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筑筑光学根基学问

发布日期: 2019-07-23

  第七章 建建光学根基学问 第一节 眼睛取视觉 1、境:它指的是由光(照度程度和分布,照明的形式和颜色)取 颜色(色调,色饱和度,室内颜色分布,颜色)正在室内成立的同 房间外形相关的心理和心理。 2、光是以电磁波形式的辐射能。波长正在 380nm 至 780nm:为可 见光。 波长短于 380nm: 紫外线、 射线、 x γ射线nm: 红外线、视网膜上布满了感光细胞:锥状、杆状感光细胞。正在地方窝处几 乎没有杆状细胞,自地方窝向外,其密度敏捷添加,正在离地方窝 20 附近密度达到最大,然后又逐步削减。 杆状细胞:对于光很是,可是不克不及分辩颜色。正在眼睛可以或许感光的 亮度阈限(约为 10-6cd/m2)到 0.03cd/m2 摆布的亮度程度,次要是 杆做细胞起感化,称为暗视觉。正在暗视觉前提下,景物看起来老是模 糊不清、灰茫茫一片。 锥状细胞:对于光不甚,正在亮度高于 3cd/m2 的程度时,锥状细胞 才充实阐扬感化,这时称为明视觉。锥状细胞有辨认细节和分辩颜色 的能力,这种能力随亮度增高而达到最大。所有的室内照明,都是按 明视觉前提设想的。 当顺应亮度处正在 0.03~3cd/m2 之间时, 眼睛处于明视觉和暗视觉 的两头形态,称为两头视觉。一般道照明的亮度程度,相当于两头 视觉的前提。 4、视觉构成的过程:a 光源发出光辐射;b 景物正在光映照下发生 颜色、明暗和形体的差别,相当于构成二次光源;c 二次光源发出不 同强度、颜色的光信号进入人眼瞳孔,借帮眼球调视,正在视网膜上成 象;d 视网膜上接管的光刺激(即物象)变为脉冲信号,经视神经传 给大脑,通过大脑的注释、阐发、判断而发生视觉。 5、视野:当头和眼睛不动时,人眼能察觉到的空间范畴。 单眼视野正在垂曲标的目的的角度约 130°,程度标的目的约 180°;双眼视野较 小一些,约占总视野中 120°的范畴。 视线°内的物体能正在视网膜核心凹成象,清晰度最高,这 部门叫核心视野;方针偏离核心视野以外旁不雅时,叫四周视野。视线°的视觉,清晰度也比力好。 6、单一波长的光呈现一种颜色,称为单色光。 7、 人眼对分歧波长单色光的视亮度感触感染性分歧。 正在亮光的中 (适 应亮度3cd/m2) ,辐射功率相等的单色光看起来以波长 555 nm 的黄 绿光最敞亮,而且敞亮程度向波长短的紫光和长波的标的目的递减。 8、国际照明委员会将视亮度感受相等的波长为 λm 和 λ 两个辐通量 之比,定义为波长 λ 的单色光的光谱光视效率(也称视见函数) ,以 V(λ)暗示。 λm 选正在最大比值等于 1 处,即 λ=555 时,V(λ)=l, 其他波长 V(λ)均小于 1。这就是明视觉光谱光视效率。正在较暗的环 境中(顺应亮度<0.03cd/m2 时) ,人的视亮度感触感染性发生变化,以 λ =507nm 的蓝绿光最为。按照这种特定境前提确定的 V(λ) 函数称为暗视觉光谱光视效率。 第二节 根基光度单元及使用 一、光通量:按照国际商定的人眼视觉特征评价的辐射能通量(辐射 功率) 。按照这必然义,光通量能够由辐射通量及 V(λ)函数导出: Φ=Km∫Φe,λV(λ)dλ lm 式中:V(λ) :CIE 尺度光度不雅测者明视觉光谱光视效率;Φ :光通 量,lm;Φe,λ:波长为 λ 的单色辐射能通量,W;Km ——最大光谱光 视效能,lm/W。 1、光视效能 K 是描述光和辐射之间关系的量,它是取单元辐射通量 相当的光通量(K=Φv/ Φe ) 。可是,K 值是随光的波长而变化的, K(λ)的最大值正在 Km=555nm 处。Km=683 lm/W。 2、光通量的单元是流明,lm,导出单元。1 流明是发光强度为 1 坎 德拉的平均点光源正在 1 球面度立体角内发出的光通量。 3、正在照明工程中,常用光通量暗示一光源发出光能的几多,它是光 源的一个根基参数。 二、光照强度:点光源正在给定标的目的的发光强度,是光源正在这一标的目的上 立体角元内发射的光通量取该立体角元之商。