光学第5章光度学和色度学
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《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。
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
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
《光度学和色度学》课件
光度学和色度学在照明工程中用于设计和优化 光源，提供更好的照明效果。
显示技术
Hale Waihona Puke 光度学和色度学在显示技术中帮助实现更准确、 更逼真的颜色显示。
原色视频技术
光度学和色度学在原色视频技术中提供准确的 颜色还原和显色能力。
人类视觉研究
光度学和色度学在人类视觉研究中帮助我们更 好地了解人类对光和颜色的感知。
光度学和色度学在研究中的挑战
述颜色的方式，常用的有RGB、
CMYK和Lab等。
3
CIE色度图和CIE色度系数
CIE色度图是用来表示不同颜色的图
形，CIE色度系数是用来描述颜色的
显色指数和颜色一致性
4
数值。
显色指数是衡量光源显示物体真实颜 色能力的指标，颜色一致性是颜色在
不同光源下显示一致性的能力。
光度学和色度学的应用
照明工程
《光度学和色度学》PPT 课件
这是一份关于光度学和色度学的PPT课件，将介绍这两个领域的定义、概述、 应用和挑战等内容。让我们一起探索光与色的奥秘吧！
什么是光度学
定义和概要
光度学研究光的特性和量度，包括光通量、 光照度等。
辐射度和辐射通量
辐射度是单位面积上的辐射功率，辐射通量 是某个角度范围内通过的辐射能量。
1 测量技术和标准化
准确测量光和颜色需要先进的仪器和标准化的方法。
2 颜色缺陷和色盲
颜色缺陷和色盲对光和颜色的感知造成一定影响，需要进一步研究。
3 多色彩的处理和应用
现实世界中存在各种复杂的多色彩情景，如何处理和应用这些色彩成为一个挑战。
总结
光度学和色度学的 概念
光度学和色度学研究了光和 颜色的特性和量度。
显示技术
Hale Waihona Puke 光度学和色度学在显示技术中帮助实现更准确、 更逼真的颜色显示。
原色视频技术
光度学和色度学在原色视频技术中提供准确的 颜色还原和显色能力。
人类视觉研究
光度学和色度学在人类视觉研究中帮助我们更 好地了解人类对光和颜色的感知。
光度学和色度学在研究中的挑战
述颜色的方式，常用的有RGB、
CMYK和Lab等。
3
CIE色度图和CIE色度系数
CIE色度图是用来表示不同颜色的图
形，CIE色度系数是用来描述颜色的
显色指数和颜色一致性
4
数值。
显色指数是衡量光源显示物体真实颜 色能力的指标，颜色一致性是颜色在
不同光源下显示一致性的能力。
光度学和色度学的应用
照明工程
《光度学和色度学》PPT 课件
这是一份关于光度学和色度学的PPT课件，将介绍这两个领域的定义、概述、 应用和挑战等内容。让我们一起探索光与色的奥秘吧！
什么是光度学
定义和概要
光度学研究光的特性和量度，包括光通量、 光照度等。
辐射度和辐射通量
辐射度是单位面积上的辐射功率，辐射通量 是某个角度范围内通过的辐射能量。
1 测量技术和标准化
准确测量光和颜色需要先进的仪器和标准化的方法。
2 颜色缺陷和色盲
颜色缺陷和色盲对光和颜色的感知造成一定影响，需要进一步研究。
3 多色彩的处理和应用
现实世界中存在各种复杂的多色彩情景，如何处理和应用这些色彩成为一个挑战。
总结
光度学和色度学的 概念
光度学和色度学研究了光和 颜色的特性和量度。
应光习题库(第五章)
1, 10000
I 级 3 空（建议每空 1 分）
1、光能损失主要体现在透明介质分界面的
损失、反射面的
失和透明介质材料的
损失。
反射、光能、吸收
2、在辐射能中，能引起人眼光刺激的那一部分辐射通量称为
损 ，其单位
2
是
，单位符号用
表示。
光通量、流明、lm
3、单位时间内发射、传输或接收的辐射能称为
，其单位是
7、亮度为 L，面积为 dS 的单面发光体，向外发出的总的光通量为
；
若其双面发光，则向外发出的总的光通量为
。
πLdS, 2πLdS
II 级 3 空（建议每空 1.5 分）
1、一个 40W 的钨丝灯发出的总光通量为 500lm，设各向发光强度相等，则以灯
