三度学 第1章.ppt

1、第1章 辐射度量、光度量基础,辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量, 辐射度量是辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量。 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, 包括了生理学、心理学的概念在内。 辐射度量和光度量都可定量地描述辐射能强度。,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

2、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: 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，在辐射传输计算和测量上不会引起明显的误差

3、。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

4、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,1.1 光谱辐射度量,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

5、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), 明视觉Km=683 lm/W。暗视觉Km=1725 lm/W。,1.2 光度量,人眼的光视效能K （lm/W）,视见函数，光视效率,常见光源的光视效能,节能灯原理：1）光视效能高 2）光学聚光能力强,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

6、cdm-2): (6) 光出射度(Mv ,lmm-2) (7) 照度(Ev ,lmm-2),中间视觉,式中，0 x 1; Vmes(, x)是中间视觉状态下的光视效率函数；V( )和V( )分别是明和暗视觉光视效率；M(x)是归一化函数。,(b) 标准LED和优化的LED,(a) HPS路灯和MH路灯,标准LED光源：德士达 DST 110 W 优化LED光源：自Lemnis公司 常用路灯：飞利浦公司高压钠灯(HPS) 和金属卤化灯(MH) 。,应用举例,中间视觉,两种视觉状态路灯的光视效率,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

7、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

8、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

9、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

10、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的灯在白天阳下不感眩目，但在暗室将产生眩目效应

11、。,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

12、 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

13、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

14、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

15、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

16、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。,1.4 朗伯辐射体及其辐射特性,反射 方向性,漫反射和朗伯辐射体 各方向的(辐)亮度不变,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，这类辐射源称为朗伯辐射体。 绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。在实际问题的分析中，常采用朗伯体作为理想的模型。,1.4.2 朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系,设朗伯微面元dS亮度为L，则辐射到dA上的辐射通量为 在半球内发射的总通量P为 按照出射度的定义得 对于辐射场中反射率为 的朗伯漫反射体( =1为理

17、想漫反射体), 不论辐射从何方向入射, 它除吸收(1- )入射辐射通量外, 其它全部按朗伯余弦定律反射出去。即M= E，故,1.5 几种典型光辐射量的计算公式1.5.1 点源对微面元的照度,设受照微面元dA距点源O的距离为l，其平面法线n与辐射方向夹角为，dA对点源O所张立体角为若点源在该方向的辐射强度为I，则向立体角d发射的通量dP为 如果不考虑能量传播损失，则微面元照度为,即点源对微面元的照度与点源的发光强度成正比，与距离平方成反比，并与面元对辐射方向的倾角有关。 距离平方反比定律。,1.5.2 点源向圆盘发射的辐射通量,点源O发出光辐射，距点源l 0处有一与辐射方向垂直半径为R的圆盘(圆

18、盘辐照度不均匀), 圆盘微元dA接收辐射通量为 由于 , 对 和 积分，得,当圆盘距点源足够远时，即l0R，则 用于计算距点源一定距离的光学系统或接收器接收的辐射通量。,1.5.3 面辐射在微面元上的辐照度,设A为面辐射源，Q为受照面，n1为微面元dA的法线，与辐射方向夹角为，n2为Q平面O点处的法线，与入射辐射方向的夹角为，dA到O点的距离为l。面源A上微面元dA对O点的辐照度dE。,式中，I为面元dA在方向上的发光强度，与该方向上发光亮度L间有关系 ，因此，,1.5.3 面辐射在微面元上的辐照度,面辐射源A对O点处微面元所形成的照度值E，得 一般情况下，面辐射源在各个方向上的亮度是不等的，

