光度学与色度学基础

Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.光度学与色度学基础Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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。宇宙射线X射线紫外线可见光谱红外线微波无线电波电视短波广播交流电10－1410－1210－1010－810－410－210－6100102104106108380nm760nm波长（m）Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.可见光可见光是波长在380760nm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620nm，橙色620590nm，黄色590560nm，黄绿色560530nm，绿色530500nm，青色500470nm，蓝色470430nm，紫色430380nm。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.紫外辐射紫外辐射的波长范围是40010nm。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0.761000m。通常分为近红外、中红外和远红外。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.2.眼睛的结构及视觉机理眼睛和脑的关系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Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.（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。④玻璃体。一种透明的半流体。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.(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。光线视网膜的结构略图视网膜视神经双极细胞锥体细胞和杆体细胞Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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。▲▲Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.盲点在距中央凹约4mm的鼻侧处，没有视细胞。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。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.(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。明视觉和暗视觉：Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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()峰值位置：555nm；V’()峰值位置：507nm。光谱光视效率曲线光谱光视效率波长（nm）Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.Km＝683lm/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＝1725lm/W；V（）－明视觉光视效率；V’()－暗视觉光谱光视效率。dVKem760380''')()(暗视觉：dVKem760380)()(明视觉：光通量与辐通量的关系式为Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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：1V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4m。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。由得dDV3438Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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；（3）视网膜的部位；（4）光的颜色；（5）背景光。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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TdttLTL0)(1L(t)：周期变化光的实际亮度；T：周期。扇形衰减器360扇形衰减器的透过率：Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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：dVKem)(,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＝683lm/W。例如：一只40W的钨丝灯泡输出的光通量为468lm；一只40W的日光灯输出的光通量为2100lm。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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。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。发光强度：Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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)。ddI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Gcd，则它发出的总光通量为4G1m。发光强度Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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。dAdE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4R2。所以点光源距离R处所产生的照度E为2RIECopyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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：2RdAdddI故可得2RIdAd由照度的定义可得2RIE（2）由照度定义推导距离平方反比定律：Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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：2'RIE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cos'EE即cos2RIECopyright©2004ROAMCONSULTINGInc.3.亮度及朗伯定律亮度表示每单位面积上的发光强度。dAdIL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cosdAdILCopyright©2004ROAMCONSULTINGInc.由于ddI故有cos2dAddL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。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应为朗伯定律cosALICopyright©2004ROAMCONSULTINGInc.：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cosALI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cos0II朗伯面的光强分布曲线朗伯定律：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。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.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：2102cossinIdId对于半球体应取1=0°，2=90°，可得0I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Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.彩色PDP发光效率的计算光度学应用举例作为一个发光体，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：P/或PdVKPm/])()([/760380（2）（1）（1）光通量的计算彩色PDP是平板显示，它的发光是面发光，在其视角范围内可认为是均匀发光物体，在视角范围内各个方向上的亮度可近似相等。Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.彩色PDP视角彩色PDP发光可看成是朗伯体发光，遵守朗伯定律。亮度表示每单位面积上的光强即:dAdIL如果发光面的法线与观察方向所成的角度为时，上式将变为cosdAdIL（3）（4）Copyright©2004ROAMCONSULTINGInc.在视角范围内，彩色PDP这个面光源在各个方向上亮度都相等，亮度不依赖于方向角，即L=Lθ可得dIθ=dI0cos。又定义dI0为面光源法线方向上的发光强度即dALdI0下面求有效发光面积为S，亮度为L，视角为v～v的全部光通量。立体角定义为ddrdrrdrdSdsin/sin/22（5）（6）