光度学
2.光度学
1. 辐射度学
辐射度学：对电磁辐射能量进行客观计量的学科 通过电磁光谱来处理辐射能的测量 辐射度学主要研究频率为3×1011～ 3×1016Hz的光 辐射，对应于0.01~1000μm的波长。 波段范围包括红外、可见光、紫外线。
1. 辐射度学
• 辐射能量Qe ：以辐射形式发射、传输或接受的能量
E
M
勒克斯（lx）
流明每平方米 （lm/m2）
555nm即黄绿色时的光视 效率最高，记为1。
2. 光度学
光通量的大小反映了一个光源所发出的光辐射所能 引起的人眼光亮感觉的能力。
例：40W钨丝灯泡所能输出的光通量：1200 lm
40W日光灯所能输出的光通量：4000 lm
• 光效率：
用每瓦流明数来描述
例：白炽灯的光效率：30 lm/W 日光灯的光效率：100 lm/W 彩色显像管荧光粉白场的光效率：40 lm/W 等离子放电板的光效率：1 lm/W
A L M
2. 光度学
实验证明，一个本身不发光的反射面，反射光的光 强分布可近似看作是一个朗伯发射面。
设反射面的面积为A，受到的照度为E，则入射光通 量Φin为： A E
反射光通量Φout为： out
in
A E
式中ρ是反射面的反射系数
这个反射面的出光度M为：
out M E A
d sindd
各向同性点光源，其发光强度为A cd，那么其总光通 量等于多少？
2. 光度学
• 照度： 受照面单位面积上的光通量值
描述接收面照明程度的大小
d E dA
单位：勒克斯（lx） 1 lx＝1 lm/m2
设有一个发光强度为1cd的点光源，其发出的光通量 为4πlm，以此点光源为圆心，作半径为1m的球面，则 球面上的照度为多少？若球面半径为R，则球面的照 度又为多少？
光度学基础和色度学简介
r
方向夹角为
cosdA r2
d dA
d
（9－15） dA 对 S 所张立体角为 d ，由图9－3知 ， I c表面上形成的照度 dA 为被照表面面元面积，其表面 dAs代表面光源的面元面积， 在图9－4中， 照度为 d LdAs cos1 cos 2 E （9－17） dA r2 三、同一均匀介质中元光管内光亮度的传递 元光管是指两端截面积很小的光管，光能只在此光管内传播（如图9－5所 dA1 和 dA2 两微小面元，两者间距离为 r ， N1 和 N 2 分别为两面元法线， 示）。 1 和 2 分别为两面元中心连线和 N1 、 N 2的夹角。面元 dA1 发出的光传到 dA2 上的光通量为 d L cos dA d L cos dA dA2 cos 2 1 1 1 1 1 1 1 r2 面元 dA2 发出的光传到 dA1 上的光通量为 d 2 L2 cos 2 dA2 d L2 cos 2 dA2 dA1 cos1 r2 因为 d1 d 2 ，故 L1 L2 （9－18） 上式表明光在元光管内传播时，各截面上的光亮度相同。即光在元光管内传播
点光源在距离处表面上形成的照度一点光源在距它处的面元上产生的照度为915设面元法线和方向夹角为所张立体角为由图93知916二面光源在距离处表面上形成的照度在图94中代表面光源的面元面积为被照表面面元面积其表面照度为917三同一均匀介质中元光管内光亮度的传递元光管是指两端截面积很小的光管光能只在此光管内传播如图95所的夹角
光度量 1.光能：能被接收器件响应的辐射能。单位：焦耳（J）。 2.光通量：能被接收器件响应的辐通量。单位：流明（lm ）。 （9－1） 1lm 1J / S 3.光出射度：光源单位发光面发出的光通量。单位：流明/( m 2)。 4、光照度：单位受照面积接收的光通量。单位：勒克司（lx ） （9－2） 1lx 1lm / m2 J / S m2 5、发光强度：点光源或小面元在某一方向上单位立体角内发出 的光通量。单位：坎德拉（cd ） 1cd 1lm / Sr 1J / S Sr （9－3） 6、光亮度：光源某一面元上单位面积在空间某一方向单位立体 角内辐射的光通量。单位：熙提 Sb(cd / cm2 ) 1Sb 1cd / cm2 1J / S Sr cm2 （9－4） 光亮度的示意图如图9－1所示。设面元面积为，微小立体角为， 面元法线为，空间某方向与夹角为，在此方向在立体角内辐射的 光通量为，则光亮度 （9－5） IN d L cos dAd cos dA
光学第5章光度学和色度学
三种色，只要其中的每一种色都不能用其它两色配得 就可以组成三基色。
光学第5章光度学和色度学
实验发现：人眼的视觉响应取决于红、绿、蓝 三分量的代数和。
它们的比例决定了彩色视觉。 亮度在数量上等于三基色的总和。 由于人眼的这一特性，可在色度学中应用代数
2. 发光强度和光亮度 描述光源发光能力大小的物理量
