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1、1. 光 1.1 光的本質(zhì)1.2 光的產(chǎn)生和傳播1.3 人眼的光譜靈敏度1.4 光度學(xué)及其參數(shù)2. 視覺2.1 作為光學(xué)系統(tǒng)的人眼2.2 視覺的特征與功能3. 顏色3.1 顏色性質(zhì)3.2 國(guó)際照明委員會(huì)色度學(xué)系統(tǒng)3.3 色度學(xué)及其參數(shù),第一講 光 視覺 顏色,1.1光的本質(zhì) 波粒二重性。 光的波動(dòng)性，是指光是一種電磁波。光是電磁波輻射的一部分，而可見光僅指380nm-780nm。如下圖1-1,第一講 光 視覺 顏色,第一講 光 視覺 顏色,光的微粒性就是指光束是微粒流，這些微粒就是光子。光子的運(yùn)動(dòng)速度就是光速。不同波長(zhǎng)的光，具有不同的能量，即由不同能量的光子組成。光子具有的能量E正比于光的頻率

2、: E=hv （1-1）,第一講 光 視覺 顏色,光子所具有的能量hv是頻率為v的光所具有的能量的最小單位，不能再分割了，故光子又稱光量子。 在光和其他物質(zhì)相互作用時(shí)，能量的交換是按 的形式一份一份地進(jìn)行的，即能量是不連續(xù)的。,1.2 光的產(chǎn)生和傳播 一、光的產(chǎn)生 光按兩種方式產(chǎn)生，即溫度輻射和發(fā)光。 溫度輻射又稱熱輻射。在某一溫度下，作為最大溫度輻射的物體，稱為黑體，這種輻射即是黑體輻射。黑體輻射的能量分布曲線E（）可由普朗克公式描述為：,第一講 光 視覺 顏色,式中， 為波長(zhǎng)（m）；h為普朗克常數(shù)（ J/s）；c是真空中光速（m/s）；k為波耳茲曼常數(shù)（J/k）；T是絕對(duì)溫度（k）,（1-

3、2）,第一講 光 視覺 顏色,圖1-2 不同溫度黑體輻射能量分布,第一講 光 視覺 顏色,圖1-3 黑體（點(diǎn)虛線）及鎢絲發(fā)熱體（短虛線）在3000k時(shí)的光譜,發(fā)光就是其他任何種類能量變換成光能的過程。按激發(fā)方式不同可分為如下幾類：生物發(fā)光 ：螢火蟲、發(fā)光細(xì)菌等的生物發(fā)光?；瘜W(xué)反應(yīng)： 由化學(xué)反應(yīng)直接引起的發(fā)光，如黃磷自然發(fā)光。光致發(fā)光： 由光、紫外光等激發(fā)而引起的發(fā)光，如熒光燈。 陰板射線發(fā)光： 由電子束激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光，如CRT。燃燒發(fā)光： 堿金屬和堿土金屬及其鹽類在火中發(fā)出特有的光，又稱焰色反應(yīng)，如鈉離子的黃光。電致發(fā)光：氣體或伴隨氣體放電而發(fā)光，如霓虹燈。加電場(chǎng)于硫化鋅等粉末產(chǎn)生發(fā)光，如場(chǎng)

4、致發(fā)光板。-族半導(dǎo)體P-N結(jié)注入載流子即LED。小分子或聚合物有機(jī)物半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光即OLED。激發(fā)是一個(gè)能量轉(zhuǎn)移過程，發(fā)射光的波長(zhǎng)決定于能量差,第一講 光 視覺 顏色,（1-3）,二 、 光的傳播 光在真空中以3108m/s的速度沿直線傳播。,第一講 光 視覺 顏色,當(dāng)通過某種媒質(zhì)時(shí)，例如玻璃，其傳播速度就會(huì)減少。光在真空中的速度和在媒質(zhì)中的速度的比值就稱為該媒質(zhì)的折射率。（1）光的反射 1）鏡面反射 又稱規(guī)則反射，在光滑的界面上產(chǎn)生的反射。入射光、反射光、法線都在同一平面上，入射角等于反射角。 2）散反射 當(dāng)光線入射到經(jīng)散射處理的鋁板或毛面白漆涂層時(shí)，反射光向各個(gè)不同方向散開，但總的方向

