光与视觉发布.pdf

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1、光光与视觉与视觉 章道波 CIES IESNA IDA 2011.06.18 2 光与视觉光与视觉 目录 1、光及其度量 2、人眼的视觉 3、色度学基础 4、视觉不舒适 5、非视觉效应 3 光与视觉光与视觉 什么是照明 照明为了达到功能或美感目的而对光进行刻 意的运用。照明可以提供人们足够的照度， 提供良好的识别，强调对象的特征，创造舒 适的光环境，营造特殊的氛围等，以及达到 生化、医疗、植物栽培等其他特殊目的。采 用LED作为光源的称为半导体照明。 4 光与视觉光与视觉 照明分类 通用照明 General Lighting：视觉目的，光 为对象 功能照明 Task Lighting 氛围照明

2、 Ambient Lighting 重点照明 Accent Lighting 装饰照明 Decorative Lighting：视觉目的， 灯为对象 特种照明：非视觉目的 光及其度量光及其度量 光与辐射 光的传播 光度量及其单位 一 光与辐射光与辐射 光的本质 辐射度量 1 7 光与视觉光与视觉 8 光与视觉光与视觉 自然光 太阳光：太阳光：大气层外能量密度1350W/m2，到 达海平面75%，色温6500K，表面亮度1600 Mcd/m2，地面照度100klx10klx 天光：天光：大气散射光，散射粒子大小决定光色： 蓝天、白云、黄昏 月光：月光：色温4100K，表面亮度2500cd/m2，

3、 地面照度0.1lx 闪电闪电 9 光与视觉光与视觉 光的本质 波粒二重性 10 光与视觉光与视觉 电磁辐射能谱 11 光与视觉光与视觉 常见光谱 波长区域(nm)区域名称 100280UV-C（远紫外） 280315UV-B（中紫外） 315380UV-A（近紫外） 380435紫光 435500蓝、青光 500566绿光 566600黄光 600630橙光 630780红光 7801400IR-A（近红外） 14003000IR-B（中红外） 30001000000IR-C（远红外） 12 光与视觉光与视觉 可见光光谱 可见光谱380nm-780nm 13 光与视觉光与视觉 辐射的度量参数

4、 条目符号单位单位含义定义 辐射能量QeJ焦耳 以辐射形式发射、传播或接受的 能量 辐射通量eW瓦特,焦耳每秒单位时间内所辐射的总能量 辐射强度 Ie W sr1瓦特每立体角 在给定方向单位立体角内所包含 的辐射通量 辐射出度MeW m2瓦特每平方米单位面积上所发射的辐射通量 辐射照度EeW m2瓦特每平方米单位面积上所接受的辐射通量 辐射亮度LeW sr1 m2 瓦特每立体角 每平方米 单位投影面积上在给定方向的单 位立体角内的辐射通量 光的传播光的传播 几何光学定律 光在介质中的传播 2 15 光与视觉光与视觉 光“线”； 直线传播； 反射定律； 折射定律； 几何光学定律 16 光与视觉光

5、与视觉 反射： 1、同一个平面 2、反射角等于入射 角 反射定律 17 光与视觉光与视觉 折射 折射定律 2, 1 2 1 sin sin n 18 光与视觉光与视觉 光从光速大的介质进 入光速小的介质中时， 折射角小于入射角； 从光速小的介质进入 光速大的介质中时， 折射角大于入射角 折射定律 19 光与视觉光与视觉 反射 透射 光在介质中的传播 20 光与视觉光与视觉 镜面反射 21 光与视觉光与视觉 回射： 反射方向与反射方向 成180角 镜面反射 22 光与视觉光与视觉 回射的物体 镜面反射 23 光与视觉光与视觉 漫反射： 漫反射 24 光与视觉光与视觉 成像与非成像 透射 25 光

6、与视觉光与视觉 折射 折射 26 光与视觉光与视觉 重叠和干涉 27 光与视觉光与视觉 散射 光度量及其单位光度量及其单位 光通量 光强度 光出射度 光照度 光亮度 3 29 光与视觉光与视觉 光度学 能量与人眼的结合： 1、光度参数与辐射能量参数一一对应； 2、强调人的视觉感受； 为了区别，参数下标为V 30 光与视觉光与视觉 光度的度量参数 条目条目符符 号号 单位单位单位含义单位含义备注备注 光能量Qvlm s流明秒有时称塔尔伯特 光通量vlm(cd sr)流明也称光功率 光强度Ivcd(lm/sr)坎德拉 在给定方向单位立体角内所包含 的辐射通量 光出射度Mvlx(lm/m2)勒克斯单

