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光度学与色度学基础

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第6章：光度学与色度学基础

第6章：光度学与色度学基础

⒊总辐射通量：
从光源面积元ds辐射出来的波长在λ ～ λ+dλ间的辐
( ) 射通量为： dΦλ,λ+dλ = e λ dλ
从光源面积元ds发出的各种波长光的总辐射通量为：
Φ
=
∞
∫0
e(λ)dλ
二、辐射强度
辐射体在不同方向上的辐射特性。在给定方向上 取立体角dΩ，在dΩ范围内的辐射通量为dΦe ，
dΦe与dΩ之比称为辐射体在该方向上的辐射强度Ie:
三、光亮度
用光亮度来表示发光表面不 同位置和不同方向的发光特 性，在该方向上单位投影面 积的发光强度。
I
N O
dΩ
α
A
dS
L= I = I dSn dS ⋅ cos α
(6-13)
L表示发光面上A点处在AO方向上的发光特性。 点光源有无光亮度的概念?
光亮度等于发光表面上某点周围的微面在给定方向上 的发光强度除以该微面在垂直于给定方向的投影面积。 光亮度L与辐射度学中的辐亮度相对应。 光亮度的单位为坎德拉/米2（cd/m2）——尼特（ nit）。
40W白炽灯的全部辐射的光通量为500lm 40W荧光灯的全部辐射约为2300lm 1W LED的全部辐射约为110lm
二、光出射度和光照度
用光出射度M来表示A点处的发光强弱，即发光表
面单位面积内所发出的光通量，与辐（射）出射
度相对应。
M = dΦ
(6-11)
dS 当发光表面均匀发光时，其光出射度为
光在折射时，不考虑能量损耗， L1 = L2 n12 n22
(6-18)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§6.1.5 像的光亮度和光照度 δS:余弦辐射体
图6-2 入瞳上的环元及光线

《光度学与色度学》课件

《光度学与色度学》课件
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。

《光度学与色度学》课件

《光度学与色度学》课件

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

光学第5章光度学和色度学

光学第5章光度学和色度学
以配出任何颜色，称为三基色。 2、红、绿、蓝不是唯一的三基色。
三种色，只要其中的每一种色都不能用其它两色配得 就可以组成三基色。
光学第5章光度学和色度学
实验发现：人眼的视觉响应取决于红、绿、蓝 三分量的代数和。
它们的比例决定了彩色视觉。 亮度在数量上等于三基色的总和。 由于人眼的这一特性，可在色度学中应用代数
2. 发光强度和光亮度 描述光源发光能力大小的物理量
发光强度: 点光源
点光源在某一方向上，在单位立体角内发出的光通量。 单位：坎德拉，光学基本量，七个基本单位之一。 单位：坎德拉：cd
光亮度: 有限尺寸发光体，面光源 表5-1
单位： cd/m2
面光源：实际光源、或实际光源的像、或漫反射 体(本身不发光，受光照后)
i1i2,d 1d 2
故：
d1 d
L1 L
L1 L 对于两透明介质表面，
1
故： L1 L
光学第5章光度学和色度学
对于折射光束： d' L'cois'd'dA d LcoisddA
dd1d' L'1Lnn'22
d'1d
光通过光学系统时的光能损失： 两透明介质界面上的反射损失 介质吸收 反射面的光能损失
设入射光的光亮度为L，由于在入射过程中，自 光源到入射面类似于元光管，故其亮度不变。
L d cosdAd
或：dLcoisdAd 入射的光通量
反、折射的光通量：
d1L1coi1dsA 1d d'L'coi'd s A 'd
L1, L' 分别是反、折射的光亮度 光学第5章光度学和色度学
对于反射光波，
光学第5章光度学和色度学

