工程光學(xué)第五章光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)

工程光學(xué)第五章光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共七十一頁，2022年，8月28日輻射量和光學(xué)量及其單位光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律成像系統(tǒng)像面的光照度顏色的分類及其表現(xiàn)特征顏色混合及格拉斯曼顏色混合定律顏色匹配色度學(xué)中的幾個概念顏色相加原理及光源色和物體色的三刺激值CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)均勻顏色空間及色差公式第二頁，共七十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)輻射量和光學(xué)量及其單位輻射量：純粹的物理量；光學(xué)量：視覺感受來度量可見光。一.輻射量輻射能:

反射、傳輸、接收的能量，單位焦耳。（）2.輻通量：單位時間內(nèi)的輻射能，單位瓦特。3.輻出度：輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻通量。第三頁，共七十一頁，2022年，8月28日4.輻照度：輻射照射面單位受照面積上接收的輻通量。5.輻強度：點輻射源在單位立體角發(fā)出的輻通量。6.幅亮度：發(fā)光源的元面積在方向的輻量度為該輻射面在垂直于該方向的平面上的單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻通量。

第四頁，共七十一頁，2022年，8月28日第五頁，共七十一頁，2022年，8月28日二.光學(xué)量與輻射量相對應(yīng)，有以下的光學(xué)量（下標(biāo)V）光通量，單位流明；對人眼刺激程度，（輻通量）光出射度；（輻出度）光照度；（輻照度）發(fā)光強度；（輻強度）光亮度。（輻亮度）發(fā)光強度的單位為坎德拉，是國際單位制七個基本量之一，規(guī)定為：一個光源發(fā)出頻率為540*1012Hz的單色光，在一定方向的輻射強度為：1/683W/sr,則該方向上的發(fā)光強度為1坎。第六頁，共七十一頁，2022年，8月28日二.光學(xué)量發(fā)光強度為1坎的勻強點光源，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量為1流明（lm）。三.光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系1.光譜光效率函數(shù)光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系取決于人眼的視覺特性。人眼對不同波長光響應(yīng)的靈敏度是波長的函數(shù)：明視覺光譜光效率函數(shù)；暗視覺光譜光效率函數(shù)。第七頁，共七十一頁，2022年，8月28日2.光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系在很小的波長范圍內(nèi)：第八頁，共七十一頁，2022年，8月28日在整個可見光譜范圍內(nèi)：第九頁，共七十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律一.點光源在與之距離為r處的表面形成的照度第十頁，共七十一頁，2022年，8月28日點光源在被照表面形成的照度與被照面到光源距離的平方成反比—照度平方反比定律。二.面光源在與之距離為r處的表面上形成的照度第十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日三.單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞第十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日兩個面積很小的截面構(gòu)成的直紋曲面包圍的空間就是一個元光管。光在元光管傳播，無光能損失。所以，光在元光管內(nèi)傳播，各截面上的光亮度相同第十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日四.光束經(jīng)截面反射和折射后的亮度第十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日根據(jù)反射定律可得：反射光束的亮度等于入射光束亮度與界面反射比之積。第十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日根據(jù)上圖可得：根據(jù)折射定律可得：所以：第十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日光束經(jīng)理想折射，光亮度也會產(chǎn)生變化。折射光束的亮度與界面的反射比和界面兩邊介質(zhì)的折射率有關(guān)。如果界面反射損失可以忽略，則：第十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日五.余弦輻射體發(fā)光強度空間分布可用下式表示的發(fā)光表面：余弦輻射體在各方向的光亮度相同：第十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日余弦輻射體可能是發(fā)光面，也可能是投射或反射體乳白玻璃漫反射面第十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日余弦輻射體向平面孔徑角為U的立體角范圍內(nèi)發(fā)出的光通量：余弦輻射體的光出射度為：第二十頁，共七十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)成像系統(tǒng)像面的光照度一.軸上像點的光照度第二十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日軸上像點的照度與孔徑角正弦的平方成正比，與線放大率的平方成反比。第二十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日二.軸外像點的光照度第二十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日軸外像點的光照度隨視場角的增大而降低。第二十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日三.光通過光學(xué)系統(tǒng)時的能量損失透明介質(zhì)折射界面的光反射、介質(zhì)對光的吸收、反射面對光的透射和吸收都會造成光能損失。1.光在兩透明介質(zhì)界面上的反射損失第二十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日1.