辐射度、光度与色度及其测量 第1章

辐射度光度与色度及其测量

辐射度光度与色度及其测量 绪论 一基本问题： 1 辐射度学：电磁辐射能的度量与测量：解决电磁辐射能量的定义 和测量方法。建立统一的标准。是单纯的客观物理量的问题 在光电转换、光化学效应、光生物技术、光的热加工，激光技术 等领域都有广泛应用。 2光度学：光辐射能引起的人眼视觉刺激效果的量度和测量。解决：人眼对光刺激效果的特性（平均特性）刺激效果的量化，刺激量 的定义和测量。主要用于照明，环境工程、测量技术等领域3色度学：有色光辐射能引起的人眼视觉刺激效果的量度和测量。 问题涉及：人眼颜色视觉特性、色光刺激与人眼感觉的量化定义、 颜色的匹配与显示规律，颜色匹配技术、颜色的测量方法，颜色 的分类与排列。在涉及有颜色的领域都有应用（和视觉颜色判断 有关问题）颜色本身的测量，温度测量、遥感，管理等等 第一章辐射度与光度学基础 问题：怎样描述一个辐射体的性质？ §1-1 辐射度的基本物理量 Q 1、辐射能：e 以辐射形式发射、传播或接收的能量。单位为焦耳——J 一般可描述辐射能的积累。

2、 辐射通量： e Φ（辐射功率 e P ） 以辐射形式发射、传播或接收的功率，（单位时间内的辐射能）。单位为 W （瓦）（焦耳每秒）W/sr 。描述辐射源的时间特性。 dt dQ e e = Φ （1-1） 3、 辐射强度：（I ） 在给定方向上的单位立体角内点辐射源发出的辐射通量（辐射功率）单位为W/sr （瓦每球面度） Ω Φ= d d I e e （1-2） 点辐射源：辐射源尺寸比传输距离小的多。例如在地球上可以把太阳视为点光源。 点光源发射球面波，不计辐射损失（反射、散射、吸收）其辐 射强度不变（为什么）

光度与色度

1. 辐射通量:以辐射形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性； 辐射强度:在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量； 辐亮度: 光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量； 辐射出射度: 离开光源表面单位面元的辐射通量； 辐照度：单位面元被照射的辐射通量； 2.辐射度量与光度量的区别： 3.阈值对比度： 把人眼视觉在一定背景亮度下可探测的最小衬度对比度称为阈值对比度，或称亮度差灵敏度。 人眼的绝对视觉阈: 在充分暗适应的状态下，全黑视场中人眼感觉到的最小光刺激值，称为人眼的绝对视觉阈。分辨力: 人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角 ，其倒数则为眼睛的分辨力。 色差灵敏度: 人眼能恰好分辨色度差异的能力叫做色差灵敏度。 4.颜色恒常性:：外界条件变化后，人们的色知觉仍然保持相对的不变。 色对比：在视场中，相邻区域不同颜色的相互影响叫做颜色对比，包括：明度对比、色调对比和饱和度对比。 色适应：当人眼对某一色光适应后，观察另一物体的颜色，不能立即获得客观的颜色印象，而带有原适应色光的补色成分，需经过一段时间适应后才会获得客观的颜色感觉。 明度加法定理：明度是人眼对外界光线明暗感觉程度的度量。明度加法定理：对于混合光，不论光谱成分如何，它所产生的表观明度等于混合光各个光谱成分分别产生的表观明度之和。 5.朗伯辐射体：某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变。（绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。） 朗伯余弦定律：在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立体角内发射(或反射)的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角α的余弦成正比。 6.基尔霍夫定律：物体的辐射出射度M和吸收本领a的比值M/a与物体的性质无关，都等于同一温度下绝对黑体(a=1)的辐射出射度M0—基尔霍夫定律 7.普朗克辐射定律物理意义：黑体辐射的光谱分布； 斯蒂芬—玻尔兹曼定律：黑体在单位面积单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次 方成正比； 维恩位移定律：当黑体的温度升高时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动； 最大辐射定律：黑体最大辐射出射度与T的五次方成正比。 8.分布温度：在一定谱段范围内光源光谱辐亮度曲线和黑体的光谱辐亮度曲线成比例或近似地 成比例时的黑体温度。 色温：当发射体和某温度的黑体有相同的颜色时, 黑体温度称为发射体的色温。 相关色温：就是发射体和某温度的黑体有最相近的色时黑体的温度。 辐亮度温度：实际发射体在某一波长(窄谱段范围内)的光谱辐亮度和黑体在某一温度同一波长下的光谱辐亮度相等时，黑体温度称为发射体的辐亮度温度。 辐射温度：是在整个光辐射的谱段范围内的辐亮度与某温度黑体辐亮度相等时黑体的温度。

