2013 光度学与色度学 5-6 5-7 5-8
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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，
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
28
两个中心圆形一样大
浙江理工大学物理系
29
是花瓶？还是相对而视的人脸？
浙江理工大学物理系
30
是姑娘，还是老太太？
浙江理工大学物理系
31
图中看到什么？
浙江理工大学物理系
32
浙江理工大学物理系
33
浙江理工大学物理系
34
仔细看，看见什么？
浙江理工大学物理系
35
倒过来看又是什么呢？
浙江理工大学物理系
浙江理工大学物理系
59
RGB为显示器的三基色的电压信号(0-1)，或电脑中的 灰度信号（0-255）
荧光粉的三基色坐标： R(0.64,0.33), G(0.3,0.6), B(0.15,0.06), 白色D65(0.313,0.329)
复色光三刺激值
R K m
780
r
p
d
380
g
G Km
780
g
p
d
380
B
Km
780
b
p
d
380
p 光源的功率分布
C r R gG b B
r 可负值
r
C r R gG b B
内容提要
辐射度学
可见光、不可见光等电磁辐射能量的计量学科
光度学
可见光的能量和人眼对他的接收特性相结合进行研 究的计量学科
色度学
研究颜色视觉机理、颜色测量的科学
浙江理工大学物理系
1
辐射量（1）
辐射能
以辐射形式发射、传播或接收的能量（J）
辐射能密度
辐射能/体积（J/m3）
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
第8章：光度学与色度学基础
围绕球心的整个空间的立体角： Ω = 4πr 2 / r 2 = 4π
光学系统中通常用平面角U来表示孔径角，若孔径 角为U，则其对应的立体角的大小（近似）为
Ω = π sin2 U
(8-1)
Y
当U角很小时(u)，立体角为
ٛO X
U
ΩS Z
Ω ≈ πu2
(8-2)
Y
假定距O点 l 处有一微面 dS , dS 的法线 N 与 OZ 的夹角为 α , 那 ٛO 么微面dS对O点所张立体角为 X
辐射特性，单位为瓦每球面度平方米(W/(sr.m2))。
名称
定
义
辐射能 以辐射形式发射、传播或接收的能量。
辐射通量 以辐射形式发射、传播或接收的功率。
辐出射度
离开表面一点处面元的辐射通量除以该 面元面积。
辐射照度
照射到表面一点处面元上的辐射通量除 以该面元的面积。
在给定方向上的立体角元内，离开点辐 辐射强度 射源或辐射源面元的辐射功率除以该立
1×107 2×107 3×107
(1.5~10)×108 (1~20)×108
1×107
辐射度学与光度学物理量间的关系
名称
定
义
单位
辐射能 以辐射形式发射、传播或接收的能量。 焦耳(J)
光能 光通量对时间的积分。
流明·秒 (lm·s)
辐射通量 以辐射形式发射、传播或接收的功率。 光通量 发光强度为Iv的光源，在立体角元dΩ内
轴上像点的光照度(小视场)
忽略光在光学系统内的损失：
Φ
'
=
π
(
n ')2 n
L
⋅δ
S
'⋅
sin 2
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 ) 。
第五章 光度学与色度学
二、面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度
设dAs代表光源的元发光面积，其在与之距离为r，面积为 dA平面上形成的照度为E：
d E dA LdAs cos 1 cos 2 r2
光源的 光亮度 发光面法 线与距离 方向夹角 受照面法 线与距离 方向夹角
表明面光源在与之距离为r的表面上形成的照度与光源的 亮度、面积及两表面的法线与r夹角的余弦成正比，与距 离r的平方成反比。
一、辐射量
①辐射能Qe：以电磁辐射形式发射、传输或接收的能 量称辐射能。单位为焦耳（J） ②辐（射能）通量Φ e：单位时间内发射、传输或接收 的辐射能。即 dQe e , 单位与功率相同,为w(瓦) dt
2
③辐出度Me：辐射源单位发射面积发出的辐通量。即： d e Me , 单位为瓦每平方米(W 2 ) m dA ④辐照度Ee：辐射照射面单位受照面积上接受的辐通量， d e 即： Ee , 单位为瓦每平方米(W 2 ) m dA 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dΦe 。即： d e Ie , 单位为瓦每球面度(W ) sr d ⑥ 辐亮度Le：元面积为dA的辐射面，在和表面法线N 成θ方向，在元立体角dΩ内发出的辐通量dΦe ，即： d e Le , 单位为瓦每球面度平方米(W 2) sr m cos dAd
780 380 780
K mV e d V e d Km
380
8
§5-2 光传播过程中光学量的变化
一、点光源在与之距离为r处的表面上形成的照度 设一点光源，其发光强度为I，在距光源为r处有一元面积 为dA的平面，其法线与r方向成θ角。则点光源S在dA面 上形成的照度为：
第一章 光度学和色度学ppt
第1章 光度学和色度学 描述光源色相常用"色温",它源于绝对黑体加热在不同温度下有 不同的发光颜色,通常称该温度(用绝对温度K)为该光色的色 温."相关色温"指光色最接近黑体某温度之光色的色温值.相同 色温光源的相对功率谱不一定相同,即颜色具有同色异谱色.
