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1、 第七章 光度学与色度学基础 李湘宁第七章 光度学与色度学基础眼睛的结构及其视觉特性1辐射度量和光度量及其单位2光度学中的基本定律3成像系统像面的光照度43结束下页第七章 光度学与色度学基础色度学及其颜色视觉理论 5颜色视觉特性 6CIE标准色度系统 7色差及均匀颜色空间 83结束上页第一节 眼睛的结构及其视觉特性 v眼睛的结构 人的眼睛相当于一个光学仪器，外表 大体为球形，它的内部构造如图6-1 所示。下面我们分别介绍各部分的构 造和作用。图6-1眼睛的结构角膜：角膜是由角质构成的透明球面，厚度约为0.55 毫米，折射率为1.3771，外界的光线就是首先通过角膜 进入眼睛的。 前室：角膜后面
2、的一部分空间称为前室。前室中充满 了折射率为1.3374的透明液体，称为水状液，前室的深 度大约为3.05毫米。 水晶体：它是由多层薄膜构成的一个双凸透镜。中间 较硬，外层较软，在自然状态下，其前表面的半径为 10.2毫米，后表面的半径为6毫米。各层的折射率不同， 中央为1.42，最外层为1.373。借助于水晶体周围肌肉的 作用，可以使前表面的半径发生变化，以改变眼睛的焦 距，使不同距离的物体都能成像在视网膜上。 虹彩：它在水晶体前，中央是一个圆孔，它能限制进 入眼睛的光束口径，称为瞳孔。随着被观察物体的亮暗 程度，它能相应地改变瞳孔直径，以调节进入眼睛的光 能量。眼睛的结构后室：水晶体后面的
3、空间称为后室，里面充满着一种与 蛋白质类似的透明液体，叫做玻璃液，它的折射率为 1.336。 视网膜：后室的内壁为一层由视神经细胞和神经纤维构 成的膜，称为视网膜，它是眼睛的感光部分。 脉络膜：网膜的外面包围着一层黑色膜，它的作用是吸 收透过视网膜的光线，把后室变成一个暗室。 巩膜：它是一层不透明的白色外皮，将整个眼球包围起 来。 黄斑：视网膜上视觉最灵敏的区域。 盲点：神经纤维的出口，由于没有感光细胞，所以不能 产生视觉。眼睛的结构来自外界物体的光线，经过角膜以及水晶体折 射后，成像在视网膜上，使视神经细胞受到刺激 ，而产生视觉。视网膜上所成的像是倒像，但我 们的感觉仍然是直立的，这是由于神
4、经系统内部 作用的结果。当注视某一物体时，眼睛依靠它外面肌肉的牵 动，能自动地使该物体的像落在黄斑上。黄斑和 眼睛光学系统像方节点的连线称为视轴。眼睛的 视场虽然很大（可达150），但只是在视轴周围 68的范围内能够清晰识别，其他部分就比较 模糊。因此，我们观察周围的景物时，眼睛就自 动地在眼窝内不停地转动。 第一节 眼睛的结构及其视觉特性 v眼睛的视觉特性在人眼的组成中，视网膜是一个十分重要的 视觉接收器。同时，它也是一个复杂的神经中 心。眼睛的感光成份分为视网膜中的杆体细胞 和锥体细胞。杆体细胞能感受弱光刺激，但不 能分辨颜色；锥体细胞在强光下灵敏，它还有 辨别颜色的功能。人眼只对可见光有
5、视觉，而 在可见光范围内，人眼对不同频率或波长的灵 敏度视觉感觉强度不同。眼睛的灵敏度与 波长的依赖函数关系，称为光谱光效率函数。眼睛的视觉特性正常人的眼睛，对黄绿光最灵敏，对红光和紫 光不灵敏，在可见光以外，则无视觉反应。因 此，我们将555nm所对应的黄绿光波长的光谱 光效率值定为1，为最大值；红光和紫光的光谱 光效率值最小；红外光和紫外光的光谱光效率 值为零。通常为获得相等强度的视觉，对具有较大数值 光谱光效率的光，需要较小的辐射通量。而对 较小光谱光效率的光，则需较大的辐射通量。 例如，为使555nm的黄绿光与波长为700nm的 红光产生相等强度的视觉，则需黄绿光的辐射 通量仅为所需红
