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

()λ

λελλλd e d d =+,()λλεd e ?∞

=0

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 o

A ，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。通常取这最大值作为单位

1。例如对于6000的波长来说，视见函数的相对值是0631，为了使它引起和5550相等强度的视觉，所需的辐射通量是5550的1／0631倍，即16倍左右。也就是说，为产生同等强度的视觉，视见函数v(λ)与所需的辐射通量d ελ成反比。

三、光通量

引入视见函数v(λ)后，就可以研究光通量，它表示光源表面的客观辐射通量对人眼引起的视觉强度，以Φ表示，它等于辐射

()λ

εελν??=5550

通量与视见函数的乘积。在某一波长λ附近对于波长间隔为d λ的单色光来讲，其光通量为

(3-1)

式中

(3-2)

k(λ)称为光谱光视效能，km 为最大光视效能，简称最大光效率。 光通量和辐射通量具有相同的量纲，但在国际单位制中，辐射通量的单位为瓦，而光通量的单位为流明(lumen)，单位代号：流(lm)。

由(3-1)式可知k(λ)=d Φλ／d ελ，光谱光效能k(λ)其实是波长为λ的辐射的功光当量。换言之波长为λ的1W 辐射通量，

()()λνλm k k =()()()λλλελφλλd e k d v k d m ==

相当于k(λ)(lm)的光通量。而最大光谱光视效能km 是指波长为5550辐射的功光当量，即km 为最大功光当量。国际单位制中

单色光光通量的表示式(3-1)可写为

复色光光通量表示式可写为

电光源发出的总光通量Φ与电光源的耗电功率P 之比η，称为电光源的遍计发光效率。它是衡量电光源工作性能的重要指标。即

η表示电源每耗电1W 所发出光通量的流明数。电光源的遍计发光效率都是不高的，这是因为输入光源的电功率不能全部转化为电磁辐射通量，而电磁辐射通量中又只有一部分落在可见光区的缘故。值得指出的是，遍计发光效率η和作为功光当量k(λ)=kmv(λ)的光效率在意义上是有区别的。一般电光源手册中通常将遍计发光效率简写为发光效率或光效率。

四、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

W

m k m 6831=()()p

d e p λλλνφ

η?∞

==0683()()λλλνφλd e d 683=()()λλλνφφλd e d ??∞

==0683

式中d Ω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表示沿着该方向的发光强度。从图3-3可知在球坐标中，d Ω=sin θd θd φ，因而

由点光源所发出的总通量为 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。

?θθφ?θ?θd d I d I d ??=Ω=sin .,,θθ?φππ

?θd I d ?=??sin 200,Ω

=

d d I φ

五、照度

照度是表征受照面被照明程度的物理量，它可用落在受照物体单位面积上的光通量数值来量度，如果照射在物体面元d σ上的光通量为d Φ，则照度E 可表达为

(3-4)

对点光源来说d Φ=Id Ω ，因而照度

式中R 为点光源距受光物体元面积d σ中心的距离。由此可见，点光源所造成的照度反比于光源到受照面的距离的平方，而正比于光束的轴线方向与受照面法线间夹角α的余弦。因为在大多数情况下，物体不是自己发光的，所以照度有重要的意义。照度的单位称为勒克斯(lux)，单位代号：勒(lx)。它是1lm 的光通量均匀分布在1m2的表面上所产生的照度。照度的另一单位辐透(ph)。

1ph=1lm ／cm 2

故 1ph=104lx

表3-1列举了一些经常遇到的典型情况下光照度的近似值。

表3-1一些实际情况下的光照度值(单位：lm ／m 2或lx) 无月夜天光在地面上所产生的照度3×10-4.

接近天顶的满月在地面所产生的照度0.2

办公室工作时所必须的照度20～100

晴朗的夏日在采光良好的室内的照度100～500

夏日太阳不直接射到露天地面的照度1，000～10，000 单位面积的面元发出的总光通量称为面光源的出射度，以M 表示。对于面光源，考察其的面元dS,如果dS 沿各方向发出的总 σφd d E =2

cos R I d Id E ασ=Ω=

光通量为d Φ，则

它的单位也是勒克斯或辐透。由于出射度和照度有相同的量纲和类似的定义，故可将它称为功率密度。值得指出的是，照度中的光通量是面元所接收的光通量，而出射度中的光通量是面元所辐射的光通量。