光度学与色度学基础

光度学与色度学基础
ρ(λ) 很高时 ) ，但辅助球制作比较困难，当材料层有一 定厚度时，辅助球和分光光度计一侧开口要有良好的 接缝是相当困难的，故主要用于计量部门测朗伯性能 好、反射比高的标准反射样品光谱反射比。
11.1.1 反射特性的测量
2、漫反射比的测量 (2)台劳法(垂直-漫射反射比ρ(0/d)) 测量装置由一台分光光度计和一个积分球组成反射计， 来自单色仪的单色光经摆动反射镜 OM ，形成两束交 替照射的光束。在某一反射镜位置上，光束照到反射 比ρ0的待测样品上的反射辐射通量为ρ0Φ，再由它漫射 到涂层反射比为ρ的积分球内。探测器D检测经样品漫 射的光，产生信号 V0 ；在另一反射镜位置，光束直接 照到积分球的球壁上，探测器 D 检测来自积分球本身 漫射的光，产生信号V。 k 0 图11-6 台劳法测光谱反射比的装置 V RE V0 RE 2 2 4 R 1 4R 1 其中，k是考虑到两种光束在积分球内反射情况不同而 引入的修正系数。
第十一章 辐射度、光度与色度的应用
1 材料特性的测量 探测器特性的测量
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3 光学系统中杂散光的分析与计算 4 5
辐射测温仪 卫星多光谱扫描系统 下页
11.1 材料特性的测量
研究范畴：材料的辐射度特性主要是指其反射特性、
透射特性、发射特性和吸收特性以及偏振特性、萤光 特性等，材料的辐射度特性可定量或半定量地确定材 料性质与成分的变化。 影响因素：材料的辐射特性除取决于其性质和成分外， 还受表面状况、温度、厚度等影响。在描述材料特性 时，一定要说明样品的状况以及测量的条件，否则描 述只能是概略的。 参比量：测量的参比量可是入射量，例如用测得的反 射、透射、发射、吸收量和入射量的比值来表示待测 材料相应特性。参比量也可是已知标准材料的辐射度 特性，通过比对测量，确定待测材料的辐射度特性， 例如在分光光度计上测量样品的反射和透射特性。

第一章光度学和色度学

第一章光度学和色度学

第1章 光度学和色度学
信号处理技术： • 第一代——模拟电视 • 第二代——数字处理电视 • 第三代——数字电视
电路工艺： • 第一代——电子管 • 第二代——晶体管 • 第三代——大规模集成电路
第1章 光度学和色度学
传输媒介： • 单一的地面微波 • 扩充到电缆、卫星、网络、无线移动
功能覆盖： • 单一的活动图像广播 • 扩充到数据广播、视频点播、收费电视、
第1章 光度学和色度学
绝对黑体能全部吸收外来的电磁辐射而无反射和透射。黑体 对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数为0。它被可 见光照射时因为没有反射光线而呈现黑色，故名。这是一种现 实中不存在的理想物体。通常近似地认为一个空腔表面的小孔 是黑体。
第1章 光度学和色度学
• 光源的辐射功率按波长的分布称为光谱功率分布。不同光源 有不同的光谱功率分布，国际照明委员会（简称CIE）规定了 一些光源。
第1章 光度学和色度学
当L<380nm和L>780nm时，V（L）＝0。这说明紫外线 和红外线的射功率再大，也不能引亮度感觉，所以红 外线和紫外线是不可见光。这也是自然选择的结果。 假如人眼对红外线也能反映，那么这种近似光雾的热 辐射将会成为人们观察外部世界的一种干扰。
第1章 光度学和色度学
2、光通量
立体电视、多视点视频等
第1章 光度学和色度学
电视技术的特点： • 快速发展 • 模拟、数字电视并存 • 各种制式群雄并起 • 各类设备争奇斗艳 • 多学科综合的、代表性的电子信息工程
（物理学、生理学、数学、电子电路、计算机、 信号处理、通信技术）
• 深入日常生活，可见可感 • 构思奇巧、实现精到 • 有助于实现知识的贯穿和系统概念的建立

