光度学和色度学基础课件

辐射量：可见光是可被人体视觉感受的电磁波，可用电磁 波的物理量来描述，称为辐射量描述法。光学量：人眼对同等大小的辐射量而波长不同的光的视觉 感受是不一样的，即不同的光对人眼的刺激程度 不一样，用人的这种视觉感受（响应）来表征可 见光的量称为光学量。辐射量光学量5.1 5.1 辐射量和光学量及其单位辐射量和光学量及其单位第五章第五章 光度学和色度学基础光度学和色度学基础辐射量：可见光是可被人体视觉感受的电磁波，可用电磁 光学量：1一、辐射量一、辐射量1、辐射能单位：J 焦耳光波携带电磁能 以辐射形式发射、传播和被接收。2、辐射通量单位：W 瓦特(焦耳/秒)单位时间内发射、传播或接收的辐射能。3、辐(射)出(射)度单位：W/m2 辐射源单位面积（无论方向如何）辐射出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。一、辐射量1、辐射能单位：J 焦耳光波携带电磁能 24、辐照度单位：W/m2 受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面接受的辐通量。接收面方位不同，其照度亦不同。5、辐射强度（发光强度）单位：W/sr球面度球面度 点光源在某一方向上，在元立体角 内发出的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。rdA4、辐照度单位：W/m2 受照面上单位时间单位36、辐射亮度单位：W/sr m2 为了描述有限大小有限大小的光源辐通量的空间分布。元面积为 的光源，在与其法线成 角的方向上，在元立体角内发射的辐通量为de6、辐射亮度单位：W/sr m2 为了描述有限大小4二、光学量二、光学量标度可见光可见光对人眼的视觉刺激程度视觉刺激程度的量。1、光通量单位：lm (流明)2、光出射度单位：lm/m2光源单位发光面积发出的光通量。辐射通量相同但波长不同的光，光通量是不同的，如当5550埃的黄绿光与波长为6500埃的红光辐射通量相等时，前者的光通量是后者的十倍。二、光学量标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。1、光通量单53、光照度单位：lm/m2=lx 勒克斯 单位受照面积接受的光通量。4、发光强度单位：lm/sr=cd 坎德拉 点光源在某一方向上，在元立体角 内发出的光通量。关于单位坎德拉（）：3、光照度单位：lm/m2=lx 勒克斯 单位6 坎德拉（cd）是光学基本量，是国际单位制中的七个基本单位之一，由此可导出光通量的单位。若 ，而 则在该方向上，5、光亮度单位：cdcd/m2 为了描述有限大小有限大小的光源光通量的空间分布。元面积为 的光源，在与其法线成 角的方向上，在元立体角内发射的光通量dv 坎德拉（cd）是光学基本量，是国际单位制中的七若 7常见发光表面的光亮度值见P76页表5-1元发光面dA的光亮度Lv等于元面积dA在方向的发光强度Iv与该面元面积在垂直于该方向平面上的投影cosdA之比。常见发光表面的光亮度值见P76页表5-1元发光面dA的光亮度8三、三、光学量和辐射量的关系光学量和辐射量的关系(一一)光谱光效率函数视见函数 具有相同辐射通量 而波长不同的可见光对人眼的刺激程度不同。换言之，人眼对不同波长而辐通量相同的光的响应灵敏度是波长的函数表征这种响应关系的函数称之为光谱光效率函数（视见函数视见函数）。观察场明暗：明视觉、暗视觉三、光学量和辐射量的关系(一)光谱光效率函数视见函数 9(二二)光学量和辐射量间的关系 （暗视条件）函数 实际上反映了人眼对不同波长的光的视感程度。故，在 范围内，（明视条件）当 ，时，光功当量=1755lm/W其意义同 相同。波长为5550A、V()1单色光的绝对光谱光效率值(二)光学量和辐射量间的关系 （暗视条件）函10在整个可见光范围38007800内，总光通量为：暗视：出射度、照度、强度、亮度之间将有相同的关系。明视：强度：亮度：空间分布特性：出射度：照度：发出、接受的通量：在整个可见光范围38007800内，总光通量为：暗视：11一、点光源在与之距离为一、点光源在与之距离为r r处的表面上形成的照度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。