六、亮度

只是在发光体的线度远

小光源到观察点距离，即发光

体实际线度大小可以略去不

计时，点光源才有意义。对于

实际的扩展光源来说，应该把

它的表面分成无数面元，同时

分出这样的一个光束：它从某

一面元dS 出发，包围在一个

立体角d Ω内，这光束的轴线

与dS 的法线N 成一个角度θ

(图3-4)。在光束轴线的方向

上，面元的表观面积是dScos θ。朗伯首先由实验发现对许多发光体(不是所有发光体)来说，在立体角d Ω中发射出的光通量d Φ正比于d Ω和发光体表观面积dScos θ的大小(朗伯定律)，比例系数和发光面的性质有关，不随θ角的不同而变。这个系数用B 表示，称为光源的亮度，它是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量，可以用单位面积的光源表面在法线方向的单位立体角内传送出的光通量数值来量度。于是d Φ=BdScos θd Ω，因此

(3-5)

由(3-5)式可知，亮度的单位为lm ／(m 2·sr)或lm ／(cm 2·sr)，

Ω

?Ω=d ds d B θcos d s d M

φ=

前者称为尼特 (nit)，单位代号：尼特(nt)；后者称为熙提(stilb)，单位代号：熙提(sb)。熙提的尼

特之间的换算关系为1sb=104nt

为了对光亮度有数值上的具体概念，表3-2给出了一些实 际光源的光亮度的近似值。

表3-2 一些实际光源光亮度的近似值(单位：cd ／cm 2或sb) 与人眼最小灵敏度相对应的物体10-10

无月的夜空10 -3

满月的表面0.25

煤油灯焰1.5

阳光照射下的洁净雪面3

乙炔焰8

钨丝白炽灯500～1，500

超高压球状汞灯120，000

在地面上看到的太阳150，000

在地球大气层外所看到的太阳190，000

由发光强度的定义，式(3-5)可改写为

通常扩展光源上每一面元的亮度B 随方向而变。如果扩展光源的发光强度dI ∝cos θ，从而亮度B 不随θ角而变，这类光源称为遵从朗伯定律的光源，也叫余弦光射体或朗伯光源。太阳辐射的规律相当接近于朗伯定律。发光强度和亮度的概念不仅适用于自身发光的物体，还可推广到反射体。光束投射到光滑的表面上时，会定向地反射出去；而投射到粗糙的表面上时，它将朝所有方向漫射。一个理想的漫射面，应是遵循朗伯定律的；也就是无论入射光从何方来，沿各方向漫射光的发光强度总是与cos θ成正比，因而亮度相同。涂了氧化镁的表面被照亮以后，或者从内部被照明的优质玻璃灯罩、积雪、

θ

cos ds dI

B =

白墙以及十分粗糙的白纸，都很接近理想的漫射体。这类物体称为朗伯反射体。

［例3-1］一发光强度为60cd的点光源O置于水平地板上方4m处，而一直径为3m的圆形平面镜水平放置，平面镜的圆心位于点光源正上方4m处，若光投射于平面镜时，将80%的光反射，试求光源斜下方6m地板上P点处的照度。

解：如图所示，平面镜在光源的镜象处形成一个附加的08×60cd 发光强度的镜象光源O′，但它仅照明地板的有限范围AB。根据题意，所求点的照度应为实际光源O和镜象光源O′共同贡献的，

应用反平方定律且考虑到倾斜因子cosα，即得

将

2

2

12

'

cos

48

';

6

4

cos

,

60

'

'

cos

'

cos

=

=

=

=

+

=

cd

I

cd

I

R

I

R

I

E

α

α

α

α

代入上式得

§2 色度学概述

色度学是本世纪发展起来的以物理光学、视觉生理学和视觉心理学等学科领域为基础的综合性学科。它超出了通常意义下的物理学范围，但又常常在物理学中介绍它。在科学研究、生产和生活中有许多现象往往和视觉联系在一起，这些现象是物理过程和生理过程的一种混合。要完全理解这些现象，必须研究视觉这个领域，特别是色的视觉，即色度学所涉及的问题。

一、色度学基本术语

颜色在色度学中，颜色通常定义为一种通过眼睛传导的感官印象，即一种视觉。视觉如同味觉、嗅觉和痛觉一样，起因是个刺激。对颜色来说，刺激是光辐射。颜色定义说明，眼睛起着决定性作用。

