第二章 光学原理.docx

§2.2光度学和色度学（一）2006/10/9 19:04:08 浏览量：酸 32602.2光度学和色度学221光度学光度学是光学中研究光在发射、传播、吸收和散射等过程中光量的问题的学科研究各种光量，如光强、光通量、照度、亮度等的定义及其单位的选定，以 及同其他物理量之间的关系，并研究光量测量仪器的设计、制造及测量的方法简单介绍一些基本概念和参量一、光谱光效率函数人眼在可见光谱范围内的视觉灵敏度是不均匀的，随波长的变化而变化（图2.2.1）光谱光效率就是用来评价人眼的视觉灵敏度的图2.2J 光渚光效率曲线用来度量辐射所能引起的视觉能力的量称为光谱光效能明视觉时，人眼对波长为555nm的黄绿光感受效率最高，称为峰值波长入m对中心波长为555m的非常狭窄的波带范围内的光谱辐射通量而言,其光效能是683lm/W,用Km表示其他任何波带辐射通量的光效能K（入）都小于Km,其比值称为光谱光效率，用V(A )表示，即V(A )=K(入)/Km (2.21)所以，当波长在峰值波长入m时河 m)=1,在其他波长时,V(入)<1.二、常用的光度量用来度量辐射所能引起的视觉能力的量称为光谱光效能明视觉时，人眼对波长为555m的黄绿光感 受效率最高，称为峰值波长AIM对中心波长为555m的非常狭窄的波带范围内的光谱辐射通量而 言，其光效能是683lm矶7,用km表示。

其他任何波带辐射通量的光效能K(A)都小于km,其比 值称为光谱光效率，用V(A)表示，即VU)=K(A)/km(2.21)所以，当波长在峰值波长Am时，V(Am) =1,在其他波长时，V(入)<10二、常用的光度量1. 光通量光通量是指单位时间内光辐射能量的大小，单位是流明(lm)光通量可表述为辐射体发出的辐射通量按V(A)曲线的效率被人眼所接受因此，若辐射体的光谱辐射通量为①e入则光通量表达式为①=Km J 780,380中 e入• V (入)d (入)式中：Km ——最大光谱光效能，683lx/W;-明视觉光谱光效率；•光谱辐射通量，即在给定波长的附近元限小的范围内， 即以lm为单位的光通量与以W为单位V (入)^ e入由辐射光效能的定义，K =中 v/中 e[lm/W]W的光源而言，用n v表示的光交对于一个总输入功率为n v=0 v/W[lm/W]对于光源的辐射而言，2. 照度和光出度照度是指受照表面单位面积所接收的光通量射通量之比，可得表达式(2.23)位时间内发出辐射能量的平均克斯(lx) 1lx=1lm/m，取受照表面微小面积元dA,设入射光通为d0 ,则照度E为(2.24)和总是小于K的。

因为除了辐射以外，输入功率总有一部分要以其他的形式被消耗/dAE=d(2.25)光出度是指光源单位表面发出的光通单位是im/m20取光源发光表面一微小面积元dA ,若它发出的光通量为d^则此发光表面元的光出度M为M=d0 /dA (2.26)光出度和照度具有相同的量纲'，y其区别在于光出度表示发光体发出的光通量的表面密度，而照度则表示被照物体所接收到的光通量的表面密度光出度为：E3.光强/M =p EM=t E对于受照后成为面光源的表反射发光透射发光(2.27)(2.28)式中:P ——被，照面的反射系数；t后产生的照度光强是指光源在给定方向的单位立体角中发出的光通量单位是坎德拉(cd)lcd=llm/sr如图2.2.2所示，点光源、S在各个方向发出光通量，照亮了平面P设平面P上面积元d4截 取得光通量为d^圈面积丞a对光源所张的立体而藏借则光源在此给定方向上的光强为I=d^ /dw (2.29)1979年，国际计量大会通过坎德拉定义为：一个光源发出频率为540 X 1012险的单色辐射(对应于空气中波长为550am的单色辐射)，若在一 定方向上的辐射强度为1/683W/sr,则光源在该方向上的光强为1cd。

点光源在距离光源为r的平面上的照度由式(2.25)和式(2.29)消去d中得E=Idw /dA (2.30)由图2-12可知dw =dAcos0 /r2代入得E=Icos0 /r2 (2.31)此式为点光源照度的平方反比余弦定律，在照明计算中常被用到对于一个理想的漫射发光体，其光强将按余弦分布1 0 =Iocos0 (2.32)4.亮度当光源的大小与它到观察点之间的距离相比不是很小时，人们称该光源为广光源此时，不能直接应用光强的概念，但可把一个广光源看作时许多面积元dA的点光源的集 合，并引入亮度的概念亮度是指广光源单位发光表面，在给定方向上，单位立体角内发出的光通量单位是尼特(nt)1nt=1cd/m2=11m/(m* sr)如图2.2.3所示，在一个广光源上取面积元dA，从与法线成角0的方向观察，在这个方向上的光强I0与人眼所“见到”的光源面积dA'之比，即为光源在该方向上的亮度L0 二 I0 /dA =I0 /(dAcos0 ) (2.33)对于一个理想漫射发光体，将式(2.32)代入亮度表达式得L0 =Iocos0 /(dAcosQ )=Io/dA =Lo即表明，此时亮度Lo与方向元关，为常数Lo.对于完全漫射表面，光出度M与亮度L的关系为M=n L (2.35)1. 视觉分类在亮度超过10cd/m，的环境里，视觉完会由锥状感受细胞起作用，最大的视觉响应在光谱蓝绿区间中的555nm处。