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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

辐射度光度与色度学练习题(仪器部分)

计算和问答题 1. 设有一个灼热的朗伯发光面，其亮度L 未知；如果采用一个照度计测量该发光面的亮度，请画图示意测量原理。又设测量过程中照度计给出的结果为E,请写出由照度值E 计算亮度值L 的表达式（测量装置的其它参数可以自设）。 2. 请画出单光路分光光度计的光学原理图，其中，测量的标准几何条件、分光方式、探测器结构等可以自设。假设用该分光光度计测量一颜色样品所得到的光谱响应为V c (λ)、测量一标准白板所得到的光谱响应为V w (λ)；又假设标准白板的光谱反射率（或光谱辐亮度因数）为已知的ρw (λ)；请写出上述颜色样品的光谱反射率（或光谱辐亮度因数）ρc (λ)的计算式；最后再分别给出该颜色样品的CIE 色度系统的三刺激值和色品坐标的计算式。 3． 分别画出棱镜单色仪和光栅单色仪的光路原理图，并简要说明棱镜分光系统与光栅分光系统的主要优点（每种系统至少列举两点）。 4． 简要说明：与棱镜、光栅单色仪相比，FT 光谱辐射计（仪）的主要优点。 5． 画出亮度计的光学原理图，并简要说明：亮度计的光学结构如何保证在各种测量距离下的测量精度？ 6．在光栅单色仪中，已知入射到光栅的光束口径为a ，后物镜的焦距为f,光栅的光栅常数为d, 光栅的总刻线数为N 。请根据光栅方程，分别导出或写出当衍射角为θ时的角色散、线色散、光谱分辨率的表达式。提示：方孔的衍射极限角分辨率：d θ=λ/a 。 （Nm Nb b m a d d d R =??===θθ λθλλcos cos ） 7．简述反射式分光光度计的组成原理。设被测样品的光谱反射比为ρs (λ)，对应的测量相应值为V s (λ)；标准白板的光谱反射比为ρw (λ)，对应的测量响应值为V w (λ)。请根据以上条件写出光谱反射比ρs (λ)的表达式。 8．分别画出棱镜光谱仪、光栅光谱仪、迈克尔逊干涉傅里叶变换光谱仪的光路原理图，并说明：(1) 棱镜光谱仪与光栅光谱仪的优缺点；（2）干涉型傅里叶变换光谱仪比色散型光谱仪具有的性能优势（至少列举三种优势）。 9．在反射样品的颜色测量中，CIE 于1931年正式推荐了四种标准照明和观察条件，请分别画出这四种条件的光路简图，并写出这四种条件的缩写符号。 10．采用光路图和数学表达式，分别简要叙述反射式分光光度仪和透射式分光光度仪测量颜色样品的光谱反射系数(或反射比)和光谱透射系数(或透射比)的工作原理。

光度与色度 习题汇总

一、简答题 1.简述辐射通量、辐射强度、辐射出射度、辐亮度、辐照度的定 义。 2.简述人眼的绝对视觉阈、分辨率、色差灵敏度的定义。 3.简述什么是颜色的恒常性、色适应、色对比以及明度加法定理。 4.简述什么是朗伯辐射体、朗伯余弦定律以及朗伯辐射体辐射出 射度与辐亮度的关系。 5.什么是点源对微面元照度的距离平方反比例定律。 6.简述基尔霍夫定律。 7.简述普朗克辐射定律以及斯蒂芬—玻尔兹曼定律、维恩位移定 律、最大辐射定律的物理意义。 8.简述分布温度、色温、相关色温、辐亮度温度以及辐射温度的 定义。 9.人工黑体的分类及结构。 10.简述光电探测器和热探测器的区别。 11.分别简述光电管以及光电倍增管的工作原理。 12.硅光电二极管的两种工作状态。 13.简述光电效应和热释电效应。 14.简述格拉斯曼定律。 15.论述CIE1931标准色度系统的建立过程（包括CIE1931RGB色度 系统的建立方法及缺陷，以及在此基础确定假想三原色从而建 立CIE1931标准色度系统的方法） 16.简述CIE1964补充色度系统与CIE1931标准色度系统的区别

