明,线形传感器的最佳照明LND系列包装破损检测LCD破损检测膨胀胶片破损检测遮蔽胶带破损检测伸展胶片破损检测迭片结构破损检测液晶部件检测各种线阵检测,均匀照明反光工作界面LFV-LFV-CP/LFV-5/LNV-300系列照明的光线同镜头视线呈同一轴向；同轴落射照明用于线形传感器，用于具有高反射性镜面的工作模块。金属、玻璃等光泽面的伤痕检测印刷、电路板的模式检测芯片和硅晶片的破损检测瓶口的裂缝和碎片检测检测玻璃电路板的表面伤痕检测PC母板的模式,第五章光度学和色度学基础,3.光照度受照射面的被照明程度。即入射在被照射物体单位面积上的光通量。勒克斯:lx(lm/m2),照明情况lx夏天太阳直射105晴朗夏天室内100-500办公室工作必需20-100满月照射地面0.2无月色天光3x10-4,MTV-1881EX,最低照度:0.02Lux(F1.2,5600K),第五章光度学和色度学基础,4.像的亮度、主观亮度,光学系统成像的亮暗。,像的亮度不可能大于物的亮度。,主观亮度：由观察者判断的明亮程度。,第二节光传播过程中光学量的变化规律,一、点光源在与之距离为r处的表面上形成的照度,在被照面上，面的方位不同，其照度亦不同。,平方反比定律：同样大小的被照面，其照度值随它距点光源的距离r的增加成反比例减小。,二、面光源在与之距离为r处被照面上的照度,面光源的亮度为：,则：,（假定L为常数）,三、单一介质光管内光亮度的传递,元光管壁上无光溢出,观察两截面上的光亮度,四、光束经界面反射和折射后的亮度,设入射光的光亮度为L，由于在入射过程中，自光源到入射面类似于元光管，故其亮度不变。,反、折射的光通量：,分别是反、折射的光亮度,对于反射光波，,故：,对于两透明介质表面，,故：,对于折射光束：,光通过光学系统时的光能损失：两透明介质界面上的反射损失介质吸收反射面的光能损失,第五章光度学和色度学基础,第四节颜色的基本概念,颜色是一种和物理、生理及心理学有关的复杂现象。,周易老子五行五色,周易认为：天地万物由太极、阴阳之道所生。,老子认为：一阴一阳之谓道，道生一，一生二，二生三，三生万物。,万物用五行表示。五行生五色,五色为五行的象征，是天地四时万物本身色彩的一种高度概括和抽象。,金木水火土白青黑赤黄西东北南中义仁智礼信,五行生五色五色代表五方和四时,周易老子五行五色,第五章光度学和色度学基础,一、颜色分类：,颜色：非彩色：白、灰、黑彩色：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫及中间色,根据形成的物理机制不同：光源色：自发光（不同波长）形成的颜色物体色：被照物体反射、透射光形成的颜色荧光色：被照物体分子发生跃迁，当向低能级跃回时发出的颜色，也包括反射和透射时由于吸收不同而形成的颜色。,第五章光度学和色度学基础,二、颜色的表观特征,明度：表征颜色的明亮程度。（亮度、反射率、透过率越大，明度越高。）一般来说，彩色光能量大则显得亮。色调：表征不同颜色特征的量，反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。光谱色指不同波长的光在人的视觉上呈现不同的色感。饱和度：颜色接近光谱色的程度。一种颜色越接近光谱色，其饱和度越好。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯。,色调和饱和度又简称色度。,非彩色:只有明度值的差别，而没有色调和饱和度，只有灰度分级。(灰度等级),调色板：基本颜色：8*6=48基色：R、G、B，共10种，3R、3G、4B（亮度不同、色调和饱和度相同）,第五章光度学和色度学基础,第五节颜色混合,色光混合加混色。加色系统其基色是R红、G绿、B蓝,色料混合减混色。减色系统其三基色是C青、M紫(品红)、Y黄、K黑这里的紫与谱色紫不同,一、颜色混合,三基色：相互独立：其中任一色均不能由其它二色混合产生。完备：即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。,加色系统：不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色，其规律为：红绿黄红蓝紫蓝绿青红蓝绿白,减色系统：彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出，这就是相减混色。因为颜料能吸收入射光光谱中的某些成分，未吸收的部分被反射，从而形成了该颜料特有的彩色。当不同比例的颜料混合在一起的时候，它们吸收光谱的成分也随之改变，从而得到不同的彩色。其规律为：,黄白蓝紫白绿青白红红白蓝绿黄紫绿白蓝红黄青蓝白绿红紫青黑=白蓝绿红黄紫青,红绿黄红蓝紫蓝绿青红蓝绿白,红白蓝绿黄紫绿白蓝红黄青蓝白绿红紫青黑=白蓝绿红黄紫青,二、格拉斯曼颜色混合定律,1、人眼只能分辨明度、色调和饱和度；,2、两色混合，混合色的变化随两色的变化而变化。,3、补色律：两色混合产生白色或灰色，此两色称为补色。,补色：,两色相加,白色或灰色,非补色：,两色相加,中间色,4、代替律：相似色（明度、色调、饱和度）相混合，其混合色亦相似。,色A+C=色B+D,5、亮度相加律：混合色的亮度为诸参混色亮度之和,L=L1+L2+L3+,以上定律只适用于色光混合。