第二章 光与色

1. 第二章 光与色

2. 主要内容 • 光与光源 • 颜色的形成 • 光度学基础 • 物体的光谱特性

3. 2.1 光与光源 2.1.1 光的本质 只有在光的照射下，人们才能感知物体的形态与颜色，没有光就没有颜色，光是人们感知色彩的必要条件，色来源与光。简言之，光是色的源泉，色是光的表现。

4. 2.1.1 光的本质 可见光：波长380nm到780nm（1nm＝10-9m）的电磁波。

5. 色散实验 色散现象说明：白光实际是由各种色光组成的，这些色光不是由棱镜创造出来的，棱镜仅仅是把原已经存在着的各种色光加以分解而已。

6. 单色光 单色光：波长只有一个 在物质中传播的速度随波长的不同而不同，波长越短，偏折程度越大，波长越长，偏折程度越小。

7. 复色光 复色光：由多种单色光混合而成的光

8. 2.1.2 光源 物体：发光体(光源)、不发光体 光源：自然光源与人工光源 印刷行业常用光源： 车间照明用光源－日光灯、白炽灯 制版光源－金属卤化物灯、镝灯

9. (1) 光源的相对光谱功率分布 分光辐射度计原理图

10. 光谱密度 光谱密度：在以波长λ为中心的微小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之比。 光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小。通常光源中不同波长色光的辐射能是随波长的变化而变化的，因此，光谱密度是波长的函数。光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布。

11. 光源的相对光谱功率分布 光源的相对光谱功率分布，决定了光源的颜色特性。也就是说，光源的颜色特性，取决于在发出的光线中，不同波长上的相对能量比例，而与光谱密度的绝对值无关。绝对值的大小只反映光的强弱，不会引起光源颜色的变化。

12. 典型光源的相对光谱功率分布

13. (2) 照明体概念 • 在GB/T 3978-2008（标准照明体和照明观测条件）中的定义。 • 照明体是指“在影响物体颜色视觉的整个波长范围内所定义的相对光谱功率分布”； • 色度学标准照明体是“由CIE用相对光谱功率分布所定义的照明体A、C、D65其它照明体D。由相对光谱功率分布定义的照明体可以不必由光的物理发射体――光源来准确地提供和实现。”； • 色度学标准光源是“由CIE规定的人工光源，它们的辐射近似色度学标准照明体”。

14. 光源 • 照明体A：应为完全辐射体在绝对温度2856K（根据1990年国际实用温标）时发出的光。照明体A的相对光谱功率分布根据普朗克辐射定律计算。 • 照明体C：代表相关色温大约为6774K的平均日光，光色近似阴天天空的昼光； • 照明体D50、D55、D65、D75：代表相关色温分别为5003K、5503K、6504K和7504K时相状态的昼光（X0=95.05，Y0=100.00，Z0=108.91）；

15. CIE规定了四种标准照明体的色温标准： 标准照明体A：代表完全辐射体在2856K发出的光，钨丝灯光，其光色偏黄 标准照明体B：代表相关色温约为4874K的直射阳光，表示中午平均直射阳光 标准照明体C：代表相关色温大约为6774K的平均日光标准照明体D65：代表相关色温大约为6504K的日光 标准照明体D：代表标准照明体D65以外的其它日光

17. 彩色物体 光源 眼睛 2.2 颜色的形成 大脑 颜色感觉形成的四要素：光源、颜色物体、人眼、大脑

18. 颜色的定义 中国国家标准（GB/T 5698--2001）：“光—光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性”

19. 2.3 光度学基础 2.3.1 光度量的定义及其单位 • 光度学 • 光能量 • 光通量 • 发光强度 • 光通量密度 • 亮度

20. 光度量（photometric quantity） • 由光度学得到的规格化的明亮度量 • 都是用对应的辐射量乘以光视效能得到 • 光度量是由视觉心理来评价物理量时得到的量，称为心理物理量（psychophysical quantity）

21. 光能量(luminous energy)Q • 光通量与照射时间的乘积，单位流明秒(lumen second)，符号lm·s

22. 四个单位的图示:

23. 由光源向各个方向射出的光功率，也即每一单位时间射出的光能量，以Φ表示，单位为流明(lumen ) ，符号 lm。 光通量(luminous flux) Φ 光通量是用光视效能评价辐通量得到的量，即能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的大小的量度

