工程光學(xué)第五章光度學(xué)與色度學(xué)

1、1第五章第五章 光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ) 5-1 5-1 輻射量和光學(xué)量及其單位輻射量和光學(xué)量及其單位 5-2 5-2 光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化 5-3 5-3 成像系統(tǒng)像面的光照度成像系統(tǒng)像面的光照度 5-4 5-4 顏色的分類(lèi)及匹配顏色的分類(lèi)及匹配25-1 5-1 輻射量和光學(xué)量及其單位輻射量和光學(xué)量及其單位可見(jiàn)光波長(zhǎng)在3.810-77.810-7m內(nèi)，是一種電磁波，因此可用電磁輻射的物理量即輻射量輻射量來(lái)描述；另一和方面光能對(duì)人的視覺(jué)產(chǎn)生刺激，因此又可用視覺(jué)感受來(lái)度量，即用光學(xué)量光學(xué)量來(lái)描述。 一、輻射量一、輻射量輻射能Qe：以電磁輻射形式發(fā)射、傳輸或

2、接收的能量稱輻射能。單位為焦耳（J）輻（射能）通量e：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能。即,eedQdt 單位與功率相同,為w(瓦)3輻出度Me：輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻通量。即：輻照度Ee：輻射照射面單位受照面積上接受的輻通量，即：2,()eedWMmdA單位為瓦每平方米輻射強(qiáng)度Ie：點(diǎn)輻射源向各方向發(fā)出輻射，在某一方向，在元立體角d內(nèi)發(fā)出的輻通量de 。即：2,()eedWEmdA單位為瓦每平方米 輻亮度Le：元面積為dA的輻射面，在和表面法線N成方向，在元立體角d內(nèi)發(fā)出的輻通量de ，即：,()eedWIsrd單位為瓦每球面度2,()coseedWLsr mdAd單位為瓦每球面度平方

3、米六個(gè)輻射量，對(duì)所有的光輻射都適用，是純物理量。六個(gè)輻射量，對(duì)所有的光輻射都適用，是純物理量。45對(duì)可見(jiàn)光，常用光學(xué)量來(lái)度量二、光學(xué)量二、光學(xué)量光通量v：標(biāo)度可見(jiàn)光對(duì)人眼的視覺(jué)刺激程度的量。單位為流（明）lm。光出射度Mv：光源單位發(fā)光面積發(fā)出的光通量，即：2,.vvdlmMmdA單位流每平方米光照度Ev：?jiǎn)挝皇苷彰娣e接受的光通量，即：2,11.vvdlmElx lxmdA單位勒(克斯)發(fā)光強(qiáng)度Iv：點(diǎn)光源向各方向發(fā)出可見(jiàn)光，在某一方向，在元立體角d內(nèi)發(fā)出的光通量dv ，即：,cd單位 坎(德拉)是國(guó)際單位制中七個(gè)基本量之一.vvdId6光亮度Lv：光源有一定大小，其輻射特征在不同方向是不一樣

4、的，光亮度表示發(fā)光表面在不同方向上輻射特征的一個(gè)物理量。即發(fā)光面的元面積dA，在和發(fā)光表面法線N成方向，在元立體角d內(nèi)發(fā)出的光通量de ，即：2,()coscosvvvdIcdLmdAddA單位坎每平方米三、光學(xué)量與輻射量之間的關(guān)系三、光學(xué)量與輻射量之間的關(guān)系（一）光譜光效率函數(shù)對(duì)人眼來(lái)說(shuō)，其輸入為用輻射量表示的可見(jiàn)光輻射，而輸出為用光學(xué)量表示的光感受。因此兩者的關(guān)系取決于人的視覺(jué)特性。人的視覺(jué)對(duì)不同波長(zhǎng)光有不同的靈敏度，這種靈敏度是波長(zhǎng)的函數(shù)，稱為光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù)。7 ,.VV當(dāng)觀察場(chǎng)明暗不同時(shí) 該函數(shù)也不同,一般分明視覺(jué)光譜光效率函數(shù)和暗視覺(jué)光譜光效率函數(shù)人眼對(duì)波長(zhǎng)為55nm的

5、黃綠光最為敏感，取這個(gè)波長(zhǎng)的函數(shù)值為1，對(duì)其它波長(zhǎng)而言，V1，在可見(jiàn)光光譜以外的輻射能V=0（二）光學(xué)量與輻射量之間的關(guān)系 ,:,6831/,1755/vevmevmemmdddK VddK VdKlm W Klm W在波長(zhǎng)附近的小波長(zhǎng)內(nèi) 光通量和輻通量之間的關(guān)系為 明視覺(jué)下, 暗視覺(jué)下, 其中8 775.55 10,15.07 10,1.m Vm V在明視覺(jué)下波長(zhǎng)在暗視覺(jué)下波長(zhǎng)表明在夜晚時(shí)人眼對(duì)藍(lán)光敏感 780v380780v380, memeK VdK Vd v對(duì)整個(gè)可見(jiàn)輻射范圍內(nèi)的總光通量是在可見(jiàn)光譜范圍的積分.即: 明視覺(jué) 暗視覺(jué)95-2 5-2 光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化光傳播過(guò)程中光