,第六节颜色匹配,一、颜色匹配及实验,通过改变参加混合各色的量，使混合色与指定色在视觉上相一致的过程，称之为颜色匹配。,（一）颜色转盘法,调整色调、饱和度：改变R、G、B三扇形面积。,调明度：改变黑色扇形面积。,（二）色光混合匹配实验,配色时，调节R、G、B三色的光强度，直到混合色与指定色C相一致。,说明：1、背景色不影响正常的颜色匹配。设C=R+G+B则A+C=R+G+B+AC=R+G+B+A-A=R+G+B2、光谱色(色饱和度很高的颜色)一般不能直接用R、G、B三色构成。设H是光谱色，HR+G+B，但可以有H-B=R+G，则H=R+G-B3、不同的人对颜色匹配的视觉存在差异。,颜色方程,设C是指定色颜色方程：(C)=R(R)+G(G)+B(B)（式中，R、G、B是红、绿、蓝三色的量）如果某指定色（光谱色）不能匹配则(C)+B(B)=R(R)+G(G)，而(C)=R(R)+G(G)-B(B)结论：1、红、绿、蓝三种颜色的不同的量值相混合，原则上可以配出任何颜色，称为三基色。2、红、绿、蓝不是唯一的三基色。三种色，只要其中的每一种色都不能用其它两色配得就可以组成三基色。,实验发现：人眼的视觉响应取决于红、绿、蓝三分量的代数和。它们的比例决定了彩色视觉。亮度在数量上等于三基色的总和。由于人眼的这一特性，可在色度学中应用代数法则。,白光(W)可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色相加而得，它们的光通量比例为R：G：B1：4.5907：0.0601,通常，取光通量为1光瓦的红基色光为基准，要配出白光，就需要4.5907光瓦的绿光和0.0601光瓦的蓝光，白光的光通量则为w1+4.5907+0.06015.6508为简化计算，使用了三基色单位制，记作R、G、B，它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成，即=1R+1G+1b,由此可知，1个单位R1光瓦(红基色光)1个单位G4.5907光瓦(绿基色光)1个单位B0.0601光瓦(蓝基色光)选定上述单位以后，对于任意给出的彩色光，其颜色方程(配色方程)可写成r1R+g1G+b1B该色的光通量为c(r1+4.5907g1+0.0601b1)光瓦680(r1+4.5907g1+0.0601b1)流明,其中，r1、g1、b1为三个色系数。在只考虑色光色度时，起决定作用的是r1、g1、b1的相对比例，而不是其数值大小，于是可进一步规格化。令m=r1+g1+b1r=r1/mg=g1/mb=b1/m显然，r+g+b=1,式中，m称为色模，它代表某彩色光所含三基色单位的总量。r、g、b称为RGB制的色度坐标、色品坐标或相对色系数，它们分别表示：当规定所用三基色单位总量为1时，为配出某种给定色度的色光所需的R、G、B数值。这样，mrR+gG+bB。,除了数学表达式以外，描述色彩的还有色度图。色度图把选定的三基色与它们混合后得到的各种彩色之间的关系简单而方便地描述出来。图1表示一个以三基色为顶点的等边三角形。称为Maxwell色度三角形。,三角形内任意一点P到三边的距离分别为r、g、b。若规定顶点到对应边的垂线长度为1，则不难证明关系r+g+b=1成立。因此r、g、b就是这一色三角形的色度座标。,白色色度对应于色三角形的重心，记为W。沿RG边表示由红色和绿色合成的彩色，此边的正中点为黄色，其色度座标为r=1/2,g=1/2,b=0橙色在黄色与红色之间(r=3/4，g=1/4，b=O)。品红色(紫色)在RB边的中点。青色在BG边的中点,穿过W点的任一条直线连接三角形上的两点，该两点所代表的颜色相加均得到白色。通常把相加后形成白色的两种颜色称为互补色。例如图中的红与青、绿与品红、蓝与黄皆为互补色。,从三角形边线上任一点(如R点)沿着此点与W的连线(如RW)移向W点，其颜色(如100%饱和度的纯红色)逐渐变淡，到达W点后颜色完全消失。,上述色三角形使用起来不方便。如果我们用类似直角三角形的形式直接标度，会更方便。,基于r+g+b=l，故在直角三角形中只需标出r和g的单位，由b=1-r-g即可知道b。如色度Q，位于座标r=0.5,g=0.2处，说明色度Q包含05单位R、0.2单位G和0.3单位B。,RGB色度图的物理概念清晰，但不足之处是在色度图上不能表示亮度。因此需引入一种确定彩色的标准坐标系统，称为CIE色度图。(CIE是国际照明委员会的缩写),CIE色度图所用的三基色单位为X、Y、Z。任何一种彩色均可由此三基色单位来表示，即x1X+y1Y+z1Z式中，x1、y1、z1为三个色系数。选择X、Y、Z必须满足下列三个条件以克服RGB色度图的弊病。(1)当它们配出实际色彩时，三个色系数均应为正值;,(2)为方便计算，使合成彩色光的亮度仅由y1Y一项确定，并且规定1Y光通量为1光瓦。即另外两个基色光不构成混合色光的亮度，但合成光的色度仍然由X、Y、Z的比值确定;(3)x1X=y1Y=z1Z时，混合得到白光。,X、Y、Z只是计算量，是一种假想的三基色，不能用物理方法直接得到。,根据上述三个条件求得XYZ色度图中的三基色|X|R|Y|=A|G|Z|B|其中|0.4185-0.09120.0009|A=|-0.15870.2524-0.025|-0.08280.0157