6、光的辐射通量的1/250。也就是 说，为产生同等强度的视觉，光谱光效率值与 所需光谱辐射通量成反比。 眼睛的视觉特性从光谱光效率函数的定义可知，不同波长的辐 射所引起人眼的视觉感觉强度不同，即光谱灵敏 度不同。而光谱灵敏度要受到所处环境亮度水平 的影响。光亮度在几个cd/m2（光亮度的单位） 以上时，正常人眼的适应状态叫明适应，此时的 视觉叫明视觉，1924年国际照明委员会（CIE） 公布了明视觉光谱光效率函数V（）。当亮度 在百分之几cd/m2以下时，正常人眼的适应状态 叫暗视应，相应暗视应的视觉称为暗视觉。 1951年国际照明委员会（CIE）公布了暗视觉的 光谱光效率函数V（），各种波长的
7、光谱光效 率值见表6-1。 眼睛的视觉特性波 长 (nm)V()V()波 长 (nm)V()V()3800.000040.0005895900.75700.0655 3900.000120.0020296000.63100.03315 4000.00040.009296100.50300.01593 4100.00120.034846200.38100.0074 4200.00400.09666300.26500.00334 4300.01160.19986400.17500.0015 4400.0230.32816500.10700.00068 4500.0380.45506600.0610
8、0.000313 4600.0600.56706700.03200.000148 4700.0910.67606800.01700.000072 4800.1390.7936900.00820.000035 4900.2080.9047000.00410.000018 5000.3230.9827100.00210.000009 5100.5030.9977200.001050.0000048 5200.7100.9357300.000520.0000026 5300.8620.8117400.000250.0000014 5400.9540.6507500.000120.00000076 5
9、500.9950.4817600.000060.00000043 5600.9950.32887700.000030.000000245700.9520.20767800.0000150.000000145800.8700.1212眼睛的视觉特性表中各个数值代表了300多名标准观察者在中 央凹视觉（23视场）的平均光谱灵敏特性， V（）和V（）曲线见图6-2所示。 图6-2返回3结束第二节 辐射度量和光度量及其单位v辐射度量 1辐射能量以电磁辐射形式发射、传输或接收的能 量称为辐射能量，通常用Qe表示。度量辐 射能量的单位为焦耳(J)。 2辐射通量（或辐射功率）单位时间内发射、传输或接收的辐射
10、 能量称为 辐射通量。用e表示，即e = dQe/dt （6-1）单位为瓦特(W)。第二节 辐射度量和光度量及其单位 3辐射强度通常我们所接触的光源，在不同方向上的辐射通量是不一样的。为了描述辐射体在不同方向上的发光特性而引入辐射强度的概念。其定义为：辐射源在给定方向上的辐射强度是该辐射源在包含给定方向的立体角元d内传输的辐射通量为de，除以该立体角元之商，即：Ie=de/d （6-2）单位为瓦特球面度(Wsr-1)。 上式中取立体角元d，主要是为了精确表示该方向的辐 射强度。d取得越小，越能表示辐射强度的精确性。对 于各向同性光源，随着立体角元d的增大，它所对应的 面积也增大，而辐射强度是不