7、位面积上所发射的光通量 光照度Evlx(lm/m2)勒克斯单位面积上所接受的光通量 光亮度Lvcd/m2坎德拉每平方米 单位投影面积上在给定方向的单 位立体角内的光通量 31 光与视觉光与视觉 光通量 光源在单位时间内发 出的光的总量，明确 定义为能够被人眼视 觉系统所感受到的那 部分辐射功率的大小 的量度 lm，流明 32 光与视觉光与视觉 光线由输入孔入射后， 光线在球内部被均匀 的反射及漫射，在球 面上形成均匀的光强 分布，因此输出孔所 得到的光线为非常均 匀的漫射光束。输出 强度与输入强度比大 约约为：光输出孔面 积/积分球内部的表面 积。 积分球 33 光与视觉光与视觉 光强 光强表

8、示一定方向上 光通量的多少 I cd，坎德拉 34 光与视觉光与视觉 分布光度计 35 光与视觉光与视觉 配光曲线 36 光与视觉光与视觉 配光曲线 37 光与视觉光与视觉 配光曲线 38 光与视觉光与视觉 配光曲线 39 光与视觉光与视觉 照度 照度表示一定面积上 接受光通量的多少 E lm/m2，lx 水平照度Eh 垂直照度Ev 出射度与光照度关系 40 光与视觉光与视觉 照度的类型 水平照度 垂直照度柱面照度半柱面照度球面照度 41 光与视觉光与视觉 照度计 42 光与视觉光与视觉 亮度 亮度表示被照面或发 光面的被人眼感知到 的明亮程度 L cd/m2 完全漫射时， L=E/ 43 光

9、与视觉光与视觉 亮度计 60m100m 1.5m 人眼的视觉人眼的视觉 视觉的生理基础 视觉特性 视觉功效 二 视觉的生理基础视觉的生理基础 眼睛 视网膜 感光细胞 1 46 光与视觉光与视觉 眼睛 两大功能： 感光 信号处理 47 光与视觉光与视觉 48 光与视觉光与视觉 眼睛最重要的部件； 视网膜 49 光与视觉光与视觉 视杆细胞： 灵敏度高 无色 视锥细胞： 灵敏度低 三色感知 第三种细胞 感光细胞 50 光与视觉光与视觉 三色感知 明视觉 锥细胞 红敏素 绿敏素 蓝敏素 400 500 600 700 0 -1 -2 -3 相 对 敏 感 系 数 （ 对 数 ） 波长(nm) 51 光

10、与视觉光与视觉 杆细胞和锥细胞的区别 杆细胞锥细胞 适用于暗视觉适用于明视觉 感光度高，可感知散射光感光度不太高，仅可感知直接光 缺少导致夜盲症缺少致盲、色盲 分辨率低分辨率高 中央凹区没有分布集中在中央凹区 对光响应慢响应快 较多色素，可检测弱光较少色素，续较强光才可看见 数量是锥细胞的20倍 单色感知三色感知 没有色彩感知色彩敏感 视觉特性视觉特性 光谱光视效率函数 明视觉暗视觉中间视觉 视觉适应 视后像 立体视觉 2 53 光与视觉光与视觉 光谱光视效率函数 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 360 370 38

11、0 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800 明视觉效率 暗视觉效率 54 光与视觉光与视觉 视觉段 3cd/m20.001cd/m2 明视觉中间视觉暗视觉 55 光与视觉光与视觉 明视觉、暗视觉和中间视觉 特征明视觉暗视觉 感觉细胞视锥细胞视杆细胞 光化学物质锥体色素视紫红质 色觉正常的三色无色 所在视

12、网膜区域中心外围 暗适应速度快（8分钟或更少）慢（30分钟或更多） 空间分辨能力高低 时间辨别反应快反应慢 照明水平昼光（3cd/m2）夜光(0.001cd/m2) 空间总合小大 光谱灵敏峰值555nm507nm 56 光与视觉光与视觉 视觉适应 瞳孔变化：收缩0.3S，放大1.5S。能够适应 1.2个对数级别的亮度变化。3-8mm 神经适应：快于0.2S，能够适应600cd/m2以 下2-3个对数级别的亮度变化。 光化学适应：超过上述幅度的亮度变化会启 动光化学机制。如果幅度在锥细胞范围内， 需要几分钟，如果延伸到杆细胞，则需要几 十分钟。明适应比暗适应要快得多。 57 光与视觉光与视觉 暗