消色和彩色在色度学中，白色、灰色和黑色统称为消色，它们可以排成一个系列，由白色逐渐到浅灰，再到深灰，直到黑色。消色系列的黑白变化对应于白色光的亮度变化。在色度学中，定义除消色以外的一切颜色统称为彩色。

光谱色和混合色由单一波长的光所构成的颜色叫单色光。所有单色光的颜色都叫光谱色。两种以上的波长的光混一起所呈现的颜色叫做混合色。白色是一种混合色。太阳光就是白色光，它

()

lx E 385.11641248646033=?+?=

由红橙黄绿青蓝紫七色这只是就便于区别的颜色而言的，其实任何二色之间还可以再细分，一般人可分辨120种颜色。有经验的人可分辨13 000多种。因此不要以为日光中就只包括这严格的七种颜色。光混合构成。有的两种颜色光按一定比例混合就可以获得白色光。能配合成白光的两颜色称为互补色。例如红与青、黄与绿、绿与品红皆为互补色。

二、颜色随光强的变化

人眼睛视网膜上的锥体细胞和柱体细胞执行着不同的视觉功能，前者是明视觉器官，在亮光条件下作用，能够分辨物体的细节和颜色；后者是暗视觉器官，在暗光(指光非常微弱而不是完全黑暗无光)条件下起作用，不能分辨物体的细节和颜色，只能有黑白之感。锥体细胞能看到的深红色，柱体细胞却误认为是黑色。

人眼所能适应的光的强度变化超过了一百万比一的范围。这个适应范围是由在亮光条件下起作用的锥体细胞和在暗光条件下起作用的柱体细胞的相互间转移完成的。如果光的强度比较强，我们就能识别颜色；如果光很弱我们就不能识别颜色，众所周知，没有人直接用肉眼看到过星云的色彩，这不是因为星云本身无色彩，而是由于光的强度还不足以使人眼中的锥体细胞起作用的缘故。威尔逊和帕罗马天文台的密勒(W·C·Miller)曾经拍摄了某些星云的彩色图象。其中有巨蟹座星云呈现蓝色的云雾，并有明亮桔红色的细丝渗入其中；还有呈现美丽的蓝色内核，并带有亮红色外晕的环状星云。

即使在光强能达到使人眼分辨出颜色的情况下，颜色仍随光强有微小的变化。光谱中除了572nm(黄色)、503nm(绿色)、478nm(蓝色)是不随光强度变化的颜色之外，其它颜色在光强度增加时有的略向红色，有的则向蓝色变化。例如660nm红光投射到视网膜上的照度由原来的某一个值降低到该值的1／20时，必须减少波长34nm，才能保持原来的色调；525nm绿光在同样条件下

则需增加波长21nm，才能保持原来的色调不变，颜色随光强而变化的这种现象叫贝楚德朴克效应(Bezold-Brucke effect)。

三、颜色适应和颜色对比

人眼在颜色刺激的作用下所造成的颜色视觉变化叫做颜色适应。眼睛对某一颜色光适应以后，再观察另一颜色时，在开始阶段，后者会发生失真，而带有前者的补色成份，这种现象就是颜色适应现象。例如，在一块暗背景上投射一小块黄光，用眼睛看，当然

是黄色的；但是当眼睛先注视一块大面积强烈红光一段时间后，再看原来的暗背景上的一小块黄光，这时眼睛感到黄光会呈现出绿色。经过几分钟以后，眼睛会从红光的适应中恢复过来，绿色逐渐消失，又成为原来的黄色。再例如，在白色或灰色背景上注视一块彩色纸片一段时间(1—2分钟以上)，然后取走彩色纸片，仍继续注视背景的同一地点，背景上就会出现原来颜色的补色，而且这一诱导出的补色时隐时现多次起伏，直到最后完全消失。

在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色对比。在一块红色背景上放一小块白纸或灰纸，用眼睛注视白纸中心几分钟，白纸会呈现出绿色，即诱导出红色的补色。如果在一块彩色背景上放上另一彩色，由于颜色对比，两颜色互相影响，使每种颜色的色调向另一彩色的补色方向变化。如果两彩色是互补色，则彼此加强饱和度，在两彩色的边界处，颜色对比现象最明显。

