1、LED照明知识 光度学与色度学,183850992,纲要,一、前言 二、照明的三大要素 三、LED照明 四、辐射度学基础 五、人的视觉特性 六、光度学基础 七、色度学基础 八、LED的光度与色度学问题,前言,1、我们正处在驾驭光、享受光的时代 照明是什么？过去：照明是电气，是照亮现在：照明是家具，是装饰、是光未来：照明是享受，是健康从照明工程到照明设计，从数量到质量的转变。 半导体照明（LED）和光伏都是半导体器件，是成长性高、发展快、影响大、需求迫切的产业；是节能减排、循环经济的先导产业,2、视觉的性质和认知决定对照明的量和质的要求3、现代照明设计师是最稀缺人才 辐射度学、光度学、色度学、视
2、光学是设计知识的基础。 充分利用LED的特性，创新设计满足人们生理和心理需求的个性化健康照明产品，是时代的需要，是现代照明设计师的追求。,光源照明是高科技朝阳事业,历史上 : 1879年爱迪生发明 白炽灯是被公认为人类进入 现代文明社会的里程碑 !,一、照明的三大要素,物体亮度L（nt）,照度E（lx）,发光强度I（cd）,光源亮度 L（nt）,光源,主观亮度,光通量（lm）,关键词：辐射学、光度学、色度学；亮度、照度、颜色,照明源,被照物,人眼,电源,光源,灯具,控制器,吸收,反射,透射,光泽度,光谱特性,生理效应,视见函数,大脑,心理效应,生物效应,光洁度,照明的三大要素,能源管理,照明的
3、效率,光通量,灯具,照明设计,照度、色温、显色性,被照物,反(透)射率,眼睛视觉,生理亮度、颜色,大脑,心理亮度、颜色,生理效率,照明系统整体效率,物理效率,照明效率,配光曲线,光源亮度、色温、显色性,电源,光源体 效率,灯具效率,光效 眩光 色温 照度 光强 配光曲线 平均寿命 显色指数 流明系数 色偏移 性价比 灯具效率 照明系统能效 照明功率密度 能效标识 能源消费弹性系数 “节能决定”涉及的制度规范 非物理的、无法量化的主观感觉指标,节能光源的主要技术指标,资料来源：陈大华教授,照明应考虑的若干问题,人眼通过照明源在被照物上的光线反射而识别物体，在这三者的相互关系中主要涉及到辐射度学、
4、光度学、色度学等基础物理学科和人的视觉认知科学，因此了解这些基础学科对照明系统的认知与理解是很关键也是必要的。,二、LED照明,照明光源史,第一代电光源：白炽灯（卤钨灯） 第二代电光源：荧光灯（日光灯、节能灯） 第三代电光源：高强度气体放电灯（HID） 第四代电光源：半导体发光二极管（LED）,LED器件工艺,电极 刻蚀,前工序,外延片 AlGaInp、 GaN 基,芯 片 AlGaInp、 GaN基,超高亮度及白光LED（含专用显示器）,衬底,金属有机物源,高纯气体,高纯化学试剂,高纯金属,高纯化学试剂,光刻胶,后工序,各种不同 颜色、外型LED 封装,环氧树脂,高纯金丝、 硅铝丝,封装模具
5、,银 浆,金属支架、 底座,荧光粉,塑料零件,超高亮度及白光LED产业链,特种照明,白光照明,白光照明 （大功率）,安全照明,白光器件 （小功率）,灯具、灯座、 金属、塑料 结构件,封装原料,电源变换器,其他,主要应用面,屏幕显示,背光源,汽车用灯,交通信号灯,装饰照明,景观照明,专用显示器,仪器仪表显示,其他显示,控制、驱动电路,显示单元,金属、塑料 结构件,金属、塑料件,导光板,线路板,灯具结构件,塑料件,背光显示板,金属、塑料结构件,线路板,金属、塑料件,线路板,电源变换器,导光板、管,导光板、管,超高亮度及白光LED产业链,前工序,外延片 AlGaInp、 GaN 基,芯 片 AlGa
6、Inp、 GaN基,超高亮度及白光LED（含专用显示器）,衬底,金属有机物源,高纯气体,高纯化学试剂,高纯金属,高纯化学试剂,光刻胶,后工序,各种不同 颜色、外型LED 封装,环氧树脂,高纯金丝、 硅铝丝,封装模具,银 浆,金属支架、 底座,荧光粉,塑料零件,超高亮度及白光LED（含专用显示器）,特种照明,白光照明,白光照明 （大功率）,安全照明,白光器件 （小功率）,灯具、灯座、 金属、塑料 结构件,封装原料,电源变换器,其他,主要应用面,屏幕显示,背光源,汽车用灯,交通信号灯,装饰照明,景观照明,专用显示器,仪器仪表显示,其他显示,控制、驱动电路,显示单元,金属、塑料 结构件,金属、塑料件