5.2 光传播中光学量的变化规律光传播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12二、面光源在与之距离为二、面光源在与之距离为r r处被照面上的照度处被照面上的照度面光源的亮度为：则：（假定L为常数）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：13元光管壁上无光溢出(无损失)观察两截面 上的光亮度光在元光管内传播，亮度不变三、单一介质元光管内光亮度的传递三、单一介质元光管内光亮度的传递元光管：两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间元光管壁上无光溢出(无损失)观察两截面 14反、折射的光通量：对于反射光波（反射定律）四、光束经界面反射和折射后的亮度四、光束经界面反射和折射后的亮度 一束光投射到两透明介质的界面，会形成反射和折射两路光束。设入射光的光亮度为L，入射角为i，立体角为d，在界面上投射面积为dA。入射的光通量分别是反、折射的光亮度分别是反、折射角及立体角故：反射比反、折射的光通量：对于反射光波（反射定律）四、光束经界面反射15对于两透明介质表面，故：对于折射光束：取入射面一微小面元 ，如图中ABCD所围的小正方形，其面积为：反射光亮度等于入射光亮度与界面反射比之积同理：代入对于两透明介质表面，故：对于折射光束：取入射面一微小面元 16根据能量守恒定律 ，（当 时，）根据折射定律有：等式两边对 、同时取微分得：式乘以式得：入射光出射光对于折射光束：根据能量守恒定律 ，（当 时，17则：一个均匀的球形发光体就是一个余弦辐射体。五、余弦辐射体五、余弦辐射体从任何方向上看，余弦辐射体的亮度L均为常数dAIqdAddLqqfcoscos=W=发光体的发光强度：，即：qcosNI=I q余弦辐射体在方向的亮度则：一个均匀的球形发光体就是一个余弦辐射体。五、余弦辐射体从18面积为的发光盘，法线方向的发光强度为 ，在与法线成 角的方向上，其发光强度变为 ，如果 角由 ，发光强度矢量的端点的轨迹为一个圆。余弦辐射体可能是自发光面，如绝对黑体、平面灯丝钨灯等。也可能是透射或反射体。受光照射经透射或反射形成的余弦辐射体，称做漫透射体和漫反射体。乳白玻璃是漫透射体，硫酸钡涂层表面是典型的漫反射面。面积为的发光盘，法线方向的发光强度为 ，在与法线成19光度学和色度学基础课件20 余弦辐射体向平面孔径角为U的立体角范围内发出的光通量为：即：余弦辐射体向平面孔径角为U的立体角范围内发出的光通量21一、轴上像点的光照度一、轴上像点的光照度5.3 成像系统像面的光照度成像系统像面的光照度 若物物被看作是余弦辐射体余弦辐射体，则微面积 向孔径角为 的成像光学系统发出的光通量 为：一、轴上像点的光照度5.3 成像系统像面的光照度 22 由于光在光学系统中传播时存在能量损失，假定光学系统的光透过比为 ，则此时，轴上像点的光照度为：从出瞳入射到像面 微面积上的光通量为：由于光在光学系统中传播时存在能量损失，假定光学系统的23当系统满足正弦条件时，故上式表明：轴上像点的照度与孔径角正弦的平方成正比，与垂轴放大率的平方成反比。当系统满足正弦条件时，故上式表明：轴上像点的照度与孔径角正弦24二、轴外像点的照度二、轴外像点的照度 轴外像点 的主光线与光轴的夹角 ，就是轴外点 的像方视场角,UM是轴外点的像方孔径角。若物面亮度均匀，则轴外像点的照度为：显然轴外像点的照度要比轴上点的照度低。二、轴外像点的照度 轴外像点 的主光线与光轴的夹角 25当 较小时，则上式表明：上式表明：轴外像点的光照度随视场角 的增大而降低D为出瞳直径l0为像面到出瞳的距离C代入上式得：2当 较小时，则上式表明：轴外像点的光照度随视场角 26三、三、光通过光学系统时的能量损失光通过光学系统时的能量损失 光通过光学系统时的能量损失主要是由于光在光学系统中传播时，透明介质折射界面的光反射、介质对光的吸收以及反射面对光的透射和吸收等方面所造成的。光学系统的透射比：衡量光学系统中光能损失的大小其中三、光通过光学系统时的能量损失 光通过光学系统时的能27讨论：讨论：透射比高表明系统的光能损失小；若 ，表明系统无光能损失。光在两透明介质界面上的反射损失光在两透明介质界面上的反射损失 光照射到两透明介质光滑界面上时，大部分光折射到另一介质中，也有一小部分光反射回原介质，没通过界面的反射光，形成光能损失。光垂直入射到两透明介质的光滑界面时，反射光能损失和界面两边介质的折射率有关。讨论：透射比高表明系统的光能损失小；光在两透明介质界28 当光近似垂直入射到两透明介质的光滑界面时，反射光能损失和界面两边介质的折射率有关。界面两边的折射率相差越大，值越大，即反射损失越大。反射光通量与入射光通量之比称为反射比，通常以表示 假定进入系统的光通量为，在反射损失的影响下，系统出射的光通量可以用下式计算：当光近似垂直入射到两透明介质的光滑界面时，反射光能损29 反射光会在像面上形成杂散光背景，从而降低像的对比度。降低反射损失的方法是在玻璃元件的表面镀增透膜增透膜。