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1、光度学与色度学第1页，本讲稿共29页辐射度学辐射度学通通过电磁光磁光谱来来处理理辐射能的射能的测量。量。辐射度学主要研究射度学主要研究频率率为31011 31016Hz的光的光辐射，射，对应于于0.011000m微米的波微米的波长。波段范波段范围包括包括红外、可外、可见光、光、紫外紫外线。研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为科称为“辐射度学辐射度学”第2页，本讲稿共29页光光度学度学与与辐射度学射度学类似，但它只似，但它只处理人眼可感知的光，即理人眼可感知的光，即可可见光，波光，波长范范围为380780nm(纳米米)。波波长450nm对应于于蓝色，色，
2、540nm对应于于绿色，色，659nm对应于于红色。色。研究可见光的测试、计量和计算称为研究可见光的测试、计量和计算称为“光度学光度学”第3页，本讲稿共29页立体角的定立体角的定义：一个任意形状的封一个任意形状的封闭锥面所包含的空面所包含的空间称称为立立体角，用体角，用表示。表示。以锥体顶点为球以锥体顶点为球心，任意心，任意r r为半径作为半径作一球面，此锥体在球一球面，此锥体在球面上的截面为面上的截面为S S，则立，则立体角表示为体角表示为第4页，本讲稿共29页5-1 辐射量和光学量及其单位辐射量和光学量及其单位可见光的描述：辐射量（纯物理现像）和光学量（视觉感受）可见光是波长在3.810-
3、77.810-7米范围内的电磁辐射，描述电磁辐射的物理量，即辐射量，也可用来描述可见光；可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人感受的电磁辐射，因而人们很自然地用视觉受到刺激的程度（引起的心理反应），即视觉感受来量度可见光。按这种视觉响应原则建立的表征可见光的量称作光学量。由此可见，可见光是可以用辐射量和光学量这两种量值系由此可见，可见光是可以用辐射量和光学量这两种量值系统来度量的。把可见光做为纯物理现像来研究时，应采用统来度量的。把可见光做为纯物理现像来研究时，应采用辐射量量值系统；而研究与人的视觉有关问题时，采用光辐射量量值系统；而研究与人的视觉有关问题时，采用光学量量值系统可能更方便。学量量
4、值系统可能更方便。第5页，本讲稿共29页一一、辐射量射量0.0.辐射能辐射能 1.1.辐通量辐通量2.2.辐出度辐出度3.3.辐照度辐照度4.4.辐强度辐强度 5.5.辐亮度辐亮度5-1 辐射量和光学量及其单位辐射量和光学量及其单位二、光学量二、光学量1.1.光通量光通量【流明流明】2.2.光出射度光出射度 3.3.光照度光照度【勒克斯勒克斯】4.4.发光强度发光强度【坎德拉坎德拉】5.5.光亮度光亮度除“辐射能”以外，其他一一对应。第6页，本讲稿共29页辐射强度：辐射强度：单位立体角内发出的单位立体角内发出的辐射通量辐射通量。给定方向上取立体。给定方向上取立体角角d d，在，在d d 范围内
5、的辐射通量为范围内的辐射通量为d d e e。把。把d d e e与与d d 之比称为之比称为辐射体在该方向上的辐射体在该方向上的“辐射强度辐射强度”发光强度：发光强度：与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光源发光的强与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光源发光的强弱，即单位立体角内发出的弱，即单位立体角内发出的光通量光通量第7页，本讲稿共29页第8页，本讲稿共29页重要常识（1）发光光强度：度：发光光强度的度的单位位为坎德拉坎德拉(cd)。1979年第十六届国年第十六届国际计量大会量大会对发光光强度的度的单位坎德拉作了明确的位坎德拉作了明确的规定：定：“一一个光源个光源发出出频率率为5401
6、012HZ(赫赫兹)的的单色光，在一定方色光，在一定方向的向的辐射射强度度为1/683 W/sr，则此光源在此光源在该方向上的方向上的发光光强度度为1坎德拉坎德拉”。发光光强度是光学基本量，是国度是光学基本量，是国际单位制位制中七个基本量之一。中七个基本量之一。（2）流明：）流明：从发光强度的单位坎德拉可以导出光通量的单位流明：发光强度为1坎德拉的匀强点光源，在单位立体角内发出的光通量为1流明。（3）常）常见发光表面的光亮度光表面的光亮度值（表（表5-1)第9页，本讲稿共29页5-1 辐射量和光学量及其单位辐射量和光学量及其单位三、光学量和辐射量两种量值系统间的关系三、光学量和辐射量两种量值系