7、,导光板,线路板,灯具结构件,塑料件,背光显示板,金属、塑料结构件,线路板,金属、塑料件,线路板,电源变换器,导光板、管,LED的性能、特点：,亮度高、寿命长：80100lm/w、25万小时 低功耗节能省电：低电压、低电流 色域宽色彩丰富：涵盖全部光波段、白色 光色纯光束集中：单色性好、发散角小 响应快网络控制：可瞬时反复开关、智能调控 体积小安全可靠：结构紧凑、固态抗冲击 无污染绿色环保：无汞、气、玻璃、无红外、紫外辐射。,世界各国的半导体照明计划,美国半导体照明光源发展目标：,国际LED产业发展趋势,1、加快高端技术 研发，抢占半 导体照明制高点,2、技术创新与 开发速度加快,发展趋势,3
8、、市场快速成长， 新的应用领域 不断涌现,4、产业链中成 熟技术逐渐向成本低的地区转移,5、跨国公司 加强战略联盟， 通过专利授 权等手段垄 断高端市场,（一）、LED芯片大厂的技术竞争 1、Cree量产：114 lm/W，效率：430 mw/W实验室：150 lm/W，单颗：4A，1000 lm2、Nichia量产100 lm/W，实验室：191 lm/W 3、Philips （Lumileds）量产：112 lm/W，单颗：1A，220 lm热阻：5.5 C/W，1.4A，250 lm4、中村修二白光：129 lm/W，预计2015年达到150 lm/W,LED技术的发展,（二）、不同色温
9、的白光LED比较,1.Cree5000-10000K 3700-5000K 2600-3700K101lm/W 84lm/W 78lm/WCRI=93 ? ?2.Nichia5500K 4200K 3500K 2800 K100lm/W 86lm/W 80lm/W 74lm/WCRI=92 65lm/W 60lm/W 55lm/W,AC LED,不用其他驱动电源直接用交流驱动 驱动电压宽：100V到240V超宽供电范围设计 寿命：35000小时以上 工作频率：50/60,太阳能光伏与LED的完美结合,太阳能电池是光电半导体转换器件LED是电光半导体转换器件LED和太阳能电池都是低电压、低电流、
10、直流，两者结合是最科学、最合理的匹配。,太阳能光伏（PV）,（一）、太阳能光伏的原理,（二）、太阳能电池的分类,已报道最高电池效率 （Green等，Sinton等）,柔性衬底薄膜太阳电池,柔性太阳电池主要涉及非晶硅（a-Si:H）、铜铟镓硒（Cu（In、Ga）Se2，CIGS）和碲化镉（CdTe）光伏电池和集成组件 与平板式晶体硅、玻璃衬底的薄膜电池等硬衬底电池相比，其最大的特点是重量轻，可折叠，不易破碎，并具有较高的质量比功率（500W/kg）便于艺术造型。,柔性太阳能材料特点,耐高温,重量轻,柔韧可弯曲,持久耐用,耐遮影,无玻璃,柔性太阳能电池板,普通玻璃封装太阳能电池板,32,太阳能在发
11、电、路灯照明和市政交通等方面的应用：,太阳能与LED的结合,厦门市筼筜湖560盏太阳能LED庭院灯项目,LED的应用,警示标记识别,文字图像显示屏,特种照明 背光源 汽车照明 夜景照明 普通照明,LED的应用,全色显示,交通灯,手机,汽车面板和照明,LED 光源,LCD背光源色彩效果对比：,LED的广泛应用, 建筑物照明奥运水立方，使用Cree公司49.6万只1W XLamp LED发出变幻迷人的光彩。,奥运效益带动LED应用于未来建筑景观照明，2010年中国高亮度LED建筑景观照明市场规模将达200亿元人民币，LED成为地方形象发展之朝阳产业。,LED夜景工程, 中小尺寸LED背光源市场渗透
12、大幅提升 710寸面板用LED背光源成本接近于CCFL，预估2008年710寸LED背光源市场渗透率将由50%跃升至64%左右，整体白光LED需求达10.54亿颗。,LED NB背光源LED NB有3大优势：、较传统CCFL厚度减少约1/2；、可节省2030%电力；、与传统CCFL价差拉近。全球白光LED NB渗透率约8%。未来预估15寸以下产品将大幅使用LED背光源。预计2012年90用LED NB背光源。,商用照明 商业照明应用：、广范的商品照明，如条状照明灯；、重点式商品照明，如化妆品展示灯或珠宝聚光灯等。 LED商业照明可广泛用于超市、银行、连锁店、机场、火车站、隧道、地铁站与展览场所