5、是一致的。如圖1-4 3）漫反射 光線從某一個(gè)方面入射到粗糙表面時(shí)，被分散到許多方向，附合朗伯余弦定律,如圖1-5,4）混合反射 當(dāng)光線入射到瓷釉或高光澤漆層上，規(guī)則反射和漫反射兼有，稱其為混合反射。,第一講 光 視覺 顏色,圖1-4 散反射,圖1-5 漫反射,（2）光的折射 1) 折射 如果入射光線處在折射率為n1的媒質(zhì)中，且和法線的夾角是 ，折射光線處在折射率為n2的媒質(zhì)中，且和法線的夾角是 ，則斯涅爾（snall）定律為,第一講 光 視覺 顏色,（1-4）,2）全反射 當(dāng)光線從高折射率媒質(zhì)進(jìn)入到低折射率媒質(zhì)，例如從玻璃到空氣時(shí)，只有當(dāng)入射角 小于臨界角 時(shí)，才會(huì)有折射線（見圖1-6），其

6、臨界角即相應(yīng)于上式中 。例如，對(duì)折射率為1.5的玻璃，其臨界角為 ，如果光的入射角 大于臨界角，那就沒有折射光線，入射光線全被反射了。,第一講 光 視覺 顏色,圖1-6 全反射,（3）光的透射 1）規(guī)則透射 當(dāng)光照到透明材料上時(shí)，透射光符合斯涅爾定律。對(duì)平行材料方向相同，略有偏移，對(duì)非平行線材料如棱鏡，則因折射改變方向。 2）散透射 光線穿過透射材料如磨砂玻璃時(shí)，在透射方向上的發(fā)光強(qiáng)度較大，而其他方向較小，亦稱定向擴(kuò)散透射。如圖1-7 。 3）漫透射 光線照到散射性好的透射材料上時(shí)，如乳白玻璃等，透射光服從朗伯定律，發(fā)光強(qiáng)度按余弦分布，如圖1-8 。 4）混合透射 光線照到透射材料上，其透射特

7、性介于規(guī)則透射與漫透射（或散透射）之間的情況，稱混合透射。,第一講 光 視覺 顏色,第一講 光 視覺 顏色,圖1-7 散透射,圖1-8 漫透射,（4）光的吸收 吸收是由于光能轉(zhuǎn)換成能量的其他形態(tài)時(shí)引起的。如果媒質(zhì)是均勻的，則一定波長(zhǎng)的平行光束穿過時(shí)，光強(qiáng)的損失按指數(shù)衰減：,第一講 光 視覺 顏色,（1-5）,式中，I0為光束的初始光強(qiáng)；I為光束在媒質(zhì)中通過x距離后的光強(qiáng)，a為和波長(zhǎng)有關(guān)的材料吸收率。,1.3 人眼的光譜靈敏度 人眼在可見光范圍內(nèi)的視覺靈敏度是不相同的，如圖1-9，另外，它還隨環(huán)境亮度的改變而變化。圖中右面曲線是明視覺（B10cd/m2）條件下的靈敏度曲線，左面曲線是暗視覺（B1

8、0-3cd/m2）條件下的靈敏度曲線，相對(duì)視見度數(shù)值可查相應(yīng)的表。,第一講 光 視覺 顏色,第一講 光 視覺 顏色,圖1-9 人眼的相對(duì)光譜靈敏度,一、明視覺 在明視覺亮度條件下，最大的視覺響應(yīng)在555nm處，視見度峰值達(dá)6801m/w，于1924年得到國(guó)際公認(rèn)的。在明視覺條件下，正常人的眼睛都能感受到顏色。二、暗視覺 在暗視覺亮度條件下，最大的視覺響應(yīng)在507nm處，藍(lán)移了48nm，且峰值升至1725m/w，達(dá)到2.54倍。在暗視覺條件下，世界是無色的。三、中間視覺 位于明、暗視覺亮度條件之間的都是中間視覺亮度條件，且具有從明到暗峰值不斷升高，而同時(shí)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)的特點(diǎn)。從圖1-9上看則應(yīng)