四、色调、饱和度和明度

就单色光而言，波长的标度与颜色的标度是一一对应的，即两束波长相同的光，观察者看到的颜色相同，反之，两束看来颜色相同的光，一定具有基本相同的波长。但是，这个波长与颜色一一对应的关系对于一个波长以上的混合光却不成立。实验表明，不但具有同样光谱分布的两束光，观察者也感到具有同样的

颜色，例如绿光与红光以适当的比例混合，可与黄光与蓝光的混合所产生的颜色相同。所以标志颜色的感觉特征仅用光谱波长的标志是不够的，还必须增加其它的标志。

1 色调用它来标志颜色的区别。实验证明，自然界的大多数颜色都可用某一单色光和白光按一定比例配成，则这个颜色的色调用此单色光的波长(称主波长)表示。非单色光和白光按一定比例配成的颜色的色调可用非单色光的补色波长(主波长)表示。

2 饱和度用它来标志颜色的纯洁程度。单色光是饱和度最高的颜色。当单色光掺入白光成份越多时，就越不饱和。饱和度的表示式为

饱和度= 单色光流明数

单色光流明数+白光流明数

3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。

五、三原色原理

在近处或通过放大镜观察彩色电视荧光屏上的彩色图象时会发现，它是由密密麻麻的红、绿、蓝色发光小点嵌集合成的，而且，各个彩色小点的亮度是不同的。在绿色小块里，绿色小点发光特别明亮，在黄色小块里红色和绿色小点发光明亮，蓝色小点暗黑，而在白色小块里三种小点全都发光明亮。

在较远的距离观察彩色电视机，人们就看不出各个彩色小点，见到的只是均匀地带着某种颜色的小块。这是因为眼睛离荧光屏的距离已达到视觉锐度不再能区分开各个彩色小点的程度，各个彩色小点射出的光线同时作用到人眼视网膜的视觉细胞上，使之产生一个整体的彩色感觉。因此，可以说，彩色电视里的五颜六色的画面是由红色、绿色和蓝色三种颜色相加混合产生的。

实验表明：任何一种颜色都可以用三种颜色组成。红、绿、蓝三色按不同比例混合能配出范围相当大的常规颜色。这就是三原色原理。红、绿、蓝三色光称为相加三基色。

三基色的选择不是唯一的。由于红、绿、蓝相加三基色能配出的色域较广，品种较多，所以人们愿意选用红、绿、蓝相加三基色。原则上，只要三种颜色的任一种都不能被其余两种相加配出，那么这三种颜色就是一组三基色。

需要说明的是，任何实际的三基色，即使较好的红、绿、蓝，也不能配出自然界所有的一切颜色。增加基色总数，才能扩大配色的色域。但是基色过多，使用上不方便。事实上，红、绿、蓝三种基色已基本满足了实际上的需要。三原色原理提示我们一种表示色的途径。假设我们把红、绿和蓝三种颜色，用A、B和C 来标记，于是，某一种颜色就可以由这三种颜色的一定数量(彩色量)制成。比如，由颜色A的数量a,颜色B的数量b和颜色C 的数量c制成颜色x，则

x=aA+bB+cC

a、b和c称为三色系数。显然，选用不同的三基色，去标定(配成)同一颜色将有不同的三色系数。由此选用不同的三基色将产生不同的三色系统。用不同的三色系统去讨论颜色规律问题，需要换算，极不方便。为了标准统一化，国际照明委员会，公布了标准三色系统〔X〕、〔Y〕、〔Z〕。

六、色品图

现代色度学采用国际照明委员会(简称CIE)所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法，称为CIE标准色度学系统。在这个系统中，CIE1931色品图，如图3-6所示。它占有相当重要的地位。它明确表示了颜色视觉的基本规律以及颜色混合的一般规律，是色度学的实际应用工具。很多有关色度学的计算和延伸都是由此出发的。

舌形色品图的围线上各点代表光谱色，下缘直线上各点代表非光谱色(即品红色)。它是以三个虚拟基色量(X、Y、Z)为标准规定出来的。其所以如此选择，是首先考虑了以下两个要求：其一、是使任意色的三色系统中的三色系数a、b、c均为正值；其二，是三色系数中的Y值就是〔x〕的流明数。于是有关明度的色度学信息只存在于标准基色系数Y中。由于每个颜色总与一个明度感觉相关联，从而每个实际颜色必定给出一个正值的流明数。因此，在色品图中，所有实际色量都在Y=0平成的上方。