7、统间的关系（一）光（一）光谱光效率函数光效率函数-视见函数函数1 1、人的视觉特性：输入（辐射量）、人的视觉特性：输入（辐射量）输出（光学量）输出（光学量）就其实质而言，人眼就是一种可见光探测器，其输入就其实质而言，人眼就是一种可见光探测器，其输入为用辐射量度量的可见光辐射，而输出为用光学量表示的为用辐射量度量的可见光辐射，而输出为用光学量表示的光感受。所以，光学量和辐射量间的关系决定于人的视觉光感受。所以，光学量和辐射量间的关系决定于人的视觉特性特性第10页，本讲稿共29页（一）光（一）光谱光效率函数光效率函数-视见函数函数2、光谱光效率函数：人的视觉对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数。实
8、验表明，具有相同辐通量而波长不同的可见光分别作用于人眼，人所感受的明亮程度将有所不同，这表明人的视觉对不同波长光有不同的灵敏度。人对不同波长而辐通量相同的光响应的灵敏度是波长的函数，称之为光谱光效率函数。也叫视见函数（视感程度）实验表明，观察场明暗不同时，光谱光效率函数亦稍有不同。国际照明委员会（CIE）根据多组测试实验结果，分别于1924年和1951年确定并正式推荐两种光谱光效率函数：明视觉光谱光效率函数明视觉光谱光效率函数暗视觉光谱光效率函数暗视觉光谱光效率函数第11页，本讲稿共29页光谱光效率函数光谱光效率函数人的视觉对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数。第12页，本讲稿共29页（二）光
9、学量和辐射量间的关系光谱量（微分形式）d内积分量（积分形式）可见光范围内注意：注意：1）明视条件和暗视条件2）其他对应量之间有相同的关系3）光学量辐射量：对同等大小的辐射量因波长不同，视觉感受不同4）光功当量：明光功当量：明视觉、暗视觉5）名称、定义（物理意义）式、单位6）各种辐射量和光学量代表符号中的下标e和v，在不致混淆的情况下，可以不必标出，例如，发光强度Iv 和光照度Ev可分别写做I、E等。第13页，本讲稿共29页5-2 光传播过程中光学量的变化规律光传播过程中光学量的变化规律一、点光源在有限距离的表面上形成的照度一、点光源在有限距离的表面上形成的照度照度平方反比定律：照度平方反比定律
10、：点光源在被照表面上点光源在被照表面上形成的照度与被照面形成的照度与被照面到光源距离的平方成到光源距离的平方成反比。反比。照度余弦定律：当光源到被照明表面的距离不变时，角为零时，照度值最大。随着角的不断增大，照度值将变小。即被照明表面处的照度与光线入射角的余弦成正比。第14页，本讲稿共29页二、面光源在距离二、面光源在距离为r的表面上形成的照度的表面上形成的照度三、三、单一介一介质元光管内光亮度的元光管内光亮度的传递四、光束四、光束经界面反射和折射后的亮度界面反射和折射后的亮度五、余弦五、余弦辐射体射体特点特点1发光光强度空度空间分布特点：分布特点：发光光强度度空空间分布分布为余弦分布余弦分布
11、2光亮度空光亮度空间分布特点：分布特点：在各方向的在各方向的光亮度光亮度相同相同第15页，本讲稿共29页五、余弦五、余弦辐射体射体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面。乳白玻璃是漫透射体，其经光照射后透射光强度分布如图58a所示；硫酸钡涂层表面是典型的漫反射面。第16页，本讲稿共29页一、一、轴上像点的光照度上像点的光照度讨论：光学系光学系统孔径孔径越大，像面越大，像面照度照度越大越大系系统放大倍率放大倍率越小，像面照度越大（若越小，像面照度越大（若大，大，为了了保保证像面足像面足够的像面照度，
12、更要求照明好，的像面照度，更要求照明好，U要大）要大）5-3 成像系统像面的光照度成像系统像面的光照度第17页，本讲稿共29页轴外点的光照度随视场角的增大而显著下降。二、轴外像点的光照度二、轴外像点的光照度第18页，本讲稿共29页反射损失：光学零件与空气接触面能量损失吸收损失：在空气中的吸收在光学零件中的吸收反射面不完全反射的损失：镀膜三、光通过光学系统时能量的损失三、光通过光学系统时能量的损失四四、光学系统的总透射比、光学系统的总透射比第19页，本讲稿共29页一、一、颜色的分色的分类1 1、颜色：颜色是不同波长可见光辐射作用于人的视觉器官后所产生的心、颜色：颜色是不同波长可见光辐射作用于人的
