光度学与色度学基础解析

1、第五章 光度学和色度学基础,内容回顾及问题的提出：,前面内容主要讲述几何光学的光线传播及正确成像问题成像的位置、大小、虚实等 但实际上光是以光能的形式传递的，在传递过程中光能损失情况，导致最后像面的亮暗程度不同（这其中还包括环境等因素对像面的影响）须对光能进行度量,概述, 光学系统是一个传输辐射能量的系统 能量传输能力的强弱，影响像的亮暗,辐射度学：研究电磁波辐射的测试计量计算的学科 光度学：在人眼视觉的基础上，研究可见光的测试计量计算的学科,辐射度学与光度学基础,第一节 辐射量和光学量及其应用,一、立体角的意义和单位,平面上的角：,空间上的角：立体角,一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立

2、体角,若在以r为半径的球面上截得面积s = r2，则此立体角为1球面度,整个空间球面面积为4r2,对应立体角为,以r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个d对应的环带，环带宽度为rd，环带半径为rsin，所以环带长度为2rsin，环带总面积为,立体角的计算,假定一个圆锥面的半顶角为，求该圆锥所包含的立体角大小,二. 辐射度学中的基本量及其计量单位,1、辐射通量 单位时间内辐射体辐射的总能量-辐射功率,单位：瓦特 （W）,反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分,：辐射通量的波长分布函数,2、辐射强度 辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量 符号： 单位：瓦每球面度（W/sr）,表示辐射

3、体在不同方向上的辐射特性,3、辐射出射度 辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量 符号： 单位：瓦每平方米（W/m2）,不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同位置上单位面积的辐射特性,ds,A,4、辐射照度 辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐射通量 符号： 单位：瓦每平方米（W/m2）,ds,A,5、辐射亮度 辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位投影面积上发出的辐射通量 符号： 单位：瓦每球面度每平方米（W/sr.m2）,描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性,几种光接收器的光谱灵敏度,1 为锑铯光电管，

4、不能感受波长为 0.6m以上的红光；2 是人眼； 3 是硅光电池；4 是一种热敏元件,三. 人眼的视见函数,辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可以产生亮暗感觉；,可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同,光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数 ，称为视见函数，又称光谱光视效率。,视 见 函 数,视见函数的相关因素,受外界的照明条件影响而产生： 明视觉视见函数：最敏感波长为555nm（黄光）， 其相应的视见函数值V555=1，其 它波长的V()值均小于1。 暗视觉视见函数：最敏感波长为507nm（绿光）， V507=1，其它波长的V()值均小 于1。,（明

5、亮环境）,（昏暗环境）,举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和B，假定辐射强度相同，A辐射波长为600nm, B辐射波长为500nm。,V(600)=0.631 V(500)=0.323 A对人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的0.631/0.323倍，近似2倍。,若要使A和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的辐射强度应该是辐射体B强度的一半。,光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定有一单色光，其辐射通量为 ，其中能够引起视觉的部分为光通量-用人眼视觉强度来度量的辐射通量。,四. 光度学中的基本量,1、发光强度和光通量,光通量定义,单位：流（明） lm,Km为流明与瓦

6、之间的换算系数，在明视觉中 Km = 683 lm / W；在暗视觉条件下Km = 1755 lm / W,发光效率,光源的发光效率：光源发出的光通量与辐射通量之比，即为 K = v/e /P 式中，P 为电光源的电功率。 发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生的光通量（流明数）。,意义： 发光效率值标志了光源每瓦辐射功率所能产生 的光通量（流明数）。 几种常用电光源的发光效率： 钨丝灯：1020 钠光灯： 约60 卤素钨灯： 约30 高压汞灯：6070 荧光灯：3060 镝灯： 约80 氙灯： 4060 金属卤素放电灯：约80 炭孤灯：4060 LED照明灯：40-300 2014年，美国

7、科锐公司(Nasdaq: CREE)宣布白光功率型LED实验室光效达到303lm/W,发光效率,发光强度,发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。,发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。也可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是发光强度,单位：坎（德拉） cd,计算举例：一个功率（辐射通量）为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各方向上均匀发光，求它的发光强度。,、求发光强度：总立体角为,、求总光通量：,2、光出射度和光照度,光出射度：发光体表面某点附近单位面积发出的光通量,ds,A,发光表面均匀发光情况下,（lm/m2）,光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位面积接收的光通量。

8、,ds,A,被照表面均匀照明情况下,（lx）,单位：勒克司 1 lx = 1 lm/m2,常见物体的光照度值,3、光亮度,发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角内发出的光通量。,单位：坎/米2,发光体某点在给定方向上的发光特性。,常见物体的光亮度值,计算举例：有一均匀磨砂球形灯,直径为17cm,光通量为2000lm,求该灯的光亮度.,解:根据光亮度与发光强度的关系来求.,第二节 光传播过程中光学量的变化规律,1、光照度公式 假定点光源照明微小平面ds，ds离开光源距离为l，表面法线方向与照明方向成 ，若光源在此方向上发光强度为I，求光源在ds上的光照度。,照度平方反比定律,注意：公式

9、是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明，就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度又可以应用。,应用：测定光源发光强度,标准光源,待测光源,I1,I2,l1,l2,两个完全相同的漫反射表面，标准光源I1，l1已知, 用眼睛观察两表面，由光照度公式 移动待测光源，改变l2,即改变E2，当眼睛观察两表面同样亮时(E相等)，测出l2，由 得出 可以求得I2,计算举例1：桌面OB上方有一盏100W钨丝充气灯泡P，光源在各方向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多高时，B点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？,P,