色品图是根据三原色原理绘制的，它用匹配某一颜色的三原色比例来规定这一颜色，x色品坐标相当于红原色的比例，y色品坐标相当于绿原色比例，图中没有z色品坐标，因为x+y+z=1，

所以z=1-(x+y)。

1 谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成的舌形内部包括一切物理上能实现的颜色。

2 坐标系统的原色(三基色)点，即三角形的三个角顶〔红原色点(x)∶x=1，y=z=0；绿原色点(y)∶y=1,x=z=0；蓝原色点(z)∶z=1,x=y=0〕都落在这个区域之外，也就是说，原色点的色品是假想的，在物理上不可能实现。同样，凡是落在光谱轨迹由红端到紫端直线范围以外的颜色是物理上不能实现的颜色。

3 色品图中的E 点是白光，由三原色各1／3彩色量产生，所以也称为等能白光，其色品坐标为

E 点是CIE 标准光源的色光，相当于中午阳光的光色。

4 若色坐标给定，可立即从色品图上定出该色的主波长和饱和度。例如，要求Q 点的主波长，只要从Q 向E 引一条直线，并延长EQ 与光谱轨迹相交，交点在5103nm 则Q 点的主波长就是510.3nm 。某一颜色离开E 点的接近光谱轨迹的程度表明它的纯度，颜色越靠近E 越不纯，越靠近光谱轨迹越纯，所以接近光谱轨迹的远近程度标志着饱和度的大小。

5 从色品图还可推算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。如Q 和S 相加，按不同比例，可配出Q 到S 线段中的各种颜色。 光谱轨迹的形状是近似直线或凸形的，而不是凹形的。因此，任何两个波长光相混合所得出的混合色或落在光谱轨迹上，或在光谱轨迹所包围的面积之内，而绝不会落在光谱轨迹之外。

6 在700～770nm 的光谱波段有一恒定的色度值，都是x=0 7347，y=0.2652，z=0，在色品图上只由一个点来表示。这表明，只要将700～770nm 这段光谱上的任何不同波长的两个颜色调整到相同亮度，则这两个颜色在人眼看来都是一样的。

7 光谱轨迹540～700nm 近似是一条直线，这意味着，在这段光谱范围内的任何光谱色都是可以通过540nm 和700nm 二种波03333

03333

3333

.0===e e e z y x

长的光线以一定比例相混合而产生。

8 光谱轨迹380～540nm是一段曲线，它意味着，在此范围内的一对光线的混合不能产生两者之间的位于光谱轨迹上的颜色，而只能产生光谱轨迹所包围面积内的混合色。

9 在色品图上很容易确定一对光谱色的补色波长：从光谱轨迹上的一点通过等能白光点E划一直线抵达对侧光谱轨迹的一点，直线与两侧轨迹的相交点就是一对补色的波长。可以看出，380～494nm之间的光谱的补色位于570～700nm之间，反之亦然。在494～570nm之间的补色只能由和至少由两种光线相混合而产生，因为，这段通过E点的直线恰好与连结光谱轨迹两端的直线相交，而这段直线是由光谱两端色相加的混合色的轨迹。

七、色视觉变异

对于一个颜色视觉正常的人，可以用三种原色光的相加混合匹配出光谱上的各种颜色。因此，颜色视觉正常的人可以说具有三视觉，称为三色视觉者。三色视觉者能够分辨各种颜色。但是大约8%的男人和04%的妇女偏离了正常的色视觉，与三视觉者分辨颜色的能力相比，偏离的程度也很大，这种现象叫做色视觉变异。色视觉变异主要是由遗传引起的，也有的是由于视觉系统的疾病引起的。色视觉变异分以下三类：

1 单色视觉(全色盲) 这种人用任何一种颜色，通过改变其明度，可以匹配出他认为的各种光谱色。这种人完全不能区别色调。在单色视觉看来，可见光谱只是一条不同明暗的灰带，他只能根据明度辨认物体。这如同我们正常颜色视觉的人用黑白电视接收彩色电视节目一样，看不到颜色，只看不同的明度和对比。其原因是单色视觉者的视网膜缺少锥体细胞，或者锥体细胞功能丧失，

视觉靠柱体细胞。因此，其明视曲线与正常人的暗视觉曲线一样，相当于正常人的夜间视觉。这种人怕光，在光亮下，眼球发生颤动。单色视觉是非常罕见的，105男子中约有3个，一般