丝为中心，半径为 1m、2m、3m 时球面上的光照度分别为
为
。
7000 cd/ m2
2、直径为 17cm 的磨砂球形灯，辐射出的光通量为 2000lm，在灯泡的正下方 1m
处的水平面 dS 上产生的光照度是 159lx，则该灯泡的光亮度为
。
7000 cd/ m2
3、在理想成像时，物、像方的介质折射率分别为 n 和 nˊ，则物像方光亮度 L
和 Lˊ之间的关系为：
常数。
16、阿贝常数通常被用来表示光学材料的 色散
特性。
17、在表示可见光波段的 F、D、C 谱线中，用来校正单色光像差的谱线是 光。
D 18、通常情况下，冕牌玻璃的阿贝常数要 高
（高/低）于火石玻璃的阿贝常数。
1
19、朗伯辐射体是指在各方向的发光
相同的辐射体。
亮度
20、平方反比定律表面，当用点光源垂直照明时，受光面的光照度与光源的发光
色彩学第5章 光源的色度学
黑体
温度一定 辐射光谱分布一定 颜色一定
黑体轨迹（普 朗克轨迹）
色温的概念 色温——色温的概念
不同的光源其所发光的光谱功率分布有很大 差异，随之而来光源的光色也各不相同。我们 将光源的光与黑体的光相比较来描述它的光色。
色温：当某种光源的色度(坐标)与某一温度下
的黑体色度(坐标)相同时，就称此时黑体的温 度为该光源的颜色温度，简称色温，用符号Tc 表示，单位为开尔文，用“K”表示。
几种人工光源的一般显色指数 光源名称 白炽灯(500瓦) CIE 色度坐标 x 0.447 y 0.408 u 0.255 v 0.350 相关色温(k) 2900 一般显色指数 Ra 95~100
碘钨灯(500瓦)
x 0.458 u 0.261 y 0.411 v 0.351 x 0.409 y 0.391 x 0.310 y 0.339 x 0.334 y 0.412 x 0.378 y 0.434 x 0.369 y 0.367 u 0.237 v 0.342 u 0.192 v 0.315 u 0.184 v 0.340 u 0.203 v 0.349 u 0.222 v 0.330
Illuminant D65 Daylight
400 500 600 700
Illuminant A Incandescent
400 500 600 700
Illuminant F2 Cool White Fluorescent
400 500 600 700
第三节
光源的显色性
光源的显色性是光源颜色特性的又一方面， 即物体在光源照明下所呈现颜色的真实性。 真实的标准：日光下和火光下 日光和火光都是连续光谱，尽管其光谱功 率分布和色温存在很大差异，但在这种自然光 条件下，人眼的辨色能力依然是准确的。 白炽灯的光谱分布与火光类似，显色性很好。 具有与白炽灯和日光相似的连续光谱的光源均有 较好的显色性。
应用光学第五章光度学
光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播中的任 一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的亮度
d1 d2
L1 L2
折射情形 dA位于n1介质内。入射光束的光亮度L1，在O点附近 取一微元dA，则过dA输出的光通量：
d1 L1dAcos I1d1 L1dAcos I1 sin I1dI1d
Ω
r dΦ
光出射度－光源上不同位置的发光特性
• 用单位面积所发射的光通量描写光源上某点的发光本领 • M＝dΦ/ds，面光源上A附近的面积元ds辐射的光通量 • 单位：勒克斯，1lx=1lm/m2 dΦ A ds
透射面或反射面接受光通量，又可作为二次光源发出光 通量。M= ρE，ρ为透射率或反射率，与波长有关，因而物体呈 现彩色 。 对所有波长ρ 趋于0的物体，黑体
n1 sin I1 n2 sin I 2 n1 cos I1dI1 n2 cos I 2 dI2
L2 n 2 2 L1 n1
2
L2 L1 2 2 n2 n1
当光线处于同一介质，同前L2＝L1
反射情形，L2＝L1 综上，光束在均匀介质中传播，或在两种介质分界面 上的反射时的光亮度变化，都看成折射时的特例
dΦ=683VλdΦe=683×0.24×10×10-3=1.6152流明