17.什么是均匀颜色空间。 18.简述三刺激值单位的确定方法。 19.简述什么是颜色的主波长以及补色波长。 20.简述什么是色纯度。 21.光度导轨的功能 22.L ummer-Brodhum目视光度计的结构。 23.棱镜单色仪的结构。 24.什么是光辐射测量系统的光谱泄露。 25.检查系统光谱泄露的方法。 26.在较宽的动态范围内建立已知辐射度量的方法。 27.减少偏振对测量影响的方法。 28.基于光度导轨的光强度比较测量方法原理 29.光强度测量中的误差影响因素有哪些？ 30.分布式光度计的原理 31.照度计实现可靠测量应满足的条件。 二、计算题 1．已知太阳峰值辐射波长λm＝0.48μm，日地平均距离L＝ 1.495?108 km，太阳半径R s＝6.955?105 km，如将太阳和地球均近 似看作黑体，求太阳和地球的表面温度。（15分） 2．已知两种颜色的色品坐标分别为（x1，y1），（x2，y2），亮度分别为Y1，Y2，求两种颜色相加混合色的色品坐标。（15分） 3．用单色仪得到光谱范围为0.6—14um的单色光，求所需光栅块数及它们的光栅参数。

光度和色度名词解释

光度和色度名词解释 rewang | 20 四月, 2006 18:26 CIE:是国际照明委员会的简称 相关色温CorrelatedColorTemperature)：光源发射的光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近，则黑体的温度就称为该光源发射的光的相关色温，单位为K。辐射强度 (Radiant Intensity)：在给定方向上包含该方向的立体角元内辐射源所发出的辐射通量dφ除以该立体角元dΩ，单位为W/Sr。 辐射亮度 (Radiance)：辐射源面上一点在给定方向上包含该点的面元dA的辐射强度dI除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积，单位为/Sr?m2。 辐射照度 (Irradiance)：在辐射接收面上一点的辐射照度E等于投射在包括该点的一个面元上的辐射通量dφ除以该面元的面积dA，单位为W/m2。 发光强度 (Luminous Intensity)：光源在给定方向上包含该方向，的立体角元内所发出的光通量dφ除以该立体角元dΩ，单位为cd。俗称 坎德拉 (cd)：发光强度单位。坎德拉是发出频率为540×1012Hz辐射的光源在给定方向的发光强度；该光源在此方向的辐射强度为1/683W/Sr。 光通量 (Luminous Flux)：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，单位为lm。 照度 (I luminance)：表面上一点的光照度是入射在包含该点的面元上的光通量dφ除以该面元面积dA。照度的公制单位是lx(lm/m2)，英制单位为fc(lm/ft2)。1lx=0.0929fc 1fc=10.76lx 出光度 (Luminous Exultance)：单位面积上发出的光通量，单位是lm/m2。 亮度 (Luminance)：在给定方向上，每单位面积上的发光强度。亮度的公制单位是cd/m2(也称Nit)，英制单位是fL(1/π×cd/ft2)。 1cd/m2=0.2919fL 1fL=3.426cd/m2 CIE标准光度观察者(CIEStandardPhotometric Obse-rver)：相对光谱响应曲线符合明视觉V(λ)函数或者暗视觉V"(λ)函数的理想观察者。 朗伯发射面 (Lambertian Surface)：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，这样的发光面称为朗伯发射面或朗伯体，有时也叫均匀漫射面或均匀漫射体，还常被称做余弦漫射体。朗伯发射面的出光度与亮度的关系为M=πL。 说明： 发光强度，是衡量显示屏亮度的重要指标，单位是坎德拉 (cd)。 光通量，是投影系统的主要指标之一，单位是(我们所说的流明) lm。

光度和色度基础知识

色度 所需数据 待测光谱S (λ)，发射能量与波长的关系，经光谱灵敏度校正 标准配色函数：x (λ), y (λ), z (λ) 计算方法 i i i i i i i i i i Z Y X Y y Z Y X X x d z S Z d y S Y d x S X ++=++====??? ,)()( ,)()( ,)()(780 380780380780380λλλλλλλλλ 色坐标上的舌形曲线是色度随单色光波长变化的曲线，可以由标准配色函数得到。 光视转换效率 光视转换效率(luminous efficacy )K 是光源将辐射通亮转换为视觉的能力，即单位辐射能量产生的光通量： K =Φv /Φe 辐射效率(radiant efficiency )是光源将消耗的功率P 转换为辐射通量的能力, 即消耗单位能量产生的辐射通量： ηe =Φe /P 发光效率(流明效率, luminous efficiency )是光源把消耗的能量转换为视觉的能力，即消耗单位能量产生的光通量： ηv =Φv /P = ηe K 发光效率以lm/W 度量，不应与以相同单位表示的光视效能混淆。 所需数据 待测光谱S (λ) 视觉灵敏度函数V (λ)，即标准配色函数中的y (λ) 计算方法 )lm/W ()()()(683380780 380 ??=λλλλλd S d y S K 黑体辐射的光谱分布 所需数据

色温 T C 光谱分布 黑体辐射是原子振动产生的，在k 空间中，每个振动模式占据的体积为8π3/V ， V 是黑体的体积，而每个模中的平均光子数服从Bose-Einstein 统计， 1)exp(1->=