10、O,l,1m,B,x,二. 面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度,三. 单一介质元光管内光亮度的传递,两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间就是一个元光管。 光在元光管传播，无光能损失。,所以，光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同,四. 光束经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数：,（2）折射光束的亮度不仅与入射光束的亮度以及界面两边介质的折射率比值的平方成正比，还与界面的反射系数有关：,如果界面反射损失可以忽略，则：,光束经理想折射，光亮度也会产生变化。,五. 余弦辐射体,在各方向上光亮度都近似一致的均匀发光体称为余弦辐射体,I0,I,ds,发光强

11、度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定律的发光体称为余弦辐射体或朗伯辐射体。,ds,I0,I,余弦辐射体可能是发光面，也可能是投射或反射体,乳白玻璃,漫反射面,完全镜面反射不具有余弦辐射性质！,已知：发光微面dA，光亮度为L，求它在半顶角为u的圆锥内所辐射的总光通量。,（空间任意方位元立体角的普遍公式）,计算举例：假定一个钨丝充气灯泡功率为300W，光视效能为20lm/W,灯丝尺寸为8x8.5mm，双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。,第三节 成像系统像面的光照度,一. 轴上像点的光照度,轴上像点的照度与孔径角 正弦的平方成正比，与线 放大率的平方成反比。,二. 轴外像点的光照度,轴外像点的光照

12、度随视场角的增大而降低。,照相物镜像平面的光照度和光圈数,1、像平面光照度,代入,得,物镜的相对孔径,2、光圈、光圈数,光圈：相对孔径 分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。,相对孔径按 等比级数变化。,光圈数：相对孔径的倒数，用F表示,F制光圈,三、曝光量,假定像面照度为E， 曝光时间为t,底片上单位面积接受的曝光亮H为 H = E.t (lx .s),T制光圈,假定某个透镜透过率为 ，相对孔径为,这样，像平面光照度公式可以写为,三. 光通过光学系统时的能量损失,透明介质折射界面的光反射、介质对光的吸收、 反射面对光的透射和吸收都会造成光能损失。,1. 光在两透明介质界面上的反射损

13、失,1. 光在两透明介质界面上的反射损失,这种情况下，反射比只与两边介质的折射率有关。,反射光造成光能损失，在像面上形成杂散光， 降低了像的对比度。 降低反射损失的方法是在玻璃元件的表面镀 增透膜。,2. 介质吸收造成的光能损失,光通过厚度为l的介质后的光通量为：,光束通过多元件系统后的光通量：,3. 反射面的光能损失,4. 光学系统的总透射比,作业（抄题并认真解答！）,1、一个100W的钨丝灯，发出总光通量为1400lm，求发光效率为多少? 2、一个6V、15W的钨丝灯，已知发光效率为14lm/w，该灯与一聚光灯联用，灯丝中心对聚光镜所张的孔径角u=sinu=0.25。若灯丝是各向均匀发光，

14、求（1）灯泡总的光通量及进入聚光镜的能量；（2）灯泡的平均发光强度。 3、一房间，长宽高分别为5米、3米、3米，一个发光强度为I=60cd的灯挂在天花板中心，离地面2.5米。求（1）灯正下方地板上的光照度；（2）在房间角落处地板上的光照度。,色度学是研究人眼的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的学科，它是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。对于颜色科学的研究，国内受到越来越广泛的重视，国外也是非常热门的学科，它在许多技术领域都有重要应用。,色度学基础知识,红,橙,黄,绿,蓝,紫,褐,白,黑,灰,经过生理医学的研究证明，在正常人眼的视网膜上有三种锥体感光细胞红、绿、蓝

15、三种视色素，相当于在人眼的视网膜上作用着不同光谱响应度的三种接收器。当光照射到人眼的视网膜上后，可以同时引起三种感光细胞的反应。而波长不同时，反应程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉。,各种颜色的光都可以由红、绿、蓝三种颜色按照一定的比例混合而得到，则将红、绿、蓝成为三原色。在色度学中，某种颜色的获得是由三原色按照一定的比例混合而成的。,在颜色视觉领域里，通常由色调(H)、明度(V)、饱和度（纯度）(C)三个参数来描述彩色特性 色调：彩色彼此相互区分的一种特性。 明度：人眼对物体明暗的一种感觉。明度除了和亮度有关外，还受色调和背景的影响。如相同的能量，绿光引起人眼的视觉感觉强度大；同一彩色物体，亮背景的明度高于暗背景的明度 饱和度：指彩色的纯洁性，也称纯度。彩色指黑白系列以外的各种颜色，非彩色是指黑色、白色及各种深浅不同的灰色。在各种可见光谱中，各种波长的单色光是最纯的彩色。如果在单色光中掺加白光，则纯度下降。,色 调 环,色调环上红、橙、黄称暖色； 蓝、靛、蓝紫为冷色； 绿和紫中性色。,补色又称互补色，余色，亦称强度比色，就是两种颜色（等量）混合后呈黑灰色，那么这两种颜色一定互为补色。 色环的任何直径两端相对之色都称为互补色。,色 调 环,色 温,色温指的是光波在不同的能量下，人类眼睛所感受的颜色变化。 在色温的计算上，