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1、第二十二章 光学系统像平面 照度 第二十二章 光学系统像平面照度 22 1郎伯辐射体 22 1 1郎伯辐射体 22 1 2发光面的光通量 22 1 3全扩散表面 22 2光学系统像平面照度 22 2 1像平面轴上点光照度 22 2 2像平面轴外点光照度 22 3照相物镜像平面照度 22 3 1照相物镜的像平面照度 22 3 2曝光量 22 1 朗伯辐射体 余弦关系称为发光强度的余弦定律 又称作朗伯定律 Lambert s law 符合发光强度余弦定律的发光体称作余弦辐射体 或者叫做 朗伯辐射体 在现实中 大多数均匀发光的物体 在各个方向上发出的光亮 度近似相等 22 1 2 发光面的光通量 2
2、2 1 2 发光面的光通量 1 面积为向任意平面角的立体角发出的光通量为 2 单面半球发光 平面角 有 3 双面全球面发光 相当于两个单面半球发光 有 结论 例题1 有一个双面发光的白炽钨丝灯泡的功率为60W 光视效能为 15lm W 灯丝尺寸为4 4mm2 求灯丝发光的平均光亮度 解 总光通量 双面发光 漫反射系数 被照射表面漫反射系数被照射表面漫反射系数 氧化镁96黏土16 石灰91月亮10 20 雪78黑土5 10 白纸70 80黑呢绒1 4 白砂25黑丝绒0 2 1 光线在物体表面进行漫反射时 如果被照明物体表面反射使得 各个方向上的光亮度近似相等 称此表面为全扩散表面 全扩散 表面是
3、朗伯体 22 1 3 全扩散表面 漫反射的光通量 入射于漫反射表面的光通量 全扩散表面的光亮度公式 设小面元dS接收到了光照度为E的光通量d 的照射 对于朗伯辐射体 单面发光 22 1 3 全扩散表面 发出的光通量 全扩扩散表面的光亮度公式 22 2 光学系统像平面照度 22 2 1像平面轴上点光照度 当物像空间折射率相等 22 2 2 像平面轴外点光照度 22 2 2 像平面轴外点光照度 22 3 照相物镜像平面照度 定义 相对孔径的倒数称为F数 即 相对孔径与F数的关系 相对孔径 1 11 1 41 2 1 2 81 41 5 61 81 11 F数11 422 845 6811 F数在照
4、相机领域又称为光圈 表中标注的数称为F制光圈 把透过率系数吸收进相对孔径和F数里面 获得的数称为T制光 圈 为了以示区别 将F制光圈加上下标F 将T制光圈加上下标T 例2 有一照相物镜透过率为0 75 F制光圈为2 求T制光圈 22 3 照相物镜像平面照度 解 定义 如果照相物镜像平面光照度为E 曝光时间为t 则底片单位 面积接收的曝光量为 曝光量的单位 勒克斯 秒 符号lx s 例题3 有一台幻灯机 放映屏幕面积为5m2 幻灯片面积为25cm2 幻灯机物镜的相对孔径为1 2 物镜透过率系数为 如果要求 屏幕上的光照度为50lx 求光源的光亮度为多少 22 3 2 曝光量 解 例题4 某摄影师
5、将照相机的光圈调为F 8 正常拍照静止景物时 曝 光时间设置为0 02s 摄影师发现了空中飞行的小鸟 为了拍摄运动 的小鸟 他将曝光时间改为0 002s 试求此时的光圈应该至少为多 大 解 22 3 照相物镜像平面照度 第二十三章 主观光亮度与光 能损失 第二十三章 主观光亮度与光能损失 23 1主观光亮度 23 1 1人眼直接观察时的主观光亮度 23 1 2望远镜观察发光点的主观光亮度 23 1 3望远镜观察发光面的主观光亮度 23 2光学系统中光能损失 23 2 1反射损失 23 2 2吸收损失 23 2 3光学系统的透过率 23 2 4透过率的计算实例 23 1 1人眼直接观察时的主观光
