工程光学-第五章-光度学和色度学基础

量和方向等属性。
03
光的相干性
相干光是指频率、振动方向和 相位都相同的光，具有干涉和
衍射等特性。
光度量基本概念
03
光照度
发光强度
光亮度
表示单位面积上接受到的光通量，单位为 勒克斯（Lux）。
表示光源在给定方向上的光强，单位为坎 德拉（Candela）。
表示单位面积上发出的光强，单位为尼特 （Nit）。
《光度学与色度学》PPT课 件
目录
• 光度学基础 • 色度学基础 • 光度测量与照明设计 • 色度测量与显示技术 • 光度学与色度学的应用
01
光度学基础
光的本质与特性
01
光的波动性
光是一种电磁波，具有振幅、 频率和相位等波动特性。
02
光的粒子性
光具有粒子特性，可以表现为 能量子的形式，具有能量、动
亮度计
测量物体表面的反射光亮度，常用于显 示屏幕亮度的测量。
照明设计基础
照明目的与需求
根据不同的使用场景和需 求，如阅读、工作、娱乐 等，选择合适的照明方式 和灯具。
照明质量
包括照度、均匀度、色温 、显色指数等参数，直接 影响照明效果和舒适度。
灯具选择
根据照明需求和场景，选 择合适的灯具类型和规格 ，如吊灯、壁灯、台灯等 。
照明设计案例分析
家庭照明设计
根据家庭成员的生活习惯和喜好，结合房间的功能和布局，进行合理的照明规 划和布置。
商业照明设计
根据商业场所的特点和需求，如商场、餐厅、办公室等，进行专业的照明设计 和布置，提高商业空间的品质和吸引力。
04
色度测量与显示技术
色度测量设备与技术
色度测量设备
色度计是用于测量物体颜色的仪器，其原理基于光谱光度测 量。常用的色度计类型包括光谱光度计和积分球光度计。

光源的颜色混合：不同颜色的光源混合后，会产生新的颜色
光源的匹配：根据色度学原理，选择合适的光源进行匹配，以达到理想的照明效果
光源的色度学特性：光源的颜色、亮度、色温等特性，对色度学研究具有重要意义
光源的颜色混合与匹配的应用：在照明设计、摄影、电影制作等领域，光源的颜色混合与匹 配具有广泛的应用。
物体对光的反射与 吸收
光通量：表示光源发光能力的物理量 发光强度：表示光源在单位立体角内发出的光通量 照度：表示单位面积上接收到的光通量 亮度：表示单位面积上发出的光通量 色温：表示光源的颜色特性，单位为K（开尔文） 显色指数：表示光源对物体颜色的还原能力，数值越高，颜色还原越真
实
光度学基本概 念：光度学是 研究光的强度、 亮度和色度的
机遇：随着科技的 发展，光度学与色 度学在多个领域都 有广泛的应用前景
机遇：随着人们对生 活质量的要求不断提 高，光度学与色度学 在照明、显示等领域 的需求将持续增长
感谢您的观看
汇报人：
色度学基本概念
色相：颜色的基本属性，如红色、蓝色、绿色等 饱和度：颜色的纯度，即颜色的鲜艳程度 明度：颜色的亮度，即颜色的深浅程度
颜色混合：将两种或多种颜色 混合在一起，形成新的颜色
颜色匹配：将两种或多种颜色 混合在一起，形成新的颜色
颜色混合原理：根据光的叠加 原理，将不同颜色的光混合在
一起，形成新的颜色
科学
光度量之间的 关系：光度学 中，光度、亮 度和色度之间 存在一定的关
系
光度与亮度的 关系：光度是 光源发出的光 通量，亮度是 观察者接收到
的光通量
光度与色度的关 系：光度与色度 之间没有直接的 关系，但色度会 影响观察者对光
度的感知

由能量守恒：d d' d1 即： d' d d1 (1 )d
（5-21）
由图5-6可知： d sin idid d' sin i'di'd
（5-22）
将折射定律n‧sini=n’‧sini’两端分别对i和i’微分，并与折射定律 表达式对应端分别相乘，得到：
n2 n'2
sin i' cosi'di' sin i cosidi
图中的函数值已
归 一 化 。 V(λ) 和 V’(λ)两者峰值所对 应波长有所不同，
V(λ) 的 峰 值 在 555nm 处 ， 而 V’(λ) 的峰值507nm处.
（二）光学量和辐射量间的关系
在波长λ附近的小波长间隔dλ内，光通量dΦv(λ)和辐
通量Φe(λ)之间的关系可表示为：
明视觉条件下： dv () KmV ()e()d
（5-10）
N dФv
θ
dΩ
dA
单位：坎[德拉]每平方米(cd/m2) θ
cosθdA
表明，元发光面dA在θ方向的光亮度等于元面积dA在θ
方向的发光强度Iv与该面元面积在垂直于该方向平面 上的投影cosθ‧dA之比.
三、光学量 和辐射量 间的关系 （一）光谱光效率函数
可见光辐射 (用辐射量度量)
▲ 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（Commission Internationale de L‘Eclairage( 法 ) 或 International Commission on Illumination(英)，缩写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和暗视觉光谱光效 率函数，如图5-2所示。