9、是二條曲線之間的一系列曲線。,第一講 光 視覺 顏色,1.4 光度學(xué)參數(shù) 輻射度學(xué)量是物理量。光度學(xué)的量還與人眼的視見度有關(guān)，所以是生物物理量。二者之間差一個(gè)視見度K值。,第一講 光 視覺 顏色,表1-1 輻射度學(xué)和光度學(xué)參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,2. 視覺 2.1 作為光學(xué)系統(tǒng)的人眼,第一講 光 視覺 顏色,圖1-10 人眼的剖面圖,人眼的工作狀態(tài)像一架照相機(jī)，把倒像投射到視網(wǎng)膜上的透鏡是有彈性的，焦距由睫狀肌控制，起調(diào)節(jié)作用。透鏡的孔徑即瞳孔的大小由虹膜控制，像自動(dòng)照相機(jī)一樣，在低照度下瞳孔變大，而在高照度下，瞳孔孔徑縮小。,第一講 光 視覺 顏色,視網(wǎng)膜 當(dāng)光線通過透鏡會(huì)聚到視網(wǎng)膜背面的感受細(xì)胞時(shí)

10、，視覺過程就開始了，感受細(xì)胞根據(jù)其形狀分成柱狀細(xì)胞和錐形細(xì)胞，見圖1-11.,第一講 光 視覺 顏色,圖1-11 視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu),柱狀細(xì)胞比錐形細(xì)胞的光敏感性更強(qiáng)，所以對(duì)暗視覺起重要作用。錐形細(xì)胞可以分紅、綠、藍(lán)三種不同顏色產(chǎn)生響應(yīng)的種類，因此明視覺條件下能分辨出顏色。,第一講 光 視覺 顏色,2.2 視覺的特征與功能 一、視覺適應(yīng) 人眼對(duì)環(huán)境明暗的適應(yīng)有兩種：一種稱為明適應(yīng)，是指人從黑暗環(huán)境到明亮環(huán)境對(duì)眼睛的視覺適應(yīng)，這一適應(yīng)過程包括瞳孔的縮小和由柱狀細(xì)胞向錐狀細(xì)胞的過渡；另一種是暗適應(yīng)，是指人從明亮環(huán)境到黑暗環(huán)境對(duì)眼睛的視覺適應(yīng)，此過程是由瞳孔的放大和由錐狀細(xì)胞向柱狀細(xì)胞的過渡來完成。如圖1-

11、12所示，明適應(yīng)時(shí)間較短，通常僅10-3至數(shù)秒，2分已完全適應(yīng)；暗適應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，完全適應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20分1小時(shí)，具體由環(huán)境的亮度差異而定。,第一講 光 視覺 顏色,第一講 光 視覺 顏色,圖1-12 視覺適應(yīng),二、視覺閾限 能引起光感覺的最低限度的光量（光通量）稱為是視覺的絕對(duì)閾限。人眼的視覺閾限與空間和時(shí)間因素有關(guān)。對(duì)于范圍不超過1，呈現(xiàn)時(shí)間不超過0.1s的短暫刺激，視覺閾值亮度值遵守里科(Ricco)定律（即亮度面積=常數(shù)）和邦森-羅斯科（Bunsen-Roscoe）定律（即亮度時(shí)間=常數(shù)）。作用時(shí)間超過0.2秒時(shí)，視覺閾限就與時(shí)間無關(guān)了。三、對(duì)比定律 眼睛的辨別能力與亮度反差即對(duì)比度C有

12、密切關(guān)系。 式中，It為光源亮度，Ib為背景亮度。最小視覺對(duì)比在照明工程中十分重要，對(duì)比度太小則無法看清細(xì)節(jié)。一般C的最小值取10.,第一講 光 視覺 顏色,四、眩光 眩光是對(duì)過高亮度的一種感受，常常與過分的對(duì)比相伴在一起。它以兩種不同的效果同時(shí)發(fā)生或分開發(fā)生。即失能眩光和不舒適眩光。 失能眩光是指過亮照明會(huì)使眼睛的視覺反饋系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)失去平衡，還會(huì)使視網(wǎng)膜像的邊緣出現(xiàn)模糊，從而妨礙了對(duì)附近物體的觀察，這些效應(yīng)統(tǒng)稱為失能眩光。如晚上騎自行車，看到迎面而來開起前照燈的汽車，眼前一下看不到任何東西，也叫生理眩光。 不舒服眩光是指眩光源即使不降低觀察者的視覺功能，也會(huì)造成分散注意力的效果或