第五章 光度学与色度学

第五章 光度学与色度学

二、面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度
设dAs代表光源的元发光面积，其在与之距离为r，面积为 dA平面上形成的照度为E：
d E dA LdAs cos 1 cos 2 r2
光源的 光亮度 发光面法 线与距离 方向夹角 受照面法 线与距离 方向夹角
表明面光源在与之距离为r的表面上形成的照度与光源的 亮度、面积及两表面的法线与r夹角的余弦成正比，与距 离r的平方成反比。
一、辐射量
①辐射能Qe：以电磁辐射形式发射、传输或接收的能 量称辐射能。单位为焦耳（J） ②辐（射能）通量Φ e：单位时间内发射、传输或接收 的辐射能。即 dQe e , 单位与功率相同,为w(瓦) dt
2
③辐出度Me：辐射源单位发射面积发出的辐通量。即： d e Me , 单位为瓦每平方米(W 2 ) m dA ④辐照度Ee：辐射照射面单位受照面积上接受的辐通量， d e 即： Ee , 单位为瓦每平方米(W 2 ) m dA ⑤辐射强度Ie：点辐射源向各方向发出辐射，在某一方 向，在元立体角dΩ内发出的辐通量dΦe 。即： d e Ie , 单位为瓦每球面度(W ) sr d ⑥ 辐亮度Le：元面积为dA的辐射面，在和表面法线N 成θ方向，在元立体角dΩ内发出的辐通量dΦe ，即： d e Le , 单位为瓦每球面度平方米(W 2) sr m cos dAd
780 380 780
K mV e d V e d Km
380
8
§5-2 光传播过程中光学量的变化
一、点光源在与之距离为r处的表面上形成的照度 设一点光源，其发光强度为I，在距光源为r处有一元面积 为dA的平面，其法线与r方向成θ角。则点光源S在dA面 上形成的照度为：

光度学和色度学基础

光度学和色度学基础

（5-9）
N dФv
发光面在θ方向 的发光强度
I
v

dv d
Lv

Iv
cos dA
（5-10）
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
dΩ
dA
θ
cosθdA
二、光学量
1、光通量 Фv 标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量称为光通量，
以字符Фv表示，单位：流[明]（lm）。
2、光出射度Mv 光源单位发光面积发出的光通量，以字符Mv表示。 单位：流[明]每平方米(lm/m2)。定义式：
M
v

dv dA
（5-6）
3、光照度Ev 单位受照面积接受的光通量，以字符Ev表示，单位 ：勒[克斯]（lx），1lx=1lm/m2。定义式：

e

dQe dt
（5-1）
3、辐[射]出[射]度Me 辐射源单位发射面积发出的辐通量定义为辐射源的
辐出度，以Me表示，单位：瓦[特]每平方米(W/m2)。
定义式：
M
e

de dA
（5-2）
4、辐[射]照度Ee
辐射照射面单位受照面积上接受的辐通量，以字符
Ee表示，单位：瓦[特Ee]每d平dA方e 米(W/m2)
四、光束经界面反射和折射后的亮度
入射光束：入射角i，立体角为 dΩ，在界面上的投射面积为dA， 亮度为L．则入射光的光通量为：