d Ω=πθ2=3.14× (10-3)2 L=dΦ/（ds· dΩ)=6.553×107st L太阳＝1.5×105st LHe-Ne=440L太阳 “勿对着眼睛照射” “激光致盲武器”
§5.2朗伯余弦定律及朗伯源
发光强度空间分布可用式Iθ＝ INcosθ表示的的发光表面 只有绝对黑体是理想的余弦 辐射体，具有粗糙表面的发 光体与余弦发光体接近 对朗伯源，发光强度向量Iθ端 点轨迹是一个与发光面相切 的球面 余弦辐射体在和法线成任意 I I cos I L n n Const dA cos dA cos dA 角度方向的光亮度 朗伯源的光亮度Lθ与方向无关，只是I随θ变化而变化
光度学与色度学
§5-3 成像系统像面的光照度
一、轴上像点的光照度
讨论： • ① 光学系统孔径越大，像面照度越大 • ② 系统放大倍率越小，像面照度越大（若β 大， 为了保证像面足够的像面照度，更要求照明好，U 要大）
•二、轴外像点的光照度
轴外点的光照度随视场角的增大而显著下降。
三、光通过光学系统时能量的损失
（一）光谱光效率函数------视见函数
2、光谱光效率函数： 人的视觉对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数。
实验表明，具有相同辐通量而波长不同的可见光分别作用于人眼， 人所感受的明亮程度将有所不同，这表明人的视觉对不同波长光有不 同的灵敏度。 人对不同波长而辐通量相同的光响应的灵敏度是波长 的函数，称之为光谱光效率函数。也叫视见函数（视感程度） 实验表明，观察场明暗不同时，光谱光效率函数亦稍有不同。 国际照明委员会（CIE）根据多组测试实验结果，分别于1924年和 1951年确定并正式推荐两种光谱光效率函数： 明视觉光谱光效率函数 暗视觉光谱光效率函数
I
d d
发光强度：与辐射强度相对应。它表示在指定方向上光 源发光的强弱，即单位立体角内发出的光通量
重要常识
（1）发光强度： • 发光强度的单位为坎［德拉］(cd)。1979年第十六届国际 计量大会对发光强度的单位坎德拉作了明确的规定：“一 个光源发出频率为540×1012HZ (赫兹)的单色光，在一定 方向的辐射强度为1/683 W/sr，则此光源在该方向上的发 光强度为1坎德拉”。发光强度是光学基本量，是国际单位 制中七个基本量之一。 （2）流明： • 从发光强度的单位坎德拉可以导出光通量的单位流明：发 光强度为1坎德拉的匀强点光源，在单位立体角内发出的光 通量为1流明。 （3）常见发光表面的光亮度值（表5-1)
光度学和色度学简介
()λe 光度学和色度学简介§1 光度学基本概念一、辐射通量设光源表面S(图3-1)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。
可用ε来表示，单位为瓦特。
于光源上任一面积元的辐射通量，不同波长的光在其中所占的相对数值是不同的。
为了表示光源面积元所辐射的不同波长的光的相对辐射通量，我们引入分布函数e(λ)的概念。
它就是在单位时间内通过光源面λ积的某一波长附近的单位波长间隔内的光能量。
是波长`λ的函数，它又称谱辐射通量密度。
从光源面积元dS 辐射出来的波长在λ到λ+d间的光辐射通量为 于是，从面积元dS 发出的各种波长的光的总辐射通量为二、视见函数辐射通量ε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。
设任一波长为λ的光和波长为5550的光，产生相同亮暗视觉所需的辐射通量分别为Δελ和Δε5550，则比值称为视见函数。
图3-2是明视觉和暗视觉的相对视见函数实验图线，其纵坐标为视见函数。
明视觉以v(λ)表示，暗视觉以v ′(λ)表示。
暗视见函数曲线的峰值向短波移动约500 oA ，当不同的单色光辐射通量能够产生相等强度的视觉时，v(λ)与这些单色光的辐射通量成反比。
根据多次对正常眼的测量，当波长为5550时，曲线具有最0302，+90mm 。
85mm ，BP 图3-2大值。
色度学和光度学的基本概念
光源类型 光效（lm/W)
钨丝灯
10~20
30 30~60
光效（lm/W)=流明数÷电功率
卤钨灯 荧光灯
高压泵灯
LED
60~70
90~100
10
3、光强
光强：单位立体角中的光通量(cd)。表征光源各个角度的发 光强度。
Led 配光曲线
11
4、照度
