1 光与视觉的基础知识

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光与视觉的基础知识杭州浙大三色仪器有限公司

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人眼的视觉特性 光是一种电磁波，广义上它的波长从几个纳米至一毫米左 右，而人眼所能看见的只是一小部分，通常波长范围为 380nm至780nm,我们把这部分光称为可见光。

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可见光的波长不同，引起人眼的颜色感觉就不同 。单色光波长由长至短，对应的颜色感觉由红到 紫。一般认为: 红色780nm~620nm 橙色620nm~590nm 黄色590nm~560nm 黄绿色560nm~530nm 绿色530nm~500nm 青色550nm~470nm 蓝色470nm~430nm 紫色430nm~380nm 上述的范围只是根据人们的习惯大致划分。实际 上随着波长的变化，颜色是连续渐变的，没有严 格的界限。

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物体分为发光体和不发光体。 发光体的颜色由它本身发出的光谱所确定，如白 炽灯发黄和日光灯发白。 不发光体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照 射光的反射、透射特性有关。如绿叶反射绿色的 光、吸收其他颜色的光而呈现绿色；绿叶拿到暗 室的红灯下观察成了黑色。 由此可见，光是一种客观存在的物质，而色是人 眼对这种物质的视觉反应。

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白炽灯

卤粉荧光灯

低压汞灯

三基色荧光灯

三基色绿粉

蓝色LED

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基本量值

光通量:光通量是光源在单位时间内发出的光量， 也即为辐射通量(或辐射功率)能够被人眼视觉 系统所感受的那部分有效当量。可以用来判断可 见光谱范围内光谱效率所能引起的主观感觉的强 弱。 单位：lm 符号表示：Φ

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立体角(Ω) 用于表示空间范围的一个量，它是一个任意锥面所包围的空间。立体 角的大小是这样度量的，以锥面的顶点为球心，任意长度为半径作一 球面，锥面将球面分成S1和S2两部分，它们分别对球心所张的立体 角为D1和D2,其大小可以表示为：

立体角及其度量方法 立体角的单位叫球面度(sr),它是半径为1米的球面上，1平方米的 球面对球心所张的立体角。因此，整个球面对球心所张的立体角为： 4r 2 2 4 r

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发光强度：光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方 向的立体角元dΩ内传输的光通量dΦ除以该立体角元之商 ，即 Ι = dΦ/dΩ

单位：1cd=1lm/1sr

实际光源或灯具各方向的发光强度不同。为了描述其发光 的空间分布特性，需要用发光强度分布曲线(又叫配光曲 线)来表示。它是照明计算和设计的一种重要依据

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照度(illuminance) 表面上一点的照度是入射在包含该点面元上的光通量 dφ除以该面元面积dS之商。即：

d E 单位为勒克斯(lx),1lx=1lm/m2 dS

若光源照到某一表面的总光通量为φ,该表面面积为S ,则该表面上的平均照度

为E=φ/S。对于点光源，若在某 一方向上的发光强度为I,那么在该方向上离开光源的距 离为r处的照度E=I/r2。照度与离光源的距离平方成反比。 当不是点光源的时候，此定律在距离大于光源尺寸10倍 以上的时候成立。

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光出射度Mv(Luminous exitance) 1.定义：面光源单位元表面所发射的光通量 2.公式：Mv=dΦ v/dA 发光均匀：Mv=Φ v/A 3.单位：lm/m2(流明/平方米)

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光出射度与光照度的区别： 光出射度与光照度的表达式和单位完全相同. 区别在于:Me描写面辐射源向外发射的辐射特性(a) E描写辐射接受面所接受的辐射特性(b)

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光亮度L(luminance) 定义:面光源在给定方向上，单位正投影面 积的发光强度 dI dI d L 公式: dA cos dS dA cos d 光通量分布均匀：L I I E A cos S A cos

单位:Sb(熙提)或nt(尼特)或cd/m2(坎德拉/平 方米)

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朗伯定律或理想漫射面的余弦定则: 朗伯定律 I L dA cos – 在θ方向上： I L – 在法线方向上： dA – 如果发光面或漫射面的亮度不随方向改变，则 – L L0 I I 0 故 I I 0 cos

0

0

dA cos

dA

遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源. 只有绝对黑体才是朗伯光源

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色温与标准光源 照明光源的作用非常重要，其光谱功率分布情况会直接影 响被照物体的颜色。通常的照明光源，如太阳光、日光等 发的光虽然都是白光，但它们的光谱成分相差很大，用它 们照射相同物体时，呈现的颜色则相差较大。根据CIE(国 际照明委员会)的规定，使用的标准光源主要有A、B、C、 D65、E五种，并以“色温”来表征。 1. 色温 光源的色温是用来描述光源的光谱分布的物理量。在色度 学上，它通常用光源的光与绝对黑体发出的光相比较，并 用绝对黑体的绝对温度来表征。

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绝对黑体是指既不反射也不透射光线，而能完全吸收入射 光的物体。当绝对黑体被加热时，能以电磁波形式向外辐 射能量，其光谱能量的分布只与加热的温度有关，温度低 时光谱能量偏重于长波长区，温度升高时光谱能量逐渐偏 重到短波长区。 光源的色温:当光源的可见光谱与某温度的绝对黑体的辐 射的可见光谱相同或接近时,就将此时绝对黑体的绝对温 度称为该白光源的色温。例如，一个温度为2800K的钨丝 灯泡所发出的光色与绝对黑体在温度为2856K时的光谱相 同，则该灯泡所发出的光的色温就是2856K。 要注意的是，色温用来表示光源的光谱特性，并非光源的 实际温度。引入“色温”的概念，是为了进行色度的计算和 白

光的比较。

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标准白光源 使用的标准光源主要有A、B、C、D65、E五种，其光谱功率分布曲线如 图 几种标准光源的光谱分布所示。 A光源: 色温为2856K,相当于2800K钨丝灯所发的光。 B光源: 色温为4874K,相当于中午直射的太阳光。 C光源: 色温为6774K,相当于白天的自然光 D65光源: 色温为6504K,相当于白天平均照明光 E光源: 色温为5500K,是一种理想的等能量的白光(E白),实 际并不存在，它的采用可简化色度学的计算。

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几种标准光源的光谱分布

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光谱光视效率 视神经细胞分为杆状细胞和锥状细胞。杆状细胞主要决定人眼对弱暗 光的视觉反应，锥状细胞产要决定人眼对明亮光的视觉反应。视神经 细胞对不同波长的感光灵敏度不一样，对绿光的灵敏度最高，而对蓝 光和红光的灵敏度则低得多。图为CIE推荐的人眼的相对光谱光视效 率函数曲线，分别称为“明视觉光谱光视效率V(λ)”和“暗视觉光谱光视 效率V’(λ)”。

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人眼对颜色 的感觉主要由锥体细胞起作用，而且锥体细胞 只有当亮度大于几个cd/M2以上时才起作用。根据三色学 说及多年来的大量实验证明，人眼视网膜上含有三种不同 类型的锥体细胞，分别含有三种不同的视色素，这三种不 同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰值分别约在440450nm;530-540nm;560-570nm处，分别称为亲蓝、亲 绿、亲红视色素。外界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞 按它们各自的吸收特性吸收，细胞色素吸收光子后引起光 化学反应，视色素被分解漂白，同时触发生物能，引起神 经活动，将视觉信息通过双极细胞和神经节细胞传至神经 中枢，引起颜色刺激。

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