第五章光度学和色度学基础课件.ppt

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1、Applied Optics,应用光学,授课教师：曹益平 办公地点：基教A-119 联系电话：85463879,第5章 光度学与色度学基础,辐射量和光学量及其单位光传播过程中光学量的变化规律成像系统像面的光照度颜色的分类及颜色的表现特征颜色混合及格拉斯曼颜色混合定律颜色匹配色度学中的几个概念颜色相加原理及光源色和物体色的三刺激值CIE标准色度学系统均匀颜色空间及色差公式,本章重点,光度学相关概念及量纲成像系统像面的光照度光能损失格拉斯曼颜色混合定律,辐射量和光学量及其单位,辐射量,1、辐射能Qe,一次辐射源：本身能辐射电磁能量的物体。,二次辐射源：受别的辐射源照射后透射或反射能 量的物体。,统

2、称为辐射体，它可以是实物，也可以是实物所成的像。,以电磁辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。,单位是焦耳(J)，用Qe来表示。,辐射量,2、辐（射能）通量e,是指辐射体发出或通过一定接收截面的辐射能，即单位时间里流过一定面积的能量。,与功率单位相同单位是瓦(w)，用e 来表示。,辐射量,3、辐（射）出（射）度Me,是指辐射体单位面积发出的辐通量。,单位是瓦每平方米(w/m2)，用Me 来表示。,辐射量,4、辐（射）照度Ee,是指辐射照射面单位面积上接收的辐通量。,单位是瓦每平方米(w/m2)，用Ee 来表示。,辐射量,5、辐（射）强度Ie,是指点辐射源向某一方向辐射时在一定元立体角内发出

3、的辐通量。,单位是瓦每球面度(w/sr)，用Ie 来表示。,辐射量,6、辐（射）亮度Le,是指具有有限尺寸的辐射体的辐通量分布，如图所示，元面积为dA的辐射面，在和表面法线N成角方向，在元立体角d内发出的辐通量为de，则辐亮度定义为：,单位是瓦每球面角平方米(w/srm2)，用Le 来表示。,整个球面的面积为 ，因此整个空间范围内的立体角为,在讨论光学系统及照明问题时，通常用平面角U表示，但有关光能的计算要用立体角表示立体空间，因此需由已知平面角求立体角。,一个单位立体角ds/r2(Sr),光学量,1、光通量v,是标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。,单位是流明(lm)，用v 来表示。,光通量

4、反映了光源所发出的光辐射能引起人眼刺激的能力有多大。,描述一个光源发出可见光的效率表示为：,光学量,2、光出射度Mv,是指光源单位面积发出的光通量。,单位是流明每平方米(lm/m2)，用Mv 来表示。,光学量,3、光照度Ev,是指单位受照面积上接受的光通量。,单位是勒克斯(lx)=1流明每平方米(lm/m2)，用Ev 来表示。,光学量,4、发光强度Iv,是指点光源向某一方向辐射时在一定元立体角内发出的光通量。,单位是坎德拉(cd)，用Iv 来表示。,光学量,5、光亮度Lv,是指具有有限尺寸的光源发出的光在空间分布的情况，如图所示，发光面元面积为dA，在和发光面法线N成角方向，在元立体角d内发出

5、的光通量为dv，则光亮度定义为：,单位是坎德拉每平方米(cd/m2)，用Lv 来表示。,光学量,5、光亮度Lv,一频率为5.401014赫的单色辐射，若在给定方向上的辐射强度为1683WSr-1，则光源在该方向上的发光强度为1cd,亮度与发光强度间的关系,亮度在数值上等于单位面积在其法线方向上的发光强度。,光学量和辐射量间的关系,1、光谱光效率函数,人眼对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数，即称为光谱光效率函数,又称为视见函数，用V()表示。,明视条件下V(),暗视条件下V(),光学量和辐射量间的关系,2、光学量与辐射量间的关系,光谱光效率函数的意义：把能量的物理量转化成光的物理量。,明视觉：