我们知道,温度在绝对零度(-273°C)以上的物体都会有连 续的电磁辐射.但是不同的物体的辐射能量是不同的.为了衡量物 体的电磁辐射能量的大小,人们设定了一个标准——绝对黑体.绝 对黑体是指在任何温度下,对于各种波长的电磁辐射的吸收系数恒 等于1的物体.自然界并不存在绝对黑体.绝对黑体是一个理想化的 参考模型.在遥感热红外扫描仪系统中,装有高温黑体和低温黑体, 作为探测地物热辐射的参考源.实用的绝对黑体是由人工方法制成 的.一般说,物体的辐射能量与其表面温度有关,温度越高,辐射 能量越大.换句话说,物体的辐射能随其温度变化,辐射能的光谱 分布也随之变化
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
第1章 光度学和色度学
课程回顾
第1章 光度学和色度学
光和物体的颜色 客观现实中物体的颜色
光源的颜色,直接取决于它的功率谱 ;物体的颜色不仅取决于它的反射特性 和透射特性,而且还与照射光源的功率谱有关
1,在白天 2,在夜晚 主观因素下的物体的颜色
不同的人对于同一功率谱的光的色感可能是不相同的.例如,对于用红砖建 造的房子,视觉正常的人看是红色,而有红色盲的人看是土黄色;同样,他 黄色.由于周围环境的影响,红色盲患者会把他看到的"土黄色" 看绿草坪是黄色 黄色 房子叫做"红色"房子;同样,把他看到的"黄色"草坪,叫做绿色草坪, 并认为他看到的"红色"与"绿色"和正常人一样.
光度学和色度学
2.2 光度学
光度学——研究光的强弱的学科称为光度学（包括光的辐射、 吸收、照射、反射、散射、漫射等有关光的度量） 人眼可见的图像可以用光度学来度量， f(x,y)——表示 (x,y)点处，图像的光强度。
几个重要概念：
发光强度I（intensity）
光源发光的功率称为发光强度。其单位主要有两种：
亮度的衡量有两种不同单位 A－以每单位面积上的发光强度来表示的。尼特 1尼特＝1cd/m2 B- 以每单位面积发出的光通量来表示的。朗伯 1朗伯＝1lm/cm2
一些实际情况下的光照度值（单位：lx）
对比度（contrast） 图像中最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比。
C1 Bmax / Bmin
（对绿色最敏感、红色次之、蓝色最弱，所以常作为三基色） – 人类利用它分辨物体细节。
• 杆状体（柱细胞）---夜视觉（适暗视觉）
– 约75,000,000～150,000,000个； – 对颜色不敏感，适应于低照度；
– 柱细胞主要提供视野的整体视象。
因此看到的物体白天有色彩，夜里看不到色彩
（2）人眼的亮度感觉特性
• 亮度表示光的强度，物体表面或光源的亮度越高，人感觉到的明度就越 高。但两者的关系并不固定； • 光谱是由不同波长的光组成的，不同波长所引起的不同感觉就是色调； • 纯色是指没有混入白色的窄带单色光，在视觉上就是高饱和度的颜色。 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成分越多时， 就越不饱和。
object物体
• 物体对照射光 – 反射 – 吸收 – 折射 • 对着色剂进行混合， 可以控制看到的颜 色 – 反射光的颜色决 定物体颜色 – 着色剂不一样， 反射、吸收不同 波长的光，影响 物体的颜色
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
光度学与色度学
39
应用：
40
定义
光的质量
显色指数 – 光源表现物体真实颜色的能力0-100 白炽灯 100 显色指数CRI－一只灯泡的显色指数是彩色物体被该灯泡发 出的光照明时彩色被显现的真实程度。 白炽灯泡和卤钨灯泡的显色指数被定义为100，而高压钠灯 的显色指数为20，美标金卤灯的显色指数为65。 下图显示用不同种类灯泡照明同样物体时的彩色效果。
