工程光学基础第三章光度学和色度学基础
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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
光度学、色度学
22
二、颜色的分类及属性
彩色：黑白系列以外的各種顏色 非彩色：白色﹑黑色和各種不同深淺的灰色
23
1、颜色的分类
1
原色
2
间色
3
复色
4
补色
24
“原色”并非是一种物理概念，反倒是一种生物 学的概念
是基于人的肉眼对于光线的生理作用
25
复色一定要有红、绿、蓝三原色的成份 才成为复色
各原色间的比例不等
41
42
2、FM-100色彩试验（85、8）及D-15色盘试验（15、 1）
43
3、色觉镜
44
11
亮度VS视野
12
5、光照度
单位受照面积内所接受的光通量 反映受照面的明亮程度 单位：勒克斯（lx）1勒克司相当于1流明/平方米
13
14
白天 VS 夜晚 的差别？
15
我们能否看清一个物体，或能否辨别物体上的细微部分， 都与物体表面的被照程度有关系。
保持合适的照度，对提高工作和学习效率都有很大的好处 ；在过于强烈或过于阴暗的光线照射下工作学习，对眼睛 都是有害的。
7
光通量 光通量的数量越大，即表示该发光体所发出的可
见光就越强。 某一种类的发光体的功率越大，它的流明数就越
高
8
4、发光强度
一定方向上的单位立体角内的光通量 单位：candela（坎德拉）简写cd 描述了光源到底有多“亮” LED
点光源
d
r
9
灯罩的作用？
10
要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通 量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面 积，这样才能得到更大的强度。
37
四、色觉检查
二、颜色的分类及属性
彩色：黑白系列以外的各種顏色 非彩色：白色﹑黑色和各種不同深淺的灰色
23
1、颜色的分类
1
原色
2
间色
3
复色
4
补色
24
“原色”并非是一种物理概念，反倒是一种生物 学的概念
是基于人的肉眼对于光线的生理作用
25
复色一定要有红、绿、蓝三原色的成份 才成为复色
各原色间的比例不等
41
42
2、FM-100色彩试验（85、8）及D-15色盘试验（15、 1）
43
3、色觉镜
44
11
亮度VS视野
12
5、光照度
单位受照面积内所接受的光通量 反映受照面的明亮程度 单位：勒克斯（lx）1勒克司相当于1流明/平方米
13
14
白天 VS 夜晚 的差别？
15
我们能否看清一个物体，或能否辨别物体上的细微部分， 都与物体表面的被照程度有关系。
保持合适的照度，对提高工作和学习效率都有很大的好处 ；在过于强烈或过于阴暗的光线照射下工作学习，对眼睛 都是有害的。
7
光通量 光通量的数量越大，即表示该发光体所发出的可
见光就越强。 某一种类的发光体的功率越大，它的流明数就越
高
8
4、发光强度
一定方向上的单位立体角内的光通量 单位：candela（坎德拉）简写cd 描述了光源到底有多“亮” LED
点光源
d
r
9
灯罩的作用？
10
要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通 量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面 积，这样才能得到更大的强度。
37
四、色觉检查
《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。
光色度学基础(For GL1) LAMP
光度学和色度学基础
第一章 光度学部分
一﹕辐射度学的基本参量 光是电磁辐射的一种.以能量(或功率)来评价电磁辐射,定义为辐射量, 属于辐射度学的研究范围.光的波长区间从几纳米(1纳米=10-9米)到1毫米 左右.这些并不都是可见光.
2013/1/29
第1頁
从以上可以看出,人类眼睛能看到的光的波长只有380nm—770nm 光源辐射出来的光的能量称为光源的辐射能量.当这些能量被物质吸收时 ,可以转化成其他的能量,如热能,电能等.