19、但对各方向亮度相等的朗伯辐射源简化为 式中, 是立体角d在Q平面的投影。 立体角投影定律,1.5.4 朗伯辐射体产生的辐照度,朗伯扩展源为半径R的圆盘A，取圆环状面元dA1=rdrd，由于 =，环状面元辐射在距圆盘为l0的某点Ad处的辐照度为 由几何关系得,1.5.4 朗伯辐射体产生的辐照度,扩展源近似为点源的条件 相对误差： 如果R /l01/10，即当l010R或0 5.7时，相对误差1%。 物理意义：目标点与圆盘朗伯辐射体的距离大于10倍圆盘半径时，按点源测量的辐照度相对误差小于1%。,1.5.5 成像系统像平面的辐照度,物空间亮度L0的微面元ds0经过成像物镜成像在像空间ds1微面元上

20、，确定ds1上的照度。微面元向透镜口径D所张立体角发射的辐射通量为 其中，u0为物点对成像系统的张角。,d经过透过率的成像物镜后照射在微面元ds1上的照度为,1.5.5 成像系统像平面的辐照度,利用光学的拉-亥不变式 一般光电成像系统，由于n0=n11，且光瞳放大率p=D/D=1，其中D和D为物镜物方和像方孔径。于是,l f ,例 已知太阳辐亮度L0等于2107/m2/sr，太阳的半径r0等于6.957108m，地球的半径re为6.374106m，太阳到地球的年平均距离l为1.4961011m，求太阳的辐射出射度M0、辐射强度I0、辐射通量0以及地球接收的辐射通量e、地球大气层边沿的辐照度Ee

21、。,解: 太阳可假定为朗伯光源，则太阳的辐射出射度 M0=L0=6.2832107 (W/m2) 若认为太阳是一均匀发光体，则太阳的辐射通量 0=4R2M0=3.8211026 (W) 太阳的辐射强度: I0=0/4=3.0411025 (W/sr) 地球对太阳的立体角：=re2/l2=5.70310-9 (sr) 即地球只接收了太阳总辐射能的5.710-9/4=4.5410-10。 地球接收到的太阳的辐射通量: e= I0=1.7341017 (W) 地球大气层边沿的辐照度: Ee= I0 / l2=1358.79 (W/m2),1.3.3 人眼的颜色视觉特性,(1) 彩色的特性及其表示 明

22、 度：人眼对物体的明暗感觉。发光物体的亮度越高, 则明度越高；非发光物体反射比越高，明度越高。,色 调：区分彩色的特性, 即红/黄/绿/蓝/紫等。不同波长的单色光具有不同的色调。发光物体的色调决定于它的光辐射的光谱组成。非发光物体的色调决定于照明光源的光谱组成和物体本身的光谱反射(透射)的特性。 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。彩色饱和度决定于物体反射(透射)特性。如果物体反射光的光谱带很窄，则饱和度就高。,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,(2) 视网膜的颜色区 视网膜中央视觉主要是锥体细胞, 边缘视觉则主要是杆体细胞。具有正常颜色视觉的

23、视网膜中央能分辨各种颜色, 由中央向边缘过渡, 颜色分辩能力逐渐减弱, 直到对颜色感觉消失。,与中央区相邻的外周区先丧失红色和绿色的感受性, 再向外部对黄色和蓝色的感受也丧失, 成为全色盲区。在同一光亮下，白色视野范围最大，其次为黄蓝色, 红绿色视野最小。当观察大于4视场时，在视线正中会看到一个由中央黄色素造成略带红色的圆斑，称为麦克斯韦尔圆斑。,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,(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不变，这种现象称为颜色恒常性。,物体表面的颜色取决于物体表面的物理属性，物理属性在照度发生变化时并不改变。 赫林的记忆色概念：最常见物体的颜色给人们的记忆以深

24、刻的印象，这个颜色变成了印象的固定特征，一切人们经验所知的东西都是通过记忆颜色的眼睛去观察，颜色恒常性是与物体的物理属性以及记忆色有一定的关系。 物体颜色既决定于光线在物体表面的反射和吸收, 也受光源条件影响。在一定条件下, 颜色恒常性可受到破坏而发生很大变化。颜色恒常性现象目前尚不能全面地解释清楚。,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,(4) 色对比 颜色视觉还受到被观察物体周围环境以及观察者眼睛在观察前观看过其它颜色历史的影响。 如果将两种颜色按适当比例相混合后，能产生灰色，则称这两种颜色互为补色。例如红和绿、蓝和黄都是互补色。 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

