光学设计 第2讲 光度学.

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1、光学设计设计基础础理论论 第2讲 光度学基础 l1 可见光 l2 人的视觉 l3 光度学基础 1 可见光 l粒子-反射、折射、吸收几何光学 l波动-干涉、衍射、偏振（横波）-波动光学电磁波 l波粒二象性光量子（爱因斯坦光电效应实验解释） 红 780nm630nm 橙 630nm590nm 黄 590nm570nm 绿 570nm500nm 青 500nm460nm 蓝 460nm430nm 紫 430nm380nm 1 可见光 l可见光谱：在 电磁辐射范围 内，只有从 380-780 (nm) 波长的电磁辐 射能够引起人 的视觉，这段 波长叫做可见 光谱。 1 可见光 l光学辐射：指波长为 1

2、纳米到1毫米范围的电磁辐射， 它主要包括紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。分 为：可见辐射和不可见辐射。 l可见辐射（可见光）： l 对于人来说，能为眼睛感受并产生视觉的光学辐射 称为可见辐射。这种来及外界的可见光辐射刺激人的视 觉器官，在脑中产生光、颜色、形状等视觉印象，而获 得对外界的认识。 l不可见辐射（紫外线、红外线）： l 不能为眼睛感受，也不产生视觉的光学辐射称为不 可见辐射。这种辐射刺激眼睛时不产生视觉，而作用在 皮肤上有时会产生其它感觉，如紫外线产生疼痛感觉， 红外线长生灼热感觉。 2 人的视觉 1、视觉 l光作用于视觉器官，使其感受细胞兴奋，其信 息经视觉神经系统加工后便产

3、生视觉。人的视 觉器官不但反映光的强度，而且也能反映光的 波长特性。前者表现为亮度的感觉，后者表现 为颜色的感觉。 l通过视觉，人和动物感知外界物体的大小、明 暗、颜色、动静，获得对机体生存具有重要意 义的各种信息，至少有80以上的外界信息经 视觉获得，视觉是人和动物最重要的感觉。 2 人的视觉 视神经盘（视神经乳头） （盲点） 黄斑 （密集着椎体细胞的 区域，颜色呈黄色） 中央凹 （最敏感的地方） 视神经乳头 双极细胞 神经节 细胞 杆体细胞 锥体细胞 锥体与杆体细 胞的混合系统 2 人的视觉 l光线进入人眼的视网膜,杆状细胞和锥状细胞起作用。 l杆体细胞和锥体细胞经电化学作用产生脉冲信号。

4、 l脉冲信号通过视神经传送到大脑。 l从而产生视觉效应，使人们能看到物体。 1.2 人的视觉 2、人眼视网膜上有二种感光细胞：杆体细 胞和锥体细胞。 l 杆体细胞：只在较暗条件下（在亮度为 0.001cd/m2以下）起作用，适宜于微光视觉， 感光灵敏度高，仅能分辨明暗，不能分辨颜色 和细节。杆体细胞不能分辨色彩的原因是因为 它只含有一种类型的感光色素，这些感光细胞 集中在视网膜的外围部分，引起的是外围视觉 。 2 人的视觉 l 锥体细胞: 在光亮（亮度为3cd/m2以上）条件 下，能够分辨颜色和物体的细节。 l 其原因：在高亮度条件下，杆体细胞响应饱和 ，视觉完全由锥体细胞引起，锥体细胞可能含

5、 有敏红素、敏绿素和敏蓝素三种感光色素中的 一种，分别称为L型（长波，590nm）、M型（ 中波，540nm）以及S型（短波，450nm）锥 体细胞。由于光谱灵敏度不同，这些感光色素 使我们能够区分色彩。锥体细胞集中在视网膜 的中心部分，密度在外围下降。锥体细胞灵敏 度较低但空间分辨率较高。 2 人的视觉 3、明视觉、暗视觉、中间视觉 l 1912，冯凯斯（J. Von Kries）根据上述现象 ，提出了视觉的二重功能学说，认为视觉有两 重功能：视网膜中央的“锥体细胞视觉”和视网 膜边缘的“杆体细胞视觉”，也叫做“明视觉”和“ 暗视觉”。 l当环境亮度介于0.001cd/m2 和3cd/m2