13、造成心理煩躁，如有的圖書館照度太高，反而不愿意去，這也叫心理眩光。,第一講 光 視覺 顏色,3.顏色 3.1顏色的性質(zhì) 三原色理論認(rèn)為，人眼的視網(wǎng)膜是由三種不同感色物質(zhì)組成的，相應(yīng)的響應(yīng)分別對(duì)應(yīng)于藍(lán)光、綠光和紅光的特定波長(zhǎng)。人們所感覺到的彩色都是這三種感色物質(zhì)不同程度的刺激所合成的。任何顏色的光都是由上述三種原色合成的。 C=XR+YG+ZB (1-7) X、Y、Z 就是某一個(gè)顏色C的3個(gè)分量，采用歸一化的辦法消去其中一個(gè)非獨(dú)立變量而引入2個(gè)新變量。 x=X(X+Y+Z) y=Y(X+Y+Z) (1-8) z=Z(X+Y+Z) x+y+z=1 (1-9) 只要確定x和y、z即可由式(1-9)求

14、得，因此顏色就可按圖1-13所示的二維圖形的某一點(diǎn)來確定，這就是1931年CIE規(guī)定的色度圖，又可稱舌形曲線或馬蹄形曲線。x、y稱色度坐標(biāo)值。,第一講 光 視覺 顏色,第一講 光 視覺 顏色,3.2 國(guó)際照明委員會(huì)色度學(xué)系統(tǒng),圖1-13 CIE（1931）色度圖,第一講 光 視覺 顏色,CIE（1931）色度圖（彩色）,國(guó)際照明委員會(huì)還規(guī)定了三原色標(biāo)準(zhǔn)， ，其光譜分布曲線如圖1-14。各單色的三色視覺值可查表。,第一講 光 視覺 顏色,圖1-14 三原色標(biāo)準(zhǔn)的光譜分布,3.3色度學(xué)及其參數(shù)一、 光譜分布曲線 由光譜分布曲線可得到峰值波長(zhǎng)，光譜輻射帶寬。二、 純度和主波長(zhǎng)可在色度圖上求得。某光的

15、色坐標(biāo)點(diǎn)F，其純度定義為自白點(diǎn)W向F作一直線，與單色光軸相交于G，則F的純度,第一講 光 視覺 顏色,(1-10),F點(diǎn)的純度為75%，相應(yīng)G點(diǎn)純度為100%。定義G點(diǎn)處的波長(zhǎng)為光源F的主波長(zhǎng)D,三、x、y值為色坐標(biāo)，也稱色表四、色溫和相關(guān)色溫 光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí)，稱黑體的溫度Tc為光源的色溫，用絕對(duì)溫度K表示。當(dāng)相近時(shí)，黑體溫度就稱為該光源的相關(guān)溫度。圖1-15中的黑線即黑體（又稱完全輻射）軌跡線，與軌跡線垂直的等溫線上都具有相同的相關(guān)色溫，如圖1-15.,第一講 光 視覺 顏色,第一講 光 視覺 顏色,圖1-15 有完全輻射體色度軌跡、等溫線和晝光照明體色度軌跡的國(guó)際照明委員會(huì)（u，v）色度圖,五、顯色指數(shù) 表明光源發(fā)射的光對(duì)被照射物顏色正確反應(yīng)的量，稱為顯色指數(shù)。以Ra表示，它是光源對(duì)8個(gè)色樣顯色指數(shù)的算術(shù)平均值 （1-11） Ri是光源對(duì)8個(gè)色樣中任何一種的顯色指數(shù)，由下式計(jì)算得到 （1-12） 式中Ei為色樣在被側(cè)光源與參照光源下該樣品的色差。,第一講 光 視覺 顏色,思考題：1. 何謂明視覺、暗視覺、中間視覺？2. 什么叫全反射，如何引起的？3. 用CIE(1931)色度解釋：色純度、主波長(zhǎng)、色溫。4. 眩光產(chǎn)生的原因是什么?有哪二種？,第一講 光 視覺 顏色,