第一章 光度学和色度学ppt

　　第1章光度学和色度学1§1光度学基础§2人眼的视觉特性§3色度学基础第1章光度学和色度学1光度学基础我们生活在一个多彩的世界里★★★★◆■。白天★★，在阳光的照耀下，各种色彩争奇斗艳，并随着照射光的改变而变化无穷◆★■■。但是，每当黄昏，大地上的景物，无论多么鲜艳，都将被夜幕缓缓吞没。在漆黑的夜晚■■■◆，我们不但看不见物体的颜色★■，甚至连物体的外形也分辨不清。同样，在暗室里，我们什么色彩也感觉不到◆■。这些事实告诉我们：没有光就没有色，光是人们感知色彩的必要条件★★，色来源于光。所以说：光是色的源泉，色是光的表现。第1章光度学和色度学一、光的特性图1-1电磁波的波谱第1章光度学和色度学第1章光度学和色度学光源•人眼感觉到的颜色，除与物体本身的反射特性有关外■■，还与光源的特性有关，故这里讨论几种电视中常用的基准光源。所谓基准光源是指具有特定光谱分布的光源。光分为单色光和复合光。原理上，单一波长（单一频率）电磁辐射发出的可见光称为谱色光或单色光。我们把不是仅含单一波长的光称为复合光，人们日常接触到的各种光源或反射入眼睛的光，均为复合光。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■■■◆★◆。•基准光源A（A白）、基准光源B（B白）、基准光源C（C白）■■★、基准光源D65（D65白）、基准白色光源（E白）。E白是等能白光源■★◆◆★，自然界中不存在，是用于彩色电视计算的一种假想光源。第1章光度学和色度学3■■★◆.物体的颜色在中学的物理课中我们可能做过棱镜的试验◆◆★★★，白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，颜色依次为红★◆★、橙、黄■■◆、绿、青、蓝◆◆■★、紫，这就是可见光谱。其中人眼对红、绿、蓝最为敏感◆★◆，人的眼睛就像一个三色接收器的体系■★◆，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光◆■★★。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色★◆■★◆，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛◆■★。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色。第1章光度学和色度学第1章光度学和色度学二★■■■■◆、光的度量辐射功率相同波长不同的光对人眼产生的亮度感觉是不相同的。1933年国际照明委员会（CIE）经过大量实验和统计★★◆■■，给出人眼对不同波长光亮度感觉的相对灵敏度，称为相同视敏度★◆◆。第1章光度学和色度学表1－1给出了相对视敏度的最佳数据，第1章光度学和色度学下图是根据表1－1作出的曲线，称为相同视敏函数曲线。它的意义是◆★■★◆■：人眼对各种波长光的亮度感觉灵敏度是不相同的◆■◆◆★。实验表明■■◆◆■：在同一亮度环境中★◆★■★◆，辐射功率相同的条件下，波长等于555nm的黄绿光对人的亮度觉最大，并令其亮度感觉灵敏度为1；人眼对其它波长光的亮度感觉灵敏度均于黄绿光（555nm）■★，故其它波长光的相对视敏度V（l）都小于1。例如波长为660nm的线■■◆■，所以■◆◆★■◆，这种红光的的辐射功率应比黄绿光（555nm）大16倍（即1/0.061＝16）◆◆■■，才能给人相同的亮度感觉。第1章光度学和色度学当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章光度学和色度学光通量指人眼所能感觉到的辐射能量，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同◆★★★，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。例如，当波长为555×10-7米的绿光与波长为650×10-7米的红光辐射功率相等时，前者的光通量为后者的10倍◆◆◆■◆◆。光通量的单位为“流明◆◆■”。光通量通常用Φ来表示，在理论上其功率可用瓦特来度量，但因视觉对此尚与光色有关■■◆。所以度量单位采用，依标准光源及正常视力另定之“流明”来度量光通量■◆★。符号：lm2、光通量第1章光度学和色度学1.烛光、国际烛光、坎德拉（candela）的定义在每平方米101325牛顿的标准大气压下，面积等于1/60平方厘米的绝对★■■■■■“黑体★■■★■”（即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体），在纯铂（Pt）凝固温度（约2042K获1769℃）时★★★，沿垂直方向的发光强度为1坎德拉■■★。并且，烛光、国际烛光、坎德拉三个概念是有区别的，不宜等同。从数量上看，60坎德拉等于58.8国际烛光，亥夫纳灯的1烛光等于0◆■★■◆◆.885国际烛光或0■★◆★.919坎德拉。几个定义的介绍★★：第1章光度学和色度学2.发光强度与光亮度发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。Lcd是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F为光通量，单位是流明■★■■★，对于点光源由I=F/4。光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比■◆◆★，单位是坎德拉/平方米★★◆■。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面◆★★■◆■，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感◆◆★■★★。以下是部分光源的亮度值：单位cd/m²太阳：1◆■◆■.5*10；日光灯★◆■◆◆★：（5—10）*10³★■；月光（满月）：2.5*10³；黑白 电视机荧光屏：120左右；彩色电视机荧光屏◆■◆：80左右。 