光度學(xué)與色度學(xué)

關(guān)于光度學(xué)與色度學(xué)第1頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三輻射度學(xué)通過電磁光譜來處理輻射能的測量。輻射度學(xué)主要研究頻率為3×1011～3×1016Hz的光輻射，對(duì)應(yīng)于0.01~1000μm微米的波長。波段范圍包括紅外、可見光、紫外線。研究電磁波輻射的測試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱為“輻射度學(xué)”第2頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三光度學(xué)與輻射度學(xué)類似，但它只處理人眼可感知的光，即可見光，波長范圍為380～780nm(納米)。波長450nm對(duì)應(yīng)于藍(lán)色，540nm對(duì)應(yīng)于綠色，659nm對(duì)應(yīng)于紅色。研究可見光的測試、計(jì)量和計(jì)算稱為“光度學(xué)”第3頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三立體角的定義：

一個(gè)任意形狀的封閉錐面所包含的空間稱為立體角，用Ω表示。Ω

以錐體頂點(diǎn)為球心，任意r為半徑作一球面，此錐體在球面上的截面為S，則立體角表示為第4頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三§5-1輻射量和光學(xué)量及其單位可見光的描述：輻射量（純物理現(xiàn)像）和光學(xué)量（視覺感受）可見光是波長在3.8×10-7～7.8×10-7米范圍內(nèi)的電磁輻射，描述電磁輻射的物理量，即輻射量，也可用來描述可見光；可見光是能對(duì)人的視覺形成刺激并能被人感受的電磁輻射，因而人們很自然地用視覺受到刺激的程度（引起的心理反應(yīng)），即視覺感受來量度可見光。按這種視覺響應(yīng)原則建立的表征可見光的量稱作光學(xué)量。由此可見，可見光是可以用輻射量和光學(xué)量這兩種量值系統(tǒng)來度量的。把可見光做為純物理現(xiàn)像來研究時(shí)，應(yīng)采用輻射量量值系統(tǒng)；而研究與人的視覺有關(guān)問題時(shí)，采用光學(xué)量量值系統(tǒng)可能更方便。第5頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三、輻射量0.輻射能1.輻通量2.輻出度3.輻照度4.輻強(qiáng)度5.輻亮度§5-1輻射量和光學(xué)量及其單位二、光學(xué)量1.光通量【流明】2.光出射度

3.光照度【勒克斯】4.發(fā)光強(qiáng)度【坎德拉】5.光亮度除“輻射能”以外，其他一一對(duì)應(yīng)。

第6頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三輻射強(qiáng)度：單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。給定方向上取立體角dΩ，在dΩ范圍內(nèi)的輻射通量為dΦe。把dΦe與dΩ之比稱為輻射體在該方向上的“輻射強(qiáng)度”發(fā)光強(qiáng)度：與輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。它表示在指定方向上光源發(fā)光的強(qiáng)弱，即單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量第7頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三第8頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三重要常識(shí)（1）發(fā)光強(qiáng)度：發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎［德拉］(cd)。1979年第十六屆國際計(jì)量大會(huì)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的單位坎德拉作了明確的規(guī)定：“一個(gè)光源發(fā)出頻率為540×1012HZ(赫茲)的單色光，在一定方向的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr，則此光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉”。發(fā)光強(qiáng)度是光學(xué)基本量，是國際單位制中七個(gè)基本量之一。（2）流明：從發(fā)光強(qiáng)度的單位坎德拉可以導(dǎo)出光通量的單位流明：發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉的勻強(qiáng)點(diǎn)光源，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量為1流明。（3）常見發(fā)光表面的光亮度值（表5-1)第9頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三§5-1輻射量和光學(xué)量及其單位三、光學(xué)量和輻射量兩種量值系統(tǒng)間的關(guān)系（一）光譜光效率函數(shù)------視見函數(shù)1、人的視覺特性：輸入（輻射量）——輸出（光學(xué)量）就其實(shí)質(zhì)而言，人眼就是一種可見光探測器，其輸入為用輻射量度量的可見光輻射，而輸出為用光學(xué)量表示的光感受。所以，光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系決定于人的視覺特性第10頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三（一）光譜光效率函數(shù)------視見函數(shù)2、光譜光效率函數(shù)：