光度学基本知识
即得
I cosα I ' cosα ' + 2 R R '2 4 I = 60cd , cosα = ; I ' = 48cd 6 12 cosα ' = 122 + 62 − 42 E=
(
R = 6, R' = 122 + 62 − 42
(
)
)
最后得
60 × 4 48 × 12 E= + = 1.385lx 3 3 6 164
其中 :[C]——某一特定颜色 , 即被匹配的颜色 ; [R]、[G] 、[B]——红、绿、蓝三原色 ; r 、 g 、 b ——红、绿、蓝二原色的比例系数 , 以表示相对刺激量 ; ≡——表示匹配关系 , 即在视觉上颜色相同 , 而不是指能量或光谱成分相同
三原色系数相加等于 1, 即 r+g+b=1
饱和度= 单色光流明数/（单色光流明数+白光流明数）
明度 用它来标志颜色的明亮程度。用颜色的总流明数表示。 色调和饱和度合称色品，是颜色的色度学特征；亮度是颜色的光度学 特征。色调、饱和度和明度这三个感觉量一起决定了颜色的特征。
色度学基本知识
四、表色系统
表色系统可分为两大类。一类是以彩色的三个特性为依据 , 即按色 调、明度和饱和度来分类 ; 另一类是以三原色说为依据 , 即任一给定 的颜色可以用三种原色按一定比例混合而成。在此 , 简单介绍一下后 一类表色系统——三色分类系统。该系统是以进行光的等色实验结果 为依据、由三刺激表示的体系。用的最广泛的是 CIE 表色系统。 视觉器官对剌激具有特殊的综合能力 , 即无论受单一波长的单色光刺 激还是受一束包含各种波长的复合光剌激 , 眼睛都只产生一种颜色感 受。研究证明 , 光谱的全部颜色可用红、绿、蓝三种光谱波长的光按 不同比例混合而成。用不同比例的上述三种原色相加混合成一种颜 色 , 用颜色方程可表达为 [C]≡r[R]+g[G]+b[B]

光反射、介质对光的吸收、以及反射面对光的透射和吸收
等所造成的光能损失。常用光学系统的透射比


来
衡量光学系统中光能损失的大小。式中 为经入瞳进入 系统的光通量， 为由系统出瞳入射的光通量。
（一）光在两透明介质界面上的反射损失 光照射到两透明介质光滑界面上时，大部分光折射到
另一介质中，也有一小部分光反射回原介质，反射光没通 过界面，形成光能损失。
3、漫透射体与漫反射体。
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体。乳 白玻璃是漫透射体，其经光照射后透射光强度分布如图 5-8a所示；硫酸钡涂层表面是典型的漫反射面，其反射 光强度分布如图5-8b所示。
反射光通量与入射光通量之比称为反射比，通常以 表示。由光的电磁理论可以导出。


1 2
[
sin sin
2 2
(i (i

i') i')

tg 2 (i tg 2 (i

i')] i')
i i' 分别为入射击角和折射角。 与 i i' 有关
当光垂直入射或近似于垂直入射时 ( n n )
.
v
则光亮度为:
doe
N
Lv

dv
cosdAd

Iv
cosdA
d
dA
单位：cd/m2
亮度可理解为单位面积的发光强度
cos dA
图5-1 辐亮度定义中各量的示意图
表示有限尺寸的发光体发出的可见光在空间分布的情况.
三、辐射量与光学量之间的关系

三、颜色匹配实验的结论
1、红、绿、兰三种颜色以不同的比例混合，可以匹配任何颜色
2、红、绿、兰不是唯一能够匹配所有颜色的三种颜色
第七节 色度学中的几个概念
一、颜色刺激 颜色刺激函数
二、三原色
三补色

