光度学与色度学基础

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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 眼睛和脑的关系 完整的视觉
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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wenku.baidu.comm）
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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。
▲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。
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（1）屈光系统
（3）视网膜的部位；
（4）光的颜色； （5）背景光。
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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
1 T L L(t )dt T 0
L(t)：周期变化光的实际亮度； T：周期。 扇形衰减器的透过率：
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。
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3. 临界闪烁频率
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；
线
(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。
锥体细 胞和杆 体细胞 视神经
双极细胞
视网膜
视网膜的结构略图ROAM CONSULTING Inc. Copyright © 2004
朗伯面的光强分布曲线
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一个朗伯发射面，它向空间两个任意1和2之间所发 出的光通量：
Id 2 I 0 cos sin d

2
1
对于半球体应取1=0°， 2=90°，可得
I 0
▲
第二层为双极细胞层
-------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。
黄绿色 560 530nm， 青 紫
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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。
：发光面的法线与所指定的方向的夹角。假若这个面光源的亮 度在各个方向上都相等，即亮度不依赖于方向角，则
I L A cos
现定义I0为这个面光源法线方向上的 发光强度，即I0＝L· A。上式变为
I I 0 cos
朗伯定律：一个亮度在各个方向上都 相等的发光面，在某一方向上的发光 强度等于这个面垂直方向上的发光强 度乘以方向角的余弦。
由于
d I d
故有
d 2 L ddA cos
这是亮度更通用表达式。亮度不仅可用来描述一个发光面，而 且还可以用来描述光路中的任意一个截面。
朗伯定律
如果有一个面积为A的均匀发光面，它在某一方向上的 亮度为L，则它在这个方向上的发光强度I应为
I L A cos
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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。
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发光强度
I
d d
d: 立体角元，d: 立体角元所包合的光通量 发光强度单位: cd(坎德拉)。 发光强度与光通量之间的另一个关系
Id

对于一个各向同性的点光源，它向空间所有方向发出的光 强度均相等，且等于G cd，则它发出的总光通量为4G 1m。
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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。
一个朗伯发射面发出的总光通量等于它的垂直发光强 度乘立体角。
若朗伯发射面的面积为A，则因I0＝LA，可得
LA
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光度学应用举例 彩色PDP发光效率的计算
作为一个发光体，彩色PDP的发光效率为其辐射的可见光通 量Φ与显示板产生该光通量所消耗的电功率P之比，用数学表达 式表示： 或
光度学与 色度学基础
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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 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 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. 色度学在彩色电视方面的应用
V’()－暗视觉光谱光视效率。
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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：
V 1

由
得 V
D 3438 d
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。
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2. 照度及距离平方反比定律
照度是指落到某一面元上的光通量与这个面元面积之商。 也可以说：照度等于单元面积上的光通量。
d E dA
照度的单位叫勒克斯（lx），当1流明的光通量均匀地照射在 1平方米的面积上时，这个面上的照度就等于lx，即 1lx＝1lm/m2。 （1）假定点光源的发光强度为I（cd），则它发出的总光通 量等于4；而一个半径为R的球，总球面积为4R2。所以点光 源距离R处所产生的照度E为
波长（nm）
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光通量与辐通量的关系式为
明视觉：
暗视觉：
K m e ( )V ( ) d
380
760
K
'
' m

760
380
e ( )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；
盲点
在距中央凹约4mm的鼻侧处， 没有视细胞。
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明视觉和暗视觉： (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。
E
I R2
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（2）由照度定义推导 距离平方反比定律：
立体角元与面元的关系
点P向一个垂直面元dA所张的立体角d=dA/R2，可得：
d d I d dA R 2
故可得
d I 2 dA R
由照度的定义可得
I E 2 R
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。
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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。
V()峰值位臵： 555 nm； V’()峰值位臵： 507 nm。
光 谱 光 视 效 率
发光效率：
指消耗单位电功率所产生的光通量，单位为lm/W。 它可表示为：

P
如：白炽灯泡的发光效率为30lm/W；日光灯的发光效率为 100lm/W；彩色显象管荧光粉白场的发光效率为30lm/W。
发光强度：
为了描述光源在某一指定方向上发出光通量能力的大小。 在指定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量值，除 以这个立体角元，所得的商为光源在此方向上的发光强度。


360
扇形衰减器
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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)。 它表示用标准眼来评价的光辐射通量，可用下式求出：
K m e , V ( )d
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被照平面的法线与光线成一角度 的情况：
L至P点的距离为R,由距离平方反 比定律可知，在V’面上的照度：
E'
I R2
由于V面上代表一定面积的AB投影在V’面上时有CD＝AB•cos。所 以平面V上的照度
E E ' cos
0
10
2
10
4
10
6
10
8
宇宙 射线
X射线
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
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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 黄 绿 蓝 色 色 色 色 760 620 nm， 590 560 nm， 530 500 nm， 470 430 nm， 橙 色 620 590nm， 色 500 470nm， 色 430 380nm。
即
E
I cos 2 R
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3. 亮度及朗伯定律
亮度表示每单位面积上的发光强度。
dI L dA
亮度的单位为cd/m2。
如果这个面的法线与观察方 向所成的角度为时，上式将变 为
L
dI dAcos
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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。 ④玻璃体。一种透明的半流体。
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光