光度学和色度学基础
2013/1/29 第15頁
孟塞尔颜色立体的示意图，由孟塞尔明度值、孟塞尔色调中、孟塞尔彩度组成。 1.孟塞尔明度值V 孟塞尔颜色立体的中心轴代表从底部的 黑色到顶部白色的黑白系列中的各个明度 等级，用符号V表示。 2.孟塞尔彩度C 颜色的饱和度在孟塞尔颜色立体中以离 开中心轴的距离来表示，称孟塞尔彩度。彩 度是表示离开相同的孟塞尔明度值的中性灰 度的程序，以符号C表示。 3.孟塞尔色调H 颜色的色调是用围绕孟塞尔立体中心轴的角 位置来代表的，以符号H表示。 4.孟塞尔颜色符号 孟塞尔颜色立体图 在自然界存在的任何物体的颜色都可以在颜色 立体中用明度值、色调和彩度表示，颜色的标号 可写为：HV/C（色调、明度值/彩度）。
光度学和色度学基础
2013/1/29
第9頁
在这两种情况下，测量的距离都为LED的前端至探测器入射孔的平面之间 的距離﹐如果探测器已经被校正，则平均LED光强可以通过下面的关系计 算 ILED=E.d2 其中E是探测器测量的平均照度(1m／m2)，而d为距离(单位为m)。对于环 境Ad=0.316m，而对于环境B，d=0.100m。 环境A的立体角为0〃001Sr，而环境B的立体角为0〃01Sr，但是为了保证 结果一致性，通常角度更加重要。等效的平面角度为20(环境A)和6〃50(环 境B)。
第一章 光度学部分
一﹕辐射度学的基本参量 光是电磁辐射的一种.以能量(或功率)来评价电磁辐射,定义为辐射量, 属于辐射度学的研究范围.光的波长区间从几纳米(1纳米=10-9米)到1毫米 左右.这些并不都是可见光.
2013/1/29
第1頁
从以上可以看出,人类眼睛能看到的光的波长只有380nm—770nm 光源辐射出来的光的能量称为光源的辐射能量.当这些能量被物质吸收时 ,可以转化成其他的能量,如热能,电能等.
光度学和色度学基础
2013/1/29 第15頁
孟塞尔颜色立体的示意图，由孟塞尔明度值、孟塞尔色调中、孟塞尔彩度组成。 1.孟塞尔明度值V 孟塞尔颜色立体的中心轴代表从底部的 黑色到顶部白色的黑白系列中的各个明度 等级，用符号V表示。 2.孟塞尔彩度C 颜色的饱和度在孟塞尔颜色立体中以离 开中心轴的距离来表示，称孟塞尔彩度。彩 度是表示离开相同的孟塞尔明度值的中性灰 度的程序，以符号C表示。 3.孟塞尔色调H 颜色的色调是用围绕孟塞尔立体中心轴的角 位置来代表的，以符号H表示。 4.孟塞尔颜色符号 孟塞尔颜色立体图 在自然界存在的任何物体的颜色都可以在颜色 立体中用明度值、色调和彩度表示，颜色的标号 可写为：HV/C（色调、明度值/彩度）。
光度学和色度学基础
2013/1/29
第9頁
在这两种情况下，测量的距离都为LED的前端至探测器入射孔的平面之间 的距離﹐如果探测器已经被校正，则平均LED光强可以通过下面的关系计 算 ILED=E.d2 其中E是探测器测量的平均照度(1m／m2)，而d为距离(单位为m)。对于环 境Ad=0.316m，而对于环境B，d=0.100m。 环境A的立体角为0〃001Sr，而环境B的立体角为0〃01Sr，但是为了保证 结果一致性，通常角度更加重要。等效的平面角度为20(环境A)和6〃50(环 境B)。
工程光学笔记总结
工程光学笔记总结一、几何光学基本定律与成像概念。
1. 直线传播定律。
- 光在均匀介质中沿直线传播。
例如小孔成像现象，就是光直线传播的体现。
- 应用：针孔相机的原理就是基于光的直线传播，光线通过小孔在成像面上形成倒立的实像。
2. 独立传播定律。
- 不同光线在空间相遇后互不干扰，各自沿原方向传播。
- 例如多束光在空间交叉时，每束光的传播路径不会因为其他光线的存在而改变。
3. 反射定律。
- 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内；反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角，即i = i'。
- 在平面镜成像中，像与物关于镜面对称，这是反射定律的重要应用。
4. 折射定律。
- n_1sinθ_1=n_2sinθ_2，其中n_1、n_2分别是两种介质的折射率，θ_1是入射角，θ_2是折射角。
- 全反射现象：当光线从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角θ_c=arcsin(n_2)/(n_1)时，发生全反射。
光纤通信就是利用了全反射原理，光在光纤内部通过不断全反射来传输信号。
5. 成像概念。
- 物点发出的光线经光学系统后，重新会聚于一点（实像）或光线的反向延长线会聚于一点（虚像）。
- 像的大小、正倒、虚实等性质取决于光学系统的特性和物像之间的相对位置。
二、理想光学系统。
1. 基点和基面。
- 焦点（F,F'）：平行于光轴的光线经光学系统后会聚（或其反向延长线会聚）的点。