红、绿、兰
品红、黄、青
三、三刺激值
匹配某种颜色所需的三原色的量叫做该颜色三刺激值
光的三原色：红 绿
第五章 光度学和色度学基础
第一节 辐射量和光学量 及其单位
第二节 光传播过程中光学 量的变化规律 第六节 颜色匹配 第七节 色度学中的 几个概念 第八节 颜色相加原理 及光源色和物 体色的三刺激值 第九节 CIE标准色度学 系统 第十节 均匀颜色空间 及色差公式
第三节 成像系统像面 的光照度
第四节 颜色的分类及颜色 的表观特征 第五节 颜色混合及格拉 斯曼颜色混合定律
d1 P d 2 ... 0P 1 2
3、反射面的光能损失
★反射光的光通量 ★反射损失的光通量
★反射面的反射比 镀银反射面： 镀银反射面： 镀银反射面：
1 0
1 1 0
0.95 0.85
1
四、光学系统的总透射比
★M种介质的中心厚度
3、界面无损失
0
L L 2 L0 2 n n
五、余弦辐射体
1、余弦辐射体的物理意义
I I N cos
2、余弦辐射体的亮度
L
I
dA cos IN L0 dA

I N cos dA cos
余弦辐射体发光强度的空间分布
3、漫反射体和漫透射的亮度 ★任意孔径角的光通量 ＝L dA ★平面孔径角 2

dA 4πR 2 ω = 2 = 2 = 4π ( sr ) R R
2012-2-22
第七章 光度学基础
9
为了使公式具有普适性 ，利用球坐标的函数
形式来表示立体角。 dA AB ⋅ AD dω = 2 = R R2 AB = AO ⋅ di = R ⋅ di AD = AE ⋅ dϕ = AO ⋅ sin i ⋅ dϕ AD = R ⋅ sin i ⋅ dϕ
2012-2-22
λ2
λ2
λ2
λ1
λ1
第七章 光度学基础
λ1
7
光源的发光效率（ η）
一个辐射体或光源所发出的总的光通量与总的辐射通量之比称为光源 的发光效率。
光源发出的总的光通量 η =
Φv Φe
总的辐射通量
光源的发光效率简称光效，它的单位为流明每瓦特（lm ⋅ W −1）。
为什么荧光灯比白炽灯省电？
第五章
光度学基础
光有能，对能的讨论本不 是几何光学的范畴，但要设计 仪器，又不能不了解一些起码 的问题，否则所设计的仪器可 能是无用的，因为不能传递足 够的能量。我们要求光学系统 传递的能量必须能够被光能接 收器所感知。入瞳出瞳就是限 制能量的。
§5.1 辐射通量和光通量 §5.2 发光强度、光照度， 光出射度和光亮度 §5.3 光度学中的基本定律 §5.4光学成像系统像面的光照度
2012-2-22
第七章 光度学基础
13
§5.2.4 光出射度
光出射度表示为：
描述面光源的发光特性
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 v 表示。
dΦ v Mv = dA
与光照度相比 较
光出射度的单位为勒克斯（lx， 1lx = 1lm ⋅ m −2 ）。

⎧ X = k 780 p(λ ) x (λ )dλ ∫380 ⎪ 780 ⎪ ⎨Y = k ∫380 p(λ ) y (λ )dλ ⎪ 780 ⎪Z = k ∫380 p(λ ) z (λ )dλ ⎩
1931色匹配函数，如图3所示。
（1-8）
其中X, Y, Z是刺激值；P (λ)是刺激物的光谱功率分布； x , y , z 是国际公认的CIE 注：CIE 1931“CIE 1931 XYZ标准色度系统”是从2°观察视场的相应匹配实验中得出 来， 然而， 色匹配是与刺激物的尺寸相关的， 所以CIE于1964年介绍了另外一套XYZ色度系统， 该系统是在10°观察视场下得到的。然而除非特别说明，一般采用CIE 1931 2°观察视场。
780 780
Φ v = ∫ Φ (λ )dλ = 683∫ V (λ ) ⋅ Φ e (λ )dλ
380 380
（1-3）
�
1.5. 发光强度
发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的
光通量的空间分布的物理量，它可用点光源在单位立 体角中发出的光通量的数值来量度，可表达为：
I=
dΦ dΩ
（1-4）
式中 dΩ是点光源在某一方向上所张的立体角元。 一般来说，发光强度随方向而异，用极坐标 (θ,φ) 来描写选定的方向时，I(θ,φ)表示沿该方向的发光强度。 图 1.2: 光强示意图
�
1.7 亮度
单位表面上在某一方向的光强密度， 它等于该方向上的发光强度和此表面在该方向上的
投影面积之比。即被视物体在视线方向单位投影面积上的发光强度。
图 1.4: 亮度示意图
L=
d Φ dI = dΩ ⋅ dA ⋅ cos θ dA ⋅ cos θ
2