符号为 I。 I=dΦ/d? 单元 cd ?=S/r2 若是正在无限立体角 ? 对内的光通量 Φ 是平均分布的,上式可写 成:I=Φ/? 1、发光强度的单元是坎德拉,符号 cd。正在数量上 1 坎德拉等于 1 流 明每球面度(1cd=1lm/Sr)。坎德拉根基单元,定义为:一个光源发 出频次为 540 ×1012Hz 的单色辐射,若正在必然标的目的上的辐射强度为 1/683W/Sr,则光源正在该标的目的上的发光强度为 lcd。 2、发光强度常用于申明光源和照具发出的光通量正在空间各标的目的 或正在选定标的目的上的分布密度。 三、照度:照度是受照平面上接管的光通量的面密度,符号为 E。若 映照到概况一点面元上的光通量为 dΦ,该面元的面积为 dA,则 E=dΦ/ dA 当光通量平均别离正在被照概况 A 上时,则此被照面的 照度为:E=Φ/A 1、照度的单元是勒克斯,符号 lx。1 勒克斯等于 1 流明的光通量均 匀分布正在 1 平方米概况上所发生的照度,即 1lx=1lm/m2 2、照度能够间接相加。 3、发光强度和照度的关系:一个点光源正在被照面上构成的照度,可 以从发光强度和照度这两个根基量之间的关系求出。 设光源 O 正在这三 个概况标的目的的发光强度不变,即单元立体角的光通量不变,则落正在这 三个概况的光通量不异,因为它们的面积分歧,故落正在其上的光通量 密度也分歧,即照度是随它们的面积而变,由此可推出发光强度和照 度的一般关系。因为概况的照度为 E=Φ/A 。而 Φ=I?(此中 ?= A/r2),将其代入,则得:E=I/r2,表白某概况的照度取点光源正在这方 向的发光强度成反比,取它至光源距离的平方成反比。这就是计较点 光源发生照度的根基公式,称为距离平方反比定律。以上所讲的是指 光线垂曲入射到被照概况,即入射角α为 0 的环境。当入射角α不等 于 0。这时,概况 A1 的法线取入射光线/ cosα, 而 A1 和 A2 所接管的光通量不异,它们正在点光源处构成的立体角相 同,则可改写为:E=Icosα/r2,这就是表述点光源正在任何概况上形 成的照度遍及公式。 四、亮度:一单位概况正在某一标的目的上的光强密度。它等于该标的目的上的 发光强度取此面元正在这个标的目的上的投影面积之商,以符号 L 暗示。 Lθ =dIθ/dAcosθ cd/m2 1、亮光度常常是各标的目的分歧,所以正在谈到一点或一个无限概况的光 亮度时需要指明标的目的。 2、l 尼特(nt)=lcd/m2;l 阿熙提(asb)=1/π cd/m2; 1 熙提(sb)=104 cd/m2;l 朗伯( L)=104/ π cd/m2; l 英尺朗伯(fL)=3.426 cd/m2 3、亮度取照度关系:E=Lα?cosθ 第三节 材料的光学性质 1、光正在过程中碰到新的介质时,会发生反射、透射取接收现象。 一部门光通量被介质概况反射 Φρ,一部门透过介质 Φτ。余下的一 部门则被介质接收 Φα,按照能量守恒定律,入射光通量(Φi)应 等于上述三部门光通量之和: Φi=Φρ+Φτ+Φα 2、将反射光通量取入射光通量之商,定义为反射比(反射系数) ,以 ρ 暗示: ρ= Φρ / Φi ;透射光通量取入射光通量之商,定义为透 射比(透射系数) ,以τ暗示:τ= Φτ / Φi;被接收的光通量取 入射光通量之商, 定义为接收比 (接收系数) 以 α 暗示: , α=Φα/ Φi ρ+τ+α=1 3、反射:辐射由一个概况前往,构成辐射的单色分量的频次没有变 化。 4、法则反射也叫镜面反射,其特征是光线颠末反射之后仍按必然的 标的目的,立体角没有变化。法则反射的纪律为:入射光线取反射光 线以及反射概况的法线同处于一个平面内; 入射光取反射光分家法线 两侧,入射角等于反射角。 5、定向扩散反射:扩散反射保留了法则反射的某些特征,即正在发生 法则反射的标的目的上,反射光最强,可是反射光束被“扩散”到较宽的 范畴。 6、漫反射:特点是反射光的分布取入射光标的目的无关,正在宏不雅上没有 法则反射,反射光犯警则地分布正在所无方向上。