- 主点（H,H'）：物方主点和像方主点，通过主点的光线方向不变。
- 节点（N,N'）：通过节点的光线，其出射光线与入射光线平行。
- 焦平面：过焦点且垂直于光轴的平面。
- 主平面：过主点且垂直于光轴的平面。
2. 成像公式。
- 高斯成像公式(1)/(l')+(1)/(l)=(1)/(f)，其中l为物距，l'为像距，f为焦距。
- 牛顿成像公式xx' = f f'，其中x为物点到物方焦点的距离，x'为像点到像方焦点的距离。
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]
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。
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
光度学基础和色度学简介
dA 1
dA
dA 2
故
E
T 2
L sin2
U
（9－32）
当上系式E统为满轴nn2足上2 T正像L s弦点in2条的U 件照（度见计下算一公节式）。时位，于空气n s中in的U /光n学sin系u，统 则，
n
n
（9－33） 1 ，则
E T。L sin2 U
出瞳
U＇M
M＇
D＇
ω＇ ω＇
像面
U＇
A＇
第九章
光度学基础和色度学简介
一个完整的成像系统由三部分组成：物体（辐 射体）、能量的传播系统（介质，光学系统）和像的 接收器件。因此，讨论成像系统的能量传输和转换必 须对此三部分的物理性质进行研究。物体是一种电磁 波辐射体，眼睛为接收器件的光学系统是对范围内的 电磁波有所反应，一般将这部分辐射量称为光度量。 但是，从广泛的意义上讲，应将对接收器件有所响应 的辐射量称为光度量，只不过是将原来定义的光学量 予以扩展而已，这并不影响讨论的结果。所以光度学 是研究光度量的，而色度学则是根据人眼的光谱特性 进行研究工作的一门科学。
照度为
E
d dA
LdAs
cos1 r2
cos2
（9－17）
三、同一均匀介质中元光管内光亮度的传递
元光管是指两端截面积很小的光管，光能只在此光管内传播（如图9－5所
r 示）。dA1 和 dA2两微小面元，两者间距离为 ，N1 和 N2 分别为两面元法线，
1
dA2
和 2 分别为两面元中心连线和
上的光通量为 d1 L1 cos1dA1d
N
di1 i1 i
di
dA
dφ
φ
di＇
i＇
dA
dA 2
故
E
T 2
L sin2
U
（9－32）
当上系式E统为满轴nn2足上2 T正像L s弦点in2条的U 件照（度见计下算一公节式）。时位，于空气n s中in的U /光n学sin系u，统 则，
n
n
（9－33） 1 ，则
E T。L sin2 U
出瞳
U＇M
M＇
D＇
ω＇ ω＇
像面
U＇
A＇
第九章
光度学基础和色度学简介
一个完整的成像系统由三部分组成：物体（辐 射体）、能量的传播系统（介质，光学系统）和像的 接收器件。因此，讨论成像系统的能量传输和转换必 须对此三部分的物理性质进行研究。物体是一种电磁 波辐射体，眼睛为接收器件的光学系统是对范围内的 电磁波有所反应，一般将这部分辐射量称为光度量。 但是，从广泛的意义上讲，应将对接收器件有所响应 的辐射量称为光度量，只不过是将原来定义的光学量 予以扩展而已，这并不影响讨论的结果。所以光度学 是研究光度量的，而色度学则是根据人眼的光谱特性 进行研究工作的一门科学。
照度为
E
d dA
LdAs
cos1 r2
cos2
（9－17）
三、同一均匀介质中元光管内光亮度的传递
元光管是指两端截面积很小的光管，光能只在此光管内传播（如图9－5所
r 示）。dA1 和 dA2两微小面元，两者间距离为 ，N1 和 N2 分别为两面元法线，
1
dA2
和 2 分别为两面元中心连线和
上的光通量为 d1 L1 cos1dA1d
N
di1 i1 i
di
dA
dφ
φ
di＇
i＇
工程光学基础光度学和色度学基础
在整个可见光谱范围内：
明视觉：
780
? ? v ? 380 KmV (? )? e (? )d?
暗视觉：
780
? ? v ? 380 Km?V ?(? )? e (? )d?
四 、光传播过程中光学量的变化规律 1. 点光源在与之距离为r处的表面形成的照度
d? E?
dA
d? ? Id?
d?
?
cos?dA
r2
d?
?
I cos?dA
r2
E
?
I r2
cos ?
I为发光强度
点光源在被照表面形成的照度与被照面到 光源距离的平方成反比—照度平方反比定律。
2. 面光源在与之距离为 r处的表面上形成的照度
E
?
d? dA
?
LdAs cos?1 cos? 2
r2
3. 单一介质元光管内光亮度的传递
两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的 空间，就是一个元光管。
光在元光管传播，无光能损失。
d?