6、之间称 为中间视觉。此时视网膜上的锥体细胞和杆体 细胞同时起作用，蓝光比红光更为明亮。 1.2 人的视觉 总结： 视网膜 ：杆体细胞 + 锥体细胞 p 杆体细胞：感光灵敏度高（暗视觉 ）， 不能分辨细节， 不能分辨色彩。 p 锥体细胞：感光灵敏度低（明视觉 ）， 能分辨细节， 能分辨色彩。 锥体细胞可分敏红、敏绿、敏蓝细胞 2 人的视觉 l4、视觉适应 l在变化的各种亮度、光谱分布、视觉刺 激下，视觉系统会相应地做出调整以适 应这种变化过程。 l明适应：黑暗环境到明亮环境 l暗适应：明亮环境到黑暗环境 明适应的时间较短，通常为10-3 s-2 min 暗适应的时间较长，通常为20分钟到一个小时

7、 引起光感觉的最小亮 度和最低光出射角度 应用：隧道路灯照明 3 光度学基础 l3.1 辐射度学与光度学 l3.2 辐通量与光通量 l3.3 发光强度 l3.4 亮度 l3.5 光出射度 l3.6 照度 l3.7 发光效率 l3.8 各个物理量的关联 3.1 辐射度学与光度学 l辐射度学（Radiometry）：当外界物理辐射以 能量（或功率）为单位来评价时，定义为辐射 量，这是纯物理量，属于辐射度学研究的范畴 。 l光度学（Photometry）：物理辐射作用在观察 者的视觉器官是产生光的感觉，当辐射量与人 眼的视觉特性相联系而被评价时，定义为光度 量，属于光度学研究的范畴。光度学处理的是

8、光亮度的视觉，测量的是视觉响应。 3.1 辐射度学与光度学 3.2 辐通量与光通量 l1、辐通量e （辐射功率）：单位时间内光源 发出或通过一定接收截面的辐射能，单位为W （瓦特）。 谱密度， 光谱分布 3.2 辐通量与光通量 3.2 辐通量与光通量 3.2 辐通量与光通量 3.2 辐通量与光通量 l2、光谱光效率函数 l用来度量辐射能所引起的视觉能力的量称 为光谱光效率函数，（即光谱不同波长的 能量对人眼产生光感觉的效率） 。它主 要是评价人体视觉对各种颜色的灵敏度。 l光谱光效率函数是光度学计算的重要依据 。1933年国际计量委员会采用光谱光效 率函数作为光度量的标准。 1.3.2 辐通量

9、与光通量 International Commission on Illumination （国际照明委员会），简称 CIE 3.2 辐通量与光通量 光谱光效率函数归一化： 光谱光视效率与波长的关系曲线 在月色朦胧的夜晚， 总感到周围一切笼罩 一层蓝灰色的色彩 一般用 表示明视觉的光谱光效率函数； 明视觉光谱光效率函数 是1924年国际照明委员会 (CIE)根据吉普逊(Gibson)等几组科学家对200多名观察者测 定的结果推荐的，适合于2度视场观察条件，其峰值在 555nm，也就是说对波长为555nm的黄绿光的感受效率最高 ，同样对其它波长的光的感受效率较低。 暗视觉光谱光效率函数 (Sco

10、topic Vision)是CIE于 1951年推荐的，是在克拉福特(Craford)和沃尔特(Wald)实 验数据基础上综合后推出的，它的峰值在507nm，也就是 说对波长为507nm的蓝绿光的感受效率最高。 一般用 表示暗视觉的光谱光效率函数； 光谱光视效率 3.2 辐通量与光通量 3、光通量（Flux）v（流明，lm） l按照CIE标准光度观察者的视觉特性来评价的辐 射通量，即为光通量，它表示光源的发光能力 。 Km为辐射的光谱光效能的最大值，单位：流明每瓦特（lm/W）。 3.2 辐通量与光通量 3.2 辐通量与光通量 例如：对于555nm的绿光， 1瓦特=683 流明，440nm的光

11、的视觉函数为0.023， 那么，1W的440nm的光对应多少流明？ 1W=683 lm*0.023=15.71 lm 3.2 辐通量与光通量 3.3 发光强度 l发光强度（Luminous Intensity）：点光源 在给定方向上单位立体角内发射的光通量，也 可解释为在一定方向上单位立体角内所发出的 光通量。 单位：流明/球面度（lm/sr）或坎德 拉（cd）。 坎德拉是国际单位制（SI）的基本单位，等于一个发射 频率5.4X1014Hz（555nm）的单色光，辐射强度为 1/683(W/sr)的光源的发光强度。 注意：发光强度的概念不能直接应用于不可看作为点 光源的众多光源。 3.3 发光

