光学基础知识培训

受照面上，单 位面元内的辐 射通量
单位面积上的 辐射强度
给定方向上的 单位立体角元 内的辐射通量
• 辐射度量和光度量的关系
光 光通量
度 光照度 学 参 光亮度 数 光强度
V(λ) 人眼视觉函数
辐射通量 辐 射
辐射照度 度 辐射亮度 学
参 辐射强度 数
如上表所示，辐射量和光度量的转换主要是人眼因数的参与。
haas200
可以消除探头的V(λ)匹配带来的误差， 精度主要取决于光谱辐射计的精度。
分光法的延伸
分光法的测量原理是测出光谱功率分布P(λ)，与V(λ)加权积分，就 可以求出光通量。
780
G K V () P()d 380
如果对系统进行合适的标定后，该原理实际上适合所有光度量的 测量，不单指光通。这也就意味着，照度，光强，亮度也是可以用同 样的方法进行测量，其优点依然是消除探头的V(λ)匹配带来的误差。
照度测量
光度探测器的一般组成
光度探头的光谱灵敏度曲线与 V(λ)曲线的匹配，CIE用f1’来表 示光度探头的失匹配程度
JJG245中关于光照度计示值误差和匹配误差的要求
Z-10 柱面照度计
PHOTO 2000GO/μ/…
光强测量
• 光源光强的测量一般通过照度测量和照度平方反比计算得出
I=E×R2
Pti sreli
PsiVi
sreli: 光度计相对光谱灵敏度
i380
i380
分布光度计法
照度积分法
总光通量的基准级测量方法
tot
EdS 4 r 2E( ,)d 2 r 2E( ,) sin dd
0
00
(Stot )
➢ 被CIE 84-1989推荐，是多数国家实验室实现光通量基准单位的方法
由于从实际光谱中选定的红、绿、蓝三原色光不可能调(匹)配出存在于自 然界的所有色彩，CIE于1931年从理论上假设了并不存在于自然界的三种 原色，即理论三原色，以X，Y，Z表示，以期从理论上来调(匹)配一切色彩。
CIE 1931 XYZ标准色度系统
• 三刺激值
待测颜色在和指定三原色匹配时，
所需三原色的数量，称为三刺
• 显色指数（Color Rendering Index）
表征物体在被测光下的颜色和基准光(A光源)照明的颜色的符合程度
卤素灯下
低压钠灯下
金卤灯下
显色指数（CRI）的计算方法
• 以黑体或标准照明体D作为参考光源，将其显色指数定为100；
• 对在参考光和待测光源下对标准样品形成的色差进行考察，以此评定光
光谱法
•通过在光敏器件前加滤色片 使色度探头的光谱灵敏度曲 线与CIE 1931 XYZ三刺激曲线 相匹配 •三刺激值法的颜色测量精度 直接与色度探头的匹配程度 相关。
780
Pt V d Ps sreld
K1 ccf
360 780
360 780
Pt sreld Ps V d
380
380
在计算中积分变成求和：
780
780
PtiVi
Psisreli
其中：Pti:
待测灯相对光谱功率分布 ccf
i380 780
i380 780
Psi: 标准灯相对光谱功率分布
色温也是表示颜色的一种方法，只不 过它的描述并不像色坐标那么精确。
自然光
晴朗的天空 阴云的天空 白天北窗射进的光 头顶的太阳光
圆月 地平线上的太阳光
色温
1200070006500525041521850-
光色
色温
-7500 -5500 -4500 -3300 -2800 -2100
相应的电光源
兰色金属卤化物灯 白色金属卤化物灯 汞灯 暖色荧光灯 白炽灯 高压钠灯
以椭圆形表示，椭圆上的 每一个点到中心的距离都是相 等的SDCM. 之所以图形呈现椭 圆形，是由CIE1931色度图颜色 表示的不均匀性决定的，如果 将之转换为1960均色图，情况 会好很多，椭圆基本上将变化 成接近圆形。
• Duv
Duv, 色差； 顾名思义，就是颜色的差异。在色度 图上就是两个点之间的距离。比如A颜 色跟B颜色，线段AB，就是他们的色差。
SR-2
CX-2A/B
光通量测量
光通量测 量
积分球法
分布光度 计法
积分法
分光法
照度积分 法
光强积分 法
分光-积分 法（SBCT)）
积分球法
积分法
设备：积分球、 光度计 PHOTO 2000J 供电电源