13、适应曲线 0 5 10 15 20 25 30 8 7 6 5 4 3 2 对 数 表 示 的 亮 度 敏 感 度 阀 值 ( 皮 郎 伯 ) 处于黑暗中的时间(分钟) 锥细胞 杆细胞 1皮郎伯=3.2*10-9cd/m2 58 光与视觉光与视觉 视后像 视觉残留 59 光与视觉光与视觉 立体视觉 60 光与视觉光与视觉 立体视觉 61 光与视觉光与视觉 立体视觉 62 光与视觉光与视觉 立体视觉 63 光与视觉光与视觉 立体视觉 视觉功效视觉功效 视锐度 视觉阈值 对比敏感度 相对视度 视野和视场 3 65 光与视觉光与视觉 视力，锥细胞，视网 膜物象角度 环境亮度S、背景亮 度B与视锐度之

14、间的 函数关系 视锐度 66 光与视觉光与视觉 视觉阈值 能引起光感觉的的最低限度的光量称为视觉 的绝对阈值。 视觉阈值和目标的时间及空间特性有关。对 于视角不超过1呈现时间不超过01s的暂短刺 激，视觉阈限亮度值遵守里科定律（即亮度 面积=常数）和邦森罗斯科定律（即亮度 时间=常数）。作用时间超过02秒时，视觉 阈限与时间无关。 67 光与视觉光与视觉 对比敏感度 0b bb LLL C LL 0 C V C 68 光与视觉光与视觉 相对视度 max lg lg R V v V 69 光与视觉光与视觉 视野和视场 视野：当观察者观察正前方时，其头和眼睛 都保持不动，观察所能察觉到的空间范围称

15、 为视野。视野分为单眼视野和双眼视眼。 视场：当观察者的头部不动，而眼睛可以转 动时，观察者所能察觉到的空间范围。视场 也有单眼视场和双眼视场。 70 光与视觉光与视觉 影响视觉的四个要素 物体的亮度亮度 71 光与视觉光与视觉 影响视觉的四个要素 物体与环境的(亮度色彩)对比度对比度 72 光与视觉光与视觉 影响视觉的四个要素 物体的尺寸尺寸 作用于视网膜的几何 角度。1米外0.3mm 间隙构成的角度是1秒 视力为1 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E

16、E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E 73 光与视觉光与视觉 影响视觉的四个要素 作用于眼睛的时间时间 色度学基础色度学基础 颜色的特性 表色系统 光源的颜色参数 三 颜色的特性颜色的特性 1 76 光与视觉光与视觉 颜色分类 无彩色：对光谱各波长的反射没有选择性； 彩色：对光谱各波长的反射具有选择性； 77 光与视觉光与视觉 彩色的属性 色调：光源的色调取决于光谱构成，而物体 的色调取决于其对光线的选择性反射。 明度：明暗感觉。 彩度：色彩的纯洁度、饱和度。光谱越窄， 彩度越高。 表色系统表色系统 孟塞尔 CIE 2 79 光与视觉光与视觉

17、HVC系统 色调、明度、彩度 色相、明度、饱和度 色调：五色Red, Yellow, Green, Blue, and Purple，之间半调， 再分10级 孟塞尔 80 光与视觉光与视觉 新标孟塞尔表色系统 81 光与视觉光与视觉 CrR+gG+bB 式中， R=700.0nm G=546.1nm B=435.8nm rgb分别表示比例 匹配而非相等 1931 CIE-RGB 82 光与视觉光与视觉 5.6508 基色量： (R)=1lm (G)=4.5907lm (B)=0.0601lm 1931 CIE-RGB :1:4.5907:0.0601 RGB ( )( )( )R RG GB

18、B 83 光与视觉光与视觉 XYZ虚拟颜色 基于x+y+z=1，立体 空间简化为平面坐标 标准观察者三刺激值 1931CIE-XYZ系统 84 光与视觉光与视觉 CIE 1931XY色度图 颜色宽容量非线性 1931CIE-XYZ系统 85 光与视觉光与视觉 克服了1931的宽容量 不均匀问题 缺少明度 CIE1960均匀颜色空间 86 光与视觉光与视觉 CIE1976 均匀颜色空间 光色参数光色参数 色温和相关色温 显色性 3 88 光与视觉光与视觉 色温和相关色温 89 光与视觉光与视觉 黑体 90 光与视觉光与视觉 光源所发出光的颜色 与黑体在某一温度下 辐射的颜色相同时， 黑体的温度就