6、,暗视觉：,1流明的0.555um的单色光通量等于1/683瓦的辐通量。,1流明的0.507um的单色光通量等于1/1755瓦的辐通量。,光传播过程中光学量的变化规律,点光源在与之距离为r处的表面上形成的照度,设光源的发光强度为I，则物体表面的照度是,该公式称为照度的平方反比律。,面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度,由dA0发出并照射在dA 上的光通量为,r,2,1,dA0,dA,o2,o1,面光源在O2点产生的照度为,面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度,上式表明，一微小面光源照射一微面积元时，微面元的照度与面光源的光亮度和光源面积的大小成正比，与距离r的平方成反比，并与两面元法线

7、和光束方向的夹角小 1、2的余弦成正比。,单一介质元光管内光亮度的传递,由面元dA1发出并经元光管传到为dA2面上的光通量为,由光路可逆，dA2面元发出并经元光管传到为dA1面上的光通量为,如果光能在元光管中无损失，即 ，则,即光能在同一均匀介质的元光管中传递时，如果无光能损失，则在传播方向上的光亮度传递不变，任一截面上的亮度相等。,光束经界面反射和折射后的亮度,当光束位于同一介质中时，即 ，这就是前面的结论。,反射可以看成折射的特例，即 ，代入得,由此可以看到，光束在均匀介质中的传播或在两种介质分界面上的反射，亮度变化都可以看成折射的特例，因此可以写成一下普遍地关系：,式中L0称为折合亮度。

8、,如果不考虑光束在传播过程中的光能损失，位于同一条光线上的所有各点，在该光线的传播方向上折合亮度不变。,在近轴区理想成像时，如不考虑光能损失，由物点发出的光线均通过像点，因此物和像的亮度之间满足,若物像空间介质的折射率相同，则,在实际光学系统中，必须考虑光能损失，则,余弦辐射体,若发光体在各个方向上的亮度相同，假定面积元dA在其法线方向上的发光强度为 I0，根据亮度公式,一个亮度相等的发光面在某个方向的发光强度I就等于垂直方向上的发光强度IN乘以方向余弦。这就是发光强度的余弦定律，亦称朗伯定律。这样的面称为朗伯发射面或余弦发射面，有时也叫均匀漫射体或余弦发射体。,余弦辐射体,设余弦辐射体在和法

9、线成任意角度方向的亮度为L,则根据亮度公式,余弦体各个方向上的亮度相等。,余弦辐射体,余弦辐射体向孔径角为U的立体角范围发出的光通量为,亮度在面光源中所起的作用与发光强度在点光源中的作用相似，是决定进入光学系统的光通量的重要指标。,若取 ，即可得到面积元dA向上半空间内辐射出的光通量,余弦辐射体的光出射度为,成像系统像面的光照度,轴上像点的光照度,射向入瞳的总光通量为：,利用光路的可逆性，由出瞳的出射光照射像面元dA，可以看成像面元照射出瞳，于是从出瞳射到像面上的面积元dA上的光通量为,式中 为像面 的亮度， 为像方最大孔径角。,如果从物面到像面的能量传递过程中，有光能损失，设透光比则,对于照

10、相系统,共轴系统中垂直于光轴的微小线段理想成像时，应满足正弦条件，即 ，故得：,轴外像点的光照度,同理得：,可得：,光通过光学系统时的能量损失,1、光在两透明介质界面上的反射损失,当入射角不太大(45)时，光在一个抛光面上透射时的反射损失可近似表为,称为该界面的透过率,反射率与光线的走向无关，仅和两介质的折射率有关，且两折射之差越大，反射率也越大 。,光通过光学系统时的能量损失,有 个折射面的出射光通量的计算,若各面是直接与空气接触，透过率为 ，上式可以写为：,为了减小损失，常在与空气接触的表面上镀一层增透膜。此时的反射率降到0.020.01以下，即K0.980.9920个镀膜面的透过率可提高