9
10
柱状细胞和锥状细胞
正常视觉条件下(有足够的有 效亮度>10 cd/m2 ) 低亮度条件下(<0.01 cd/m2 ) 锥状细胞不发生作用
柱状细胞产生对物体的感 知
锥状细胞区别颜色
柱状细胞起作用,使物体有较 低的能见度
蓝光较红光更为明亮
•明视觉
暗视觉
过渡状态下有部分锥状和柱状细胞工作
1
LED光色电综合参数测试
• ◆ 测量led 的电参数，包括反向漏流、正向 压降 。 • ◆ 测量led 的色参数, 包括光谱半宽度、主 波长、峰值波长、色纯度、色坐标、色温、 显色指数。 • ◆ 测量led 的光参数, 包括二维空间光强角 分布、最大光强、动态光强、零度光强、 半强度角、偏差角、 光强扩散角、光通量。
(光源光通量)(CU)(MF) 平均照度＝光源总光通×CU×MF/面积 平均照度= ＝(2500×3×9)×0.4×0.8÷4÷5 照射区域面积 ＝1080 Lux 适用于室内，体育照明 结论：平均照度1000Lux以上
利用系数： 一般室内取0.4，体 举例 2： 育取0.3 体育馆照明，20×40米场地， 1. 灯具的照度分布 使用POWRSPOT 1000W金卤灯 60套
33
发光强度:
Luminous Intensity -光源向一定方向 单位立体角内发 出的光通量. 单位:坎德拉(cd)
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
(眼视光基础)9.光度学、色度学
辐射能量和该波段的视见函数的乘积
❖ 单位：流明lm（Luminious flux)
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
多媒体媒体元素是指多媒体应用中 可显示给用户的媒体组成。
色盲本
色盘
色彩
色觉镜
38
色盲眼中的世界
39
亮度与灰度相同，颜色不同
40
1、假同色图（常称色盲检查本） 在同一副色彩图中，既有以相同亮度不同颜色的
斑点组成的图形或数字，也有以相同颜色不同亮度 的斑点组成的图形或数字。正常人以颜色来辨认， 色盲者则只能以明暗来判断。能够正确认出，但表 现出困难或辨认的时间延长者为色弱。检查必须在 充足的自然光线下进行，图表距眼0.5m，应在5秒 钟内读出。
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。
❖ 照度要求
16
6、光亮度
❖ 光源单位面积上的发光强度 ❖ 发光面明亮程度，与光源尺寸有关
❖ 单位：坎德拉/平方米 cd/ m2
扩展光源 法线n
dS
dS
d
r
17
二、光度学与视觉
❖ 光强度与视力 ❖ 光照度与视力 ❖ 光亮度与视力
❖ 单位：流明lm（Luminious flux)
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
多媒体媒体元素是指多媒体应用中 可显示给用户的媒体组成。
色盲本
色盘
色彩
色觉镜
38
色盲眼中的世界
39
亮度与灰度相同，颜色不同
40
1、假同色图（常称色盲检查本） 在同一副色彩图中，既有以相同亮度不同颜色的
斑点组成的图形或数字，也有以相同颜色不同亮度 的斑点组成的图形或数字。正常人以颜色来辨认， 色盲者则只能以明暗来判断。能够正确认出，但表 现出困难或辨认的时间延长者为色弱。检查必须在 充足的自然光线下进行，图表距眼0.5m，应在5秒 钟内读出。
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。