第1章光度学和色度学 3. 光通量与流明 光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面 积的光能◆◆★■，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛 对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等◆■■◆★★，在视觉 上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中■◆，黄、绿色光能激起最大的 明亮感觉★■■◆。如果用绿色光作水准◆■■■◆，令它的光通量等于辐射能通量，则对 其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小◆★★◆，光通量也小于辐射 能通量◆■★。光通量的单位是流明，是英文lumen的音译，简写为lm。绝对黑 体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。 为表明光强和光通量的关系，发光强度为1坎德拉的点光源在单位立体角 （1球面度）内发出的光通量为1流明。一只40W的日光灯输出的光通量 大约是2100流明。 第1章光度学和色度学 4★◆■★■. 光照度与勒克斯 光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的 音译，也可写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光 通量是1流明时，它的照度是1勒克斯◆■■。有时为了充分利用光源，常在光 源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量◆■，以增 加这一被照面上的照度◆■■。例如汽车前灯■◆★★★、手电筒、摄影灯等◆■■。 以下是各种环境照度值：单位lux 黑夜◆■■■★：0.001—0.02；月夜★◆■■：0.02—0.3；阴天室内：5—50★■★■；阴天室外： 50—500■◆；晴天室内：100—1000■★◆■★■；夏季中午太阳光下的照度：约为10*9 次方★★；阅读书刊时所需的照度：50—60；家用摄像机标准照度：1400。 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 看绿草坪是黄色。由于周围环境的影响◆◆■■★■，红色盲患者会把他看到的“土黄色” 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。 第1章光度学和色度学 色度学和电视技术中，常以白色作为一种标准，但是对于众 多的白光又有： A光源：色温为2845K，相当于白炽灯在2800K时辐射出的光。 B光源■◆★◆★★：相关色温为4800K，相当于中午直射的日光。 C光源：相关色温为6700K，相当于白天的自然光，它的蓝色成分较 多■◆★■◆◆。 D65光源：相关色温为6500K，相当于白天平均光照，近年来◆★■，常被 用作彩色电视的标准光源。 E光源■◆：又称为等能白光◆◆★◆◆◆，即P（l ）＝常数，它是一种假想而实际并 不存在的光源，采用它纯粹是为了简化色度学中的计算，其相关色 温为5500K。 A光源：色温为2845K■◆◆，相当于白炽灯在2800K时辐射出的光◆★◆★◆■。 B光源：相关色温为4800K★◆■，相当于中午直射的日光★★★。 C光源：相关色温为6700K，相当于白天的自然光■◆★，它的蓝色成分较 多。 D65光源：相关色温为6500K，相当于白天平均光照◆★◆■◆★，近年来，常被 用作彩色电视的标准光源。 E光源：又称为等能白光■■，即P（l ）＝常数，它是一种假想而实际并 不存在的光源★■，采用它纯粹是为了简化色度学中的计算，其相关色 温为5500K。 第1章光度学和色度学 锥体细胞和杆状细胞 在较亮的情况下，视网膜中的三种锥状细胞对长、中，短三种光域产生不 同的视觉反应◆■■★，便能让我们看见光谱中的红、绿、蓝三个主要色域来形成 色彩。 第1章光度学和色度学 因此，我们在摄取彩色图想时，用三个与人眼三种 锥状细胞光谱特性相同的摄像管■◆★◆，分别摄取代表红◆◆◆★★★、 绿、蓝三个彩色分量的信号★■★◆★◆，经过处理、传输，在由 显像管上的红◆■★、绿、蓝三色荧光分发光，转换成原来 比例的彩色光，即可实现彩色图像的重现。(由此发展 出了三基色原理) 第1章光度学和色度学 2 人眼睛里视觉的两种细胞 我们知道，外界光辐射到人眼中刺激视网膜所引起的知觉叫做 视觉．？ 现代神经生理学实验证实◆★■，人眼的视网膜上存在大量的光敏细 胞，按其形状可分为两类，即杆状细胞和锥状细胞．杆状细胞对 入射光的强度很敏感，它能分辨亮度的差别，而对颜色的分辨本 领极差；而锥状细胞虽然对亮度的灵敏度不高★★★★，但却能分辨颜 色．白天亮度较强时■★◆，主要靠锥状细胞产生视觉作用，所以白天 人所看到的是万紫千红的彩色世界．夜间亮度较弱时，主要靠杆 状细胞产生视觉作用，因此夜间看到的物体无颜色之分，只有灰 蒙蒙的影像． 第1章光度学和色度学 人眼的锥状细胞可分为三种，每种锥状细胞对光谱不同部分的感受性 能是不同的．一种对红光的感受性最灵敏◆■■■★，叫红色锥状细胞★■；一种对绿光 的感受性最灵敏，叫绿色锥状细胞；一种对蓝光的感受性最灵敏，叫蓝色 锥状细胞．三种细胞在某种光的刺激下◆★★◆◆，分别产生不同程度的兴奋◆■，便产 生相应的颜色视觉．如果三种细胞都兴奋，便会产生白色的视觉．如果三 种细胞都不兴奋，便会产生黑色的视觉． 人视觉的锥状细胞分别对红★■◆、绿★■★■★、蓝三色光最敏感．是因为只有这三种 色做为原色（基色），才能合成自然界存在的几乎所有颜色，视觉才能符 合客观世界万紫千红的实际★◆，这也许是人类长期进化的结果． 任意两种色光只要它们给人眼的三种锥状细胞的刺激总体效果相同◆◆★■■◆，人 就会感到两种色光的亮度和颜色相同，而不管这两种色光的光谱组成是否 相同．也就是说．颜色视觉相同的色光★◆★，其光谱也可以相同，我们把这种