第一章 光度学和色度学ppt

第一章 光度学和色度学ppt

第1章 光度学和色度学 描述光源色相常用"色温",它源于绝对黑体加热在不同温度下有 不同的发光颜色,通常称该温度(用绝对温度K)为该光色的色 温."相关色温"指光色最接近黑体某温度之光色的色温值.相同 色温光源的相对功率谱不一定相同,即颜色具有同色异谱色.
我们知道,温度在绝对零度(-273°C)以上的物体都会有连 续的电磁辐射.但是不同的物体的辐射能量是不同的.为了衡量物 体的电磁辐射能量的大小,人们设定了一个标准——绝对黑体.绝 对黑体是指在任何温度下,对于各种波长的电磁辐射的吸收系数恒 等于1的物体.自然界并不存在绝对黑体.绝对黑体是一个理想化的 参考模型.在遥感热红外扫描仪系统中,装有高温黑体和低温黑体, 作为探测地物热辐射的参考源.实用的绝对黑体是由人工方法制成 的.一般说,物体的辐射能量与其表面温度有关,温度越高,辐射 能量越大.换句话说,物体的辐射能随其温度变化,辐射能的光谱 分布也随之变化
第1章 光度学和色度学
当l <380nm和l >780nm时,V(l )=0.这说明紫外线 和红外线的射功率再大,也不能引亮度感觉,所以红 外线和紫外线是不可见光.这也是自然选择的结果. 假如人眼对红外线也能反映,那么这种近似光雾的热 辐射将会成为人们观察外部世界的一种干扰.
第1章 光度学和色度学
第1章 光度学和色度学
课程回顾
第1章 光度学和色度学
光和物体的颜色 客观现实中物体的颜色
光源的颜色,直接取决于它的功率谱 ;物体的颜色不仅取决于它的反射特性 和透射特性,而且还与照射光源的功率谱有关
1,在白天 2,在夜晚 主观因素下的物体的颜色
不同的人对于同一功率谱的光的色感可能是不相同的.例如,对于用红砖建 造的房子,视觉正常的人看是红色,而有红色盲的人看是土黄色;同样,他 黄色.由于周围环境的影响,红色盲患者会把他看到的"土黄色" 看绿草坪是黄色 黄色 房子叫做"红色"房子;同样,把他看到的"黄色"草坪,叫做绿色草坪, 并认为他看到的"红色"与"绿色"和正常人一样.

光度学,色度学基础知识

光度学,色度学基础知识

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]

FPD第一章 光度学和色度学基础

FPD第一章 光度学和色度学基础

9 CIE色度图
单色光 光谱轨迹曲线
复合光
纯紫曲线 非光谱色光 轨迹
10 色坐标计算
例如 λ＝450nm的单色光，由表得: X＝x＝ 0.3362，Y＝y＝ 0.0330，Z＝z＝ 1.7121 则 x＝x/(x+y+z)＝0.1615 y＝y/(x+y+z)＝0.0159 z＝z/(x+y+z)＝0.8226 将可见光各波长的x、y值均在CIE 色度上画出，则可得所 有可见光的色坐标为一舌形曲线。自然界中任何一种可能 的颜色都在舌形及其下端连线之内，此范围外的点均为不 存在的颜色。一个光源的发光光谱I(λ)是已知的， 则发光 色度可用下面的方法计算： Ｘ＝ΣI(λ) x Ｙ＝ΣI(λ) y Ｚ＝ΣI(λ) z 再归一化。
第一章 光度学和色度学基础
１ 亮度
亮度：亮度是指发光体(反光体)表面发光(反光)强弱的物理量。 不仅与客观有关，而且与人的视觉有关，它是一个心理物理 量。 Pe()是辐射能量—客观物理量，V()是相对视见函数。人眼作为 光接收器，对各种波长的光的灵敏度不一样，只对可见光380 －780nm能感受，因而紫外光、红外光的辐射虽也是功率辐 射，但却亮度为零。人眼作为一个生理因素，随年龄，生理因 素而异。 亮度的单位是坎德拉/平方米(cd/m2)，旧单位也用尼特(nit) 。
16 色域与显示效果
左为50% NTSC，右为80% NTSC
17 LCD Backlight and Color Gamut
CFs, CCFL, LED CIE 1976 Chromaticity
CCFL
LED
400
450
500
550
600
650