❖ 照度要求
16
6、光亮度
❖ 光源单位面积上的发光强度 ❖ 发光面明亮程度，与光源尺寸有关
❖ 单位：坎德拉/平方米 cd/ m2
扩展光源 法线n
dS
dS
d
r
17
二、光度学与视觉
❖ 光强度与视力 ❖ 光照度与视力 ❖ 光亮度与视力
工程光学基础第5章光度学和色度学基础
D'
二. 轴外像点的光照度
出瞳 U'M
ω'
ω'
U'
M' 像面 A'
l'0
E' M
n' 2 n2
L sin 2
U'M
当U´M较小时，有
sinU ' M
tgU ' M
D' cos'
2 l'
D' cos2 '
2l'
sinU ' cos2 '
cos '
E' M
n' 2 n2
U’k
-U’zk
z’
l ’zk
l ’k
a. 轴上点远轴光线光路计算 sinI=(L-r)/sinU (当L1=∞时，U1=0,sinI1=h1/r1) sinI’=nsinI/n’ U’= U + I-I’ L’= r + rsinI’/sinU’ 过渡公式 Lk=L’k-1-dk-1
Uk=U’k-1 Nk=n’k-1
对于有k个折射面组成的光学系统，还存在逐次换面问题。
lk lk' 1 dk1 uk uk' 1 nk nk'
校对公式：h = l u = l ’ u’ 或者用
J = n’u’y’ = nuy
2.远轴光线的光路计算
入瞳
-U -Uz1
z
o1
-y1
-l z1 -l 1
出瞳
y’K
ok
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
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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CIE 1976 L*u*v*和L*a*b*均匀颜色空间及色差 公式
同谱异色现象及评价
光度学与色度学基础
第六节 颜色色差与均匀色度空间
颜色的数量表示方法：
色品坐标表示； 主波长和色纯度表示；
色差：某颜色的三刺激值X、Y、Z，说明了此种颜色的外貌与用X份 的(X)原色，Y份的(Y)原色，Z份的(Z)原色相加混合后得到的混合色 的外貌相同，颜色的三刺激值不同则颜色的外貌不同。但三刺激值差 X，Y，Z相同的两种颜色，随这两种颜色的不同引起人的色知觉 差异是不同的，对某两种颜色会感到有很大的差异，但同样的三刺激 值差对另外两种颜色可能会感到色知觉差异很小 。工业生产中常需 要去鉴别样品颜色的差别，在数字图像传输，数字图像处理等领域， 要进行图像的复制或重建，需要用数量来描述颜色的差别--色差。
1、均匀颜色空间：为了克服CIE色度图上的不均匀性，解决色差测定问 题必须将人眼辨色的能力与色度学计算结果一致起来，选择理想的颜色 空间，使此空间中任意两颜色量的空间差距代表人眼的颜色知觉差异， 此空间称为均匀颜色空间。由均匀明度标尺和均匀色品标尺组成。
2、均匀明度标尺：从黑到白的明 度标尺均匀等距地分成许多等级，
图5-18
光度学与色度学基础
三、均匀色度标尺--CIE 1960 UCS均匀色品图
CIE于1960年根据麦克亚当的实验，制定了CIE1960均匀色度标尺图， 简称为CIE 1960 UCS均匀色品图。 如图5-20所示。
图5-20 CIE 1960 UCS图
光度学与色度学基础
在图上，每一颜色的宽容度都近似于圆形，而且大小一致。横坐标为 u，纵坐标为v，它与CIE1931色度图中的x，y坐标之间及三刺激值间 的关系是：
1、颜色的宽容度：每一种颜色虽然在色度图上只占一个点的位置， 但是对于视觉来说，它实际是一个范围，当颜色点在这个范围内变 化时，视觉上对这一范围内各颜色的感受是等效的。我们把色度图 上这个人眼感觉不出颜色变化的范围叫做颜色的宽容度(恰可察觉 差)。 宽容量大小反映出人眼的色品分辨力。