都是先天性的，后天性极少见，后天性主要是由视神经炎症引起的锥体细胞功能丧失：先天性主要是因生下来就缺少锥体细胞。

2 二色视觉(局部色盲) 如果一个人用两种原色能匹配出各种光谱色，那么这个人就是局部色盲，称为二色视觉者。二色视觉者包括红-绿色盲和蓝-黄色盲。红-绿色盲又分为红色盲和绿色盲，这类色盲患者主要是男性，约占男性人口的2%，红-绿色盲看来，整个可见光谱是由短波端的“蓝色”过渡到长波端的“黄色”组成，误把红色和绿色都看成是饱和度低的黄色，不能分辨红色与蓝绿色，并把两者误认为是黄白色。认为波长为493nm 的绿光是白色，并认为此白光是中性点，一侧过渡到蓝光，另一侧过渡到黄光，且两种颜色饱和度逐渐增加。有趣的是红-绿色盲隔代遗传：男性通过女儿传给外孙，而第二代女儿本身并不是色盲。二色视觉者的另一种类型是蓝-黄色盲，约占人口的万分之一左右。其中蓝色盲看来，整个光谱是由红绿光组成的，长波端是红色，越向短波方向越发灰，直到大约570nm处是白光，即中性点，由此向短波一侧是绿色或蓝绿色。其中黄色盲者也认为整个光谱是由红绿光组成的，但光谱上有两个中性点，一点是580nm,另一点是470nm。因此，误认为光谱被划分为三段，长波端是红色，中间区是绿色，短波端又是红色。

3 异常三色视觉(色弱) 这种人也可由三种基原色配出任一种颜色，但在部分光谱中的辨色力很差。例如，红绿区的波长变化较大时，色弱的人才能区别出色调的变化，而且当红光和绿光有较高的亮度才能正确分辨，在暗照明下，常常将红色和绿色混淆。色弱主要发生在男性身上，女性较少。红色弱者约占男性人口的1%，而绿色弱者约占男性人口的5%。

值得注意的是，色视觉变异的人往往不能自觉发现自己的颜色与众不同，这些人常用正色觉者感到的颜色词汇去称呼他自己所看到的颜色。例如，一幢红楼，红色盲看来是土黄色，但是所有其它人都说是红色的，所以红色盲也说是红色的。但是，实际

上他已经把自己所看到的土黄色叫做“红色”了。许多色视觉变异的人常利用辅助的线索来矫正辨色能力。例如无意识地记住熟悉的物体的颜色，凭经验也知道黄色物体和绿色物体比红色物体明亮，这些都有助于矫正辨色能力。但是在排除了熟悉的参考因素又离开了别人提示的条件下，便会暴露出色盲者的视觉缺陷。对某些职业，如汽车司机，不能辨别色调是很危险的。

习题

1.谱辐射通量为164W的660nm红光与1W的555nm绿光产生相同亮暗感觉。求660nm 红光的视见函数值。

2.已知面积为100cm2的圆盘是朗伯辐射体，其一面以100瓦特／米2球面度均匀且各向同性地向外辐射单色可见光。①这一圆盘面的总辐射通量是多少?②给定一个孔径为10cm，焦距为100cm的透镜(n=15)，问把圆盘辐射体放在什么位置才能成一个1／4cm2的圆斑?

3.氦氖激光器发射波长约633nm的红光。已知视见函数值为0.238，辐射通量为25mW，求激光器的光通量。

4.在离桌面10m处有盏100cd的电灯L，设L可看作是各向同性的点光源，求

①桌上A，B两点的照度(见图3-7)。

②如果电灯L可垂直上下移动，求怎样的高度使B点的照度最大。

5地球表面受阳光垂直照射时，照度约为10×105lx。假定太阳辐射服从朗伯定律，并忽略光在大气中的损耗。若已知地球

轨道半径R=15×108km,而太阳直径D=1.4×106km，求太阳的亮度。

6用120lm的光通量，垂直照射在一张20×30cm2的白纸上，如果白纸可看成是余弦辐

射体，漫反射系数ρ=0.75，求：

①纸的照度、面发光度和亮度。

②要使纸面亮度为1sb ，纸面照度要多大?