照度：单位面积内的光通量（lx）。表征物体被光源照亮的 强度。 下图为平常生活照度
环境 烈日 阴天 阅读 办公室、教室 满月 星光 照度（lx） 100000 8000 500 300 0.2 0.0003
12
5、亮度
亮度：单位面积内的光强度（nit)。表征人眼所接受光通量 的强度。
人眼所能接受的最大光亮度为3000nit，再大人眼感觉眩光。13来自 Z kx
400
X X Y Z Y y X Y Z Z z X Y Z
4
S(λ)为光源的光谱功率分布 R(λ)为物体的透射反射函数
3、RGB模型
•最典型最常用的面向 硬设备的彩色模型是 RGB模型。电视摄像机 和彩色扫描仪都是根据 RGB模型工作的。RGB 模型是一种与人的视觉 系统结构密切相连的模 型。 •国际照度委员会CIE所 规定的红绿蓝这三种基 本色的波长分别为 700nm，546.1nm， 435.8nm。
• HSV色彩模型使用了用户直观的 颜色描述方法，用H表示色调、S 表示饱和度，V表示明度值。 • 色调H由角度表示，它反映了颜 色最接近什么样的光谱波长，即光 的不同颜色。通常假定0°表示的 颜色为红色， 120°的为绿色， 240°的为蓝色。从0°到360°的 色相覆盖了所有可见光谱的彩色。 • 饱和度S表征颜色的深浅程度， 饱和度越高，颜色越深。
钨丝灯
10~20
30 30~60
光效（lm/W)=流明数÷电功率
卤钨灯 荧光灯
高压泵灯
LED
60~70
90~100
10
3、光强
光强：单位立体角中的光通量(cd)。表征光源各个角度的发 光强度。
Led 配光曲线
11
4、照度
照度：单位面积内的光通量（lx）。表征物体被光源照亮的 强度。 下图为平常生活照度
环境 烈日 阴天 阅读 办公室、教室 满月 星光 照度（lx） 100000 8000 500 300 0.2 0.0003
12
5、亮度
亮度：单位面积内的光强度（nit)。表征人眼所接受光通量 的强度。
人眼所能接受的最大光亮度为3000nit，再大人眼感觉眩光。13来自 Z kx
400
X X Y Z Y y X Y Z Z z X Y Z
4
S(λ)为光源的光谱功率分布 R(λ)为物体的透射反射函数
3、RGB模型
•最典型最常用的面向 硬设备的彩色模型是 RGB模型。电视摄像机 和彩色扫描仪都是根据 RGB模型工作的。RGB 模型是一种与人的视觉 系统结构密切相连的模 型。 •国际照度委员会CIE所 规定的红绿蓝这三种基 本色的波长分别为 700nm，546.1nm， 435.8nm。
• HSV色彩模型使用了用户直观的 颜色描述方法，用H表示色调、S 表示饱和度，V表示明度值。 • 色调H由角度表示，它反映了颜 色最接近什么样的光谱波长，即光 的不同颜色。通常假定0°表示的 颜色为红色， 120°的为绿色， 240°的为蓝色。从0°到360°的 色相覆盖了所有可见光谱的彩色。 • 饱和度S表征颜色的深浅程度， 饱和度越高，颜色越深。
工程光学-07光度学与色度学基础第五章
dA 4πR 2 ω = 2 = 2 = 4π ( sr ) R R
2012-2-22
第七章 光度学基础
9
为了使公式具有普适性 ，利用球坐标的函数
形式来表示立体角。 dA AB ⋅ AD dω = 2 = R R2 AB = AO ⋅ di = R ⋅ di AD = AE ⋅ dϕ = AO ⋅ sin i ⋅ dϕ AD = R ⋅ sin i ⋅ dϕ
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λ2
λ2
λ2
λ1
λ1
第七章 光度学基础
λ1
7
光源的发光效率（ η）
一个辐射体或光源所发出的总的光通量与总的辐射通量之比称为光源 的发光效率。
光源发出的总的光通量 η =
Φv Φe
总的辐射通量
光源的发光效率简称光效，它的单位为流明每瓦特（lm ⋅ W −1）。
为什么荧光灯比白炽灯省电？
第五章
光度学基础
光有能，对能的讨论本不 是几何光学的范畴，但要设计 仪器，又不能不了解一些起码 的问题，否则所设计的仪器可 能是无用的，因为不能传递足 够的能量。我们要求光学系统 传递的能量必须能够被光能接 收器所感知。入瞳出瞳就是限 制能量的。