13、等。由于商业使用照明的时间较长，将较一般住家照明容易推广与使用。, LED汽车应用,2008车内灯预计占车用LED市场40%、煞车灯占32% 。, 三大奥运激LED广告牌需求,LED招牌广告牌 LED较传统霓虹灯比较有安装、环保、节电，取代传统霓虹灯成为招牌广告牌之主。 LED显示广告牌 LED显示广告牌是奥运亮点，推动显示广告牌2010达120亿人民币。,全球可视化与显示解决方案大型LED显示屏幕亮相上海体育场。（面积达391平方米 ）,2007年12月27日，全彩高清LED显示系统在五棵松奥运篮球馆安装完毕，净高9.042米，最大直径约为11米，重22吨。,LED照明光源的应用,数字化色光
14、技术及应用产品舞台灯、水下变色灯、医疗用灯等； 特种照明场所低温度照明场所：冷库、冷柜、冰箱；应急照明；户内外广告照明；低照度照明：草坪灯、庭院灯、廊灯、门牌灯； 普通照明便携式照明；阅读照明：飞机、汽车、台灯；室内照明：高度4m以下，同时对光效、色温、显色性都有要求； 道路照明要求：低色温：3000K左右；总光通量：10.5m宽次干路15 lx照度，要求光源总光通量25000 lm以上（灯具效率70）。,国际照明大厂的扩充整并,近期国际大厂扩充策略：上下游供应链整合、企业与企业间的交叉授权、新产品开发、扩充产品应用与建立产业交流平台等，借此巩固在LED照明产业的地位。, 荷商Philips为
15、LED照明领导厂商,Philips收购Lumileds股权，掌握LED高功率芯片的来源； 2007年2月以7.04亿美元完成收购欧洲家用照明设备制造商Partners in Lighting International； 2007年3月以7500万美元收购加拿大白光LED制造商TIR Systems； 2007年8月以6.88亿美元完成对北美LED制造商Color Kinetics的收购案； 2007年11月再度以27亿美元收购北美灯具大厂Genlyte。, 2007年底Seoul Semiconductor与Osram签署交叉授权并计划推出新高亮度LED产品, Osram与Toyoda Go
16、sei签订专利相互使用 Cree并购华刚于08年2月完成,2006年我国光源和照明有一万多家企业，产值达1600亿元人民币，为全国GDP的1。全球该领域营业额1600亿美元,我国出口100亿美元.2006年产值：Philips 60亿欧元，OSRAM 42亿欧元GE 28亿欧元 Matsushita Toshiba Iwasaki 等 35亿欧元,三、辐射度学基础,辐射度学是研究电磁辐射能测量理论和方法的一门科学，主要包括辐射量、立体角等物理量。,立体角,在辐射度学和光度学中，常涉及某一辐射源向三维空间的各个方向发射辐射通量的问题，因此角度量须采用立体角，以 表示。设在圆球表面上切出一小圆面积
17、S，圆球半径为r，则立体角定义为,如果圆球表面上的小面积S等于圆球半径的平方时，则该小面积S所对应的立体角为一单位立体角，称为球面度（steradian)，以符号sr表示,在一般情况下，当立体角不太大时，可用顶点为O的圆锥的平底面积代替该圆锥所截出的球面积，以近似计算立体角的球面度。由图21可得,图2-1 立体角的定义,辐射度量,辐射能（radiant energy） 辐射能密度（radiant energy density） 辐射能量（radiant flux） 辐射强度（radiant intensity） 辐射通量面密度 辐射亮度（radiance）,辐射能（radiant energy
18、）辐射能是以辐射形式发射、传播或接收的能量，单位为J（焦耳）。当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等等。,辐射能密度（radiant energy density）辐射能密度是体积元内的辐射能除以相应的体积元，单位是 (焦耳每立方米)。,辐射能量（radiant flux）辐射能量又称为辐射功率 ，是以辐射形式发射、传播或接收的功率，单位为 W（瓦），即1W1J/s（焦耳每秒）。若以t表示时间，辐射能量的定义式为,辐射强度（radiant intensity）辐射强度定义为在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源（或辐射源面元）的辐射能量 ，除以该立体角 。即为单位为