组成结构：
测量原理
ES
S
4R2
• 1
EC
C
4R 2
• 1
标准灯 被测灯
积分球
C
EC ES
•S
通常过程中，我们研究光，主要是 针对可见部分而言。
一、光度学
在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学 科称为光度学。
光度学是1760年由朗伯建立的， 定义了光通量、发光强度、照度、 亮度等主要光学光度学参量，并用 数学阐明了它们之间的关系。
光度学测量的不是纯粹的物理量， 而是一种心理物理量。
• 色品图
色品坐标表示的平面图称为色品图。
CIE1931色品图中存在诸如色差容限不 均匀等问题， CIE推出了1976 色品图
CIE1931 色品图 x，y 表示
CIE-1976 UCS色品图 u’ v’ 表示
• 光谱分布
描述光谱功率和对应波长的关系。通 常会以表格或曲线形式出现。
WL(nm)波长
• 三原色
一般来说光源发出的光都可以由三种单色光混合得到，但这3种单 色光的任何一种不能由其余两种产生。这三种色便称为三原色。
三原色有很多选择。 RGB系统的三原色： 红（R）λR= 700.0nm 绿（G） λG= 546.1nm 蓝（B） λB= 435.8nm
• CIE1931 XYZ 色系统
照度E
光强I
★I=E×d2
• 距离平方反比定律
垂直于光线传播方向的照度与光源在该方向的光强成正比，与光源 到表面的距离的平方成反比。
E
r
推导式
E=Icosθ/R2
I
★I=E×r2
点光源或近似点光源下成立。
E=Icos3θ/H2
辐射度学
辐射度学
辐射通量
辐射照度
辐射亮度
辐射强度
单位时间内通 过某一面积的 辐射能量
380 385 。 。 450 。 。 775 780
相对光谱
0.0071 0.006
。 。 0.5 。 。 0.0042 0.0042
• 色温、相关色温
色温（CT）：光源色品与某一温度下 黑体色品相同时，黑体呈现的温度。
相关色温（CCT）：光源色品与某一温 度下黑体色品最接近时，黑体呈现 的温度。
求比两次结果
电源 PHOTO
2000J 精度来自于光度探测器，其关键是探
头光谱响应与V(λ)曲线的精确匹配。
分光法
设备：积分球、 光谱仪haas2000 供电电源
组成结构：
积分球
电源
测量原理 测出绝对光谱功率分布P(λ)， 与V(λ)加权积分，就可以求 出光通量。
780
G K V () P()d 380
r
I
E
I E R2
cos
测量仪器依然是照度探测器 如：PHOTO 2000GO \ ID 1000等
也可以通过测量光源表面各点亮度，通过对 面积积分求出
I L cos dA
瞄点式亮度计
视场角大小是最重要 的指标之一，视场角越小， 亮度计所能测量的最小面积 就越小。
亮度测量
LM-2
CBM-8
源的显色性，用显色指数来表示。
Ri 100 4.6Ei
i 1 ~ 14
• 一般显色指数定义为1~8号样品的特殊显色指数的平均数，表达式为：
8
Ra
1 8
Ri
i 1
R1-R8
R9-R14
CRI-Ra评价系统的问题 Ra=72 R9=-10
Ra=82 R9=-90
• 主波长
• 色纯度
某种颜色S可以通过单色光D和参照 光E混合而得，那么D的波长λd就是 S的主波长。
SR-2
光谱亮度计
将描点亮度计中的照度探 测器接收部分更改为CCD，CCD 前方设置分光，这样就可以得到 光谱分布，从而得到亮度值，同 时可以精确的得到颜色参数。
成像亮度计
采用面阵CCD感光元件 （每个像素单元当做一个探测 器），CCD前设有光学成像系统 和用于匹配V(λ)曲线的光学元件。 通过一次曝光，测量平面内各点 的亮度和亮度均匀度。
应用实例：光谱仪HAAS2000和ALI装置组成的LED光强测试系统\光谱辐 射亮度计SR-2
分光-积分结合技术(SBCT)
远方专利技术
1
参考探头 测出光度量
4 乘以K1
3 得出光谱 解析校正系数K1
2
快速光谱仪测出 光源光谱功率分布
得到待测 5 样品的精确光度量
测量光度量时，光谱修正因子为：
780
光色基础培训（一）