6、亮度 1 点光源 2 面光源 人眼对面光源的主观光亮度与光源到眼睛的距离无关 23 1 主观光亮度 23 1 2 望远镜观察发光点的主观光亮度 考虑到望远镜的透过率系数 进入眼睛的光通量为 一般情况下 上式通常是一个大于1的数值 即用望远镜观察点 光源比用眼睛直接观察点光源的主观光亮度大 1 讨论两种情况 2 上式通常是一个大于1的数值 即用望远镜观察点光源比用眼 睛直接观察点光源的主观光亮度大 23 1 2 望远镜观察发光点的主观光亮度 1 对于望远镜有 所以上式是一个小于1 的数值 即用望远镜观察面光源比用眼睛直接观察面光源的主观 光亮度小 23 1 3 望远镜观察发光面的主观光亮度 2
7、对于望远镜有 上式是一个小于1的数值 即用望 远镜观察面光源比用眼睛直接观察面光源的主观光亮度小 23 1 3 望远镜观察发光面的主观光亮度 结论 1 用望远镜观看点光源的主观光亮度 大于用眼睛直接观看时的 主观光亮度 2 用望远镜观看面光源的主观光亮度 小于用眼睛直接观看时的 主观光亮度 23 1 主观光亮度 23 2 光学系统中光能损失 23 2 1反射损失 反射系数 由能量守恒得 假设光学系统有m个折射面 23 2 2吸收损失 当上式中l取厘米 cm 时 定义上式中e k P称为透明材质的透 过系数 表示光线行进1cm时 出射光通量与入射光通量之比 则 上式可以写成 23 2 光学系统中
8、光能损失 假设光学系统有n种材质 结合反射损失和吸收损失 假设光学系统有个m折射面和n种材 质 入射光通量为 则透射过去的光通量为 由上式得光学系统的透过率系数为 材质镀铝表面 镀银表面冕牌玻璃火石玻璃透过系数镀膜表面 有效系数0 850 900 960 950 990 99 数量 长度N1N2N3N4lN3 N4 23 2 3 光学系统的透过率 把起作用的光通量系数称为有效系数 假设光学系统有N1个镀铝反射面 有N2个镀银反射面 有N3个 冕牌玻璃空气接触面 有N4个火石玻璃空气接触面 光线在材料 中行进的总长度为l l1 l2 ln 长度单位用厘米 cm 则 如果把所有冕牌玻璃空气接触面和
9、火石玻璃空气接触面都镀上减 反射膜 又称为增透膜 会增加所有接触面的透过率系数到0 99 则 对于两类情况不考虑有效系数 或者认为有效系数为1 即光线 没有任何损失 一种情况是棱镜中的全反射面 另一种情况是透镜 胶合面 23 2 3 光学系统的透过率 23 2 4 透过率计算实例 数据 23 2 4 透过率计算实例 23 2 4 透过率计算实例 未镀膜 共有冕牌玻璃空气接触面6个 火石玻璃空气接触面2 个 光在材料中行进的总长度为 镀膜 所有玻璃空气接触面都镀上减反射膜 则双高斯物镜的透过 率系数可以提高到 第二十四章 两种视觉 体视与 色觉 第二十四章 两种视觉 体视与色觉 24 1体视 2
10、4 1 1空间深度感觉 24 1 2双目立体视觉 24 1 3双目观察仪器 24 2色觉 24 2 1颜色色觉 24 2 2格拉斯慢定律 24 2 3颜色匹配 24 3色度学 24 3 1色度学基础 24 3 2CIE标准色度学系统 24 3 3光源的颜色特性 24 1 体视 24 1 1空间深度感觉 空间深度感觉 人眼对物体远近的感觉 立体视觉 人眼对物体远近 相对位置或者体积等的感觉 简称体 视 单只眼也具有体视感觉 它对远处熟悉的物体 有三种判断方法 1 常利用对人眼的张角来判断物体距离的远近 张角越大 物体越 近 2 可以用大气的透明程度来判断物体的远近 物体能见程度越低 说明物体越远
11、 3 也可以利用人眼的肌肉紧张程度判断物体的远近 肌肉越紧张 说 明物体越远 如果用双眼来观察物体 体视能力会扩大很多 不像单只眼在视网膜 上只成一个像 使用双眼有可能产生两个像 称为双像 24 1 2双目立体视觉 如果令物体A到基线 的距离为 当物体足够远时 则 两者视差之差为立体视差 简称视差 记作 写成公式为 24 1 体视 24 1 2 双目立体视觉 正常人的眼睛体视锐度 写成公式为 这说明 张角小于 的地方 将与无限远一起没有 深度感觉 我们称 的地方为体视半径 记作 人的双眼视觉基线 mm 体视半径为 m 上式的单位为米 m 上式说明 对于距离双眼为 处 能有 体视感觉的范围为 的