光度学与色度学基础
图 5-6-5
光度学与色度学基础
以4号测试点为例，其长轴位于色度图的 y轴方向，短轴位于x轴方向，这表明当 此颜色向各个方向变化时，y轴与时x轴 相比，y轴坐标值变化较多时，视觉才能 感觉到颜色的变化，而x轴坐标值变化较 小时就能觉察到颜色的差别。
在图上还可以看出，在色品图上的不同 位置上，颜色的宽容度是不一样的，如 蓝色部分宽容度最小，绿色部分的宽容 度则最大。这说明在色品图上同样的空 间内，人眼能分辨出较多数量的各种蓝 色，而在绿色部分只能分辨出较少数量 的各种绿色。 按视觉恰可分辨的颜色数量计算，色品 图光谱轨迹蓝色端的颜色密度大于轨迹 顶部绿色的密度约300-400倍。
图5-6-4（a）
光度学与色度学基础
但是有一点需要注意，色品图上光谱轨迹的波长不是等距的，所以各 个线段的长度是相对的，不能代表波长范围绝对值的大小。
图5-6-4 (b)
光度学与色度学基础
麦克亚当（MacAdam）在CIE色 度图上的不同位置选择25个颜色 点，确定它们颜色恰可辨别时的 波长差异。 在实验时，他是以试验点为中心， 测定5到9个方向上的颜色匹配范 围，并用各方向上颜色匹配的标 准偏差定出颜色的宽容量，宽容 量在不同方向上大小不一致，连 成一个近似椭圆，代表了此颜色 的宽容度，其大小表示了色品的 分辨力。如图5-6-5所示，色度图 中25个测试点的椭圆的范围及形 状都有不尽相同。
2)、孟塞尔明度值函数：(V为孟塞尔明度值)
(5-38)
Y=1.2219V-0.23111V2+0.23951V3-0.021009V4+0.0008404V5
光度学与色度学基础
3)、CIE明度指数函数：W* = 25 Y1/3 –17 (W*为 CIE 1964色差公式中的明度值)
(1 Y 100)
5-20 CIE 1960 UCS色度光谱轨迹图
光度学与色度学基础
图 麦克亚当的颜色椭圆形宽容度范围
光度学与色度学基础
最完备的颜色分辨力应包括色品分辨力和光亮度分辨力两部分，即 对颜色三属性变化的综合分辨能力。有学者作出了类似色品分辨力椭 圆的颜色综合分辨力椭球，其范围代表人眼颜色分辨力的宽容量。宽 容量除对不同明度、不同色品的颜色不相同外，还受外界因素的影响， 极其复杂。
光度学与色度学基础
三、 CIE 1960 UCS 均匀颜色空间
《光度学与色度学基础》讲义
－－光信息科学与技术专业
指导教师：高俊玲
光度学与色度学基础
光度学与色度学基础
第五章 CIE标准色度系统
第六节 均匀颜色空间与色差公式
光度学与色度学基础
主要内容
色差及颜色的辨别力； CIE XYZ色度空间的不均匀性及颜色宽容度 CIE 1960 UCS 均匀颜色空间 CIE 1964 W*U*V*均匀颜色空间及色差公式
光度学与色度学基础
莱特线和麦克亚当圆说明图上相等的空间在视觉效果上不是等差的， 表明了CIE 193 XYZ色度图的不均匀性，这会对彩色复制等工作带来 难度。如在色品图上，人的视觉辨别颜色不敏感的区域，原来颜色坐 标点与复制的颜色坐标点之间虽然有较大的距离，复制的效果仍可能 是较好的。相反，在颜色敏感的区域，虽然两色度点的距离较近，但 是复制的质量也有可能是很差的。
光度学与色度学基础
为了将人眼的辨色能力直观地 表示出来，在CIE色度图上用 不同长度的线段表示人的视觉 对不同波长的颜色辨别的宽容 度。在每一线段内波长虽然有 变化，但是人眼却辨别不出颜 色的差别，只有当波长的变化 超过线段的范围时，才能感受 到颜色的差异。利用相应的数 据做出长度不同的线段，发现 在光谱的红端和蓝端的线段很 短，而绿色部分却很长，如图 5-6-4。