24. 一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。

25. 常见电光源的发光效率，是指1W的电功率能转化成多少光通量。常见电光源的发光效率，是指1W的电功率能转化成多少光通量。 • 常见光源的大致效率（流明/瓦） • 白炽灯，15 • 日光灯，50 • 钠灯，120

26. 光强度(luminous intensity)是光源在指定方向单位立体角内包含的光通量，以I表示，单位为坎德拉(candela，简称cd)。1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量。 立体角Ω(sr) 光通量Φ(lm) 发光强度I

27. 立体角Ω：单位球面度(steradian)，符号sr，规定在半径r的球面上面积为r2的面元对球心的张角为1sr。立体角Ω：单位球面度(steradian)，符号sr，规定在半径r的球面上面积为r2的面元对球心的张角为1sr。 • 因为球面的面积为4πr2，所以整个球面的立体角为4π sr。

29. 光源总的光通量为： 如果光源的I(φ,θ)在各个方向上相同，则：

30. 常见光源发光强度（cd）： • 太阳，2.8E27 • 高亮手电，10000 • 实际光源或灯具各方向的发光强度不同。为了描述其发光的空间分布特性，需要用发光强度分布曲线（又叫配光曲线）来表示。它是照明计算和设计的一个重要依据。

31. 钨丝灯发光强度曲线 3000瓦超高压短弧氙灯发光强度曲线

32. 光通量（面）密度( luminous flux [surface] density)：光源面上一点处单位面积上的光通量为该光源在这点处的光通量密度。 照度 光出射度 光通量（面）密度

33. 照度(illuminance)：在接收面上的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dΦ与该面元的面积dS之比，即照度(illuminance)：在接收面上的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dΦ与该面元的面积dS之比，即 照度 单位勒克斯(lux)，符号lx。当1lm的光通量均匀地照射在1m2的面积上时，这个面上的照度就是1 lx，即1 lx=1 lm/m2

34. 常见照度 • 阳光直射（正午）下：110,000 • 阴天室外：1000 • 商场内：500 • 普通房间灯光下：100 • 满月照射下：0.2 • 烛光（20cm远处）：10～15 • 距60W台灯60cm桌面：300； • 黄昏室内：10 • 夜间路灯：0.1

35. 一些实际情况下的光照度的近似值（lx）

36. 光出射度(luminous exitance) M：离开光源表面一点处的面元的光通量dΦ与该面元的面积dS之比，即 光出射度 单位流明每平方米(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。

37. 照度E和光出射度M的表达式完全相同，但含义不同。照度E和光出射度M的表达式完全相同，但含义不同。 • E描述的是光接受面的光度特性 • M描述面光源向外发出光辐射的特性

38. 亮度描述了光源在单位面积上的发光强度，单位是坎德拉每平方米(cd/m2)亮度描述了光源在单位面积上的发光强度，单位是坎德拉每平方米(cd/m2) 1.6 亮度(luminance) L

39. 一些实际光源的光亮度近似值（cd/m2)

40. B A

41. The image on the left shows a light projecting onto a light colored wall, and the image on the right shows the same light projecting onto a dark colored wall. In both cases, the measured illuminance on the wall is the same, since the same amount of light is landing on the surface. However, the wall in the image on the left has a higher luminance value than the wall in the image on the right since the measured brightness is higher.

43. 2.3.2 光度学基本定律 (1) 朗伯余弦定律

44. (1) 朗伯余弦定律 • 朗伯余弦定律描述了辐射源向半球空间内的辐射亮度沿高低角变化的规律，即理想反射体单位表面积向空间某方向单位立体角反射（发射）的辐射亮度与表面法线夹角的余弦成正比。漫反射体的辐射亮度分布遵从朗伯余弦定律，自身发射的黑体辐射源也遵从朗伯余弦定律，凡辐射亮度遵从朗伯余弦定律的辐射源称为朗伯辐射源。

45. (2) 光传播定律 光传播律示意图

47. 2.4 物体的光谱特性 Φi Φρ Φ τ

48. (1) 透射

49. (2) 反射

50. 黄、红、绿、蓝等典型的光谱反射曲线