19、W/sr （瓦每球面度）,辐射通量面密度（radiant flux(surface) density）辐射源面上一点处的辐射能量面密度为包含这点的面元上的辐射能量除以该面元面积。,辐射源的辐射能量面密度有两种情况： 辐射出射度（radiant exitance） 辐射出射度为离开辐射源表面一点处的面元的辐射能量 除以该面元面积 ，即 单位为 （瓦每平方米）。辐射出射度在数值上等于单位面积辐射源所发射的辐射能量。 辐射照度（irradiance） 在辐射接收面上一点的辐射照度等于照射在包括该点的一个面元上的辐射量 除以该面元的面积 即单位为 （瓦每平方米）,辐射出射度 与辐射照度 的表达式和单位
20、完全相同，其区别仅在于:前者是描写面辐射源向外发射的辐射特性后者则为描述辐射接收面所接收的辐射特性。,辐射亮度（radiance）辐射亮度定义为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能量，即单位为 （瓦每球面度平方米）,光辐射探测器,光辐射量的测量通常采用各种探测器把光辐射能变换成一种可测的量 人眼是一种极好的光辐射探测器 由于人眼瞳孔的调节、亮暗适应等一系列生理特点，很难用作光度量绝对量的测量，只能作为光度比较测量时高灵敏度的光度平衡判别器。,常见光辐射探测器的分类,光 辐 射 探 测 器,光电 探测器,热 探测器,外光电效应,无放大作用,有放大作用,真空光电管,充气光电
21、管,光电倍增管,充气光电管,内光电效应,光伏型,无放大作用,有放大作用,光电池,光电二极管,双光电二极管,光电三极管,光电场 效应管,光电开关管,光电雪崩二极管,光导型,本征光导 探测器,光敏电阻,光导探测器,杂质光导探测器N型/P型光导探测器,测辐射热计,热电偶,热电堆,热释电探测器,气动光导探测器高莱探测器,四、人眼的视觉特性,4.1人眼的构造,角膜 11mm1mm 虹膜瞳 28mm 晶体 9mm 厚度3.6mm4.4mm 玻璃体 18mm左右 中心凹 黄斑 2mm3mm 锥体细胞密集区 盲点，距黄斑4mm,视 网 膜,锥体细胞 26um,长40um， 650700万个 杆体细胞 24um
22、, 长60um, 1.2亿个 双极细胞 神经节细胞 中心凹3视角内，只有锥体细胞 中心凹20视角，杆体细胞最多,锥体细胞与杆体细胞的分布,0.0069mm2 面积上的细胞数量,24002000160012008004000,100 80 60 40 20 0 20 40 60 80,鼻侧 中央窝 耳侧,盲点区,杆体细胞 锥体细胞,视神经传导系统,细胞,第一级 神经元,(双极细胞),锥体 杆体,第二级 神经元,(神经节细胞),视神经,视交叉,视束,第三级 神经元,视辐射,枕叶视区,光线眼球大脑视觉脑科学,视觉由眼睛开始,资料来源：陈忠教授,视觉通路,资料来源：陈忠教授,A,B,A：颜色知觉激活图
23、（V4）B：运动知觉激活图（MT+）,资料来源：陈忠教授,4.2 人眼的视觉功能,视觉功能,察觉,认别(成像),辨认细节,调节,适应,控制光大小、瞳孔 2- 8mm,人眼的适应性,角膜调节2/3、晶状体调节1/3,锥体细胞、杆体细胞,神经节下丘脑脑垂体褪黑激素,闭眼、眨眼、防强光、冲击,光学调节(聚焦),光 度 调 节,灵敏度调节,生物钟调节,防止伤害调节,4.3 人眼视觉特性（一）,分辨率：衍射极限锥体细胞大小1.5-2 m人眼的波像差、波色差决定，平均约0.7 视力：分辨率1，视力为1.0 ; 分辨率30, 视力为2.0 视场（视野） 水平:内侧60、外侧100垂直:向上70、向下502内
24、 特清晰2内 最清晰10内 有效视场20内 工作范围40以外 无色彩感、分辨率低,人眼分辨力与视角的关系,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，或称为视觉锐度。,分辨角随照度变化,人眼对不同形状的高对比度目标的分辨力,目标,视觉,人眼视觉特性（二）,响应速度：0.1秒为视觉残留时间(正后像暂留) 0.1秒10秒响应视见度高 2秒3秒视觉辩认最好 最大临界闪烁频率50 Hz 100 Hz以下闪频时对眼睛有害?8-15Hz对危害最大 紫外光有害、强兰光有害、强光、眩光有害。,人眼的色差与像差,人眼有球差、慧差、像散等高级像差和色差（五级、七级） 空间像调制曲线（A