此时，人眼为明视觉若再增加亮 度，眼睛的反应不受影响通常所说的光谱光效率是指明视觉的光谱光效率V(A)当环境亮度在106cd/m2~10-2cd/m2之间时，人眼光谱光效率曲线的峰值要向波长较短的方向移动，属于暗视觉范围暗视觉光谱光效率曲线 V’(入)的峰值约在507mo此时，主要有柱状感受细胞起作用当景物的亮度增加到10-2cd/m2~10cd/m2之间时，人眼为中介视觉随着亮度的变化，锥状感受细胞对视觉得作用也发生了变化对不同波长光的总 响应均位于图2.2. 1所示两条曲线之间，且随着亮度的增加，从左边移向右边2. 明适应和暗适应当光的亮度不同时，对人的视觉器官感受性也不同亮度有较大变化时，感受性也随着变化这种由光刺激变化引起的感受性的相应变化称为适应适应分为两种：明适应和暗适应一般而言，暗适应所需过渡时间较长由光亮处进入黑暗处时，开始眼前一片漆黑，什么都看不见，经过一段时间后才能逐渐看清楚一些物体的轮廓在这个过程中，睡孔逐渐放大，进入眼中的光通量逐渐增加，感受性随之提高，直至杆状感受细胞转入工作状态，整个适应过程才结束一般，暗 适应的开始阶段感受性增长很快，但之后越来越慢，大约 半个小时后才趋于稳定。

明适应发生在由暗处到明处的时候，所需过渡时间相对于暗适应而言很短开始，人 眼也不能辨别物体，几秒到几十秒后才能看清物体整个过程 中，眼的感受性降低、幢孔缩小，杆状感受细胞退出工作而锥状感受细胞开始进入工作状态同样，明适应开始时感 受性迅速降低，30秒后变化缓 慢，几百秒后趋于稳定3. 眩光眩光是对过高亮度的一种感受当视场中，某处亮度相对于背景亮度或背景的平均亮度而言过亮，从而引起人的视觉降低和眼睛不舒适甚至有痛感， 这种现象统称为眩光按其不同的效果可分为失能眩光和不舒适眩光引起眩光的原因有很多例如，一个明亮的光源发出的光线可能直接入射到观察者的眼内，也可能被一个有光泽的表面反射入观察者眼中，从而产 生轻度分散注意力直至相当不舒适的感觉当这种反射发生在作业面上时，称为“光幕反射”，若发生在作业面之 外，则称为“反射眩光”光幕反射会降低作业面的亮度对比，使目视工作效果降低4. 对比度和可见度视觉对象的亮度L与背影亮度Lb之差与背景亮度或视场亮度之比称为对比度C，可用下式表示C= I Lb-Lo | /Lb=AL/Lb (2.36)人眼开始能识别对象与背景的最小亮度差称为亮度差别阙限，称为临界亮度差§2.2光度学和色度学(二)2006/10/9 19:04:09 浏览量： 酸 3410△Lto临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比Ct。

对象与背景的实际亮度对比C与临界对比Ct之比称为可见度，用符号V表示 V=C/Ct=^L/^Lt (2.37)可见度是评价视觉效果的主要指标，它表示被识别对象可被看清楚的程度，可见度越大对象就越看得清楚可见度水平受很多因素的影响，例如作 业本身的对比和视角大小的改进有利于提高可见度，而眩光会降低可见度2.2.3色度学人的视觉器官不但能反映光的强度，而且还能反映光的波长特性，体现为对颜色的感觉1. 颜色视觉和颜色特性由于视网膜中央窝部位和边缘部位的结构不同，中央视觉主要是锥体细胞起作用，边缘视觉主要是杆体细胞起作用，所以视网膜不同区域的颜色感 受性也有所不同具有正常视觉的人，其视网膜中央窝能分辨各种颜色，是全色区由中央向外围过渡，锥体感受细胞减少，杆体感受细胞增多，对颜 色的分辨力也就随之减弱，到全色盲区在这个区域内，只有明暗的感觉，各种颜色都被看成不同明暗的灰色另外，人眼处于不同视觉情况下，起作用的视觉细胞不同，对颜色的感受性也不同由于只有锥状细胞才能很好分辨颜色，因此只有在明视觉条 件下，当锥体细胞起作用时，才会有颜色的感觉由于柱状细胞不能使人眼清楚地辨别颜色，因此在昏暗的时候，即当人眼处于暗视觉条件下，物体 看起来都似乎是蓝灰色的。

眼睛对强亮度的光有自动调节的适应过程同样，眼睛对照明颜色变化也会产生反应人眼对某一颜色刺激的作用下所造成的颜色视觉变化称为颜色 适应即人眼对某一颜色光预先适应后，再观察其他颜色时，后者会发生变化，带有适应光的补色成分颜色可分为非彩色和彩色两大类非彩色指白色 黑色和各种深浅不同的灰色 在视觉上表现为明度的变化，越接近白色，明度越高;越接近黑色，明 度越低彩色指黑白系列以外的各种颜色，具有色调、明度和彩度三个特性色调表示可见光谱不同波长的辐射在视觉上的表现，取决于辐射或经反射、 透射后的光谱组成给人眼所产生的感觉明度表示彩色光引起视觉刺激的程度，反映了辐射的强度彩度表示彩色光的浓淡相对于非彩色只能根据明度 的差别来辨认，彩色可从三个特性来辨认，更方便2. 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、明度和彩度来分类；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一一三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]三r[R]+g[G]+b[B] (2.38)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(2.39)用于客观地标定颜色就人眼的视觉反应而言，|各种颜色单从其波长不同来互相区分是不完全的，还应该同时采 用色调、饱和度和亮度等量色调决定于物体反射。