FPD第一章光度学和色度学基础

FPD第一章光度学和色度学基础

亮度第一章光度学和色度学基础１亮度可见度２可见度3 光通量光通量是按人眼的光感觉来度量的辐射功率，用符号3相对视见函数视见函数3相对视见函数暗适应双重视觉论锥体细胞明视觉杆体细胞暗视觉４各种亮度的实例5颜色的基本特性什么是颜色视觉系统能感觉的波长范围为纯颜色用光的波长定义，称为光谱色用不同波长的光进行组合时可产生相同的颜色感觉显示器件的多色性可大大增加显示的信息和功能。

颜色是可以定量表示的。

5颜色的基本特性5颜色的基本特性颜色消色和彩色光谱色和混合色5颜色的基本特性CIE(国际照明委员会)表色体系孟塞尔表色体系色调、明度、饱和度6CIE 1931标准色度系统定量表示颜色的体系称为色坐标，发光的颜色可由色坐标中的点来表示。

6CIE 1931标准色度系统７三基色标准的光谱分布-光谱三刺激值８CIE 1931 标准色度观察者光谱三刺激值x y z x y z单色光复合光9CIE 色度图10 色坐标计算＝450nm的单色光，由表得x y zx x+y+zy x+y+zz x+y+z自然界中任何一种可能的颜色都在舌形及其下端连线之内，此范围外的点均为不存在的颜色。

xyz10 单色光色坐标计算x(λ)、y(λ) 、z(λ)x(λ)y(λ)z(λ)11色差椭圆图向各个方向的辐射线11恰可察觉色差椭圆图12主波长和色纯度颜色S 1的主波长颜色S 2的补色波长13等色调波长线和等饱和度线等色调波长线：等饱和度线14 电视的色域15 色域（Color Gamut）计算公式15 色域（Color Gamut）计算公式16 色域与显示效果40045050055060065070017LCD Backlightand Color Gamut CFs, CCFL, LED CIE 1976 Chromaticity CCFL LEDMost NB & LCD monitorsuse LED BLU R. Lu et al, Opt. Express 14, 6243 (2006)18 孟塞尔表色体系 用色调、饱和度和明色调用角度标定，红饱和度的深浅用半径明度用垂直轴表示采用色调Ｈ、明度Ｖ。

工程光学基础第5章光度学和色度学基础

工程光学基础第5章光度学和色度学基础

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

光度学与色度学 1 光度学基础

光度学与色度学 1 光度学基础

发光效率 102 lm/W 发光效率 54 lm/W 发光效率 95 lm/W

发光效率（luminous efficiency)：光源发出的光通量÷光源输入效率 发光效能（luminous efficacy)：系统发出的光通量÷系统输入效率 引申：对植物的光效……

2. 光度量：发光强度

一个电珠，光通量一样，装于手电筒后，“效果”不同
最常见物体的颜色给人们的记忆以深刻的印象这个颜色变成了印象的固定特征一切人们经验所知的东西都是通过记忆颜色的眼睛去观察颜色恒常性是与物体的物理属性以及记忆色有一定的关系
光度学与色度学 第一章 光度学基础
物理与光电工程学院
黄曦
1. 辐射度量

为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。

对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。
即人眼对不同波长的辐射产生光感觉的效率。
K ( ) e