§5.1 辐射通量和光通量 §5.2 发光强度、光照度， 光出射度和光亮度 §5.3 光度学中的基本定律 §5.4光学成像系统像面的光照度
2012-2-22
第七章 光度学基础
13
§5.2.4 光出射度
光出射度表示为：
描述面光源的发光特性
光源单位发光面积上发出的光通量定义为光源的光出射度，用M v 表示。
dΦ v Mv = dA
与光照度相比 较
光出射度的单位为勒克斯（lx， 1lx = 1lm ⋅ m −2 ）。
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第七章 光度学基础
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为了使公式具有普适性 ，利用球坐标的函数
形式来表示立体角。 dA AB ⋅ AD dω = 2 = R R2 AB = AO ⋅ di = R ⋅ di AD = AE ⋅ dϕ = AO ⋅ sin i ⋅ dϕ AD = R ⋅ sin i ⋅ dϕ
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第七章 光度学基础
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光源的发光效率（ η）
一个辐射体或光源所发出的总的光通量与总的辐射通量之比称为光源 的发光效率。
光源发出的总的光通量 η =
Φv Φe
总的辐射通量
光源的发光效率简称光效，它的单位为流明每瓦特（lm ⋅ W −1）。
为什么荧光灯比白炽灯省电？
第五章
光度学基础
光有能，对能的讨论本不 是几何光学的范畴，但要设计 仪器，又不能不了解一些起码 的问题，否则所设计的仪器可 能是无用的，因为不能传递足 够的能量。我们要求光学系统 传递的能量必须能够被光能接 收器所感知。入瞳出瞳就是限 制能量的。
§5.1 辐射通量和光通量 §5.2 发光强度、光照度， 光出射度和光亮度 §5.3 光度学中的基本定律 §5.4光学成像系统像面的光照度
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第七章 光度学基础
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§5.2.4 光出射度
光出射度表示为：
描述面光源的发光特性
光源单位发光面积上发出的光通量定义为光源的光出射度，用M v 表示。
dΦ v Mv = dA
与光照度相比 较
光出射度的单位为勒克斯（lx， 1lx = 1lm ⋅ m −2 ）。
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
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
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：
第五章 光度学和色度学基础
光源色的色调取决于辐射的光谱组成，而物体色则既 与照明光的光谱组成有关，还同物体对光的选择吸收特 性有关。例如，物体反射波长为480nm～560nm的辐射 ，吸收其它波长的辐射，在白光照明下呈绿色。
特征 3 ：饱和度 ——表示颜色接近光谱色的程度。一 种颜色，可看成是某种光谱色与白色混合的结果。其中 光谱色所占的比例愈大，颜色接近光谱色的程度就愈高 ，颜色的饱和度也就愈高。饱和度高，颜色则深而艳。 光谱色的白光成分为0，饱和度达到最高。
（5-29）
n sin U n ' sin U '
像面轴上 点照度公 式：
当系统满足正弦条件时，
n E 2 L sin 2 U ' n
'
'2
（5-30）
例：有一个投影仪，采用6V50W的白炽灯照明，灯泡的 均匀发光，要求屏幕照度为200 lx，投影系统物镜的垂轴放 投影物镜的相对孔径为多少？
d e Ee dA
（5-3）
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内发出的辐通量为dФe，则辐强度Ie为
d e Ie)。 注：球面(角)度——是立体角单位，英文 sterad[‘steræd]或steradian[sti’reidiən]，简写sr