19、称为该 光源的颜色温度，简 称色温（CT），单位 是开尔文（K） 色温 91 光与视觉光与视觉 普朗克黑体轨迹 92 光与视觉光与视觉 某些光源发射的光的 颜色无法与黑体辐射 的颜色等同，无法描 述。为了方便，通常 选用与其光颜色最为 接近的黑体的温度为 该光源的相关色温 （CCT） 相关色温 93 光与视觉光与视觉 光谱决定光源还原物 体色彩的能力 用显色指数CRI表示 14种TCS对应Ri 前8种的算术平均值 称为一般显色指数Ra 显色性 94 光与视觉光与视觉 显色性测试 95 光与视觉光与视觉 显色性测试 绿 光 红 光 黄 光 高 色 温 中 色 温 低 色 温 视觉不舒适视觉不舒适

20、 四 99 光与视觉光与视觉 视觉不舒适-眩光 过量、过亮 100 光与视觉光与视觉 视觉不舒适-频闪 灯具：光源或电器 系统：场景中灯具之间的相互作用 辉度：明暗或亮灭 光色：色彩跳跃 102 光与视觉光与视觉 视觉不舒适-光幕 降低对比度 103 光与视觉光与视觉 视觉不舒适-阴影 对比度过高 光的非视觉效应光的非视觉效应 人和动物 微生物 昆虫 家禽 植物 五 105 光与视觉光与视觉 对人和动物的影响 对眼睛的影响 对皮肤的影响 对维生素D和钙代谢的影响：紫外线的影响是 正面的； 对生物节律的影响：时间、空间 光疗：紫外或红外 106 光与视觉光与视觉 对眼睛的负面影响 紫外：100-

21、380nm，见下页 可见光和近红外：380-1400nm，水晶体近红 外白内障；视网膜热损伤、休克、视网膜炎 红外：1400nm-1mm，灼伤 107 光与视觉光与视觉 紫外100-380nm的影响 虹膜 水晶体 视网膜 液体 角膜 吸收比例波长 玻璃液 角膜硬化； 水晶体白内障、染色、硬结； 视网膜变化 108 光与视觉光与视觉 不同年龄水晶体的透视效果 个体差异 色温差 亮度差 109 光与视觉光与视觉 人类、灵长类和兔子的比较 动物与人类的不同是 我们需要关注的问题 110 光与视觉光与视觉 对皮肤的负面影响 皮肤色素越深受紫外 线影响越严重； 波长越短对皮肤的影 响越严重； 长期在石英

22、灯下照射 增加皮肤癌几率； 没有足够证据表明荧 光灯会导致恶性肿瘤 111 光与视觉光与视觉 美国的结论 200-400nm导致光角膜炎和结膜炎以及皮肤 红斑； 320-400nm长时间照射会导致紫外白内障； 限制使用； 400-500nm高强度辐射对视网膜有害； 400-1400nm高强度辐射导致视网膜升温； 770-3000nm长时间照射导致红外白内障； 112 光与视觉光与视觉 对微生物的影响 紫外线杀菌效能：265nm是中心，效能为1； 杀菌灯的95%能量集中在253.7nm。为了增 加这个波段的能量，有些产品在185nm增加 输出，造成剧毒的臭氧。 113 光与视觉光与视觉 应用 空

23、气消毒；液体消毒；室内保洁； 114 光与视觉光与视觉 对昆虫的影响 昆虫并非都是趋光的。日生型、夜生型。 大部分昆虫趋光频段：UV-A（315-400nm） 有些昆虫喜欢可见光和红外。 高压钠灯比汞灯对昆虫的吸引力少了2/3。 注意遮光 115 光与视觉光与视觉 诱虫灯 有30-60米的作用范围 每平方公里一只诱虫灯可以显著降低天蛾幼 虫数量 116 光与视觉光与视觉 对家禽的影响 产蛋：最短12小时， 14小时最好，超过17 小时反而不好。664- 740nm最佳，最低照 度10lx 孵化、成长 117 光与视觉光与视觉 对植物的影响 a光合作用 b短波吸收光谱 c光敏色素长波诱导 d光敏色素长波诱导 e人的视觉 作用机制不同于人 118 光与视觉光与视觉 植物生长灯 580-700nm最有效 光谱尽量接近叶绿素 的吸收频谱