人的視覺對(duì)不同波長光響應(yīng)的靈敏度是波長的函數(shù)。

實(shí)驗(yàn)表明，具有相同輻通量而波長不同的可見光分別作用于人眼，人所感受的明亮程度將有所不同，這表明人的視覺對(duì)不同波長光有不同的靈敏度。人對(duì)不同波長而輻通量相同的光響應(yīng)的靈敏度是波長的函數(shù)，稱之為光譜光效率函數(shù)。也叫視見函數(shù)（視感程度）實(shí)驗(yàn)表明，觀察場明暗不同時(shí)，光譜光效率函數(shù)亦稍有不同。國際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)多組測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別于1924年和1951年確定并正式推薦兩種光譜光效率函數(shù)：明視覺光譜光效率函數(shù)暗視覺光譜光效率函數(shù)第11頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三光譜光效率函數(shù)人的視覺對(duì)不同波長光響應(yīng)的靈敏度是波長的函數(shù)。第12頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三（二）光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系光譜量（微分形式）——dλ內(nèi)積分量（積分形式）——可見光范圍內(nèi)注意：1）明視條件和暗視條件2）其他對(duì)應(yīng)量之間有相同的關(guān)系3）光學(xué)量≠輻射量：對(duì)同等大小的輻射量因波長不同，視覺感受不同4）光功當(dāng)量：明視覺、暗視覺5）名稱、定義（物理意義）式、單位6）各種輻射量和光學(xué)量代表符號(hào)中的下標(biāo)e和v，在不致混淆的情況下，可以不必標(biāo)出，例如，發(fā)光強(qiáng)度Iv

和光照度Ev可分別寫做I、E等。第13頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三§5-2光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律一、點(diǎn)光源在有限距離的表面上形成的照度照度平方反比定律：點(diǎn)光源在被照表面上形成的照度與被照面到光源距離的平方成反比。照度余弦定律：當(dāng)光源到被照明表面的距離不變時(shí)，角為零時(shí)，照度值最大。隨著角的不斷增大，照度值將變小。即被照明表面處的照度與光線入射角的余弦成正比。

第14頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三

二、面光源在距離為r的表面上形成的照度三、單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞四、光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度五、余弦輻射體特點(diǎn)

1發(fā)光強(qiáng)度空間分布特點(diǎn)：發(fā)光強(qiáng)度空間分布為余弦分布

2光亮度空間分布特點(diǎn)：在各方向的光亮度相同第15頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三五、余弦輻射體

余弦輻射體可能是自發(fā)光面，如絕對(duì)黑體、平面燈絲鎢燈等；也可能是透射或反射體。受光照射經(jīng)透射或反射形成的余弦輻射體，稱做漫透射體和漫反射面。乳白玻璃是漫透射體，其經(jīng)光照射后透射光強(qiáng)度分布如圖5－8a所示；硫酸鋇涂層表面是典型的漫反射面。第16頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三一、軸上像點(diǎn)的光照度討論：

①光學(xué)系統(tǒng)孔徑越大，像面照度越大②系統(tǒng)放大倍率越小，像面照度越大（若β大，為了保證像面足夠的像面照度，更要求照明好，U要大）§5-3成像系統(tǒng)像面的光照度第17頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三軸外點(diǎn)的光照度隨視場角的增大而顯著下降。