发光强度: 点光源
点光源在某一方向上，在单位立体角内发出的光通量。 单位：坎德拉，光学基本量，七个基本单位之一。 单位：坎德拉：cd
光亮度: 有限尺寸发光体，面光源 表5-1
单位： cd/m2
面光源：实际光源、或实际光源的像、或漫反射 体(本身不发光，受光照后)
i1i2,d 1d 2
故：
d1 d
L1 L
L1 L 对于两透明介质表面，
1
故： L1 L
光学第5章光度学和色度学
对于折射光束： d' L'cois'd'dA d LcoisddA
dd1d' L'1Lnn'22
d'1d
光通过光学系统时的光能损失： 两透明介质界面上的反射损失 介质吸收 反射面的光能损失
设入射光的光亮度为L，由于在入射过程中，自 光源到入射面类似于元光管，故其亮度不变。
L d cosdAd
或：dLcoisdAd 入射的光通量
反、折射的光通量：
d1L1coi1dsA 1d d'L'coi'd s A 'd
L1, L' 分别是反、折射的光亮度 光学第5章光度学和色度学
对于反射光波，
光学第5章光度学和色度学
光度学基本概念
Me
Me d e ds
d e
Ee
Ee d e ds
d e
A ds
A ds
单位：瓦每平方米（W/m2） 单位：瓦每平方米（W/m2） 不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同位置 上单位面积的辐射特性
光度学基础 五、辐射亮度 辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位 投影面积上发出的辐射通量 符号：
x l x x2 1
P
l2
K e 15 100 119.36cd 4 4
x
l
令OP x, 则l x 2 1, cos
I ( x / x 2 1) 代入E公式得E x2 1
l2
2
要使B点光照度最大，令 整理化简后得1 2 x 2 0 x 0.7071m
o
光度学基础 二、立体角的计算 假定一个圆锥面的半顶角为 ，求该圆锥所包含的立体角大小。 以r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个 d 对应的环带，环带宽度为 rd ，环带半径 为 r sin ，所以环带长度为2r sin ，环带总 面积为
ds rd 2r sin 2r 2 sin d d 它对应的立体角为 ds 2 sin d 2d cos r2 将上式积分得
代回发光强度表示式， 若
I 683V ( ) I e
K ( )表示辐射通量中有多少可以转变为光通量。
I 1cd d 1sr 则 d Id 1 流明（lm）
光度学基础 4、连续光谱的光通量计算 有了光谱光视效能后，光通量公式可写成
d CV ( )d e K ( )d e
§6-5
一、光照度公式
假定点光源照明微小平面ds，ds离开光源距离为l，表面法线 方向与照明方向成 ，若光源在此方向上发光强度为I，求光 源在ds上的光照度。
400度的联合光度
400度的联合光度400度的联合光度是指两个或更多体系在特定波长下发射或吸收光的总和。
光度学是研究光的性质和光与物质相互作用的学科，通过测量光度可以获取物质的特性信息。
本文将从概念上和应用上介绍400度的联合光度。
400度的联合光度是光的强度和属性的数量级。
光度学家通过测量光的波长、功率和频率来描述光的特性。
400度的联合光度通常用于测量光的强度，比如在镜子中反射的光线的强度和屏幕上显示的像素的亮度。
当我们提及400度的光度时，我们指的是在整个400度波段内收集的光的总量。
光度学在众多领域中扮演着重要的角色。
在工程和科研领域，400度的联合光度用于测试光源的亮度和色彩。
工程师使用光度计来测量灯泡和LED灯的亮度，以便更好地设计照明系统。
此外，医学图像处理也广泛使用400度的联合光度，以获取更清晰和准确的图像。
血液检测和细胞显微镜观察也需要光度计来测量患者体内的蛋白质和细胞数量。
在天文学中，400度的联合光度被用于测量恒星的亮度。
天文学家使用光度测量来确定恒星的距离、大小和光变性质。
通过监测恒星的光度变化，天文学家能够研究宇宙中的各种天体现象，如超新星爆炸、星系的运动和黑洞的存在。
除了工程学和天文学，400度的联合光度在生物学研究中也起到重要作用。
研究人员使用光度计来测量细胞的发光水平，以衡量细胞中特定蛋白质的表达量。
这对于研究细胞信号转导、基因表达和疾病机制非常重要。
在环境科学领域，光度计被用于测量大气中的光学特性。
光度学家使用这些数据来研究大气污染、气候变化和太阳辐射对环境的影响。
通过了解光的传播和反射，科学家能够更好地了解环境中的光学过程。