6、學(xué)量的變化一、點(diǎn)光源在與之距離為一、點(diǎn)光源在與之距離為r處的表面上形成的照度處的表面上形成的照度設(shè)一點(diǎn)光源，其發(fā)光強(qiáng)度為I，在距光源為r處有一元面積為dA的平面，其法線與r方向成角。則點(diǎn)光源S在dA面上形成的照度為：dEdA2cosdIddAdr 2cosIEr表明點(diǎn)光源在被照表面上形成的照度與被照面到光源距離平方成正比。且與入射角度有關(guān)，越大照度越小。 =0垂直照射，E=I0,即照度平方反比定律照度平方反比定律。由多個(gè)點(diǎn)光源產(chǎn)生的照度等于每個(gè)點(diǎn)光源產(chǎn)生的照度之和。10二、面光源在與之距離為二、面光源在與之距離為r處的表面上形成的照度處的表面上形成的照度設(shè)dAs代表光源的元發(fā)光面積，其在與之距

7、離為r，面積為dA平面上形成的照度為E：122coscossdEdALdAr光源的光亮度發(fā)光面法線與距離方向夾角受照面法線與距離方向夾角表明面光源在與之距離為r的表面上形成的照度與光源的亮度、面積及兩表面的法線與r夾角的余弦成正比，與距離r的平方成反比。11三、單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞三、單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞兩個(gè)面積很小的截面構(gòu)成的直紋曲面包圍的空間就是一個(gè)元光管。光在元光管內(nèi)傳播，不從側(cè)壁溢出，即無(wú)光能損失。設(shè)元光管兩截面1、2的光亮度分別為L(zhǎng)1和L2，則通過(guò)1面的光通量等于其發(fā)出的光通量，即22111111112coscoscosdAdLdAdLdAr 同理通過(guò)2面的光通量也等

8、于其發(fā)出的光通量，即11222222222coscoscosdAdLdA dLdAr 根據(jù)元光管性質(zhì)：12dd 12LL表明光在元光管內(nèi)傳播，各截面的光亮度相同，即光在元光管內(nèi)傳播光束亮度不變。12四、光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度四、光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度光束投射到透明介質(zhì)的界面時(shí)，會(huì)形成反射和透射，設(shè)入射光束的入射角為i，立體角為d，在界面上的投射面積為dA，光束亮度為L(zhǎng)，則入射光的光通量為：cosdLiddA 則反射光和折射光的光通量為：1111coscosdLi ddAdLi ddA 由反射定律：11iidd 111dLLLdL表明：反射光束的亮度等于入射光束亮度與界面反射比之積，

9、透明介質(zhì)的界面反射比很小，因此反射光束的亮度很低。13對(duì)折射光，由能量守恒定律和折射定律得：2121nLLn即折射光束的亮度與界面的反射比及界面兩邊介質(zhì)的折射率有關(guān)。當(dāng)反射損失可忽略時(shí)， =02222LLnLLnnn表明：光束經(jīng)理想折射后，光亮度將發(fā)生變化，但比值不變。（對(duì)玻璃、鉆石效果分析）145-3 5-3 成像系統(tǒng)像面的光照度成像系統(tǒng)像面的光照度一、軸上像點(diǎn)的光照度一、軸上像點(diǎn)的光照度軸上點(diǎn)附近物微小面積軸上點(diǎn)附近像微小面積物方孔徑角像方孔徑角設(shè)物面和像面的光亮度分別為L(zhǎng)和L，則dA向孔徑角為u 的成像光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的光通量為：2sinLUdA 從出瞳射到像面上的光通量為：2sinLU d

10、A , 若透射比為即2sinLUdA 15則軸上像點(diǎn)的光照度為：2sinddAELUdAdA 21dAdA221sinELU sinsinnUnU當(dāng)系統(tǒng)滿足正弦條件 =222sinnELUn即像面軸上點(diǎn)照度表達(dá)式。表明與孔徑角正弦的平方成正比，與線放大率平方成反比。16二、軸外像點(diǎn)的照度二、軸外像點(diǎn)的照度軸外像點(diǎn)M的照度為：2222 sinsinsincosMMMMMnELUnUUtgUUw當(dāng)較小時(shí),224402sincoscosMnELUwEwn像面軸上點(diǎn)照度表明軸外像面邊緣的照度隨視場(chǎng)角w的增大而降低。當(dāng)有漸暈現(xiàn)象時(shí)：401cosMEK Ew17三、光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的能量損失三、光通過(guò)光學(xué)