dA 1
dA
dA 2
故
E
T 2
L sin2
U
（9－32）
当上系式E统为满轴nn2足上2 T正像L s弦点in2条的U 件照（度见计下算一公节式）。时位，于空气n s中in的U /光n学sin系u，统 则，
n
n
（9－33） 1 ，则
E T。L sin2 U
出瞳
U＇M
M＇
D＇
ω＇ ω＇
像面
U＇
A＇
第九章
光度学基础和色度学简介
一个完整的成像系统由三部分组成：物体（辐 射体）、能量的传播系统（介质，光学系统）和像的 接收器件。因此，讨论成像系统的能量传输和转换必 须对此三部分的物理性质进行研究。物体是一种电磁 波辐射体，眼睛为接收器件的光学系统是对范围内的 电磁波有所反应，一般将这部分辐射量称为光度量。 但是，从广泛的意义上讲，应将对接收器件有所响应 的辐射量称为光度量，只不过是将原来定义的光学量 予以扩展而已，这并不影响讨论的结果。所以光度学 是研究光度量的，而色度学则是根据人眼的光谱特性 进行研究工作的一门科学。
照度为
E
d dA
LdAs
cos1 r2
cos2
（9－17）
三、同一均匀介质中元光管内光亮度的传递
元光管是指两端截面积很小的光管，光能只在此光管内传播（如图9－5所
r 示）。dA1 和 dA2两微小面元，两者间距离为 ，N1 和 N2 分别为两面元法线，
1
dA2
和 2 分别为两面元中心连线和
上的光通量为 d1 L1 cos1dA1d
N
di1 i1 i
di
dA
dφ
φ
di＇
i＇

N2 P1d1 P2d2 L
PdM N3 M
1, 2分别为冕牌玻璃和火石玻璃与空气所成界面
反射比;
P1, P2,L , PM 分别为M 种介质各自的透明率;
为反射面的反射比;
N1为冕牌玻璃个数; N2为火石玻璃个数;
d1, d2,L , dM为M 种介质的中心厚度.
20
§5-4 颜色的分类及匹配
光学系统中，常用反射面来改变光的进行方向，反射元 件对光的透射和吸收，使反射面的反射比ρ<1。
当入射光的光通量0,反射光的光通量1 0,则
光通量损失:1 1 0
镀银反射面 0.95;镀铝反射面 0.85;抛光良好 19
的棱镜全反射面 1.
④光学系统的总透射比
0
1 1
N1
1 2
18
光通量为Φ的光束通过厚度为dl的薄介质层，被介质吸 收的光通量dΦ与光通量Φ和介质厚度dl成正比，即：
d Kdl 0eKl 0 pl
p eK表示光通过单位厚度1cm介质层时，出射光通
量与入射光通量之比，为介质的透明率。
因此光通量损失为: 0 1 ekl 0
③反射面的光能损失
cos dAd
sr m2 )
六个辐射量，对所有的光辐射都适用，是纯物理量。
3
4
对可见光，常用光学量来度量
二、光学量
①光通量Φv：标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。 单位为流（明）lm。 ②光出射度Mv：光源单位发光面积发出的光通量，即：
Mv
dv dA
,单位流每平方米lm m2
.
③光照度Ev：单位受照面积接受的光通量，即：
Lv
dv
cos dAd
Iv ,单位坎每平方米(cd

D'
二. 轴外像点的光照度
出瞳 U'M
ω'
ω'
U'
M' 像面 A'
l'0
E' M

n' 2 n2
L sin 2
U'M
当U´M较小时，有
sinU ' M
tgU ' M

D' cos'
2 l'

D' cos2 '
2l'
sinU ' cos2 '
cos '
E' M

n' 2 n2
U’k
-U’zk
z’
l ’zk
l ’k
a. 轴上点远轴光线光路计算 sinI=(L-r)/sinU (当L1=∞时，U1=0,sinI1=h1/r1) sinI’=nsinI/n’ U’= U + I-I’ L’= r + rsinI’/sinU’ 过渡公式 Lk=L’k-1-dk-1
Uk=U’k-1 Nk=n’k-1
对于有k个折射面组成的光学系统，还存在逐次换面问题。
lk lk' 1 dk1 uk uk' 1 nk nk'
校对公式：h = l u = l ’ u’ 或者用
J = n’u’y’ = nuy
2.远轴光线的光路计算
入瞳
-U -Uz1
z
o1
-y1
-l z1 -l 1
出瞳
y’K
ok
580
V(λ )
0.00004 0.00012 0.0004 0.0012 0.0040 0.0116 0.023 0.038 0.060 0.091 0.139 0.208 0.323 0.503 0.710 0.862 0.954 0.995 0.995 0.952