12、强度 国际单位制（SI）7个基本单位 l长度单位米(m) l质量单位千克(kg) l时间单位秒(s) l电流单位安培(A) l热力学温度单位开尔文(K) l物质的量单位摩尔(mol) l发光强度单位坎德拉(cd) 3.3 发光强度 l国际单位制（SI）2个辅助单位 l平面角单位弧度（1rad=180/3.142） l立体角单位球面度（sr） 3.3 发光强度 3.3 发光强度 3.3 发光强度 3.3 发光强度 3.4 亮度 1、亮度（Luminance）：离开，到达或者 穿过某一表面，单位立体角单位投影面积 上的光通量。单位：坎德拉每平方米（ cd/m2，也可用尼特（nt）表示）。 Iv是指

13、扩展光源表面的每块面元dS沿某方向 r有一定的发光强度 3.4 亮度 l亮度可描述有限尺寸的发光体发出的可见光在空间分布的 情况，也可描述光路中的任意一个截面的光分布。 l一个不发光但反射的物体明亮程度的视觉可以用它对某个 光源发射光的反射来表征。 l当亮度低于10-3cd/m2时，暗视觉其主要作用，若亮度超过 3cd/m2，则完全是明视觉。 l从海平面上看太阳的平均亮度为1.6X109cd/m2 l月亮的亮度大约是2500cd/m2 l蜡烛的亮度约为（0.5-1.0）X104cd/m2 l蓝天的亮度为0.8X104cd/m2。 l无月的夜空约10-4cd/m2 3.4 亮度 3.4 亮度 表

14、 室内外照明的亮度分布情况 亮度（cd/m2）亮度分类 1推荐的道路亮度 2刚能识别 人脸部特征的亮度5 10 20能满意辨认 50 墙和天棚的优选亮 度 优选的作业亮度 100 200 500 1,000 一般照明灯具允许的亮度值 2,000 5,000 10,000 3.4 亮度 2、朗伯（Lambert）定律余弦发射体、漫反射体 如果有一个面积为A的均匀发光面，它在某一方向上的亮 度为L，则它在这个方向上的发光强度I应为 ：发光面的法线与所指定的方向的夹角。假若这个 面光源的亮度在各个方向上都相等，即亮度不依赖 于方向角，则 现定义I0为这个面光源法线方向上的 发光强度，即I0LA。上式

15、变为 3.4 亮度 一个朗伯发射面，它向空间两个任意1和2之间所发出 的光通量： 对于半球体应取1=0， 2=90，可得 若朗伯发射面的面积为A，则因I0LA，可得 若朗伯发射面为漫反射的二次发光面，其入射照度为E，则 3.4 亮度 l朗伯发光体：太阳（天空）、LED l朗伯反射体：积雪、刷粉的白墙、粗糙白 纸 IN I (a) IN I (b) 3.5 光出射度 光出射度：光源表面上单位面积发出的光通 量，单位为lm/m2。 因透射或反射的二次发光面： 照度：被照面所接收到的光通量的表面密度， 光出射度：发光面发出的光通量的表面密度。 3.5 光出射度 l理想漫反射面的出射度： 3.6 照度

16、 1、照度（Illuminance）：投射在单位面积上 的光通量。单位：流明每平方米（lm/m2， 也称为勒克斯lx，即1lm/m2=1lx） 注意：1）1lx的照度是比较小的，在此照度下只能大致辨认周围 物体。通常，满月夜晚的地面照度约为0.2lx，白天采光良好的室 内照度为100500lx，晴朗的室外太阳非直射下的地面照度为103 104lx，而中午太阳直射下的地面照度可达105lx。 2）照度越高，眼睛分辨细节、低反差以及色调的能力越强。因 此，不同活动需要不同的照度级别。 3.6 照度 在通常照明条件下，将20lx的平均照度取为非工作区 的最小照度，它相当于刚能识别人的脸部特征的约为 1cd/m2的亮度。 对于长期有人活动的房间，其最小照度要求为200lx的 平均照度，此时能轻松而清楚的看到人的面部特征。 对于学习和办公等场合，要求的最低有500lx的照度。