1、光学、颜色、LED目 录 光的语言-The basis of photometry 通过颜色感知世界-Colorimetry LED检测基础-Measurement of LEDPart1 光度学基础光是什么？黑夜给了我一双黑色的眼睛，我却用他来寻找光明！人类要看见物体，就必须要有光。光提供了一个充满视觉信息的世界，只有从物体反射出来的光到达我们的眼睛，刺激视神经，我们才能看到周围物体的形状和颜色。光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱。光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。光是什么？ 单色光-monochrome：单一波长
2、（或频率）的光，不能产生色散。 复色光-polychromatic light：由几种单色光合成的光叫做复色光。 白光-white light：由各种可见光波长成分构成的复色光。 谱线宽度-spectral line width：一般将强度下降到最大值一半时所对应的波长范围称为谱线宽度，用d表示，每条谱线的强度分布具有一定的波长范围，范围越小，表示光的单色性越好。实际上不存在理想的单色光，通常所谓的单色光指但谱线宽度d很小时的光。光辐射是什么？光辐射（optical radiation）按照电磁波长及人眼的生理视觉分为紫外光辐射（ultraviolet radiation）、可见光辐射（vis
3、ible radiation）、红外光辐射（infrared radiation）。紫外光辐射（100-400nm）UVA：315-400nm，近紫外UVB：280-315nm，中紫外UVC：100-280nm，远紫外可见光辐射下限：360-400nm上限：760-830nm红外光辐射（780nm-1mm）IRA：780-1400nm，近红外IRB：1400-3000nm，中红外IRC：3000nm-1mm，远红外光度学光度学（photometry ）是1760年由朗伯建立的，且定义了光通量、发光强度、照度、亮度等主要光学光度学参量，并用数学阐明了它们之间的关系和光度学几个重要定律，如照度的叠
4、加性定律、距离平方比定律、照度的余弦定律等，这些定律一直没用至今，实践已证明是正确的。在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学。光度学除了要定义一些物理量并确定相应的测量单位外，还要研究测量仪器的设计、制造和测量方法。对各种光源进行光度的特性测量广泛应用于光学工业、照明工业、遥感遥测、色度学和大气光学等领域。光的测量是一门基本学科，也需要有广泛的基础知识。要进行光的测量，掌握光学方面的基本常识和概念、术语是必要的，测量光是一项挑战，尤其是决定测量什么和如何测量。立体角、球面度立体角stereoangle，是以锥的顶点为心，半径为r的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位
5、称为“立体弧度”。和平面角的定义类似。在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作d=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2；与此类似，定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作d=ds/r2；由此可得，闭合球面的立体角都是4。球面度steradian，是立体角的国际单位。它可算是三维的弧度。其英文字（sr）是希腊语立体（stereos）和弧度（radian）的混合。辐射测定辐射测定（radiometry）是测量电磁辐射的科学，此测量所涵盖的光谱基于物理常数层面。我们所关心的辐射特性是辐射功率和它在空间及角度的分布，四个基本概念
6、为： 辐射通量-radiant flux 辐射强度-radiation intensity 辐射照度-irradiance 辐射亮度-radiancee = e()d辐射通量（e）：单位时间内通过某一面积元ds的各种波长辐射的辐射能量，也可理解为通过某特定区域或某立体角辐射能量的速率。辐射通量的SI单位为瓦特（watt，W）。辐射测定光谱分布-spectral distribution：不同波长的单色光辐射通量在总辐射通量中的能量分布不同，单色光辐射通量与波长的函数关系称为光谱分布函数-e（）。单色光辐射通量-monochrome radiant flux （e）：从物体表面单位面元辐射出在波
7、长间隔d(, +d)内的辐射功率称为波长的单色光辐射通量。SI单位为Wm-1 。e=d e/d e = e()d辐射测定辐射强度（Ie）：点辐射源或元量辐射在单位时间内在给定方向上单位立体角内辐射出的能量。在特定方向上的辐射强度是整个源在该方向上所发出的所有辐射线的功率总和（例如每立体角的功率）。SI单位为瓦特/球面度（W/sr）。Ie =d e/d一个置于各向同性均质介质中的点辐射源向所有方向发射的总辐射通量是e，则该点辐射源在各个方向的辐射强度是一个常量，与方向无关。 Ie =e/4辐射测定辐射照度（Ee）：投射到单位接收面积的辐射照量。辐射照度是一个从放射源向平面状物体照射时，每单位面积
8、所得到的放射束数量的物理量。SI单位是瓦特/平方米(W/m2)。辐射亮度（Le）：表示面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量。可理解为辐射源在单位投影面积内的辐射强度。辐射亮度的SI单位为（W/m2sr）。Ee =d e/dALe =d e/（ddAcos）光谱辐射测定光谱辐射测定：是对在电磁波谱中某段波长的光能测量。光谱辐射亮度：特定光源的辐射亮度是一个定值，它是整个光谱段范围内所有能量的总和，对于特定波长的能力值可用光谱辐射亮度来测量。光谱辐射亮度的SI单位为（W/m2srnm）。光谱辐射照度：对照在单位面积上的特定波长的辐射通量的测定。光谱辐射照度的SI单位为（W/m2nm）。光度