观察场明暗：明视觉、暗视觉
(二) 光学量和辐射量间的关系
函数 V 实际上反映了人眼对不同波长的光的视感程度。
故，在 d范围内，
dV KmV e d （明视条件） 当 5550Å，V 1 时，Km 683lm /W ——光功当量
dV Km 'V ' e d （暗视条件）
1 r2
1 2
Байду номын сангаас
（假定L为常数）
三、单一介质元光管内光亮度的传递
元光管： 两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间
d1 d2 元光管壁上无光溢出(无损失)
观察两截面 dA ,dA
上的光亮度
dA 1
1
2
d
N1
N2
1
d 1
d2 2
dA 2
L
1
r
2
cosdAd
d1
L1 cos1dA1d1
L1
cos1dA1
Lv
dv cos dAd
Iv
cos dA
元发光面dA的光亮度Lv 等于元面积dA在θ方向 的发光强度Iv与该面元 面积在垂直于该方向平 面上的投影cosθdA之 比。
常见发光表面的光亮度值见P76页表5-1
三、光学量和辐射量的关系
(一) 光谱光效率函数——视见函数
具有相同辐射通量e 而波长
不同的可见光对人眼的刺激程度 不同。换言之，人眼对不同波长 而辐通量相同的光的响应灵敏度 是波长的函数——表征这种响应 关系的函数称之为光谱光效率函 数（视见函数）。
K m ' =1755lm/W其意义同 Km 相同。 波长为5550A、V’(λ)＝1单色光的绝对光谱光效率值
在整个可见光范围3800Å～7800Å内，总光通量为：

一、辐射通量 设光源表面 S(图 3-1)向所有方向辐射出各种波长的光。此 光源表面一个面积元 dS 的辐射情况，可以用单位 时间内该面积元 dS 辐射出来的所有波长的光能量 (也就是通过该面积的辐射功率)来表示， 这就是面 积元 dS 的辐射通量。可用ε来表示，单位为瓦特。 于光源上任一面积元的辐射通量， 不同波长的 光在其中所占的相对数值是不同的。 为了表示光源 面积元所辐射的不同波长的光的相对辐射通量， 我 们引入分布函数 e(λ)的概念。 它就是在单位 时间内通过光源面λ积的某一波长附近的单 e(λ ) 位波长间隔内的光能量。是波长`λ的函数，它又称谱辐射通量 密度。 从光源面积元 dS 辐射出来的波长在λ到λ+d 间的光辐射通 量为
从光源面积元ds辐射出来的波长在到d间的光辐射通量为于是从面积元ds发出的各种波长的光的总辐射通量为deddde0二视见函数辐射通量代表的是光源面积元在单位时间内辐射的总能量的多少而我们感兴趣的只是其中能够引起视觉的部分相等的辐射通量由于波长不同人眼的感觉也不相同
光度学和色度学简介

§1 光度学基本概念
φ = ∫ dϕ ∫ Iθ ,ϕ sin θ ⋅ dθ
0 0
2π
π
如果 I 不随θ和φ而变化(均匀发光体)，则得总光通量 Φ=4πI 。 总光通量表征光源的 特性。对于指定的发光体， 光具组不能增加总光通量， 光具组的作用只是把光通 量重新分配。 例如， 使它比 较集中在某些选定的方向 上， 而相应地减小其它某些 方向的发光强度。 在国际单位制中， 发光 强度的单位为坎德拉 (Candela)，单位代号：坎 (cd)。 1979 年第 16 届国际 计量大会(决议 3)规定坎 德拉的定义为： “坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该 光源发出频率为 540×1014Hz 的单色辐射，而且在此方向上的辐 射强度为(1／683)W／sr。 ” 此处 sr 为球面度。 空气中波长为 5550A 明视觉的视见函数为 1)的辐射对应的频率为 5400086×1014Hz。 略去尾数，则坎德拉新定义中的频率实际上就是明视觉最灵敏谱 线的频率。 值得指出的是，在国际单位制中，发光强度的单位是国际 单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位均为导出单位。