称为明度值V，数值为0-10共十一
个等级，0为理想黑色， 10为理想白色。
均匀明度标尺
光度学与色度学基础
明度值V与样品的亮度因数Y不是线性关系，其关系有多种不同的 表示方式，(不同的研究者给出的V与Y间的函数关系不同)。 1)、平方根公式： LH=10Y1/2
(5-37)
( LH为亨特色差公式中的明度。)
光度学与色度学基础
图5-6-1 L/L的数值与L值的关系曲线
L/L的数值与L值的关系曲线(如图5-6-1)： 人眼在一般光亮度情况下，保持 L/L为常数，它的光亮度分 辨力差阈L，随着亮度L的不同而不同。
光度学与色度学基础
2、波长的分辨力：用专门装置进行测量，实验表明光谱两端的波 长分辨力最差，特别在红端680nm以上，几乎不能分辨出差别，光 谱中部的分辨力较高，在蓝绿色490nm和黄色590nm左右，分辨力 最强，590nm附近约为1nm，如图5-6-2，
莱特和彼特选取了波长不同的颜色，对人眼对不同波长的辨别能 力进行了研究。 通过大量的实验，他们发现人的视觉对光谱不同波长的颜色差别 的感受性是不相同的，在波长为490nm和600nm附近，视觉的辨别 能力最高，波长有1nm的差别便能感受到，而在430nm和650nm附 近的辨色能力则很低，波长的差别有时在达到5nm~6nm才能感觉 出颜色的差别。
人眼的波长分辨力随着光亮度变化有所改变，光亮度提高时， 分辨力相应提高，但光亮度超过某值后，波长分辨力下降。 如果色纯度降低，波长分辨力一般随之降低，但蓝紫端随纯度 变化与其他部分有些不同。 波长分辨力随视场的增大而升高，10视场的波长分辨力比2 视场高三倍。
光度学与色度学基础
图 5-6-2
图 5-6-3
图5-6-3为低色纯度时的色纯度分辨力 随波长变化的情形。
光度学与色度学基础
近单色光(高色纯度)时(Pc=1)的色纯度分辨力有规则 ，几乎 所有单色光中只需加2%左右的白光后，人眼就能分辨出颜 色变化交，即冲淡单色光时的Pc约为 0.02，人眼色纯度分 辨力最差是570nm黄绿色，最佳的是在光谱两端，尤其是紫 蓝端。
以上三式适用于大小视场的标准色度观察者，只需代入相应 的实验数据。
光度学与色度学基础
图5-19 CIE 1960 UCS 图标准色度观察者（2°）光谱三刺激值曲线图
光度学与色度学基础
CIE1960 UCS均匀色品图光谱轨迹色品坐标u(λ )，v(λ )，w(λ )：
光度学与色度学基础
经过由CIE1931 x-y色度图向1960 UCS图的坐标转换，图5-23绘出了 麦克亚当的25个椭圆。这25个椭圆虽然不是等大的图形，但已是在一 个平面上能做到的最均匀的转换。在人的视觉差别相等的不同颜色， 在均匀色度标尺图上也是大致等距的，因而从图上两个颜色点的相对 距离可以直观地看出两者颜色的差异情况，并便于与另两个颜色点的 距离作比较。
4、色品分辨力：颜色差异是颜色三属性变化的综合结果，研究 色差必须研究人眼对颜色三属性的综合分辨力，尤其是颜色的 色品(色调和饱和度) 分辨力。
光度学与色度学基础
二、 CIE XYZ色度空间的不均匀性及颜色宽容度
在CIEXYZ的色品图上，每一个点都代表某一个确定的颜色，对应 着一定的色品。而该点的位置是由一定数量的红、绿、蓝三原色相 加混合来确定的。每一个颜色在色度图中都是用一个点来表示，但 是对于人眼来说，当这种颜色的坐标位置发生微小的变化时，虽然 颜色发生了变化，但由于变化较小，所以人的视觉仍认为它是原来 的颜色，不能感觉到它的变化。
（5-42）
或
（5-43）
光度学与色度学基础
CIE1960 UCS均匀色度系统标准色度观察者光谱三刺激值 与1931 XYZ系统光谱三刺激值间的关系式：