总之，400度的联合光度在各个领域中都有着重要的应用。
无论是照明工程、医学、天文学还是生物学和环境科学，测量光度都是非常重要的。
400度的联合光度为我们提供了深入研究物质特性和环境现象的工具，为人类的发展和科学进步做出了巨大贡献。
光度学 朗伯 课程思政
光度学朗伯课程思政全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：光度学是一个研究光线传播和光的性质的学科，它涉及到光的各种特性及其在不同环境下的行为。
光度学研究的范畴很广，包括光的波动性、光的传播方向、光的强度、光的色彩等等。
在实际应用中，光度学在许多领域都起着至关重要的作用，比如光学制造、激光技术、太阳能利用等等。
在光度学的课程中，朗伯定律是一个非常重要的概念，它描述了光线在不同表面上的反射和漫射现象。
朗伯定律是由法国数学家和物理学家朗伯在19世纪提出的，它描述了光线撞击一个表面后，会按照一定的规律反射和漫射。
根据朗伯定律，当光线撞击一个表面时，一部分光线会被表面反射出去，而另一部分光线会在表面上漫射。
朗伯定律指出，漫射光线的强度与表面的角度、光源的亮度和波长等因素有关。
这个定律在光学制造和光学设计中有着广泛的应用，比如在激光技术中用于减小光线的损失，提高光线的利用率。
除了朗伯定律，光度学课程还会涉及到很多其他重要的理论和概念，比如光的波动性、光的反射和折射规律、光的色散现象等等。
这些概念都是光度学研究的基础，通过学习这些理论和概念，我们可以更好地理解光的性质，为光学技术的发展和应用打下坚实的基础。
光度学课程也可以通过研究光的色彩和视觉现象，引导学生认识到不同文化背景下的审美观念和传统文化，培养学生的跨文化沟通能力和包容精神。
通过光度学课程的学习，学生可以更好地了解和尊重不同文化之间的差异，促进人类文明的多样性和共同进步。
光度学是一个重要的科学学科，它在现代社会中扮演着至关重要的角色。
通过学习光度学课程，我们不仅可以掌握光的性质和行为规律，更重要的是培养我们的创新精神、综合素质和社会责任感。
光度学课程融合了思政教育的理念，将科学知识与时事热点相结合，引导学生树立正确的人生观和价值观，为未来的科学研究和社会发展做出贡献。
希望更多的学生能够重视光度学课程的学习，探索光的奥秘，拓展科学的边界，为人类的未来创造更好的光明。
1.2 辐射度学与光度学基本知识
V适光
555
适暗性（微光）视见函数：
505 V适暗
表2 标准适光性视见函数值
辐射颜色 紫 紫 紫 紫 蓝 蓝 青 青 青 青 绿 绿 绿 波长/nm 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 V(l) 0.0004 0.0012 0.0040 0.0116 0.0230 0.0380 0.0600 0.0910 0.1390 0.2080 0.3230 0.5030 0.7100 辐射颜色 绿 绿 黄 黄 黄 黄 黄 黄 橙 橙 橙 橙 橙 波长/nm 530 540 550 555 560 570 580 590 600 610 620 630 640 V(l) 0.8620 0.9540 0.9950 1.0000 0.9950 0.9520 0.8700 0.7570 0.6310 0.5030 0.3810 0.2650 0.1750 辐射颜色 橙 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 波长/nm 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 V(l) 0.1070 0.0610 0.0320 0.0170 0.0082 0.0041 0.0021 0.00105 0.00052 0.00025 0.00012 0.00006
四、光照度
(1) 光照度的定义——E 光照度的定义：受照面单位面积上接收到的或投射到受照面单位面积上的光 通量。 光照度的数学表述：对于给定的受照面面元dS'，其上所接收到的或投射到 其上的光通量 dF' ，与该面元大小成正比，相应的比 例系数正是该面元上的光照度，即
d ' E d S'
光度学的几个基本概念
光度学的几个基本概念0、前言经常发现一些爱好者对对光度学的一些基本概念比较模糊，比如到底什么是亮度？衡量亮度的单位是什么？如何测量亮度？本文将试图以不失严格性的情况下尽量通俗的回答这些问题，因此，文中列举了大量的例子，同时给出四个量之间的关系和转换算法，这也是大多数光学书里所没有的。
光度学与光相关的常用量有4个：发光强度、光通量、照度、亮度。
这4个量尽管是相关的，但为不同的，不能相混。