▲ 彩色必须具备上述三个特征，特征参数的不同， 表示着颜色间的差别。 非彩色只有明度值的差别，没有色调区分，饱和度均 等于0。
第七节
一、颜色刺激
色度学中的几个概念
颜色刺激——能够引起颜色知觉的可见辐射的辐通量称做颜色 刺激。颜色刺激按波长的分布，称做颜色刺激函数，一般用φ(λ) 表示。 颜色刺激是纯物理量。
6、辐[射]亮度Le 为表征有限尺寸辐射源辐通量的空间分布，采用“辐 亮度”这样一个辐射量。元面积为 dA 的辐射面，在和 表面法线N成θ角方向，元立体角dΩ内发出的辐通量为 dФe，则辐亮度Le为
光度学与色度学
§2 CIE标准色度学系统
§2-1
选定三原色
1、其中任何一种原色不能被其他两种原色匹配
2、三色之间的光谱间隔大，匹配色覆盖的颜色最多
3、容易实现
CIE确定：
Red
Green
Blue
nm
700
546.1
435.8
为标准三原色
这样規定的原因是上述三者都比较容易精确地产生出
來。是采用汞弧光谱中经滤波后的单一谱线获得，色度 稳定而准确，配出彩色也较多。
x(）0.06.469609rr07((） ）10..1331204g0g(0(） ） 01..220000b06(b(3） ） y(）00..16766699rr7(7(） ）10..18312244gg00((） ）10..20010066bb(3(3） ） z(）0.06.060609rr07((） ）10..1031204g0g(0(） ） 01..929000b06(b(3） ）
y ()
y ()
• 由CIE1931XYZ系统色品图可知：
• 光谱轨迹曲线以及链接光谱轨迹两端 的直线所构成的马蹄形内，包含了所有
物理上能实现的颜色（只要选取适当的 原色）
•
人的视觉不能区分700~770nm的
光谱色的差别，所以他们有相同的色品
坐标点。
•
540~700nm的光谱轨700nm的
• 代入上式得：
•
0.9399r+4.5306g+ 0.0601=0
• XY直线为： r+0.99g-1=0
• YZ直线为：1.45r+0.55g+1=0
X、Y、Z 三点在rg图中的坐标是： X：r = 1.2750，g = - 0.2778，b = 0.0028 Y：r = -1.7392，g = 2.7671，b = - 0.0279 Z：r = - 0.7431，g = 0.1409，b = 1.6022 在1931 CIE-XYZ 色度图中，等能的白光，
§2-1
选定三原色
1、其中任何一种原色不能被其他两种原色匹配
2、三色之间的光谱间隔大，匹配色覆盖的颜色最多
3、容易实现
CIE确定：
Red
Green
Blue
nm
700
546.1
435.8
为标准三原色
这样規定的原因是上述三者都比较容易精确地产生出
來。是采用汞弧光谱中经滤波后的单一谱线获得，色度 稳定而准确，配出彩色也较多。
x(）0.06.469609rr07((） ）10..1331204g0g(0(） ） 01..220000b06(b(3） ） y(）00..16766699rr7(7(） ）10..18312244gg00((） ）10..20010066bb(3(3） ） z(）0.06.060609rr07((） ）10..1031204g0g(0(） ） 01..929000b06(b(3） ）
y ()
y ()
• 由CIE1931XYZ系统色品图可知：
• 光谱轨迹曲线以及链接光谱轨迹两端 的直线所构成的马蹄形内，包含了所有
物理上能实现的颜色（只要选取适当的 原色）
•
人的视觉不能区分700~770nm的
光谱色的差别，所以他们有相同的色品
坐标点。
•
540~700nm的光谱轨700nm的
• 代入上式得：
•
0.9399r+4.5306g+ 0.0601=0
• XY直线为： r+0.99g-1=0
• YZ直线为：1.45r+0.55g+1=0
X、Y、Z 三点在rg图中的坐标是： X：r = 1.2750，g = - 0.2778，b = 0.0028 Y：r = -1.7392，g = 2.7671，b = - 0.0279 Z：r = - 0.7431，g = 0.1409，b = 1.6022 在1931 CIE-XYZ 色度图中，等能的白光，
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