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
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
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
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。
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
光度学基础和色度学简介
（9－22）
（9－23） （9－24）
n sin i n sin i n cosidi n cosidi
故而
n2 sin i cosi di n 2 sin i cosidi
（9－25） （9－26） （9－27）
由（9－18）、（ 9－19）、（9－20）和（9－22）式得 2
d R L cos iddA L cos id
d1 L cos i1d1dA L1 R 1 d L cos iddA L
（9－20）
（9－21）
由能量守恒定律知 由图9－6知 又由折射定律知
d sin i di d d sin idid
d d d1 (1 R)d
IN
cosθ dA
sin U 1 ，则 时， LdA
2
（9－12）
θ
Iθ
S
dΩ r
θ dA
dA
图 9-2 余弦辐射体发光 强度的空间分布
图 9-3 点光源在与之距离 为r处的表面上形成的照度
一.点光源在距离 r 处表面上形成的照度 一点光源在距 r 它处的面元上产生的照度为
E
设面元法线和 故
J
§9－1 辐射量和光度量及其单位
一、辐射量 1.辐射能：辐射体辐射出的能量。单位：焦耳（）。 J 2.辐（射）通量：单位时间内通过某一面积的辐射能。单位： 焦耳／秒＝瓦（ J / S）。 3.辐（射）出射度：辐射体单位面积上发出的辐（射）通量。 2 单位： 焦耳／秒 米（ J / S m2 )。 4.辐（射）照度：单位面积上接收的辐（射）通量。单 2 位： 焦耳／秒 米（ J / S m2 ) 。 5.辐（射）强度：点辐射源或小面元在某一方向上单位立体角 焦耳／秒 球面度（J / S Sr ) 。 内发出的辐（射）通量。单位： 6.辐（射）亮度：辐射体某一面元上单位面积在空间某方向单 位立体角内辐射的辐（射）通量。单 位： 焦耳／秒 米2 球面度（J / S m2 Sr ) 。
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：
光度学与色度学基础
经测试得到并进行数学处理的视见函数是一个归一化函数，实际上 视见函数对于每个波长都有明确的光谱光效能值。
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
应该将物体辐射光的能力用物体的能量辐射 能力和视见函数综合起来表述。
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
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
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
光照度
一些实际情况下的光照度值（单位：lx）
场景
照度值
无月夜地面上
3×10-4
满月夜地面上
0.2
办公室桌面
20～100
晴朗的夏日在采光良好的室内 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
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。
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
应该将物体辐射光的能力用物体的能量辐射 能力和视见函数综合起来表述。
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
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
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
光照度
一些实际情况下的光照度值（单位：lx）
场景
照度值
无月夜地面上
3×10-4
满月夜地面上
0.2
办公室桌面
20～100
晴朗的夏日在采光良好的室内 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
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。
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
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
光度学和色度学基本概念
⎧ 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
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。
工程光学第五章光度学与色度学
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
工程光学 第五章 光度学和色度学基础
通过改变参加混色的各颜色的量，使混合色与 指定颜色达到视觉上相同的过程---颜色匹配 1. 颜色转盘法
简单易行 难以定量实验
2. 色光混合匹配实验
a）
b）
二. 颜色方程式
(C ) R( R) G (G ) B( B) (C ) B( B) R( R) G (G ) (C ) R( R) G (G ) B( B)
LdA
2 0
U
0
sin cosdd
LdAsin 2 U 当U / 2时, LdA (余弦辐射体向 2立体角空间发出的总光 通量)
余弦辐射体的光出射度为：
M L dA
第三节 成像系统像面的光照度 一. 轴上像点的光照度
根据反射定律可得： 反射 L1 L
同理： d L cosiddA d L cosiddA d (1 )d (能量守恒)
根据上图可得： d sin idid 根据折射定律可得： n 2 所以：
二. 光学量
与辐射量相对应，有以下的光学量（下标V） 1.光通量，单位流明；对人眼刺激程度，（辐通量 2.光出射度；（辐出度） 3.光照度；（辐照度） 4.发光强度；（辐强度） 5.光亮度。（辐亮度）
发光强度的单位为坎德拉，是国际单位制七个 基本量之一，规定为：一个光源发出频率为 540*1012Hz的单色光，在一定方向的辐射强度 为：1/683W/sr, 则该方向上的发光强度为1坎。