25、IM） 波前像差测量系统 波色差测量,什么是眼波像差？,无像差的眼,有像差的眼,波像差随调焦的变化（从0D到-4D), 0D到-2D：多数眼波像差下降 -2D到-4D：多数像差上升 多数眼波像差变化很大（1、2、7、9、10、12、17、20） 少数变化较小（3、5、8、11、18）,人眼观察不同距离物体时波像差的变化,资料来源:母国光院士,新一代视觉工程研究成果,个体眼光学波像差的色差8只眼在12个波长的波像差,离焦随波长的变化大，平均变化量2.15D,像散随波长的变化相对小，最大为0.06 D,球差随波长的变化大，最大从0.12到0.21 m,慧差随波长的变化相对小，平缓（0.03 m）,
26、三叶草随波长的变化相对小，平缓（0.03m）,资料来源:母国光院士,人眼的视觉响应,人眼可感知的亮度范围很大: 10-8cd/m2108cd/m2 人眼能同时感知的亮度范围有限：1103cd/m2量级 主观亮度与客观亮度的对数成正比 明视觉：亮度L 3cd/m2, 老人 10cd/m2 中间视觉：10-4cd/m2 L 3cd/m2 暗视觉：10-8cd/m2 L 10-4cd/m2,视觉对亮度的响应度,10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 106 107 108,0,视觉响应度,明视觉 （锥体细胞）,暗视觉
27、（杆体细胞）,3cd/m2,10-4cd/m2,中间 视觉,亮度(cd/m2),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。以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示时，人眼的绝对视觉阈在10-9lx数量级。以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是58145个蓝绿光（波长为0.51um）的光子轰击角膜引起（据估算，只有514个光子实际到达并作用于视网膜上,在一定的背景亮度Lb条件下（10-91cd/m2），人眼能够观察到的最小照度Emin约为当Lb 16.4cd/m2后将产生炫目现象，绝对视觉阈值迅速提高,对比度感知,人眼习惯的景物对比度49：1
28、物体表面反射率最大98%，反射率90%为白色 物体表面反射率最小2%,反射率4%为黑色 拍电影、电视的对比度都在50:1以内 感知的最大对比度:1000：1 主观感觉：对比度越高越亮，目标越小越亮 100：1以上的光源就有眩目感,视觉宽容度与环境亮度的关系,视觉宽容度：人眼同时能感知的亮度范围,单位：cd/m2,阈值对比度随背景亮度的变化,10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103,104103 102101 10-1 10-2 10-3,曲线上数字为物体张角（分）,0.595,3.60,9.68,18.2,55.1,121,360,阈值对比度随背景亮度的变化,
29、阈值对比度,感觉舒适的亮度,亮度感知与视场亮度、景物对比度、目标大小有关 目标亮度大于背景亮度25倍 心理亮度与客观亮度、适应亮度不是线性关系 亮度变化与心理明度变化不是线性关系 感觉舒适与健康的亮度100cd/m2 老人需要提高亮度,人眼视觉适应过程,明暗场,正常视觉条件下，锥体细胞产生对物体的感知 、区别颜色,低亮度条件下，锥体细胞不发生作用，杆体细胞起作用,使物体有较低的能见度,明场（明视觉）,暗场（暗视觉）,中间视觉,亮度,0.01 cd/m2,3.5 cd/m2,过渡状态下部分锥体和杆体细胞工作，蓝光较红光更为明亮,需5-20分钟才能完全适应明场,需20秒-2分钟完全适应暗场,眩 光
30、,对比过大，光源较近,光源太近，光线太亮,镜面、金属面、 光漆面，成像屏幕,实验表明，炫目亮度L0与像场亮度L（cd/m2）之间的数值关系为由此可说明为何100W的灯在白天人眼不感炫目，但在暗室将产生炫目效应,五 、光度学基础,在光辐射测量中，与能量有关的量有两类： 辐射度学量：客观的物理量 光度学量：主观的物理量光辐射能包括紫外辐射、可见光和红外辐射的全部辐射能量，而人眼不仅把看不见的紫外辐射和红外辐射都排除在外，而且在数量上，人眼感受到的光辐射能也并不等于看得见的那部分光辐射的实际能量值。,光通量 和辐射能量 可通过人眼视觉特性进行转换，即式中， 是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率（或视见