正像压力、重力、压强、质量是不同的物理量一样。
1、发光强度（I、Intensity），单位坎德拉，即cd。
定义：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)，解释：发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。
这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。
可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。
发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。
现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。
之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，现在LED都很厉害了，但还是沿用原来的说法。
用发光强度来表示“亮度”的缺点是，如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。
因此，购买LED的时候不要一味追求高I值，还要看照射角度。
很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的，这尽管对LED手电有用，但可观察角度也受限。
另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。
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在光度学中，光通量明确的被定义为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度量。
辐射通量以光谱光视函数V（λ）（即视见函数，见可见光）为权重因子的对应量。
设波长为λ的光的辐射通量为Φe（λ）。
对应的光通量为
Φv（λ）=KmV（λ）Φe（λ）
式中Km为比例系数，是波长为5550埃的光谱光视效能，也叫最大光谱光视效能，由Φe和Φv的单位决定。
光通量的SI单位为流明，Km=683流明/瓦。
复色光的光通量需对所有波长的光通量求和。
②发光强度
点光源在某方向上单位立体角内的光通量，记作Iv，即Iv=dΦv/dΩ。
发光强度的SI单位为坎德拉，是光度学中的基本单位，1979年第十六届国际大会通过的坎德拉的定义为：坎德拉是发出频率为540×1012赫兹的单色辐射源在给定方向上的发光强度，该方向上的辐射强度为1/683瓦/球面度。
③光亮度
它表示单位面积上发光强度。
辐射亮度的光度学对应量，其定义为：lv=(div)/dscosθ
式中dS为面光源上的面积元，θ为面元法线与观察方向间的夹角，div是面元在观察方向的发光强度。
光亮度的SI单位为坎德拉/米2。
光亮度的其他常用单位有熙提和朗伯，
1熙提=104坎德拉/米2，
1朗伯=104/π坎德拉/米2。
光亮度一般随观察方向而变，若一辐射体的光亮度是与方向无关的常量，则其发光强度与cosθ成正比，此规律称为朗伯定律，这种辐射体称为朗伯辐射体或余弦辐射体。
黑体是理想的余弦辐射体。
④光照度
英文名称：illuminance
单位受照面积上接收到的光通量，单位为lm/㎡，称勒克斯(lx)。
发光强度为1lm的点光源在离光源的距离为r处的照度为:Ev=(Iv/r2)cosi
式中i为光沿r方向射到受照面时的入射角（与表面法线夹角）。
入射光垂直入射时，cosi=0，Ev=Iv/r2 ，此即光照度的平方反比律。
⑤光出射度
从辐射源单位表面积发出的光通量。
漫反射面受光照后，其光出射度与光照度成正比，比例系数小于1，称漫反射系数。
光出射度（luminous exitance）
光出射度是表征光源自身性质的一个物理量。
光源的光通量除以光源的面积就得到光源的光出射度值。
光出射度用lm/㎡表示，但与照度测试和lux不同，光出射度中的面积是指光源的面积，而不是被照射的面积。
平板发射会测试该值。
色度学
一、颜色的确切含意
在日常生活中，人们习惯把颜色归属于某一物体的本身，把它作为某一物体所具有的属于自身的基本性质。
比如人们所常讲的那是一块红布，那是一张白纸等等。
但在实际上，人们在眼中所看到的颜色，除了物体本身的光谱反射特性之外，主要和照明条件所造成的现象有关。
如果一个物体对于不同波长的可视光波具有相同的反射特性，我们则称这个物体是白色的。
而这物体是白色的结论是在全部可见光同时照射下得出的。
