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1、第五章 光度学和色度学基础辐射度学通过电过电 磁光谱谱来处处理辐辐射能的测测量。辐辐射度学主要研究频频率为为31011 31016Hz的光辐辐射， 对应对应 于0.011000m微米的波长长。波段范围围包括红红外、可见见光、紫外线线。 研究电磁波辐射的测试、计量和计算 的学科称为“辐射度学”光度学 与辐辐射度学类类似，但它只处处理人眼可感知的光 ，即可见见光，波长长范围为围为 380780nm(纳纳米)。 波长长450nm对应对应 于蓝蓝色，540nm对应对应 于绿绿色， 659nm对应对应 于红红色。研究可见光的测试、计量和计算称为“ 光度学” 立体角的定义义：一个任意形状的封闭闭 锥锥面所
2、包含的空间间称 为为立体角，用表示 。以锥体顶点为 球心，任意r为半径 作一球面，此锥体 在球面上的截面为S ，则立体角表示为5-1 辐射量和光学量及其单位可见光的描述：辐射量（纯物理现像）和光学量（视觉 感 受）可见光是波长在3.810-77.810-7米范围内的电磁辐 射，描述电磁辐射的物理量，即辐射量，也可用来描述可 见光；可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人感受的电 磁辐射，因而人们很自然地用视觉受到刺激的程度（引起 的心理反应），即视觉感受来量度可见光。按这种视觉响 应原则建立的表征可见光的量称作光学量。 由此可见，可见光是可以用辐射量和光学量这两种量值系 统来度量的。把可见光做为纯
3、物理现像来研究时，应采用 辐射量量值系统；而研究与人的视觉有关问题时，采用光 学量量值系统可能更方便。 、辐辐射量 0.辐射能 1.辐通量 2.辐出度 3.辐照度 4.辐强度 5.辐亮度5-1 辐射量和光学量及其单位1. 二、光学量2. 1.光通量【流明】 3. 2.光出射度 4. 3.光照度【勒克斯】 4.发光强度【坎德拉】 5.光亮度除“辐射能”以外，其他一一对应。 辐射强度：单位立体角内发出的辐射通量。给定方向 上取立体角d，在d范围内的辐射通量为de。把 de与d之比称为辐射体在该方向上的“辐射强度”发光强度：与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光 源发光的强弱，即单位立体角内发出的光
4、通量重要常识（1）发发光强度： 发发光强度的单单位为为坎德拉(cd)。1979年第十六届国 际计际计 量大会对发对发 光强度的单单位坎德拉作了明确的规规定：“ 一个光源发发出频频率为为5401012HZ (赫兹兹)的单单色光，在 一定方向的辐辐射强度为为1/683 W/sr，则则此光源在该该方向 上的发发光强度为为1坎德拉”。发发光强度是光学基本量，是 国际单际单 位制中七个基本量之一。 （2）流明： 从发光强度的单位坎德拉可以导出光通量的单位流明： 发光强度为1坎德拉的匀强点光源，在单位立体角内发出 的光通量为1流明。 （3）常见发见发 光表面的光亮度值值（表5-1)5-1 辐射量和光学量及
5、其单位三、光学量和辐射量两种量值系统间的关系 （一）光谱谱光效率函数-视见视见 函数1、人的视觉特性：输入（辐射量）输出（光学量）就其实质而言，人眼就是一种可见光探测器，其输入 为用辐射量度量的可见光辐射，而输出为用光学量表示的 光感受。所以，光学量和辐射量间的关系决定于人的视觉 特性（一）光谱谱光效率函数-视见视见 函数2、光谱光效率函数：人的视觉对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数。实验表明，具有相同辐通量而波长不同的可见光分别作用于人眼 ，人所感受的明亮程度将有所不同，这表明人的视觉对不同波长光有 不同的灵敏度。 人对不同波长而辐通量相同的光响应的灵敏度是波 长的函数，称之为光谱光效率函
6、数。也叫视见函数（视感程度）实验表明，观察场明暗不同时，光谱光效率函数亦稍有不同。 国际照明委员会（CIE）根据多组测试实验结果，分别于1924年和 1951年确定并正式推荐两种光谱光效率函数： 明视觉光谱光效率函数 暗视觉光谱光效率函数光谱光效率函数人的视觉对不 同波长光响应 的灵敏度是波 长的函数。（二）光学量和辐射量间的关系光谱量（微分形式）d内 积分量（积分形式）可见光范围内 注意： 1）明视条件和暗视条件 2）其他对应 量之间有相同的关系 3）光学量辐射量：对同等大小的辐射量因波长不同，视 觉感受不同 4）光功当量：明视觉视觉 、暗视觉 5）名称、定义（物理意义）式、单位 6）各种辐