第五章光度学

[考试要求] 要求考生掌握光度学的基本术语及其单位、光传播过程中的光学量的变化规律及成像系统的像面照度。 [考试内容] 所有与光度学相关的定义、公式和单位，成像系统中光照度的分析和计算，余弦辐射体，光经界面反射和折射后的亮度。 ［作业］1 第五章 光度学 光能是系统设计中另一个非常重要的问题,由于任何一个接收器件，所能接收的光能都有一个最低阈值。以人眼为例，它所能感受到的最低照度为（勒克斯），相当于一支蜡在之外产生的光照度。 lx 910?km 30§5－1 光度学中的基本量及单位 一、辐射量 1、辐射能（）：指以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量。单位：J （焦尔） e Q 2、 辐通量（e φ）：单位时间内发射、传输、接收的辐射能叫辐通量。单位：W （瓦） 对某一辐射体而言，它发出的辐射能具有一定的光谱分布（即由各种不同的波长组成），而每种不同的波长其辐通量也不同。 总的辐通量＝各个组成波长的辐通量总和。 若设在极窄的波段范围λd 内，所辐射出的辐通量为e d φ，则有： λλφφd d e )(= 式中)(λφ是辐通量随波长变化的函数； 则在整个波段内所辐射的总的能量为： λλφφd e ∫=)( 二、光学量 对于光辐射中的物理量是比较多的，其意义与辐射量的意义也基本相同，故为了区别起见，我们用符号进行区别，它们的主符号是相同的，但是下角标有区别：辐射量――下角标e ；光学量――下角标v 。 1、 接收器的光谱响应 物体经过系统进行成像，最终的像都是由接收器类进行接收的，接收器的不同，对光谱响应的范围也各不相同。 对于目视光学系统而言，人眼对不同的波长响应程度也相差非常大，在这里引入了光谱光视效率的概念加以理解。

第三章 光度学和色度学简介

()λe 第三章 光度学和色度学简介 §1 光度学基本概念 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 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。 ()λ λελλλd e d d =+,()λλεd e ?∞ =0()λ εελν??= 5550

光度学与色度学复习内容

名词解释： 1.同色异谱色：对于特定标准观察者和特定照明体，具有不同光谱分布而有相同 三刺激值的颜色。 2.颜色校正：是把阶调层次偏差的原稿和扫描分色引起颜色偏差的图像校正过 来，使其能得到反映原稿的正确色调、层次和灰平衡。 3.大面积着色原理:假如传送细节的尺寸小于1 mm，那么人眼看到的各个细节部 分只是在亮度方面存在着差别，而在颜色方面没有差别，都表现为灰色。所以，当重现彩色图像时，只有大面积部分需要以三原色显示，其色彩可以丰富图像内容。而对各种颜色的细节部分，彩色图像可不必显示出色度的差别。因为此时，人眼已不能辨认它们的色度区别了，只能感觉到它们之间的亮度的不同，可以用黑白来显示，这称为大面积着色原理。 4.光度学就是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生 的视觉效应。 5.分布温度：光源的分布温度是在一定谱段范围内，光源光谱辐射度曲线和黑体 的光谱辐射度曲线成比例或近似成比例时的黑体温度，因而分布温度可描述光源的光谱能量分布特性。 6.照明体同色异谱指数：对于特定参照照明体和观察者具有相同的三刺激值的两 个同色异谱样品，用具有不同相对光谱功率分布的测试照明体所造成的两样品间的色差( E)作为照明体同色异谱指数Mi 7.总光谱辐亮度因数：总光谱辐亮度因数是在多色光照明下，来自荧光物体表面 的反射和发射的辐亮度与在相同照明观测条件下非荧光参考样品的反射辐亮度之比。 8.朗伯定律：di / dx = - K I 式中，K为薄膜的吸收系数，其值通常为正，采用 负号表示强度减小。对整个膜厚度进行积分得：I = Io e -Kx 或Ti = I / Io = e –Kx 此式即为朗伯定律的表达式，其中Ti 称为膜内部的透射率。 9.格拉斯曼色彩混合定律 10.减色原理 填空：