12、地方 24 1 2 双目立体视觉 24 1 3双目观察仪器 为了保持双眼的体视能力 常常采用双目观察仪器 体视放大率 在观察距离较远的物体时 对仪器的视差角为 像方的视差角为 24 1 体视 24 1 3双目观察仪器 仪器的体视放大率为 将人双眼的视觉基线 mm代入上式得 当用双目观察仪器时 能有体视感觉的范围为 对于距离为 m 使用基线距离 m 视放大率 的 双目望远镜观看时 体视感觉范围为 24 1 体视 24 1 双目观察仪器 为了保证双眼具有良好的体视感觉 需要左右眼两个光学 系统满足以下要求 1 双目观察仪器左右两个光学系统的光轴要保持平行 2 两个光学系统的视放大率应该一致 3 两
13、个光学系统之间不应该有相对的像倾斜 24 2 1贝楚德 朴尔克效应 在可见光波段 基本不发生红移或者蓝移的有三个波长 分别 是572nm的黄光 503nm的绿光和478nm的蓝光 这种同一波长 颜 色随光强而变化的现象称为贝楚德 朴尔克效应 色调 color 即颜色 人眼对不同的波长会感觉到不同的颜 色 纯单色光的色调好确定 什么波长就是什么色调 饱和度 Saturation 即颜色的纯度 明度 brightness 代表色光的明暗感觉 24 2 色觉 24 2 2格拉斯曼定律 1 人眼只能分辨颜色的三种差异 即色调 饱和度和明度 2 两种色光组成的混合光中 一种色光不变 另一种色光连续变 化
14、时 混合光颜色也会连续的变化 3 在色光混合时 具有相同的色调 饱和度和明度的混合光 无 论其组成混合的光谱成分是不是一样 所获得的混合颜色效果是 一样的 4 亮度相加律 即混合光的总亮度等于各光谱成分的亮度之和 格拉斯曼定律是色度学的基本定律 从它可以推出一些 结论 1 补色律 每一种颜色都有其对应的互补色 简称补色 该颜 色与其补色按一定比例混合将产生白色或者灰色 2 中间色律 两种非补色光混合 将产生中间色 混合光的色 调和饱和度取决于两种色光的比例大小和色调顺序 3 代替律 相似颜色混合后仍相似 即颜色可以互相代替 将 获得相似的结果 24 2 3颜色匹配 用红 绿 蓝三原色进行的颜色
15、匹配实验 24 2 色觉 24 3 色度学基础 24 3 1 色度学基础 1 三刺激值 匹配已知颜色的三原色数量 即 和 的值 称颜色的三颜色的三 刺激值 刺激值 单位 与某一特定白光匹配时三原色光的光通量之比来度量 称为色 度学单位 又叫 单位 如果与等能白光匹配的三原色光通量为红光 绿光 和蓝光 则光通量比值 代表了三刺激值的相对单位 由格拉斯曼定 律第4条 白色混合光的总光通量为 2 颜色匹配函数 对于任意波长为的色光 用三原色进行匹配 将获得三原色刺激值 和 当色光变化时 三原色刺激值也将随之变化 所以 三原色刺激值是匹配色光波长的函数 称为颜色匹配函数 分别记作 和 3 色品图 用三
16、刺激值在总刺激值中所占的比例来表示颜色 称为色品坐标 即 24 3 色度学基础 1931CIE XYZ系统要求 1 三原色匹配等能白光时 三刺激值都为正值 2 色品图上不存在的颜色所占面积尽量小 3 调节Y的颜色匹配函数 与人眼的视见函数 一致 可以用 Y刺激值表示亮度 基于以上的要求 RGB坐标下颜色匹配函数 和 和 XYZ坐标下颜色匹配函数 和 之间的关系可用 下列方法求得 24 3 2 CIE标准色度学系统 1 先求RGB色品坐标 24 3 色度学基础 24 3 2CIE标准色度学系统 2 转换为坐标下的色品坐标 3 由要求可得 由坐标下的色品坐标 24 3 3光源的颜色特性 1 光谱功率分布 在色度学中 光谱密集度又叫做光源的光谱功率分布 用 表 示 光谱功率分布对波长的关系曲线 称为光谱线 表示了光源的辐射 光谱特性 2 色温 黑体辐射与它的绝对温度T有关 当某个温度T时的黑体辐射颜色 与光源的颜色相同时 称此黑体的温度T为光源的颜色温度 简称色 温 用TC表示 色温的单位为温度的单位开尔文 开 K 低色温 的光源辐射波长偏向长波 红光 方向 称为暖色光 高色温的光 源辐射波