11、变的。 第二节 辐射度量和光度量及其单位对于尺寸足够小的，相对于它至被照面的距离小到可以 忽略不计的辐射源，称为点源。它在整个空间各个方向的 辐射强度为：Ie=e/4式中e为通过整个球面的辐射通量。假如辐射源沿各个 方向均匀发光，则可用下式表示：Ie=e/如果已知辐射体在不同方向上的辐射强度，就可求得它 所发出的总辐射通量e。因为 de= Ied ，对此式积 分得：e=如果某一辐射体对整个空间均匀发光，则：e=4Ie 即它所发射的总辐射量为4Ie。对于各向异性辐射源，其各个方向的Ie是变化的。 B de dA B de dA 图6-3图6-4 4辐射出射度对于具有一定面积的辐射体，其表面上不同
12、位置发光的强弱可能是不一样的。为了描述任意一点B处的发光强弱，在B点周围取面积元dA，假定它所发射的辐射通量为de(不管其辐射方向和立体角的大小)，如图6-3所示，则B点的辐射出射度可表示为：Me=de/dA （6-3） 即发光面上一点的辐射出射度是该面积元的辐射通量 de除以该面积元面积之商。辐射出射度的单位为瓦特每 平方米(Wm-2)。当辐射面均匀发光时，上式可表示为：Me=e/A 第二节 辐射度量和光度量及其单位第二节 辐射度量和光度量及其单位 5辐射照度如果某一表面被辐射体辐射，为表示B点辐射的强弱，在B点取微小面积元dA，它所接收的辐射通量为de ，如图6-4所示，则de与dA之比就
13、称为辐射照度。其表 达式为： Ee=de/dA （6-4）即表面上一点的辐射照度是入射在该面积元上的辐射通量de除以该面面积元dA之商。单位为瓦特每平方 米(Wm-2)。辐射照度和辐射出射度的单位尽管相同，但它们却有 本质上的区别，即一个适用于被照表面，另一个适用于 辐射表面。 6辐射亮度辐射出射度仅能表示面辐射体的部分辐射特性，而不 能充分表示出具有一定面积的辐射体的全部辐射特性。 因为辐射出射度只表示单位面积发射的辐射通量大小， 它没有涉及到辐射的方向问题。辐射亮度表示辐射表面 不同位置、不同方向上的辐射特性。图中以B点为中心，在其周围取一微面元dA，在与辐射面 的法线N成角的方向BO取立
14、体角元d ，设在d 立体角 内发射的辐射通量为de，且dA在BO垂直方向上的投影 面积为dAcos,则辐射亮度表示为：第二节 辐射度量和光度量及其单位图6-5为描述辐射亮度的示意图。（6-5） 即辐射源表面上一点处在给定方向的辐 射亮度是包含该点的面积元在给定方向的 辐射强度与面元在垂直于该方向的平面上 的正交投影面积之商。辐射亮度的单位为 瓦特每平方米每球面度(Wm-2sr-1)。辐 射亮度的大小与辐射面的性质有关，并且 随方向改变。图6-5Nde B dAd第二节 辐射度量和光度量及其单位v光度量 1光通量 辐射能量中用V()折算到能引起人眼光刺激的那一部分辐 射通量，称为光通量。用表示，
15、单位为流明(lm)。实际上，光通量是指光源在单位时间内所发出的光能多 少，可以看作类似于其它量的流速，如：每秒多少米，每 分钟多少毫升等。 2发光强度 光源在给定方向上的发光强度是该光源在包含给定方 向的立体角元d内传输的光通量d与该立体角元之 商，即： I=d/d（6-6）发光光强的单位为坎德拉(cd)。发光强度具有和辐射强度类似的特性，如均匀发射的点 光源，其总光通量为4I。 第二节 辐射度量和光度量及其单位v光度量 3光出射度光源单位发光面积上发出的光通量，定义为光源的光 出射度，用M表示。即光出射度表示为：M=d/dA （6-7）如果发光面各点均匀发光时，公式可表示为： M=/A式中：M表示在A面上各点光出射度的平均值。 4光照度 单位受照面积接受的光通量，定义为光照面的光照 度，用E表示。即光照度表示为：E=d/dA （6-8）光照度的单位为勒克斯(lx)，lx=lmm-2。光