31、函数），下图给出人眼对应明视觉和暗视觉的视见函数。,为了描述光源的光度与辐射度的关系，通常引入光视效能K，其定义为目视引起刺激的光通量与光源发出的辐射通量之比，单位为lm/W。其中， 为光视效率，量纲为1。在照明工程中，通常希望光源有高的光视效能，当然还要考虑到光的颜色。,光度学量,发光强度（luminous intensity） 光亮度（luminance） 光量（quantity of light 或luminous energy） 光通量（luminous flux） 光通量（面）密度（luminous flux(surface) density）,发光强度（luminous inten
32、sity）光度量中最基本的单位是发光强度-坎德拉(Candela)，记作cd，它是国际单位制中7个基本单位之一。定义为发出频率为5401012Hz(对应在空气中555nm的波长）的单色辐射，在给定方向上辐强度为（1/683）W/sr时，光源在该方向上的发光强度规定为1cd。光通量的单位是流明（lm）。1lm是光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。,光源在指定方向上的一个很小的立体角元 内所包含的光通量 值，除以这个立体角元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度。表达式为,光亮度（luminance）光源的光亮度可定义为：在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于
33、给定方向的平面上的正投影面积。由于 ，故有亮度的单位为坎德拉每平方米（cd/m2）,光量 （quantity of light 或luminous energy）光量定义为光能量与照射时间的乘积。单位是流明秒（lumen second）,符号为lm.s。如果光能量在照射时间之内是变化的，则光量等于光能量对时间的积分光量的概念，与电学中的kW.h(千瓦小时)、W.S（瓦特秒）等电能单位是相似的，所以光量就是光的数量，它可以和能量这个概念相当。,光通量（luminous flux）光源在单位时间内发出的光量称为光通量，在光度学中，光能量是从辐射通量导出的量，它明确地定义为能够被人眼视觉系统所感受到
34、的那部分辐射功率的大小的量度。单位是流明（lumen），符号为lm，表达式为,光通量（面）密度（luminous flux(surface) density）光源面上一点处的光通量面密度为包含该点的面元上的光通量除以该面元面积。光源的光通量面密度有两种情况：,光出射度（luminous exitance）光出射度为离开光源表面一点处的面元的光通量 除以该面元的面积 即单位为流明每平方米（lm/m2）。光出射度 在数值上等于单位面积光源所发射出的光通量。 光照度（illuminance）在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光通量 除以该面元的面积 。即单位为勒克斯（lu
35、x），符号为lx，当1lm的光通量均匀地照射在1 m2面积上时，这个面上的光照度就等于1lx。即1lx=1lm/m2。,光出射度 与光照度 的表达式完全相同，但含义不同，其区别在于前者是描写面光源向外发出的光度特性；而后者是描述光接收面所接收的光度特性。此处所说的面光源不限于灼热固体的表面和实在的光源表面，也可以是这些自发光光源的像或自身不发光而受照后成为光源的表面。,小结,发光强度： 亮度： 光通量： 照度：,六、色度学基础,6.1、颜色的基本术语（ 1）颜色：目视感知的一种属性，可用白、黑、灰、黄、红、绿等颜色名称进行描述。 （2）光源色：由光源发射的光的颜色。 （3）物体色：光被物体反射
36、或透射后的颜色。 （4）表面色：漫反射、不透明物体表面的颜色。 （5）光谱分布：光谱密度与波长之间的函数关系。 （6）CIE标准照明体：由CIE规定的入射在物体上的一个特定的相对光谱功率分布。（A、B、C、D、E）（标准光源：实在的光源，8种，没有D光源、LED光源）,（7）色刺激：进入人眼能引起有彩色或无彩色感觉的可见光辐射。 （8）三刺激值：在三色系统中，与待测光达到色匹配所需的三种原刺激的量。 （9）光谱三刺激值：在三色系统中，等能单色辐射的三刺激值。在CIE1931和CIE1964标准表色系统中，分别用 表示。 （10）色品坐标：三刺激之值与它们之和的比 （11）色空间：表示颜色的三维