1
?
L1 cos?1dA1d?
1
?
L1 cos?1dA1
dA2 cos? 2
r2
同理：
d?
2
?
L2
cos? 2dA2
dA1 cos?1
r2
d? 1 ? d? 2 ? L1 ? L2
所以，光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同
光源 名 称
在地球上看到的太阳 普通电弧 太阳照射下漫射的白色表面 钨丝白炽灯灯丝 在地球上看到的月亮表面 人工照明下书写阅读时的纸面 白天的晴朗天空 超高压气体放电灯
亮 度 （cd/m2）
15×108 15×107 3×10 4 (500~1500) ×104 25×102
光度和色度基础知识
色度所需数据待测光谱S (λ)，发射能量与波长的关系，经光谱灵敏度校正标准配色函数：x (λ), y (λ), z (λ)计算方法i i i i i i i i i i Z Y X Y y Z Y X X x d z S Z d y S Y d x S X ++=++====⎰⎰⎰ ,)()( ,)()( ,)()(780380780380780380λλλλλλλλλ色坐标上的舌形曲线是色度随单色光波长变化的曲线，可以由标准配色函数得到。
光视转换效率光视转换效率(luminous efficacy )K 是光源将辐射通亮转换为视觉的能力，即单位辐射能量产生的光通量：K =Φv /Φe辐射效率(radiant efficiency )是光源将消耗的功率P 转换为辐射通量的能力, 即消耗单位能量产生的辐射通量：ηe =Φe /P发光效率(流明效率, luminous efficiency )是光源把消耗的能量转换为视觉的能力，即消耗单位能量产生的光通量：ηv =Φv /P = ηe K发光效率以lm/W 度量，不应与以相同单位表示的光视效能混淆。
所需数据待测光谱S (λ)视觉灵敏度函数V (λ)，即标准配色函数中的y (λ)计算方法)lm/W ()()()(683780380780380⎰⎰=λλλλλd S d y S K黑体辐射的光谱分布所需数据色温 T C光谱分布黑体辐射是原子振动产生的，在k 空间中，每个振动模式占据的体积为8π3/V ， V 是黑体的体积，而每个模中的平均光子数服从Bose-Einstein 统计，1)ex p(1->=<CB T k ck n k 空间中k 到k +dk 的球壳内的光子数等于这个球壳内模的数目乘以每个模中的光子数]1)[exp(]1)[exp(842)(2232-=-⨯=CB C B T k ck dk Vk T k ck dk Vk k dN πππ 因子2是考虑两个偏振方向。
光度学和色度学简介
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 e(λ ) 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
从光源面积元ds辐射出来的波长在到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deddde0二视见函数辐射通量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
光度学和色度学简介
§1 光度学基本概念
φ = ∫ dϕ ∫ Iθ ,ϕ sin θ ⋅ dθ
0 0
2π
π
如果 I 不随θ和φ而变化(均匀发光体)，则得总光通量 Φ=4πI 。 总光通量表征光源的 特性。对于指定的发光体， 光具组不能增加总光通量， 光具组的作用只是把光通 量重新分配。 例如， 使它比 较集中在某些选定的方向 上， 而相应地减小其它某些 方向的发光强度。 在国际单位制中， 发光 强度的单位为坎德拉 (Candela)，单位代号：坎 (cd)。 1979 年第 16 届国际 计量大会(决议 3)规定坎 德拉的定义为： “坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该 光源发出频率为 540×1014Hz 的单色辐射，而且在此方向上的辐 射强度为(1／683)W／sr。 ” 此处 sr 为球面度。 空气中波长为 5550A 明视觉的视见函数为 1)的辐射对应的频率为 5400086×1014Hz。 略去尾数，则坎德拉新定义中的频率实际上就是明视觉最灵敏谱 线的频率。 值得指出的是，在国际单位制中，发光强度的单位是国际 单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位均为导出单位。
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IN dA
常数
余弦辐射体可能是发光面，也可能是投射或反射体
乳白玻璃
漫反射面
余弦辐射体向平面孔径角为U的立体角范围内 发出的光通量：
点光源在被照表面形成的照度与被照面到
光源距离的平方成反比—照度平方反比定律。
2. 面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度
E
d dA
LdAs
cos1
r2
cos2
3. 单一介质元光管内光亮度的传递
两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的 空间，就是一个元光管。
光在元光管传播，无光能损失。
d1
L1
cos1dA1d1