光在兩透明介質(zhì)界面上的反射損失這種情況下，反射比只與兩邊介質(zhì)的折射率有關(guān)。反射光造成光能損失，在像面上形成雜散光，降低了像的對比度。降低反射損失的方法是在玻璃元件的表面鍍增透膜。第二十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日2.介質(zhì)吸收造成的光能損失光通過厚度為l的介質(zhì)后的光通量為：光束通過多元件系統(tǒng)后的光通量：第二十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.反射面的光能損失4.光學(xué)系統(tǒng)的總透射比第二十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日第四節(jié)顏色的分類及其表現(xiàn)特征一.顏色及其分類顏色是一種和物理、生理以及心理學(xué)有關(guān)的復(fù)雜現(xiàn)象，是不同波長可見光輻射作用于人的視覺器官所產(chǎn)生的心理感受。彩色和非彩色光源色、物體色、熒光色第二十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日第四節(jié)顏色的分類及其表現(xiàn)特征二.顏色的表觀特征明度、色調(diào)和飽和度。明度：明亮程度，與光亮度等有關(guān)；色調(diào)：何種顏色；飽和度：顏色的濃淡程度。非彩色沒有色調(diào)的區(qū)分，飽和度等于零，只有明度的差別。第三十頁，共七十一頁，2022年，8月28日第五節(jié)顏色混合及格拉斯曼顏色混合定律色光混合（加混色）色料混合（減混色）格拉斯曼顏色混合定律（色光混合）：（1）人的視覺只能分辨顏色的三種表觀特征變化；（2）兩種顏色混合，如果一種顏色成分連續(xù)變化，混合色的外貌也連續(xù)變化?；パa色（混合產(chǎn)生白色或灰色，混合色的色調(diào)決定于兩顏色的比例）（3）顏色外貌相同的光，在顏色混合中是等效的。（4）混合色的亮度等于各色光亮度之和。第三十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日第六節(jié)顏色匹配一.顏色匹配和顏色匹配實驗通過改變參加混色的各顏色的量，使混合色與指定顏色達到視覺上相同的過程---顏色匹配1.顏色轉(zhuǎn)盤法簡單易行難以定量實驗第三十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日a）b）2.色光混合匹配實驗第三十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日二.顏色方程式R量的紅顏色（R）、G量的綠顏色（G）和B量的藍顏色（B）混合，正好和顏色（C）相匹配。顏色的量可能為負(fù)值。第三十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日第七節(jié)色度學(xué)中的幾個概念二.三原色能夠引起顏色知覺的可見輻射的輻射量---顏色刺激顏色刺激函數(shù)（純物理量）：一.顏色刺激通常選用紅、綠、藍作為三原色。（1）幾乎可以匹配所有的顏色；（2）人眼視網(wǎng)膜上的錐細(xì)胞對這三種顏色敏感。第三十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日第七節(jié)色度學(xué)中的幾個概念三.三刺激值刺激值：匹配某種顏色時所需的三原色的量。顏色方程中的R、G、B就是三刺激值。三刺激值是用色度學(xué)單位來度量的，規(guī)定匹配特定的標(biāo)準(zhǔn)白光的三刺激值相等，均為1個單位。四.光譜三刺激值和顏色匹配函數(shù)光譜三刺激值：匹配等能光譜色所需的三原色的量；是波長的函數(shù)，又稱顏色匹配函數(shù)。等能光譜是指各波長輻射能量相等，保證可比較和有意義。第三十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日五.色品坐標(biāo)和色品圖顏色的色品：三刺激值各自在三刺激總量中所占的比例。第三十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日五.色品坐標(biāo)和色品圖顏色的色品：三刺激值各自在三刺激總量中所占的比例。三原色的色品點；麥克斯韋顏色三角形。第三十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日各光譜色色品點形成一條馬蹄形曲線----光譜色品軌跡光譜色的色品坐標(biāo)為：第三十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日六.色度學(xué)中常用的光度學(xué)概念1.光譜透射比2.光譜反射比因數(shù)和輻量度因數(shù)第四十頁，共七十一頁，2022年，8月28日2.光譜反射比因數(shù)和輻量度因數(shù)在限定的方向上、在指定的立體角范圍內(nèi)，所考慮物體反射的光譜輻通量與相同照明、相同方向、在相同立體角內(nèi)由完全漫反射體反射的輻通量之比。第四十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日2.光譜反射比因數(shù)和輻量度因數(shù)光譜反射比因數(shù)：立體角趨向于0條件下的光譜反射比因數(shù)---光譜輻亮度因數(shù)完全漫反射體是指對各種波長輻射反射比均為1的理想漫反射體，它無損失的反射入射輻射，并且在各個方向有相同的亮度。第四十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.光譜反射比物體反射的光譜輻通量和入射光譜輻通量之比：在光譜反射比因數(shù)定義中。若立體角等于2π，則求得的光譜反射比因數(shù)就是光譜反射比。第四十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日第八節(jié)顏色相加原理及光源三刺激值一.顏色相加原理混合色的三刺激值為各組成色相應(yīng)的三刺激值之和。第四十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日二.光源色三刺激值微小波長間隔的色光三刺激值：在整個可見光譜范圍內(nèi)光譜色和混和色三刺激值：第四十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日對于光源色，顏色刺激函數(shù)為：對于透射物體色和漫反射物體，存在類似的顏色刺激函數(shù)。第四十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日第九節(jié)CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)國際照明委員會（CIE）規(guī)定的顏色測量原理、基本數(shù)據(jù)和計算方法，稱為CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)。