光谱光视效率
2. 光度量：光通量

平均人眼是什么意思?
平均人脸(●’◡’●)
2. 光度量：发光强度

相同功率，不同光源发出的光通量不同：

400 W 高压钠灯 光通量 48000 lm 400 W 高压汞灯 光通量 21600 lm 400 W 金卤灯 光通量 38000 lm
3. 人眼视觉特性：人眼构造

思考：上帝的眼睛 VS 达尔文的眼睛

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科学知识 科学思维

3. 人眼视觉特性：黑白视觉特性

3.2.1 成像功能：自调焦的成像系统
3. 人眼视觉特性：黑白视觉特性
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电视信号的频谱在哪里？手机信号的频谱呢？
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
怎样比较两个物体哪个更亮？ 怎样比较两个光源哪个发光效率更高？
光度学 色度学
怎样定量的表述一个物体的颜色？ 怎么定量的区分鲜红色和暗红色的差异？
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
dφ I= dω
式中dΩ是点光源在某一方向上所 张的立体角元。如果I不随θ和φ而变 化（均匀发光体），则总光通量：
Φ=4πI
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
发光强度
一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，若在给定方向的 辐射强度为（1/683）W/sr，则光源在该方向上的发光强度为1cd。 可见，发光强度为1cd的点光源在单位立体角1sr内发出的光通量 为1lm，即：
光照度
一些实际情况下的光照度值（单位：lx） 场景 无月夜地面上 满月夜地面上 办公室桌面 晴朗的夏日在采光良好的室内 照度值 3×10-4 0.2 20～100 100～500
夏日太阳不直接照射的露天地面 1，000～10，000
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
光亮度
第二章 光度学与色度学基础
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
图像信息的重要性
图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得 的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。 科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75％来自视觉 系统，也就是从图像中获得的。例如照片、绘图、视频等等。
光照度
照度是表征受照面被照明程度的物理量，它可用落在受照物体 单位面积上的光通量数值来量度，如果照射在物体面元dσ上的光通 量为dΦ，则照度E可表达为：
E＝ dΦ/ dσ
照度的单位称为勒克斯（lx），它是1lm的光通量均匀分布在 1m2的表面上所产生的照度。
光出射度
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
光谱/频谱
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
图像是如何形成的？
用一个三维空间纺锤体形立体可以 把颜色的三种基本特性— 明度、色 调和饱和度全部表示出来。
颜色立体 →
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
图像是如何形成的？
比 更亮
与
色调不同
对于人而言，视觉是五种感知觉中最重要的一个
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
图像是如何形成的？
要看图像是如何形成的，还得先看看光是怎样产生的
电偶极子模型 经典电磁场理论把原子发光看作是原子内部过程形成的电偶极子的 辐射。原子由带正电的原于核和绕核运动的带负电的电子组成，在外界 能量的激发下，由于原子核和电子的剧烈运动和相互作用，原子的正电 中心和负电中心常不重合，且正负电中心的距离在不断地变化，因而形 成一个振荡电偶极子。
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
钨丝灯的相对光谱功率分布
钨丝灯发出的光中有很多是我们看不见的
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
图像是如何形成的？
视觉是外界光刺激作用于人的视觉神经而产生的主观 感觉。 电偶极子模型 视觉有三种特性，从描述视觉特性的心理物理量来 看，它们是亮度、主波长、纯度；从相应的心理量来 看，它们是明度、色度、饱和度。 亮度表示光的强度。物体表面或光源的亮度越高，人 感觉到的明度就越高。但二者的关系并不固定； 光谱是由不同波长的光组成的，不同波长所引起的不 同感觉就是色度； 亮度、颜色 纯色是指没有混入白色的窄带单色光，在视觉上就是 高饱和度的颜色。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩 色。当光谱色搀入白光成分越多时，就越不饱和。
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
发光效率
电光源发出的总光通量Φ与电光源的耗电功率P之比η，称为电光 源的发光效率。它是衡量电光源工作性能的重要指标。即
η = Φ/ P