同样是这个物体，如果只用单色光照射，那这个物体的颜色就不再是白色的了。
这些现象说明，在人们眼中所反映出的颜色，不单取决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系。
所以说在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。
我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果。
二、色彩三要素
任何色彩的显示，实际上都是色光刺激人们的视觉神经而产生感觉，我们把这种感觉称之为色觉。
色别、明度和饱合度是色彩的三个特征，也是色觉的三个属性，通常将色别、色彩明度和色饱合度称为“色彩三要素”。
1.色别
色彩所具有的最显著特征就是色别，也称色相。
它是指各种颜色之间的差别。
从表面现象来讲，例如一束平行的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带，形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，就是不同的色别。
从物理光学的角度上来讲，各种色别是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的，色别即色相的形成取决于该光谱成分
的波长。
我们所讲的可见光是电磁波谱中的一小部分，波长范围大约为380～780纳米，在这个范围内各种波长的光呈现出各种不同的色彩。
在自然界中所呈现出的各种色彩大都是由不同波长和强度的光波混合在一起而显示出来的，有的则是某个单一波长的固有特性色彩。
总之，色别就是指不同颜色之间质的差别，它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志。
2.明度
明度是指色彩的明暗程度。
每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别，我们知道，物体
的各种颜色，必须在光线的照射下，才能显示出来。
这是因为物体所呈现的颜色，取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能。
前面提到的红布之所以呈现红色，是由于它只反射红光，吸收了红光之外的其余色光。
白色的纸之所以呈现白光，是由于它将照射在它
表面上的光的全部成分完全反射出来。
如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收，物体的表现将呈现出灰色或黑色。
同一物体由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别。
白颜料属于高反射率物质，无什么颜色掺入白颜料，可以提高自身的明度。
黑颜料属于反射率极低的物质，因此在各种颜色的同一颜色中（黑除外）掺黑越多明度越低。
在摄影中，正确处理色彩的明度很重要，如果只有色别而没有明度的变化，就没有纵深感和节奏感，也就是我们常说的没层次。
3.饱和度
饱和度是指构成颜色的纯度，它表示颜色中所含彩色成分的比例。
彩色比例越大，该色彩的饱和度越高，反之则饱和度越低。
从实质上讲，饱和度的程度就是颜色与相同明度有消色的相差程度，所包含消色成分越多，颜色越不饱和。
色彩饱和度与被摄物体的表面结构和光线照射情况有着直接的关系。
同一颜色的物体，表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大；强光下
比阴暗的光线下饱和度高。
不同的色别在视觉上也有不同的饱和度，红色的饱和度最高，绿色的饱和度最低，其余的颜色饱和度适中。
在照片中，高饱和度的色彩能使人产生强烈、艳丽亲切的感觉；饱和度低的色彩则易使人感到淡雅中包含着丰富。
三、三原色和三补色之间的关系
任何颜色可由三种基本颜色以适当比例混合而成。
通常选择红绿蓝三种颜色作为基本色，混合成合成色的三种基本颜色称作三原色（原刺激），以（R）（G）（B）来表示，用三原色混合相加或相减，均可以得到合成色，表明三原色不总是正值，也可以是负值。
由三刺激值R、G、B表示颜色或色彩的系统统称为RGB表色系统。
为了克服RGB表色系统中的光谱色色品坐标及光谱三刺激值出现负值，应用时不方便的缺点，CIE在1931年决定将RGB表色系统变换成新的XYZ表色系统。
RGB坐标与XYZ坐标的关系转换式为
两种色光相加后如果得到白光，则该两色光互为补色。
与蓝光、绿光和红光互为补色的三色光分别为黄色、品红光和青光。
我们通常称这三色光为“三补色”。
这三个补色，在可见光谱中，各约占三分之二。