11、到 ，反射损失下降到0.18,透过率,2、介质吸收造成的光能损失,当光束通过光学材料时，一部分光能被吸收，材料中的杂质、气泡等会使光束散射，故光束通过光学材料将有吸收损失和散射损失。,设 为吸收率，则 为透过率。当光束通过厚度为dcm的玻璃时，其透过率为 。,透射面的反射损失，透过率为,反射面的吸收损失，反射率为,材料的内部吸收损失，透过率为,3、反射面的光能损失,镀金属层的反射面不能把入射光通量全部反射，而要吸收其中一部分。设每一面的反射率为 ，设反射面的数目为 ，则经反射后的出设光通量为,如银的反射率约为0.95，铝的反射率约为0.85,颜色的分类及颜色的表观特征,人眼的颜色感觉是颜色现象

12、的生理基础。,不同波长的可见光是颜色现象的物理基础。,通常把光所引起的颜色感觉，称为光的颜色，单一波长的颜色称为光谱色。,光源色： 颜色和所辐射的各种光谱成分有关的自发光物体的颜色。,物体色：对于自身不发光的物体，外来辐射被物体调制(吸收、透射、反射等)后所产生的颜色。,光源的光谱辐射特性决定了光源色的特性，照明光源的光谱特性和被照物自身的吸收和反射特性决定了物体的颜色特性。,颜色的分类和特征,1、颜色的分类,颜色可分为非彩色和彩色两大类。非彩色是白色，黑色，灰色所组成的颜色系列，它没有主波长或色调，纯度或饱和度为零，而只有亮度或明度的变化。彩色是指白和黑的非彩色系列以外的所有颜色。,颜色的分

13、类和特征,2、颜色的特征,描述客观刺激的概念叫心理物理学概念，颜色的三特征是亮度、主波长和纯度。,描述观察者感觉的概念叫心理学概念，颜色的三特征是明度、色调和饱和度。,主波长与色调相对应，不同波长引起的不同颜色感觉就是色调。正常人眼能分辨光谱上的不同色调达100种以上。,亮度用来描述颜色的明亮程度；明度是指人眼对颜色明亮程度的感觉.,颜色纯度与饱和度相对应，光谱色是最纯的单色刺激，光谱色成分为零的白色是最不纯的颜色，在视觉上其饱和度为零。,根据颜色的三种特征可以区别一种颜色与另一种颜色，三者中只要有一个不同，便会有不同的颜色感觉。,颜色混合及格拉斯曼颜色混合定律,颜色混合,颜色可以相互混合，颜

14、色混合可以是颜色光(色光)的混合，也可以是染料的混合。色光混合称为颜色相加混合或加色混合；染料混合称为颜色相减混合或减色混合。,将几种颜色光同时刺激人的视觉器官，便产生了不同于原来颜色的新的颜色感觉，这就是相加混合方法(或称加色法)；对一种染料来说，它要反射某些光波而吸收其它光波，因而染料混合而产生的颜色依赖于染料所反射的光谱成分。,颜色光的相加混合,黄色染料反射黄色(即反射红、绿色)，而吸收蓝色,颜色相减混合,青色染料反射青色(即反射蓝、绿色)，而吸收红色,黄色与青色染料混合时，二者都共同反射绿色，而被吸收，所以混合的结果是绿色。因此，染料混合是对光谱颜色的双重减法。,格拉斯曼定律,1853

15、年，格拉斯曼总结出色光混合的定性规律，称为格拉斯曼定律，格拉斯曼定律如下：,(1)人的视觉只能分辨颜色的三种变化(明度,色调,饱和度),(2)两成混合色中，若一成分连续变化，混合色的外貌也连续地变化。由这一定律又导出两个定律：,补色律:每种颜色都有一个相应的补色，如果某一颜色与其补色以适当比例混合，便产生白色或灰色；如果二者按其它比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。,中间色律:任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调决定于两颜色的相对数量，其饱和度决定于二者在色调顺序上的远近。,代替律 若 颜色A颜色B，颜色C颜色D， 则 颜色A+颜色C颜色B+颜色D代替律表明，只要感觉上颜色是相似的，便可互相代替,(3)颜色相同的光(明度、色调、饱和度相同)，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。,(4)混合色的总亮度等于组成混合色的各色光亮度的总和。,本章结束 谢谢大家,