二、軸外像點(diǎn)的光照度第18頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三

反射損失：光學(xué)零件與空氣接觸面能量損失吸收損失：在空氣中的吸收在光學(xué)零件中的吸收

反射面不完全反射的損失：鍍膜三、光通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)能量的損失四、光學(xué)系統(tǒng)的總透射比第19頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三一、顏色的分類1、顏色：顏色是不同波長可見光輻射作用于人的視覺器官后所產(chǎn)生的心理感受。所以，顏色是一種和物理、生理及心理學(xué)有關(guān)的復(fù)雜現(xiàn)像。2、非彩色和彩色：顏色可分為非彩色和彩色兩大類。非彩色系指白色、黑色及白與黑之間深淺不同的灰色所構(gòu)成的顏色系列。彩色是指白黑非彩色系列以外的所有顏色。如各種光譜色均為彩色。§5-4色度學(xué)概述第20頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三一、顏色的分類

3、物理機(jī)制：根據(jù)顏色形成的物理機(jī)制的不同，顏色又有光源色、物體色及熒光色之分。自發(fā)光形成的顏色，一般稱之為光源色；自身不發(fā)光，憑借其它光源照明，通過反射或透射而形成的顏色，稱之為物體色；物體受光照射激發(fā)所產(chǎn)生的熒光及反射或透射光共同形成的顏色，稱之為熒光色。

第21頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三二、顏色的表觀特征

顏色有三種表觀特征，即明度、色調(diào)和飽和度。彩色必須具備上述三個(gè)特征，特征參數(shù)的不同，標(biāo)示著顏色間的差別。非彩色只有明度值的差別，沒有色調(diào)區(qū)分，飽和度均等于0第22頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三三、顏色混合的兩種方式第23頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三三、顏色混合的兩種方式色光的混合始于牛頓，紅光加綠光產(chǎn)生黃光，紅橙黃綠青藍(lán)紫七色相加合成白光。彩色電視機(jī)制造中利用紅、綠、藍(lán)作為“三基色”，顯示出大自然中千變?nèi)f化的色彩。色光混合的原理在舞臺(tái)燈光、布景、夜景燈光、現(xiàn)代廣告等有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。1、色光混合：色光混合是不同顏色光的直接混合?；旌仙鉃閰⒓踊旌细魃庵?，又稱之為加混色。第24頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三三、顏色混合的兩種方式2、色料混合：色料是對(duì)光有強(qiáng)烈選擇吸收的物質(zhì)，在白光照明下呈現(xiàn)一定的顏色。色料混合是從白光中去除某些色光，從而形成新的顏色，又稱之為減混色。繪畫是用顏料來表現(xiàn)光。顏料本身不能產(chǎn)生光，它只是一種在一定光照下的顯色物質(zhì)。無論是透明色彩的調(diào)和或是直接混和顏料，對(duì)于光而言，都是在做減法，其原理和加光混合法并非無緣，在道理上是相通的，只不過在光亮的程度上是方向相反的。

第25頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三四、三原色1、紅、綠、蘭三種顏色以不同的量值（有的可能為負(fù)值）相混合，可以匹配任何顏色。紅、綠、蘭不是唯一的能匹配所有顏色的三種顏色。三種顏色，只要其中的每一種都不能用其它兩種混合產(chǎn)生出來，就可以用它們匹配所有顏色。2、能夠匹配所有顏色的三種顏色，稱做三原色。人們通常選用紅（R）、綠（G）、蘭（B）做為三原色，其原因可能是：用不同量的紅、綠、蘭三種顏色直接混合，幾乎可得到經(jīng)常使用的所有顏色;紅、綠、蘭三種顏色恰與人的視網(wǎng)膜上紅視錐、綠視錐和蘭視錐細(xì)胞所敏感的顏色相一致。第26頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三五、三刺激值在顏色匹配中，以一定數(shù)量的三原色完成某種顏色的匹配。匹配某種顏色所需的三原色的量稱做該顏色的三刺激值。顏色方程中的R、G、B就是三刺激值。第27頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三六、顏色相加原理設(shè)兩顏色方程為(C1)=R1(R)+G1(G)+B1(B)(C2)=R2(R)+G2(G)+B2(B)兩種顏色混合形成的混合色（C）為(C)=(C1)+(C2)=[R1(R)+G1(G)+B