光的本质 复旦大学ppt课件.ppt

1. 光 1.1 光的本质1.2 光的产生和传播1.3 人眼的光谱灵敏度1.4 光度学及其参数2. 视觉2.1 作为光学系统的人眼2.2 视觉的特征与功能3. 颜色3.1 颜色性质3.2 国际照明委员会色度学系统3.3 色度学及其参数,第一讲 光 视觉 颜色,1.1光的本质 波粒二重性。 光的波动性，是指光是一种电磁波。光是电磁波辐射的一部分，而可见光仅指380nm-780nm。如下图1-1,第一讲 光 视觉 颜色,第一讲 光 视觉 颜色,光的微粒性就是指光束是微粒流，这些微粒就是光子。光子的运动速度就是光速。不同波长的光，具有不同的能量，即由不同能量的光子组成。光子具有的能量E正比于光的频率: E=hv （1-1）,第一讲 光 视觉 颜色,光子所具有的能量hv是频率为v的光所具有的能量的最小单位，不能再分割了，故光子又称光量子。 在光和其他物质相互作用时，能量的交换是按 的形式一份一份地进行的，即能量是不连续的。,1.2 光的产生和传播 一、光的产生 光按两种方式产生，即温度辐射和发光。 温度辐射又称热辐射。在某一温度下，作为最大温度辐射的物体，称为黑体，这种辐射即是黑体辐射。黑体辐射的能量分布曲线E（）可由普朗克公式描述为：,第一讲 光 视觉 颜色,式中， 为波长（m）；h为普朗克常数（ J/s）；c是真空中光速（m/s）；k为波耳兹曼常数（J/k）；T是绝对温度（k）,（1-2）,第一讲 光 视觉 颜色,图1-2 不同温度黑体辐射能量分布,第一讲 光 视觉 颜色,图1-3 黑体（点虚线）及钨丝发热体（短虚线）在3000k时的光谱,发光就是其他任何种类能量变换成光能的过程。按激发方式不同可分为如下几类：生物发光 ：萤火虫、发光细菌等的生物发光。化学反应： 由化学反应直接引起的发光，如黄磷自然发光。光致发光： 由光、紫外光等激发而引起的发光，如荧光灯。 阴板射线发光： 由电子束激发荧光物质发光，如CRT。燃烧发光： 碱金属和碱土金属及其盐类在火中发出特有的光，又称焰色反应，如钠离子的黄光。电致发光：气体或伴随气体放电而发光，如霓虹灯。加电场于硫化锌等粉末产生发光，如场致发光板。-族半导体P-N结注入载流子即LED。小分子或聚合物有机物半导体P-N结发光即OLED。激发是一个能量转移过程，发射光的波长决定于能量差,第一讲 光 视觉 颜色,（1-3）,二 、 光的传播 光在真空中以3108m/s的速度沿直线传播。,第一讲 光 视觉 颜色,当通过某种媒质时，例如玻璃，其传播速度就会减少。光在真空中的速度和在媒质中的速度的比值就称为该媒质的折射率。（1）光的反射 1）镜面反射 又称规则反射，在光滑的界面上产生的反射。入射光、反射光、法线都在同一平面上，入射角等于反射角。 2）散反射 当光线入射到经散射处理的铝板或毛面白漆涂层时，反射光向各个不同方向散开，但总的方向是一致的。如图1-4 3）漫反射 光线从某一个方面入射到粗糙表面时，被分散到许多方向，附合朗伯余弦定律,如图1-5,4）混合反射 当光线入射到瓷釉或高光泽漆层上，规则反射和漫反射兼有，称其为混合反射。,第一讲 光 视觉 颜色,图1-4 散反射,图1-5 漫反射,（2）光的折射 1) 折射 如果入射光线处在折射率为n1的媒质中，且和法线的夹角是 ，折射光线处在折射率为n2的媒质中，且和法线的夹角是 ，则斯涅尔（snall）定律为,第一讲 光 视觉 颜色,（1-4）,2）全反射 当光线从高折射率媒质进入到低折射率媒质，例如从玻璃到空气时，只有当入射角 小于临界角 时，才会有折射线（见图1-6），其临界角即相应于上式中 。例如，对折射率为1.5的玻璃，其临界角为 ，如果光的入射角 大于临界角，那就没有折射光线，入射光线全被反射了。