11、系統(tǒng)時(shí)的能量損失物面發(fā)出進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光能量，在傳播過(guò)程中，由于界面的反射，介質(zhì)對(duì)光的吸收及反射面對(duì)光的透射和吸收所造成的光能損失。光能損失用透射比來(lái)衡量，即：系統(tǒng)出瞳出射的光通量經(jīng)入瞳進(jìn)入系統(tǒng)光通量光在兩透明介質(zhì)界面上的反射損失光在兩透明介質(zhì)界面上的反射損失光照射到透明介質(zhì)光滑界面上時(shí)，大部分光折射到另一介質(zhì)中，一小部分光反射回原介質(zhì)，形成光能損失，通常用反射比來(lái)描述，即反射比為反射光通量與入射光通量之比：22222sin12 siniiitgiinniitgiinn 當(dāng) 較小時(shí)入射角折射角18可見(jiàn)反射比與光線的走向無(wú)關(guān)（由空氣到玻璃或由玻璃到空氣），僅與兩介質(zhì)的折射率有關(guān)，因此同一光學(xué)零件

12、的兩個(gè)折射面上反射比相等。n與n相差越大， 越小，反射損失越大。反射的光能除造成光學(xué)系統(tǒng)的光能損失外，還在像面上形成雜散光背景，從而降低像的對(duì)比度。降低反射損失的方法是在玻璃元件的表面鍍?cè)鐾改ぃㄈ鏢iO2）。通常在折射面上用真空方法或化學(xué)方法涂上一層一定厚度的薄膜。介質(zhì)吸收造成的光能損失介質(zhì)吸收造成的光能損失光在介質(zhì)中傳播，由于介質(zhì)對(duì)光的吸收使一部分光不能通過(guò)系統(tǒng)，從而形成光能損失。19光通量為的光束通過(guò)厚度為dl的薄介質(zhì)層，被介質(zhì)吸收的光通量d與光通量和介質(zhì)厚度dl成正比，即：00KlldKdlep Kpe 表示光通過(guò)單位厚度1cm介質(zhì)層時(shí)，出射光通量與入射光通量之比，為介質(zhì)的透明率。01k

13、le 0因此光通量損失為:反射面的光能損失反射面的光能損失光學(xué)系統(tǒng)中，常用反射面來(lái)改變光的進(jìn)行方向，反射元件對(duì)光的透射和吸收，使反射面的反射比1。01010,11. 當(dāng)入射光的光通量反射光的光通量則光通量損失:鍍銀反射面0.95;鍍鋁反射面0.85;拋光良好的棱鏡全反射面20光學(xué)系統(tǒng)的總透射比光學(xué)系統(tǒng)的總透射比 121231212012121211,MNNdddNMMMPPPP PPMdddM 12分別為冕牌玻璃和火石玻璃與空氣所成界面反射比;分別為種介質(zhì)各自的透明率;為反射面的反射比;N 為冕牌玻璃個(gè)數(shù);N 為火石玻璃個(gè)數(shù);為種介質(zhì)的中心厚度.215-4 5-4 顏色的分類(lèi)及匹配顏色的分類(lèi)及

14、匹配一、一、 顏色及其分類(lèi)顏色及其分類(lèi)顏色是不同波長(zhǎng)可見(jiàn)光輻射作用于人的視覺(jué)器官后所產(chǎn)生的心理感受，是一種和物理、心理及心理學(xué)有關(guān)的復(fù)雜現(xiàn)象。一般分為：彩色彩色：黑白非彩色系列以外的所有顏色（各種光譜色）。非彩色非彩色：指白、黑及黑白之間深淺不同的灰色所構(gòu)的顏色系列。根據(jù)顏色形成的機(jī)理分：光源色光源色：自發(fā)光形成的顏色（如太陽(yáng)、電弧、白熾燈、紅外發(fā)生器）；物體色物體色：自身不發(fā)光借助其它光源照明，通過(guò)反射或透射而成的顏色；熒光色熒光色：物體受光照射激發(fā)所產(chǎn)生的熒光與反射或透射光共同形成的顏色。22二、二、 顏色的表觀特征（評(píng)價(jià)顏色的重要指標(biāo)）顏色的表觀特征（評(píng)價(jià)顏色的重要指標(biāo)）明度明度：表征顏色的明亮程度。色調(diào)色調(diào)：區(qū)分不同彩色的特征?？梢?jiàn)光譜內(nèi)，在視覺(jué)呈現(xiàn)不同色調(diào)，紅、黃等。飽和度飽和度：表現(xiàn)顏色接近光譜色的程度。一種顏色可看成某種光譜色與白色混合的結(jié)果，其中光譜色所占的比例愈大，顏色的飽和度就愈高，則顏色深而艷。 彩色必須具備上述三個(gè)特征，特征參數(shù)不同，表示顏色間的差別；非彩色只有明度的差別，沒(méi)有色調(diào)區(qū)分，飽和度等于零。三、顏色匹配三、顏色匹配通過(guò)改變參加混合各顏色的量，使混合色與指定顏色達(dá)到視覺(jué)上相同的過(guò)程，稱為顏色匹配顏色匹配。23顏色匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)論：顏色匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)論：紅、綠、藍(lán)三種顏色以不同的量值相混合，可以匹配任何顏色。紅、綠、藍(lán)不是唯一