9、测定光度测定：电磁能量能以光的形式被人眼看见，所以光度测定是对电磁能量在心理和物理特性上的测定。“明亮”这个形容光线的词汇，定义了光度测定应根据人类的感知进行。光度测定1942年，国际照明委员会（CIE）定义出人眼的平均敏感度后，光度测定成为一门新的科学，CIE测定了大量人类样本的亮适用数据，汇编成CIE标准光度函数。光度测定的值与辐射测定的值相对应，对应关系为CIE的标准光视效率函数，可以把光视效率函数理解为接近人眼表现的一块滤镜的转换函数。光度测定光度测定包括四个概念：光通量、光强、照度、亮度光通量-luminous flux （v）：指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的
10、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。SI单位是流明（lm）。v = e() K( ) d光度测定光强-luminous intensity （Iv）：描述点光源发光强弱的一个基本度量。以点光源在指定方向上的立体角元内所发出的光通量来度量。SI单位是坎德拉（cd）。1cd等于1流明每球面度，实际应用时，1cd大致等于1烛光。照度Luminosity（Ev）：从同一方向看，在给定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照强度，指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，SI单位为勒克斯(Lux,lx)
11、，即1m/m2。1 勒克斯等于1 流明的光通量均匀分布于1m2面积上的光照度。Iv =d v/dEv =d v/dA点光源：Ev= Iv cos/r2光度测定亮度lightness（Lv）：亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）或叫做尼特（nit）。亮度是人对光的强度的感受，也可理解为单位面积上的光强。Lv =d v/（ddAcos）辐射度量和光度量辐射度量 光度量名称 符号 单位 名称 符号 单位辐射通量 e W
12、 光通量 v lm辐射强度 Ie W/sr 光强 Iv lm/sr，cd辐射照度 Ee W/m2 光照度 Ev 1m/m2，lx辐射亮度 Le W/m2sr 光亮度 Lv cd/m2，nit光谱光视效率某一光源的视亮度不仅取决于由它发出辐射的量，也与该光源的光谱组成以及观测者的视觉相应函数有关。由于人的视觉在不同的光的等级和不同观测者之间都存在差异，因此精确的光度测量需要有代表性的标准观测者的定义。CIE物理光度系统规定了用于光线辐射定量评定的程序，此定量的评定是根据两个标准观测者的光谱光视效率函数进行的，一个代表明亮环境下的明视觉，一个代表黑暗环境下的暗视觉。这两个函数与国际单位制光度测量基
13、本单位坎德拉联合使用，构成了一个能精确确定所有类型发光光源的光度量数值的系统，而该系统与发射辐射的光谱组成无关。光谱光视效率光谱光视效率-luminous efficiency ：人眼的视觉神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。对绿光最敏感，对红、蓝光灵敏度较低。另外，由于受生理和心里作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。CIE规定，不同波长的单色辐射通量之比为光谱光视效率，或称为“视见函数”，用V()表示明视觉视见函数（明亮环境），用V ()表示暗视觉视见函数（黑暗环境）。V()= em/ eCIE标准光度观测者试验，确定：= m=555nm时，V()=1；= m=506-5
14、08nm时，V () =1；光谱光视效率光谱光视效能光谱光视效能-luminous efficacy ：描述某一波长的单色光辐射通量产生的光通量，即波长为的单色光，其单色光通量v与单色光辐射通量e之比定义为光谱光视效能，用K()表示明视觉光谱光视效能，用K()表示暗视觉光谱光视效能。SI单位为lm/W。K()= v/ e= Km V()设Km 为最大光谱光视效能，即Km =K(555)，K m = K (507)，Km = K(555)/V(555)=683lm/W；K m = K (507)/V (507)= 1700lm/W；Part2 色度学基础认识颜色颜色-color：在日常生活中，人
15、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。同样的道理，一块红布如果是我们在白天日光下得出的结论，那同样是这块布在红光的照射下，在人们眼中反映出的颜色就不再是红色的而是白色的。三原色自然界中各种物体所表现出的不同色彩
16、，都是由蓝色、绿色和红色光线按适当比例混合起来即作用不同的吸收或反射而呈现在人们眼中的。所以，蓝色、绿色和红色就是组成各种色彩的基本成分。因此我们把这三个感色单元称为三原色。435.8Nm 波长约400500 纳米的范围属蓝光范围；546.1Nm 波长约500600 纳米的范围属绿光范围；700Nm 波长约600700 纳米的范围属红光范围。颜色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。色调、亮度和饱合度是色彩的三个特征，也是色觉的三个属性，通常将色调、色彩亮度和色饱合度称为“颜色三要素”。颜色三要素色彩所具有的最显著特征就是色调，也称色相。它
17、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，就是不同的色调。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，色调即色相的形成取决于该光谱成分的波长。我们所讲的光是电磁波谱中的一小部分，波长范围大约为400700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，色调就是指不同颜色之间质的差别，是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有
18、标志。颜色三要素亮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。颜色三要素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。