7、射量和光学量代表符号中的下标e和v，在不致混 淆的情况下，可以不必标出，例如，发光强度Iv 和光照 度Ev可分别写做I、E等。 5-2 光传播过程中光学量的变化规律一、点光源在有限距离的表面上形成的照度照度平方反比定律： 点光源在被照表面上 形成的照度与被照面 到光源距离的平方成 反比。照度余弦定律 ：当光源到被照明表面的距离不变时，角为零 时，照度值最大。随着角的不断增大，照度值将变小。即被照明表面处的照度与光线入射角的余弦成正比。 二、面光源在距离为为r的表面上形成的照度 三、单单一介质质元光管内光亮度的传递传递 四、光束经经界面反射和折射后的亮度五、余弦辐辐射体 特点1发发光强度空间间分
8、布特点：发发光强度空间间分布 为为余弦分布2光亮度空间间分布特点：在各方向的光亮度相 同五、余弦辐辐射体 余弦辐射体可能是自发光面，如绝 对黑体、平面灯丝钨 灯等；也可能是 透射或反射体。受光照射经透射或反射 形成的余弦辐射体，称做漫透射体和漫 反射面。乳白玻璃是漫透射体，其经光 照射后透射光强度分布如图58a所示 ；硫酸钡涂层表面是典型的漫反射面。 一、轴轴上像点的光照度讨论讨论 ： 光学系统统孔径越大，像面照度越大 系统统放大倍率越小，像面照度越大（若大， 为为了保证证像面足够够的像面照度，更要求照明好， U要大）5-3 成像系统像面的光照度轴外点的光照度随视场角的增大而显著下降。 二、轴
9、外像点的光照度反射损失：光学零件与空气接触面能量损失 吸收损失：在空气中的吸收在光学零件中的吸收反射面不完全反射的损失：镀膜三、光通过光学系统时能量的损失四 、光学系统的总透射比一、颜颜色的分类类1、颜色：颜色是不同波长可见光辐射作用于人的视觉器官 后所产生的心理感受。所以，颜色是一种和物理、生理及 心理学有关的复杂现像。 2、非彩色和彩色：颜色可分为非彩色和彩色两大类。 非彩色系指白色、黑色及白与黑之间深浅不同的灰色所构 成的颜色系列。 彩色是指白黑非彩色系列以外的所有颜色。如各种光谱色 均为彩色。5-4 色度学概述一、颜颜色的分类类3、物理机制：根据颜颜色形成的物理机制的不同，颜颜色又有光
10、源色、 物体色及荧荧光色之分。自发发光形成的颜颜色，一般称之为为光源色；自身不发发光，凭借其它光源照明，通过过反射或透射而 形成的颜颜色，称之为为物体色；物体受光照射激发发所产产生的荧荧光及反射或透射光共同 形成的颜颜色，称之为为荧荧光色。 二、颜色的表观特征颜色有三种表观特征，即明度、色调和饱和度。 彩色必须具备上述三个特征，特征参数的不同，标示着 颜色间的差别。 非彩色只有明度值的差别，没有色调区分，饱和度均等 于0三、颜颜色混合的两种方式三、颜颜色混合的两种方式色光的混合始于牛顿，红光加绿光产生黄光，红橙黄绿 青蓝紫七色相加合成白光。彩色电视 机制造中利用红、 绿、蓝作为“三基色”，显示
11、出大自然中千变万化的色彩 。色光混合的原理在舞台灯光、布景、夜景灯光、现代广 告等有广泛的应用价值。1、色光混合：色光混合是 不同颜色光的直接混合。混 合色光为参加混合各色光之 和，又称之为加混色。三、颜颜色混合的两种方式2、色料混合：色料是对光有 强烈选择吸收的物质，在 白光照明下呈现一定的颜 色。色料混合是从白光中 去除某些色光，从而形成 新的颜色，又称之为减混 色。绘画是用颜料来表现光。颜料本身不能产生光，它只是一种在一定 光照下的显色物质。无论是透明色彩的调和或是直接混和颜料，对 于光而言，都是在做减法，其原理和加光混合法并非无缘，在道理上是相通的，只 不过在光亮的程度上是方向相反的。
12、 四、三原色1、红、绿、兰三种颜色以不同的量值（有的可能为负 值）相混合，可以匹配任何颜色。红、绿、兰不是唯一 的能匹配所有颜色的三种颜色。三种颜色，只要其中的 每一种都不能用其它两种混合产生出来，就可以用它们 匹配所有颜色。 2、能够匹配所有颜色的三种颜色，称做三原色。人们通 常选用红（R）、绿（G）、兰（B）做为三原色，其原 因可能是：用不同量的红、绿、兰三种颜色直接混合， 几乎可得到经常使用的所有颜色; 红、绿、兰三种颜色 恰与人的视网膜上红视锥 、绿视锥 和兰视锥细 胞所敏感 的颜色相一致。五、三刺激值值在颜色匹配中，以一定数量的三原色完 成某种颜色的匹配。匹配某种颜色所需 的三原色的
13、量称做该颜色的三刺激值。 颜色方程中的R、G、B 就是三刺激值 。六、颜颜色相加原理设设两颜颜色方程为为 (C1)=R1 (R)+G1 (G)+B1 (B) (C2)=R2 (R)+G2 (G)+B2 (B) 两种颜颜色混合形成的混合色（C）为为 (C)=(C1)+(C2) =R1(R)+G1(G)+B1(B)+R2(R)+G2(G)+B2(B) =(R1+R2)(R)+(G1+G2)(G)+(B1+B2)(B) 颜颜色（C）的三刺激值值R、G、B为为 R=R1+R2;G=G1+G2;B=B1+B2 表明：混合色的三刺激值为值为 各组组成色相应应三刺激值值之和。七、CIE标准色度学系统国际际照明委员员会 (CIE) 规规定的颜颜色测测量原理、基本数据 和计计算方法，称做CIE标标准色度学系统统。核心内容：CIE 标标准色度学的核心内容是用三刺激值值及其派生参数来表 示颜颜色。