＇ ＇ η表示电源每耗电1W所发出光通量的流明数。电光源的发光效 率都是不高的，这是因为输入光源的电功率不能全部转化为电磁辐射 通量，而电磁辐射通量中又只有一部分落在可见光区的缘故。
光亮度远小光源到观 察点距离，即发光体实际线度大小可以 略去不计时，点光源才有意义。 对于实际的扩展光源来说，应该把 它的表面分成无数面元，同时分出这样 的一个光束：它从某一面元dS出发，包 围在一个立体角dΩ内，这光束的轴线与 dS的法线N成一个角度θ。
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
图像是如何形成的？
P
电偶极子模型
光谱/频谱
f
光谱/频谱
光就是电磁波，电磁波的频谱对于光而言就是光谱
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
太阳在大气层外和在海平面形成的光谱密度函数曲线
太阳光虽然很“ ，但并不“ 白” 纯洁”
1lm到底是多少呢？教室里的总光通量大约是多少？
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
光通量
光源类型 40W钨丝灯 40W荧光灯 250W卤钨灯 200W高压汞灯 500W氙灯 光通量（lm） 500 2000 7500 12000 25000
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
比
饱和度更高
总之，特定的光谱将让人感受到不同的亮度和颜色，于 是感受到五彩缤纷的世界
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
人眼如何看到图像？
视网膜上的像是倒立的吗？
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
人眼如何看到图像？
晶状体
视网膜
视网膜成像－功能强大的成像系统 快速无极变焦，自动光圈调整，光轴可变，环境亮度自 适应．．．．一个功能很强大的成像系统
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。为了研究客观的辐射通量与它们在人 眼所引起的主观感觉强度之间的关系，首先必须了解眼睛对各种不同波 长的视觉灵敏度。 人眼对黄绿色光最灵敏；对红色和紫色光较差；而对红外光和紫外 光，则无视觉反应。在引起强度相等的视觉情况下，若所需的某一单色 光的辐射通量愈小，则说明人眼对该单色光的视觉灵敏度愈高。
1lm＝1cd×sr
发光强度的单位是坎德拉（cd），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。
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
发光强度
LED发光强度空间分布图
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
想想日光灯和钨丝灯谁的发光效率高？
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
发光效率
光源类型 钨丝灯 卤钨灯 荧光灯 高压汞灯 发光效率（lm/W） 10～20 30 30～60 60～70
光电子科学与工程学院
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
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：
辐射通量－物体能量辐射能力的量度
设光源表面S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。单位为瓦特。 由于光源的辐射由不同波长的光组成，不同波长的光在其中所占 的相对数值又是不同的。设P (λ)是辐通量随波长变化的函数，它就是 在单位时间内某一波长附近的单位波长间 隔内的辐射能量，它又称谱辐射通量密度。 于是，从面积元dS发出的各种波长的 光的总辐射通量为：
光电子科学与工程学院
高分辨率的传感器
光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
人眼的特性
１． 人眼具有很大的亮度适应范围 （最低１０－１９ｌｘ，最高１１０ｌｘ） 这样大的亮度适应范围，仅靠瞳孔的调节是远远不够的（瞳孔调节 只能使进入眼球内的光通量改变大约２０倍），还需要杆细胞和锥细 胞的转换来实现的，但这需要大约３０分钟的时间完成完全转换。 ２． 人眼具有较小的亮度分辨能力，一般小于６４级 ３． 人眼有较强的亮度变化鉴别能力 ４． 人眼具有马赫效应 ５． 人眼具有“同时对比度”现象 ６． 人眼具有“互补色”现象（视觉上称为对比） ７． 人的视觉感受不仅受实际物体的视觉特征影响，还取决于观察物体 的环境和背景，以及观察者所具备的先验知识
光通量与辐通量之间的关系
实验测量和理论分析表明，波长为0.555um的单色辐射，1W辐通 量等于683lm的光通量。对于其它波长的单色光，1W辐通量引起的光 刺激值都小于683lm，它们的数值关系就是光谱光视效率/视见函数。
φ = 683∫ P (λ )V (λ )dλ
φ 683∫ P (λ )V (λ ) dλ = P ∫ P ( λ ) dλ
光通量
引入视见函数V(λ)后，就可以研究光通量，它表示光源表面的客 观辐射通量对人眼引起的视觉强度，以Φ表示，它等于辐射通量与视 见函数的乘积。在某一波长λ附近对于波长间隔为dλ的单色光来讲， 其光通量为：
φ = ∫ P(λ )V (λ ) dλ
光通量和辐射通量具有相同的量纲，但在国际单位制中，辐射通 量的单位为瓦，而光通量的单位为流明（lumen）。