,第一讲 光 视觉 颜色,图1-6 全反射,（3）光的透射 1）规则透射 当光照到透明材料上时，透射光符合斯涅尔定律。对平行材料方向相同，略有偏移，对非平行线材料如棱镜，则因折射改变方向。 2）散透射 光线穿过透射材料如磨砂玻璃时，在透射方向上的发光强度较大，而其他方向较小，亦称定向扩散透射。如图1-7 。 3）漫透射 光线照到散射性好的透射材料上时，如乳白玻璃等，透射光服从朗伯定律，发光强度按余弦分布，如图1-8 。 4）混合透射 光线照到透射材料上，其透射特性介于规则透射与漫透射（或散透射）之间的情况，称混合透射。,第一讲 光 视觉 颜色,第一讲 光 视觉 颜色,图1-7 散透射,图1-8 漫透射,（4）光的吸收 吸收是由于光能转换成能量的其他形态时引起的。如果媒质是均匀的，则一定波长的平行光束穿过时，光强的损失按指数衰减：,第一讲 光 视觉 颜色,（1-5）,式中，I0为光束的初始光强；I为光束在媒质中通过x距离后的光强，a为和波长有关的材料吸收率。,1.3 人眼的光谱灵敏度 人眼在可见光范围内的视觉灵敏度是不相同的，如图1-9，另外，它还随环境亮度的改变而变化。图中右面曲线是明视觉（B10cd/m2）条件下的灵敏度曲线，左面曲线是暗视觉（B10-3cd/m2）条件下的灵敏度曲线，相对视见度数值可查相应的表。,第一讲 光 视觉 颜色,第一讲 光 视觉 颜色,图1-9 人眼的相对光谱灵敏度,一、明视觉 在明视觉亮度条件下，最大的视觉响应在555nm处，视见度峰值达6801m/w，于1924年得到国际公认的。在明视觉条件下，正常人的眼睛都能感受到颜色。二、暗视觉 在暗视觉亮度条件下，最大的视觉响应在507nm处，蓝移了48nm，且峰值升至1725m/w，达到2.54倍。在暗视觉条件下，世界是无色的。三、中间视觉 位于明、暗视觉亮度条件之间的都是中间视觉亮度条件，且具有从明到暗峰值不断升高，而同时向短波长方向移动的特点。从图1-9上看则应是二条曲线之间的一系列曲线。,第一讲 光 视觉 颜色,1.4 光度学参数 辐射度学量是物理量。光度学的量还与人眼的视见度有关，所以是生物物理量。二者之间差一个视见度K值。,第一讲 光 视觉 颜色,表1-1 辐射度学和光度学参数的对应关系,2. 视觉 2.1 作为光学系统的人眼,第一讲 光 视觉 颜色,图1-10 人眼的剖面图,人眼的工作状态像一架照相机，把倒像投射到视网膜上的透镜是有弹性的，焦距由睫状肌控制，起调节作用。透镜的孔径即瞳孔的大小由虹膜控制，像自动照相机一样，在低照度下瞳孔变大，而在高照度下，瞳孔孔径缩小。,第一讲 光 视觉 颜色,视网膜 当光线通过透镜会聚到视网膜背面的感受细胞时，视觉过程就开始了，感受细胞根据其形状分成柱状细胞和锥形细胞，见图1-11.,第一讲 光 视觉 颜色,图1-11 视网膜结构,柱状细胞比锥形细胞的光敏感性更强，所以对暗视觉起重要作用。锥形细胞可以分红、绿、蓝三种不同颜色产生响应的种类，因此明视觉条件下能分辨出颜色。,第一讲 光 视觉 颜色,2.2 视觉的特征与功能 一、视觉适应 人眼对环境明暗的适应有两种：一种称为明适应，是指人从黑暗环境到明亮环境对眼睛的视觉适应，这一适应过程包括瞳孔的缩小和由柱状细胞向锥状细胞的过渡；另一种是暗适应，是指人从明亮环境到黑暗环境对眼睛的视觉适应，此过程是由瞳孔的放大和由锥状细胞向柱状细胞的过渡来完成。如图1-12所示，明适应时间较短，通常仅10-3至数秒，2分已完全适应；暗适应时间较长，完全适应的时间长达20分1小时，具体由环境的亮度差异而定。,第一讲 光 视觉 颜色,第一讲 光 视觉 颜色,图1-12 视觉适应,二、视觉阈限 能引起光感觉的最低限度的光量（光通量）称为是视觉的绝对阈限。人眼的视觉阈限与空间和时间因素有关。