——光色度基础
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➢光度学概念 ➢色度学概念 ➢光色度测量仪器及方法
什么是光？
• 光是一种人类眼睛可以见的 电磁波（可见光谱）。
照度分布法是测量光通量最好的方法
➢ 被测灯无需处于中心 ➢ 测量距离没有严格要
求。
➢ 取样步长足够小 ➢ 具有良好的余弦修正 ➢ 被测灯高度稳定
光强积分法
总光通量测量：
2
tot 0
I ( ,)sin dd
0
区域光通量测量：
zone
2 1
2 I ( ,)sin dd
1
颜色参数测量
三刺激值法
激值。
X k 780Φ(λ) • x(λ) • dλ 380
Y k 780Φ(λ) • y(λ) • dλ 380
Z k 780Φ(λ) • z(λ) • dλ 380
• 色品坐标
三刺激值和它们之和的比，称为色
品坐标。色坐标可以精确的表
示颜色。
x
X
，
X Y Z
y Y ， X Y Z
z Z X Y Z
以光通量为例，其转换公式如下：
780Biblioteka Baidu
683
V
380
(
)
e
(
)d
对辐射量Φe进行视觉加权即可得到光通量Φ
• 光谱光效率（视见函数）
人眼对不同波长的感光灵敏度是不一样的，根据大量的观察结果，并取平均 后，得到了人眼对各种波长光的相对灵敏度，即视见函数
CIE明视觉光视效率V(λ)曲 线。 555nm光，即黄绿色时的 光视效率最高
如太阳光、烛光、电灯光。 • 在科学上的定义，光有时候 是指所有的电磁波谱。
如红外线、紫外线、X光
可见光区和电磁波谱
紫外线辐射 – C (UV-C) 100 – 280 nm 紫外线辐射 – B (UV-B) 280 – 315 nm 紫外线辐射 – A (UV-A) 315 – 380 nm 可见光 380 – 780 nm 红外线 A (IR-A) 780 nm – 1.4 μm 红外线 B (IR-B) 1.4 – 3 μm 红外线 C (IR-C) 3 μm – 1 μm
光度学的量
光度量
光通量
光照度
光亮度
光强度
光通量是指能够被人的视觉系统所感受到的那 部分光辐射功率的大小的度量。 单位：流明（lm） 。 符号：Φ
780
Km 380V () e ()d
光通量的空间密度，即单位立体角元内的光通量,称 为光强。 单位：坎德拉（cd）。符号：I 七个国际基本物理量（SI）之一
色纯度是指该颜色和其主波长颜色之 间的接近程度。
PURE ES / ED
主波长大致表明颜色的基本色调； 色纯度给出了大致的饱和度； 在单色光中用这样的表示颜色更直观
• 色容差
两个颜色比较时，人眼感觉不出颜色变化的最大范围称为颜色的宽容 量，也叫恰可察觉差。也就是我们常常提到的色容差，单位是SDCM(标准配 色偏差----Standard Deviation of Color Matching)
特别注意：我们光谱仪测试系统也有 Duv的值，因为对于灯来说，测试出来 只有一个颜色，这时候讲色差，必然 是有另一个已经确定的点，否则就没 有意义了。这个确定的点就是测试颜 色和它离黑体最近的那个点。如BE.
三、光色度测量仪器
常规的光度，色度量，需要一些仪器进行测量。我们先了解下测量这些 量的仪器和测量方法。
人眼在明暗环境下，灵 敏度是不一样的，总的 来说亮度越低，眼睛对 短波越敏感，总体灵敏 度也越高。 Purkinje shift 浦尔金耶漂移
目前光的度量，基本都 是基于明视觉的
二、色度学
色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。
目前在色度学上为国际 所引用的数据，是由在 许多正常视觉人群中观 测得来的数据而得出的 平均结果。
I d d
单位面积的光通量,称为光照度。 单位：勒克斯（lx）。符号：E 表征被照面所接收光的大小
E d dS
单位表面上在某一方向的光强密度。即被视物体在 视线方向单位投影面积上的发光强度。 单位：坎德拉每平方米 （cd/m2 ）。符号：L 表征发光面的明亮程度
L dI dS
转换关系
光通量Φ