為了統(tǒng)一顏色表示方法，CIE取多人測得的光譜三刺激值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)—標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者為了統(tǒng)一測量條件，CIE對光源、照明條件和觀察條件等也做了規(guī)定。第四十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日第九節(jié)CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)CIE1931-RGB系統(tǒng)三原色：紅（波長，7*10-7m）；綠（波長，5.461*10-7m）；藍（波長，4.358*10-7m）；一.CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)規(guī)定匹配等能白光的三刺激值相等---單位刺激量1；此時R、G、B光亮度比：1.000：4.5907：0.0601.第四十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日光譜三刺激值曲線第四十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日系統(tǒng)色品圖第五十頁，共七十一頁，2022年，8月28日2.CIE1931-XYZ系統(tǒng)一.CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)a.三原色的確定（虛擬三原色）：（1）匹配等能光譜色，三刺激值不出現(xiàn)負(fù)值；（2）實際不存在的顏色在色品圖上所占面積應(yīng)盡量??；（3）Y刺激值表示亮度，也表示色度，而X和Z刺激值只表示色度（方便）第五十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日a.三原色的確定（虛擬三原色）：顏色三角形三邊方程：由此可以確定三原色（X）、（Y）、（Z）在RGB色品圖中的位置。第五十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日b.光譜三刺激值曲線由RGB系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過來的，非實際匹配所得。第五十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日c.XYZ色品圖第五十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日說明：（1）光譜色的飽和度最高，白光飽和度最低；色品點靠近光譜色，飽和度高，靠近白色點，飽和度低。（2）兩種顏色混合色的色品點在兩顏色的連線上。（3）兩顏色混合生成白光，這兩顏色為互補色，互為補色的兩顏色色品點連線過白光點；（4）馬蹄形開口的直線不是光譜色，而是紅和紫的混合色。第五十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日d.光源色和物體色的三刺激值第五十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日d.光源色和物體色的三刺激值K為調(diào)節(jié)系數(shù)，對三刺激值的數(shù)值有調(diào)節(jié)作用。為了有統(tǒng)一的尺度，CIE規(guī)定光源的Y刺激值為100，所以：透射物體色和反射物體色刺激值計算與上類似。第五十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日e.顏色的主波長和顏色純度第五十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日e.顏色的主波長和顏色純度顏色的主波長是以一定比例與參考白光混合匹配出該顏色的光譜色的波長。顏色（M）的主波長為：不是所有的顏色都有主波長，定義補色波長顏色（N）的補色波長為：顏色（Q）有主波長，也有補色波長。第五十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日顏色的純度表示顏色接近主波長光譜色的程度。刺激純度和亮度純度。刺激純度：一種顏色看成是一種光譜色和參考白光以一定比例混合產(chǎn)生。第六十頁，共七十一頁，2022年，8月28日亮度純度：用該顏色所包含的光譜色的光亮度與該顏色的總光亮度的比值表示顏色純度。顏色的純度和顏色的飽和度大致對應(yīng)第六十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日二.CIE1964補充標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)CIE1931只適用于小視場情況小的顏色標(biāo)定。1964年形成了適用于大視場情況的補充色度學(xué)系統(tǒng)。第六十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日三.CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體和標(biāo)準(zhǔn)光源光是色的物理基礎(chǔ)，光源照明是呈色不可缺少的條件。必須對照明光源作統(tǒng)一規(guī)定。CIE推薦了五種色度用標(biāo)準(zhǔn)照明體及其標(biāo)準(zhǔn)光源。標(biāo)準(zhǔn)照明體A：具有熱力學(xué)溫度為2586K黑體的光譜功率分布（色溫2586K的溴鎢燈，A光源）。標(biāo)準(zhǔn)照明體B：具有相關(guān)色溫為4874K的中午直射日光的光譜功率分布（A光源+液體濾光器---B光源）。第六十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日標(biāo)準(zhǔn)照明體C：具有相關(guān)色溫為6774K的平均日光的光譜功率分布，接近陰天天空光的顏色。（A光源+液體濾光器---C光源）。標(biāo)準(zhǔn)照明體D65：具有相關(guān)色溫為6504K的典型日光的光譜功率分布，能更好的代表日光。是CIE推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)照明體。標(biāo)準(zhǔn)照明體D：除了D65

以外所有的典型日光。第六十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日四.CIE關(guān)于照明和觀察條件的規(guī)定不透明樣