13、视觉器官后所产生的心理感受。所以，颜色是一种和物理、生理及心理学有关的复杂现像。理感受。所以，颜色是一种和物理、生理及心理学有关的复杂现像。2 2、非彩色和彩色：颜色可分为非彩色和彩色两大类。、非彩色和彩色：颜色可分为非彩色和彩色两大类。非彩色系指白色、黑色及白与黑之间深浅不同的灰色所构成的颜色系列。彩色是指白黑非彩色系列以外的所有颜色。如各种光谱色均彩色是指白黑非彩色系列以外的所有颜色。如各种光谱色均为彩色。为彩色。5-4 色度学概述色度学概述第20页，本讲稿共29页一、一、颜色的分色的分类3、物理机制：、物理机制：根据根据颜色形成的物理机制的不同，色形成的物理机制的不同，颜色又有光源色又有
14、光源色、物体色及色、物体色及荧光色之分。光色之分。自自发光形成的光形成的颜色，一般称之色，一般称之为光源色光源色；自身不自身不发光，凭借其它光源照明，通光，凭借其它光源照明，通过反射或透反射或透射而形成的射而形成的颜色，称之色，称之为物体色物体色；物体受光照射激物体受光照射激发所所产生的生的荧光及反射或透射光光及反射或透射光共同形成的共同形成的颜色，称之色，称之为荧光色光色。第21页，本讲稿共29页二、颜色的表观特征颜色有三种表观特征，即明度、色调和饱和度。彩色彩色必须具备上述三个特征，特征参数的不同，标示着颜色间的差别。非彩色非彩色只有明度值的差别，没有色调区分，饱和度均等于0第22页，本讲
15、稿共29页三、三、颜色混合的两种方式色混合的两种方式第23页，本讲稿共29页三、三、颜色混合的两种方式色混合的两种方式色光的混合始于牛顿，红光加绿光产生黄光，红橙黄绿青蓝紫七色相加合成白光。彩色电视机制造中利用红、绿、蓝作为“三基色”，显示出大自然中千变万化的色彩。色光混合的原理在舞台灯光、布景、夜景灯光、现代广告等有广泛的应用价值。1、色光混合：色光混合是不同颜色光的直接混合。混合色光为参加混合各色光之和，又称之为加混色。第24页，本讲稿共29页三、三、颜色混合的两种方式色混合的两种方式2、色料混合：色料是对光有强烈选择吸收的物质，在白光照明下呈现一定的颜色。色料混合是从白光中去除某些色光，
16、从而形成新的颜色，又称之为减混色。绘画是用颜料来表现光。颜料本身不能产生光，它只是一种在一定光照下的显色物质。无论是透明色彩的调和或是直接混和颜料，对于光而言，都是在做减法，其原理和加光混合法并非无缘，在道理上是相通的，只 不过在光亮的程度上是方向相反的。第25页，本讲稿共29页四、三原色四、三原色1、红、绿、兰三种颜色以不同的量值（有的可能为负值）相混合，可以匹配任何颜色。红、绿、兰不是唯一的能匹配所有颜色的三种颜色。三种颜色，只要其中的每一种都不能用其它两种混合产生出来，就可以用它们匹配所有颜色。2、能够匹配所有颜色的三种颜色，称做三原色。人们通常选用红（R）、绿（G）、兰（B）做为三原色
17、，其原因可能是：用不同量的红、绿、兰三种颜色直接混合，几乎可得到经常使用的所有颜色;红、绿、兰三种颜色恰与人的视网膜上红视锥、绿视锥和兰视锥细胞所敏感的颜色相一致。第26页，本讲稿共29页五、三刺激五、三刺激值在颜色匹配中，以一定数量的三原色完成某在颜色匹配中，以一定数量的三原色完成某种颜色的匹配。匹配某种颜色所需的三原色种颜色的匹配。匹配某种颜色所需的三原色的量称做该颜色的三刺激值。颜色方程中的的量称做该颜色的三刺激值。颜色方程中的R R、G G、B B 就是三刺激值。就是三刺激值。第27页，本讲稿共29页六、六、颜色相加原理色相加原理设两两颜色方程色方程为(C1)=R1(R)+G1(G)+
18、B1(B)(C2)=R2(R)+G2(G)+B2(B)两种两种颜色混合形成的混合色（色混合形成的混合色（C）为(C)=(C1)+(C2)=R1(R)+G1(G)+B1(B)+R2(R)+G2(G)+B2(B)=(R1+R2)(R)+(G1+G2)(G)+(B1+B2)(B)颜色（色（C）的三刺激）的三刺激值R、G、B为R=R1+R2;G=G1+G2;B=B1+B2表明：混合色的三刺激表明：混合色的三刺激值为各各组成色相成色相应三刺激三刺激值之和。之和。第28页，本讲稿共29页七、CIE标准色度学系统国国际照明委照明委员会会(CIE)规定的定的颜色色测量原理、基本数据和量原理、基本数据和计算方法，称做算方法，称做CIE标准色度学系准色度学系统。核心内容：。核心内容：CIE标准准色度学的核心内容是用三刺激色度学的核心内容是用三刺激值及其派生参数来表示及其派生参数来表示颜色。色。第29页，本讲稿共29页