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名词解释: 1. 同色异谱色：对于特定标准观察者和特定照明体，具有不同光谱分布而有相同 三 刺激值的颜色。 2. 颜色校正：是把阶调层次偏差的原稿和扫描分色引起颜色偏差的图像校正过 来， 使其能得到反映原稿的正确色调、层次和灰平衡。 3. 大面积着色原理:假如传送细节的尺寸小于1 mm,那么人眼看到的各个细节部 分只 是在亮度方面存在着差别，而在颜色方面没有差别，都表现为灰色。所以, 当重现彩色图像时，只有大面积部分需要以三原色显示，其色彩可以丰富图像 内容。而对各种颜色的细节部分，彩色图像可不必显示出色度的差别。因为此 时，人眼已不能辨认它们的色度区别了，只能感觉到它们之间的亮度的不同， 可以用黑白来显示，这称为大面积着色原理。 4. 光度学就是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生 的 视觉效应。 5. 分布温度：光源的分布温度是在一定谱段范围内，光源光谱辐射度曲线和黑体 的 光谱辐射度曲线成比例或近似成比例时的黑体温度，因而分布温度可描述光 源的光谱能量分布特性。 6, 照明体同色异谱指数：对于特定参照照明体和观察者具有相同的三刺激值的两 个同色异谱样品，用具有不同相对光谱功率分布的测试照明体所造成的两样品 间的色差0E ）作为照明体同色异谱指数Mi 总光谱辐亮度因数：总光谱辐亮度因数是在多色光照明下，来自荧光物体表面 的反射和发射的辐亮度与在相同照明观测条件下非荧光参考样品的反射辐亮度 之比。 &朗伯定律：di / dx =?KI 式中，K 为薄膜的吸收系数，其值通常为正，采用 负号表示强度减小。对整个膜厚度进行积分得:I = Ioe-Kx 或 =e -Kx 此式即为朗伯定律的表达式，其中Ti 称为膜内部的透射率。 9.格拉斯曼色彩混合定律 10.减色原理 填空: 7. Ti = I / Io

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 o A ，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。通常取这最大值作为单位1。例如对于6000的波长来说，视见函数的相对值是0631，为了使它引起和5550相等强度的视觉，所需的辐射通量是5550的1／0631倍，即16倍左右。也就是说，为产生同等强度的视觉，视见函数v(λ)与所需的辐射通量d ελ成反比。 ()λ λελλλd e d d =+,()λλεd e ?∞ =0()λ εελν??=5550

Chapter1视觉生理学和色度学.

第一诛觇觉/理凿和兑炭包*修 第一章视觉生理学和光度色度学 -人眼的生理特征?光度学?色度学扌2014-2-20 第一章视觉生理学和光度色度学 1.1.1眼睛的构造及功能 人眼的外形接近于球形，是一 个直径为24mm的球状依，又称为 眼球眼球璧由巩濮.脉络膜和視阿 膜纽成（见图27）? 巩膜在眼球璧谯外一层，呈白色 是眼球的保护层；巩膜前面1/6妁透 明部分叫角膜、光线从角膜射入眼 ■III L■■丈■ 內. 2014-2-20

第一章视觉生理学和光度色度学脉络朕紧贴巩臃.它含冇丰富的血管虹气和色素，起着输送养料、滋养眼睛的作用.脉络膜最前而的环形部分为虹旗r眼的“履色”由虹膜中的色素决定.虹膜中央有一 个小圆孔叫作It孔"睦孔能握制逬入人眼 内的光莹，可以随着光线的強弱而扩大 或缩小，起着像照相机的光圏一样的作 用. 眼球的第三层为视网膜，约占眼 球内表面的2/3,它含有感光细胞（杆体 细胞和伟体细胞）、双极细胞和神经节 细胞. 2014-2-20 ?光谱光效率函数：达到同样亮度时9 不同波长所需要能董的倒数，即V仏戶1/E”式中v（入）是光谱光效率函数值，E是单色光能量。 明视觉：亮度＞3cd/W?锥体细胞起主要作用，V（1）A- 0.554）.56 屮m 暗视觉：亮度vO,O3cd/m2,杆体细胞起主要作用,V仏）向短波方向移动,相当于0.50-0.5hun 的蓝绿色部位. 2014-2-20

2014-2-20 6 波 l< (nm) 第一章袒觉/理脣和宛炭色*摩 ?明适应与暗适应 喑适应：人眼从光亮中进入到暗室时，在最初的 瞬间什么都看不见，逐渐地才适应了黑喑，从而 区分出周围物体的轮 廊。 包括两种基本过程：睦孔大小的变化和视网膜感 光化学物质的变化。主要机制是视觉的双重作用, 即在黑暗中由中央视网膜转化为边缘视网膜的作 用，视觉的暗适应程度是与视紫红质的合成程度 相对应。 0.0 800 400 500 600 700 0 8 6 4 2 ? ? ? ? ?