37、空间 （12）均匀色空间：能以相同距离表示相同知觉色差的色空间 （13）色差 ：以定量表示的色知觉差异。 （14）同色异谱：具有同样颜色而光谱分布不同的两个色刺激。 （15）心理明度指数：在均匀色空间中相应的明度坐标,（16）心理彩度坐标：在均匀色空间中等明度面内某色点位置的两个坐标，例如： （17）色调（色相）（hue）：表示红、黄、绿、蓝、紫等颜色特性。颜色的三属性之一。 （18）明度（lightness）： a、物体表面相对明暗的特性。 b、在同样的照明条件下，以白板作为基准，对物体表面的视知觉特性给予的分度。颜色的三属性之一。 （19）彩度(chroma)：用距离等明度无彩点的视知觉特
38、性来表示物体表面颜色的浓淡，并给予分度。颜色的三属性之一。 （20）饱和度（saturation）：按照正比于物体表面的视亮度判断色浓度的一种目视感知属性，也称为相对色浓度。,（21）色温 ：当某一种光源的色品与某一温度下黑体的色品相同时黑体的温度。 (22)相关色温 ：当某一种光源的色品与某一温度下的黑体的色品最接近，或者说在均匀色品图上的色差距离最小时黑体的温度。 （23）显色性：与参考光源相比较时，光源显现物体颜色的特性 （24）显色指数（CRI）：光源显色性的度量。以被测光源下与参考光源下物体颜色的相符程度表示。 （25）特殊显色指数 Ri：光源对某一选定标准颜色样品的显色指数。 （2
39、6）一般显色指数Ra ：光源对CIE规定的8种颜色的特殊显色指数的平均值,色度学,光线没有颜色，颜色不是客观的物理量,色彩是人的主观感觉，是主观量,世界因色彩而丰富多样，用统计心理物理学 方法总结规律,1,2,3,4,不同领域、不同的视角对色彩有不同的理解， 创立了形形色色的学说与理论体系。,现代色觉模型,1、purkinje 系统暗视觉：暗视觉中看不见颜色环境亮度提高，最先出现的色觉为蓝色，它也是环境渐暗时最后消失的色觉。最亮的为波长为507nm蓝光称为普尔金基现象推移（系统）,2、明视觉 Young-Helmholtz三色学说锥体细胞是感受 R、G、B三色的接收器，颜色特性都是由锥体细胞的
40、响应量的比例来表示感知RGB的视黄醛转化为视紫红质（视色素）分别对R=555nm，G=525nm，B=450nm的影响最敏感Hering 四色学说（桔抗色学说）视学细胞有三类不同的细胞，分别有黑-白，红-绿，黄-兰三种视物质。阶段学说：将上述两种学说统一起来，比较满意地说明颜色视觉的现象“感知RGB三色，到大脑中形成黑-白、红-绿、黄-蓝反映”,6.2、格拉斯曼定律1854年格拉斯曼总结出颜色混合的定性性质格拉斯曼定律，为现代色度学的建立奠定了基础。人的视觉只能分辨颜色的三种变化（例如明度、色度、饱和度）。 在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，混合色外貌也连续变化。 颜色外貌相同
41、的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。即凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。 混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度总和亮度相加定律。,国际照明委员(CIE) 1931色度图,颜色的三要素,明度（V）,彩度（V）,色相（H）,明暗度 亮度 主观亮度 生理亮度 心理亮度辉度 灰度,色的浓淡纯度饱和度 色度纯度,红、黄、绿、兰等 颜色等的主波长,麦克亚当椭圆u-v坐标图,颜色标准的复杂性,CIE 1931RGB系统 CIE 1931标准色度系统 CIE 1964补充标准色度系统 CIE 1960UCS均匀色品图 CIE 1976均匀色空间及色差公式 CIE 1994色
42、差公式 CIE DE 2000色差公式 ISO CMC（l:c）色差公式至今没有找到一致公认的色差公式。,人眼对绿色的差异 不敏感 对蓝色和紫色的差异最敏感 敏感度相差二十倍,麦克亚当椭圆（x-y坐标图）,色度的视觉认知,色度的视觉认知,光源色与物体色的不同,光源色：辐射能量变化大，LED色彩丰富物体色：不同的物体，明度差别有限物体色受不同光源的影响，固有色，条件色，表面色，空间色。白色、黑色、灰色由物体反射率决定,与照度无关。,人能分辨多少种颜色,明度：110200种,彩度：130160种,色相：100160种,种类：140万 512万种之间,自然界的色彩大约有500万种，人眼能分辩1502