一个光学系统有N1个空气-冕牌玻璃界面和空气-火石玻璃界面，如果进入系统的光通量为，在只考虑反射损失的情况下，由系统出射的光通量为分别为空气-冕牌玻璃和空气-火石玻璃界面的反射比 反射光会在像面上形成杂散光背景，从而降低像的 30 介质吸收造成的光能损失介质吸收造成的光能损失 光在介质中传播，由于介质对光的吸收使一部分光不能通过系统，从而形成光能损失。光通过厚度为l的介质层后的光通量可表示为：其中代表光通过单位厚度1cm介质层时出射光通量与入射光通量之比，称之为介质的透明率。则介质吸收造成的光通量损失为：介质吸收造成的光能损失 光在介质中传播，由于介质对31若入射光的光通量为 ，则反射光的光通量 为：光通量损失为 为 反射面的光能损失反射面的光能损失 反射元件对光的透射和吸收，使反射面的反射比四、四、光学系统的总透射比光学系统的总透射比 若光学系统的入射光的光通量为 ，出射光的光通量为 ，则系统总透射比：若入射光的光通量为 ，则反射光的光通量 为：光通量损32例：例：某光学系统含有某光学系统含有1 1个冕牌玻璃折射面和个冕牌玻璃折射面和1 1个火石玻璃个火石玻璃折射面，其反射比分别为折射面，其反射比分别为 、，系统光路通过了，系统光路通过了2 2种种介质，其中心厚度分别为介质，其中心厚度分别为d1d1、d2d2，各自的透明率分别为，各自的透明率分别为P1P1、P2P2，系统还含有，系统还含有1 1个反射面，其反射比为个反射面，其反射比为 已知该系统入射光通量为已知该系统入射光通量为 ，求其出射光通量，求其出射光通量 以以及各部分能量损失，总的透射比。及各部分能量损失，总的透射比。例：某光学系统含有1个冕牌玻璃折射面和1个火石玻璃折射面，其33出射光通量出射光通量总透射比总透射比出射光通量总透射比34一、一、颜色及其分类颜色及其分类 颜色是一种和物理、生理及心理学有关的复杂现象。颜色非彩色：非彩色：白、黑、灰彩色：彩色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫及中间色光源色光源色：自发光（不同波长）形成的颜色物体色物体色：自身不发光，被照物体反射、透射光形成的 颜色荧光色荧光色：被照物体由于分子发生跃迁，激发产生的荧 光，与反射和透射光而形成的颜色。5.4 颜色的分类及其表观特征颜色的分类及其表观特征一、颜色及其分类 颜色是一种和物理、生理及心理学有关的复杂现35明度明度：表征颜色的明亮程度。（亮度、反射比、透射比越大，明度越高。）色色调：表征不同彩色的特征量，如红、枣红等。（波长）（不同波长的光在人的视觉上呈现不同的色调)光谱色二、颜色的表观特征（三种）二、颜色的表观特征（三种）360 430 450 500 570 600 630 760 紫 蓝 青 绿 黄 橙 赤单位：nm物体色的色调既与照明光的波长有关，也与物体对光的选择吸收特性有关。明度：表征颜色的明亮程度。（亮度、反射比、透射比越大，明度越36对于非彩色，只有明度值的差别，而没有色调区分，饱和度均为0，灰度只能分级。彩色必须具备上述特征，特征参数的不同，表示着颜色间的差别。饱和度和度：表示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。对于非彩色，只有明度值的差别，而没有色调区分，饱和度均为0，37一、颜色刺激一、颜色刺激颜色刺激颜色刺激：能够引起颜色知觉的可见辐射的辐通量颜色刺激函数颜色刺激函数：颜色刺激按波长的分布，一般用 表示二、三原色二、三原色三原色三原色：能够匹配所有颜色的三种颜色三原色不是唯一的组合，常用红（R）、绿（G）、蓝（B）三、三刺激值三、三刺激值三刺激值三刺激值：匹配某种颜色所需的三原色的量（颜色方程）对于既定的三原色，每种颜色的三刺激值是唯一的。5.7 色度学中的几个概念色度学中的几个概念一、颜色刺激颜色刺激：能够引起颜色知觉的可见辐射的辐通量颜色38四、光谱三刺激值或颜色匹配函数四、光谱三刺激值或颜色匹配函数 匹配等能光谱色所需的三原色的量称做光谱三刺激光谱三刺激值，值，刺激值为波长函数，故也称为颜色匹配函数颜色匹配函数。等能：指各波长辐射能量相等五、色品坐标及色品图五、色品坐标及色品图色品色品：三刺激值各自在三刺激值总量中所占的比例颜色方程：R量的红颜色（R）、G量的绿颜色（G）和B量的蓝颜色（B）混合，正好与颜色(C)匹配，R、G、B为三刺激值。则光谱色的颜色方程为：四、光谱三刺激值或颜色匹配函数 匹配等能光谱色所需的三39光谱色的色品坐标为：若选用红（R）、绿（G）、蓝（B）为三原色，用r、b、g表示色品坐标，则有：色品图色品图：由r（横坐标）和g（纵坐标）所决定的平面，面上的点均与某种颜色相对应。光谱色的色品坐标为：若选用红（R）、绿（G）、蓝（B40