25、对比和饱和度对比。 一块灰色纸片放在白色背景上看起来发暗，而放在黑色背景上看起来发亮，这种当明暗不同的物体并置于视场中会感到明暗差异增强的现象称为明度对比。,马赫带(March Band),侧抑制特性(Lateral Inhibition),有趣的错觉现象,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,两种不同色调的物体并置于视场中，每一种颜色的色调都向另一颜色的补色方向变化，从而增强两颜色色调的差异，这种现象称为色调对比。,将两种饱和度不同的颜色并置于视场中，会感到两饱和度的差异增强，高饱和度的更高，低饱和度的更低，这种现象称为饱和度对比。 一般视场中相邻不同颜色间的影响是上述三种对比的综合结果，对比的结

26、果是增强了相邻颜色间的差异。,颜色随背景的变化,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,(5) 色适应 在亮适应状态下, 视觉系统对视场中颜色变化会产生适应的过程。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，即色适应。 一般，对某一颜色光预先适应后再观察其它颜色，则颜色的明度和饱和度都会降低。在一个白色或灰色背景上注视一块颜色纸片一段时间，当忽然拿走颜色纸片后，则在背景的同一地点会出现原来的补色，诱导出的补色时隐时现，直到最后完全消失，这称为负后象现象，也是色适应现象。,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,

27、(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。对于混合光，不论光谱成份如何,所产生的表观明度等于混合光各个光谱成份分别产生的表观明度之和。称为明度加法定理。 在实际研究工作中，我们常常遇到复合光辐射的测量与研究，明度加法定理是对不同光谱成份的光辐射作光度评价的重要理论依据。,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,(7) 色觉缺陷 正常视觉视网膜上有含有亲红、亲绿和亲蓝3种视色素的3种体细胞，能够分辨出各种颜色，接受试验时可用红、绿、蓝三原色光相加混合出各种颜色，因此称为三色觉者。但也有少数人成为色觉缺陷或异常色觉者。常见的有色弱和色盲。,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,色 弱：轻度异

28、常色觉者, 也称为异常三色觉者。对光谱上红色和绿色区域的颜色分辨能力较差, 当红绿区波长有较大变化时, 才能区别出色调的变化, 且须有较高强度才能保证对颜色的正确辨认, 在亮度不足的照明下, 可能将红色和绿色相互混淆。 如果异常三色觉者对红色的辨别能力差，就属于红色弱亦称为甲型色弱； 如果对绿色的辨别能力差就属于绿色弱亦称为乙型色弱。他们与正常色觉的人之间没有严格的界线，他们仍具有三色视觉，但是在用红、绿、蓝三原色相加混合出各种颜色时，红、绿原色的比例与色觉正常者不同。 色弱多发生于后天，男性多，女性少，红色弱者约占男性人口的1%，绿色弱者约占男性人口的5%。,1.3.3 人眼的颜色视觉特性,色 盲：是严重的异常色觉者，对颜色辨别能力很差。其中又分为局部色盲和全色盲两类。局部色盲也称为二色觉者，包括,红-绿色盲和蓝-黄色盲。红绿色盲者不能区分红色和绿色，红绿色盲又分红色盲和绿色盲，红色盲亦称为甲型色盲，绿色盲称为乙型盲；蓝-黄色盲又称为丙色盲，这种色盲仅对红绿产生色觉，对黄蓝不产生色觉。,1.3.4 颜色视觉理论,(1) 扬-赫姆霍尔兹的三色学说 19世纪的扬和赫姆霍尔兹提出。他们根据红/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