对于范围不超过1，呈现时间不超过0.1s的短暂刺激，视觉阈值亮度值遵守里科(Ricco)定律（即亮度面积=常数）和邦森-罗斯科（Bunsen-Roscoe）定律（即亮度时间=常数）。作用时间超过0.2秒时，视觉阈限就与时间无关了。三、对比定律 眼睛的辨别能力与亮度反差即对比度C有密切关系。 式中，It为光源亮度，Ib为背景亮度。最小视觉对比在照明工程中十分重要，对比度太小则无法看清细节。一般C的最小值取10.,第一讲 光 视觉 颜色,四、眩光 眩光是对过高亮度的一种感受，常常与过分的对比相伴在一起。它以两种不同的效果同时发生或分开发生。即失能眩光和不舒适眩光。 失能眩光是指过亮照明会使眼睛的视觉反馈系统的精细调节控制系统失去平衡，还会使视网膜像的边缘出现模糊，从而妨碍了对附近物体的观察，这些效应统称为失能眩光。如晚上骑自行车，看到迎面而来开起前照灯的汽车，眼前一下看不到任何东西，也叫生理眩光。 不舒服眩光是指眩光源即使不降低观察者的视觉功能，也会造成分散注意力的效果或造成心理烦躁，如有的图书馆照度太高，反而不愿意去，这也叫心理眩光。,第一讲 光 视觉 颜色,3.颜色 3.1颜色的性质 三原色理论认为，人眼的视网膜是由三种不同感色物质组成的，相应的响应分别对应于蓝光、绿光和红光的特定波长。人们所感觉到的彩色都是这三种感色物质不同程度的刺激所合成的。任何颜色的光都是由上述三种原色合成的。 C=XR+YG+ZB (1-7) X、Y、Z 就是某一个颜色C的3个分量，采用归一化的办法消去其中一个非独立变量而引入2个新变量。 x=X(X+Y+Z) y=Y(X+Y+Z) (1-8) z=Z(X+Y+Z) x+y+z=1 (1-9) 只要确定x和y、z即可由式(1-9)求得，因此颜色就可按图1-13所示的二维图形的某一点来确定，这就是1931年CIE规定的色度图，又可称舌形曲线或马蹄形曲线。x、y称色度坐标值。,第一讲 光 视觉 颜色,第一讲 光 视觉 颜色,3.2 国际照明委员会色度学系统,图1-13 CIE（1931）色度图,第一讲 光 视觉 颜色,CIE（1931）色度图（彩色）,国际照明委员会还规定了三原色标准， ，其光谱分布曲线如图1-14。各单色的三色视觉值可查表。,第一讲 光 视觉 颜色,图1-14 三原色标准的光谱分布,3.3色度学及其参数一、 光谱分布曲线 由光谱分布曲线可得到峰值波长，光谱辐射带宽。二、 纯度和主波长可在色度图上求得。某光的色坐标点F，其纯度定义为自白点W向F作一直线，与单色光轴相交于G，则F的纯度,第一讲 光 视觉 颜色,(1-10),F点的纯度为75%，相应G点纯度为100%。定义G点处的波长为光源F的主波长D,三、x、y值为色坐标，也称色表四、色温和相关色温 光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度Tc为光源的色温，用绝对温度K表示。当相近时，黑体温度就称为该光源的相关温度。图1-15中的黑线即黑体（又称完全辐射）轨迹线，与轨迹线垂直的等温线上都具有相同的相关色温，如图1-15.,第一讲 光 视觉 颜色,第一讲 光 视觉 颜色,图1-15 有完全辐射体色度轨迹、等温线和昼光照明体色度轨迹的国际照明委员会（u，v）色度图,五、显色指数 表明光源发射的光对被照射物颜色正确反应的量，称为显色指数。以Ra表示，它是光源对8个色样显色指数的算术平均值 （1-11） Ri是光源对8个色样中任何一种的显色指数，由下式计算得到 （1-12） 式中Ei为色样在被侧光源与参照光源下该样品的色差。,第一讲 光 视觉 颜色,思考题：1. 何谓明视觉、暗视觉、中间视觉？2. 什么叫全反射，如何引起的？3. 用CIE(1931)色度解释：色纯度、主波长、色温。4. 眩光产生的原因是什么?有哪二种？,第一讲 光 视觉 颜色,