d e d
6.辐亮度： 发光源的元面积在 方向的辐亮度为
该辐射面在垂直于该方向的平面上的单位投影
面积在单位 立体角内发出的辐通量。(W/(Sr·m2))
Le
d e
cosdAd
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(lm)；对人眼刺激程度 2.光出射度(lm/m2) ； 3.光照度(1 lx = 1 lm/m2) ； 4.发光强度(1 cd = 1 lm/sr) ； 5.光亮度(cd/m2) 。
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。
发光强度为1坎的匀强点光源，在单位立体角内 发出的光通量为1流明（lm）。
表1 常见发光体表面光亮度的近似值
表2 常见受照物体表面光照度值
被照表面
照 度 （lx）
无月夜间在地面上生产的照度
满月在天定时对地面产生的照 度 辨认方向所需要的照度 办公室工作所必需的照度 晴朗夏日采光良好时室内照度 太阳直射的照度
3×10-4 0.2
1 20~100 100~500
105
三. 光学量和辐射量间的关系
1. 光谱光效率函数 光学量和辐射量间的关系取决于人眼的视觉特性。 人眼对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数： 明视觉光谱光效率函数 V () 的峰值 = 5.55×10-7m 暗视觉光谱光效率函数 V '() 的峰值 = 5.07×10-7m
580
V(λ)
0.00004 0.00012 0.0004 0.0012 0.0040 0.0116 0.023 0.038 0.060 0.091 0.139 0.208 0.323 0.503 0.710 0.862 0.954 0.995 0.995 0.952
0.870
V’(λ)
0.000589 0.002029 0.00929 0.03484 0.0966 0.1998 0.3281 0.4550 0.5670 0.6760 0.793 0.904 0.982 0.997 0.935 0.811 0.650 0.481 0.3288 0.2076
光源 名 称
在地球上看到的太阳 普通电弧 太阳照射下漫射的白色表面 钨丝白炽灯灯丝 在地球上看到的月亮表面 人工照明下书写阅读时的纸面 白天的晴朗天空 超高压气体放电灯
亮 度 （cd/m2）
15×108 15×107 3×104 (500~1500)×104 25×102
10 5×103 25×108
在整个可见光谱范围内：
明视觉：
780
v 380 KmV ()e ()d
暗视觉：
780
v 380 Km V ()e ()d
四 、光传播过程中光学量的变化规律 1. 点光源在与之距离为r处的表面形成的照度
d E
dA
d Id
d cosdA
r2
d
I
cosdA
r2
E
I r2
cos
I为发光强度
2. 光学量和辐射量间的关系
在很小的波长范围内： 明视觉条件下：
dv () KmV ()e ()d
暗视觉条件下：
dv () Km V ()e ()d
Km 683lm / w Km 1755lm / w
波长 (nm) 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570Biblioteka L1cos1dA1
dA2
cos2
r2
同理：
d 2
L2
cos2dA2
dA1 cos1
r2
d1 d2 L1 L2
所以，光在元光管内传播，各截面上的光亮度相同
4. 余弦辐射体
发光强度空间分布可用 下式表示的发光表面：
I I N cos
余弦辐射体在各方向的 光亮度相同：
L
I
dA cos
I N cos dA cos
V’(λ)
0.0655 0.03315 0.01593 0.0074 0.00334 0.0015 0.00068 0.000313 0.000148 0.000072 0.000035 0.000018 0.000009 0.0000048 0.0000026 0.0000014 0.00000076 0.00000043 0.00000024 0.00000014
Qe
3. 2. 辐通量：单位时间内的辐射能，单位瓦特。 （W）
4.
e
dQe dt
3. 辐出度：辐射源单位发射面积发出的辐通量。（W/m2)
Me
d e dA
4. 辐照度：辐射照射面单位受照面积上接收的辐
通量。 （W/m2)
Ee
d e dA
5. 辐强度：点辐射源在单位立体角发出的辐通量。
（W/sr）
Ie
光度学和色度学基础
第5章 光度学和色度学基础
5.1 光度学和色度学基础 5.2 成像系统像面的光照度 5.3 像差理论
5.1 光度学和色度学基础
辐射量：纯粹的描述电磁辐射的物理量； 光学量：视觉感受来度量可见光。
一.辐射量（E）
1. 辐射能: 反射、传输、接收的能量，单位焦耳。（J ）
2.
0.1212
波长 (nm) 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780
V(λ)
0.7570 0.6310 0.5030 0.3810 0.2650 0.1750 0.1070 0.0610 0.0320 0.0170 0.0082 0.0041 0.0021 0.00105 0.00052 0.00025 0.00012 0.00006 0.00003 0.000015