第七节 色度学中的几个概念 三. 三刺激值 刺激值：匹配某种颜色时所需的三原色的量。 颜色方程中的R、G、B就是三刺激值。 三刺激值是用色度学单位来度量的，规定匹配 特定的标准白光的三刺激值相等，均为1个单位。 四. 光谱三刺激值和颜色匹配函数
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
/article-412311.html
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
5 光度学和色度学基础
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：
(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：
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黄斑
位于视网膜中央部位，有一 个呈黄色的锥体细胞密集区。
黄斑中央有一凹窝，称为中 央凹，是视觉最敏锐的地方，锥 体细胞的密度在中央凹处最大。
由中央凹向外锥体细胞急剧 减少，而杆体细胞逐渐增多。在 离中央凹20 的地方，杆体细胞 的数量最大。
盲点
在距中央凹约4mm的鼻侧处， 没有视细胞。
明视觉和暗视觉：
紫外线 红外线 微波
无线电波 电视 短波 广播
交流电
可见光谱
380nm
760nm
可见光
可见光是波长在380 760 nm范围内的光辐射，也就
是人视觉能感受到“光亮”的电磁辐射。可见光的波长不 同，引起人眼的颜色感觉就不同。
红 色 760 620 nm， 橙 色 620 590nm，
黄 色 590 560 nm， 黄绿色 560 530nm，
(1)明视觉
在光亮(几个cd/m2以上)条件下，人眼的锥体细胞起作用。 明视觉条件下，锥体细胞能分辨物体的细节，很好地区分 不同颜色。
(2)暗视觉
在暗条件下，亮度约在百分之几cd/m2以下时，人眼的杆 体细胞起作用。
在暗视觉条件下，杆体细胞能感受微光的刺激，但不能分 辨颜色和细节。
光谱光视效率： 眼睛的灵敏度与波长的依赖关系，称为光谱光视效率。
④玻璃体。一种透明的半流体。
(2)感光系统
视网膜主要由三层细 胞构成。
▲视细胞层
锥体细胞：具有精细的 分辨能力，能很好地分 辨颜色, 但感光灵敏度 低；
杆体细胞：感光灵敏度 高，但分辨细节的能力 低, 不能分辨颜色。
光
线
视神经
双极细胞 视网膜
视网膜的结构略图
光
V()峰值位置： 谱
光
555 nm；
视
效
V’()峰值位置： 率
507 nm。
波长（nm）
光谱光视效率曲线
光通量与辐通量的关系式为
明视 觉 K m 3 7： 8 6e 0 ( 0)V ()d 暗 视 觉： ' K m ' 3 7 8 6e 0 ( 0)V '()d
Km＝683 lm/W ，它表示在人眼视觉系统最敏感的 波长(555nm)上，每瓦光功率相应的流明数； K′m＝1725 lm/W；V（）－明视觉光视效率； V’()－暗视觉光谱光视效率。
2. 眼睛的结构及视觉机理
光线进入眼睛 后产生的知觉称为 视觉。它包括对视 场内物体的明暗、 形状、颜色、运动 以及远近等知觉。
视网膜上的影像 视神经纤维 完整的视觉 眼睛和脑的关系
眼球的组成:
▲ 外层前部1/6称为角膜， 后部5/6称为巩膜。
▲中层由前向后分为三部分， 即虹膜、睫状体和脉络膜。
当人眼接受光刺激后，不但有延时效应，而且有暂留现象 。在眼睛接受光脉冲刺激之后，大约要过百分之一秒，才达 到响应的最大值。其残留时间大约为0.1秒。
闪烁消失时对应的频率称为临界闪烁频率。 临界频率的影响因素： （1）光信号强弱，n=alogL+b； （2）发光面积，n=clogA+d； （3）视网膜的部位； （4）光的颜色；
它表示用标准眼来评价的光辐射通量，可用下式求出：
Km e,V()d
e, —光辐射功率的光谱密集度，即在单位波长间隔内， 光的实际功率。
Km—最大光谱光效能，Km＝683 lm/W 。
例如：一只40W的钨丝灯泡输出的光通量为468 lm； 一只40W的日光灯输出的光通量为2100 lm。
绿 色 530 500 nm， 青 色 500 470nm，
蓝 色 470 430 nm， 紫 色 430 380nm。
紫外辐射 紫外辐射的波长范围是40010 nm。通常将其
分为三部分：近紫外、远紫外和极远紫外(真空紫外 辐射)。
红外辐射 红外辐射的波长范围位于0.761000m。通常
分为近红外、中红外和远红外。
视敏度和细节视觉：
视敏度是指分辨物体精细形状的能 力。若用V表示视敏度，则可用视角 的倒数来表示视敏度，即：
V1
由
得 V D
3438d
通常取可辨视角为1′时的视力为正常视敏度，这时在视网膜上的 像高为4m。
对视敏度影响的因素：
距离、物体亮度、视网膜上的成像位置、物体的对比度等。
3. 临界闪烁频率
▲内层为视网膜。
▲眼球内部主要有晶状体和 玻璃体。
整个眼球主要可分为屈光 系统和感光系统两个部分。
（1）屈光系统
将不同远近的物体清晰地成像在 视网膜上。
①角膜。一种弹性透明组织。
②房水。提供角膜和晶状体等血 管组织的新陈代谢和维持眼内压。
③晶状体。双凸形弹性透明体。 睫状肌的收缩可改变晶状体的屈光 力。
-------每一个锥体细胞都与一个双极细胞联结。在光亮条件 下，每一锥体细胞作为一个单元，能够精细地分辨外界对 象的细节。
-------几个杆体细胞只联结一个双极细胞，因此在黑暗条件 下通过几个杆体细胞对外界微弱刺激起总和作用，能得到 高的感光灵敏度。
▲ 最内层主要含有神经节细胞，它与视神经相联结， 视神经穿过眼球后壁进入脑内的视觉中枢。
一、视觉与光
1. 辐射波谱及光辐射
以电磁波形式或粒子(光子)形式传播的能量，它们可用光 学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程被称为光 辐射。
波长（m）
10－14 10－12 10－10
10 －8
10 －6 10 －4
10 －2 10 0 10 2
10 4 10 6 10 8
宇宙 射线
X射线
（5）背景光。
塔尔波特(Talbot)定律：
当周期光信号的频率高于临界频率时，眼睛对这种周期变化 光的感觉就象一个恒定光一样，其视亮度为
1T
L
T
0
L(t)dt
L(t)：周期变化光的实际亮度；
T：周期。
扇形衰减器的透过率：
360
扇形衰减器
二、光度学
1. 光通量和发光强度
光通量是指能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐 射功率的大小的量度。单位是lm(流明)。
光度学与 色度学基础
提纲
一、视觉与光 1. 辐射波谱及光辐射 2. 眼睛的结构及视觉机理 3. 临界闪烁频率 4. 二、光度学 1. 光通量和发光强度 2. 照度及距离平方反比定律 3. 亮度及朗伯定律 4. 三、色度学 1. 颜色的基本特性及颜色混合 2. 色觉理论 3. 人眼对颜色的辨别能力和彩色视野 4. 色度图 5. 5. 色度学在彩色电视方面的应用