43、00万种颜色。,6.3、颜色分辨力,光亮度分辨力人眼恰能分辨出两个半视场亮度不同时的 值称为光亮度差阈，也就是人眼的光亮度分辨力。波长和色纯度的分辨力光谱两端的分辨力最差，特别在红端680nm以上，几乎不能分辨出差别。光谱中部的分辨力较高，尤其在蓝绿色490nm和黄色590nm左右分辨力最强，590nm附近约为1nm。,Brickwedde 测量的色纯度分辨,如图所示：短波端的色纯度分辨力最好，400nm时 0.001即能被人眼所分辨，即白光中加入千分之一亮度的色光，就可被认为不是白光。黄波段以570nm为最差， 0.05，即需要将百分之五的黄光加在白光内才能分辨出不同于白光的黄光。,色差灵敏
44、度,人眼能恰好分辨色度差差异的能力叫做色差灵敏度，人眼刚能分辨光线颜色变化时波长改变量称为色差阈值。,人眼的色差阈值随波长的关系,色品分辨力,莱特实验的颜色宽容量 麦克亚当实验的颜色宽容量,6.4 同色异谱,同色异谱色就是颜色外貌看起来相同，但是光谱组成并不相同的颜色。即两个样品所反射的辐射通量光谱成分不同，而颜色却相互匹配，有相同的三刺激值，在色品图上是同一个色品点。,物体色刺激的同色异谱性质是有条件的，对于特定的照明体和观察者才能成立，当改变照明体或改变观察者，或者两者都改变，都将破坏原来的同色异谱性质。,同色异谱在不同光源下的色品图,6.5 CIE光源显色指数,物体在光源照明下所呈现的颜
45、色效果，定义为光源的显色性。 光源的光谱分布决定光源的显色性。 光源的色温和显色性之间没有必然的联系。具有不同光谱分布的光源可能有相同的色温，但显色性可能差别很大。,光源对某一种标准样品的显色指数称为特殊显色指数 式中， 为在参照光源下和待测光源下样品的色差。光源对特定8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数,6.6 色温,所谓色温，是有与光源具有相同色度的完全辐射体（黑体）的绝对温度来表示光源颜色的温度，单位为K,不同光源的色温,色温的数值越低，红色光就越多，色温越高，则蓝色光就越多，“暖色”与“低色温”对应，“冷色”与“高色温”对应。,色温和照度的关系,6.7人眼的颜色视觉特性,彩色的特
46、性及其表示彩色一般可用明度、色调和饱和度三个特性来描述。 明度：人眼对物体的明暗感觉。发光物体的亮度越高，则明度越高；非发光物体反射比越高，明度越高。 色调：区分彩色的特性，即红、黄、绿、蓝、紫等。不同波长的单色光具有不同的色调。发光物体的色调决定于它的光辐射的光谱组成。非发光物体的色调决定于照明光源的光谱组成和物体本身的光谱反射（透射）的特性。 饱和度：指彩色的纯洁性。可见光谱的单色光是最饱和的彩色。颜色饱和度决定于物体反射（透射）特性。如物体反射光的光谱带很窄，则饱和度就高。,颜色的三维空间纺体,生理颜色与心理颜色,生理对环境的习惯与平衡产生：色彩的冷暖感、轻重感、进退感、胀缩感、强弱感中
47、国光文化中的色彩：红、黄、青、白、黑五色体系为正色黄色代表皇家、尊贵，红色象征革命、热烈。,颜色守恒,心理对颜色的理解，产生颜色的恒常性颜色的错觉、联想、象征、同化,色 彩 对 比,同时对比：同一时间和空间内人眼感知的色彩对比。 明度对比：最敏锐、对比强、反差大、光感强、体感强、锐利、形像清晰。明度对比是核心，控制色彩的整体效果，决定色彩的认知度，决定色彩的空间关系，层次感。 色调对比：互补色对比，强烈、鲜艳 相近色对比: 相互渗透、配合色 彩度对比：高彩度对比强烈、鲜艳、冲动,色适应,在亮适应状态下，视觉系统对视场中颜色变化会产生适应的过程 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，这就是色适应过程。,辐射度、光度、色度的测量,辐射度、光度与色度及其测量北京理工大学出版社金伟其、胡威捷 编著,耳听为虚，眼见为实？人眼的感知其实是极不准确的。,错 觉,错 觉,错 觉,七、LED的光度与色度学问题,LED照明的问题（一）,色域、色容差和显色性不理想，色温大多在6500K以上,光、电、色参数随结温变化，散热性和稳定性有待改进,问题,问题,问题,问题,高亮度、低照度，容易形成眩光，总光通量不足,