若反射光的光强分布 取入射光的标的目的无关, 并且正好是切于入射光线取反射概况交点的一 个圆球,这种漫反射称为平均漫反射。其反射光的最大发光强度正在垂 曲于概况的法线标的目的,其余标的目的的光强同最大光强有以下关系: Iθ=Io·cosθ cd(Iθ---反射光取概况法线夹角为 标的目的的光强, cd; Io---反射光正在反射概况法线标的目的的最大光强,cd) 7、夹杂反射:大都的材料概况兼有法则反射和漫反射的特征。 8、透射:光线通过介质,构成光线的单色分量频次不变。 9、材料透射光的分布型式也可分为法则透射、定向扩散透射、漫透 射和夹杂透射四种。通明材料属于法则透射,正在入射光的背侧,光源 取物象清晰可见。磨砂玻璃为典型的定向扩散透射,正在背光的一侧仅 能看见光源恍惚的记忆。乳白玻璃具有平均漫透射的特征,整个透光 面亮度平均,完全看不见背侧的光源和物象,正在通明玻璃上平均地喷 一层薄的白漆,其透光机能则近于夹杂透射。 10、折射:光正在通明介质中,当从密度小的介质进入密度大的介 质时,光速减慢;反之,光速加速。因为光速的变化而形成光线标的目的 的改变,这就是折射。纪律:入射线、折射线取分界面的法线同处于 一个平面内, 且分家于法线的两侧; 入射角正弦和折射角正弦的比值, 对确定的两种介质来说,是一个。 11、色散:当一束白光通过折射棱镜时,因为构成白光的单色光频次 分歧,则因折射而分手成各类颜色。 第四节 视度及其影响要素 视度: 旁不雅物体的断根程度。 影响要素: 亮度阈限; 物体的相对尺寸; 对比;识别时间;避免眩光。 1、 零度阈限: 对于正在眼中长时间呈现的风雅针, 视觉阈限亮度为 10-6cd /m2。正在呈现时间少于 0.1 秒,视角不跨越 1°的前提下,其视觉阈 限值恪守里科定律,即亮度×面积=。视觉能够的亮度上限 约为 106cd/m2 2、物件的相对尺寸:凭仗视觉器官辨认方针或细节的灵敏程度,叫 视觉敏脱度,医学上也叫目力。正在数量上,视觉灵敏度等于刚能分辩 的视角的倒数,即: V=1/αmin 物体大小(或此中某细节的大小) 对眼睛构成的张角,叫做视角。H/D 3、亮度对比:是视野中方针和布景的亮度差取布景(或方针)亮度 之比,符号为 C C=|Lo- Lb|/ Lb Lo—方针亮度,一般面积较小的 为方针,cd/m2; Lb—布景亮度,面积较大的部位做布景,cd/m2。 对于平均照明的无光泽的布景和方针(平均漫反射材料) ,亮度对比 可用反射比暗示:C=|ρo-ρb|/ρb ρo——方针反射比; ρb——背 景反射比。 4、识别时间:眼睛旁不雅物体时,满脚:亮度×时间= 当呈现 亮度变化过大的环境时,招考虑正在其间设置需要的过渡空间。正在 需要人眼变更凝视标的目的的工做场合,亮度宜设置平均。 5、避免眩光:正在视野中因为不适宜亮度分布,或正在空间或时间上存 正在着极端的亮度对比, 致使惹起视觉不舒服和降低物体可见度的视觉 前提。失能眩光:降低视觉功能和可见度的眩光。不舒服眩光:只要 不舒服感受的眩光。从构成眩光的过程来分:间接眩光:由视野中的 高亮度或不曾充实遮盖的光源所发生,可避开。反射眩光:由视野中 的光泽概况的反射所发生,不成避开。 6、节制间接眩光的办法:A 光源亮度(当光源亮度跨越 16sb 时, 不管亮度对比若何,均会发生严沉的眩光现象)B 添加眩光源的布景 亮度,削减二者之间的亮度对比。C 减小构成眩光的光源视看面积.D 尽可能增大眩光源的仰角(当眩光源的仰角小于 27°时,眩光影响就 很显著;而当眩光源的仰角大于 45°时,眩光影响就大大削减了)E 7、节制反射眩光的办法:A 尽量使视觉功课的概况为无光泽概况, 以削弱镜面反射而构成的反射眩光;B 应使视觉功课避开和远离照明 光源同人眼构成的镜面反射区域;C 利用发光概况面积大、亮度低的 光源; 使惹起镜面反射的光源构成的照度正在总照度中所占比例削减, D 从而削减反射眩光的影响。 第五节 颜色 A 颜色的根基特征 1、颜色的构成:颜色来历于光。色觉:人眼这种具有颜色的能 力。 2、光源的各单色辐射功率,按波长的相关分布称做光源的光谱功率 分布(或称光谱能量分布) ,它决定着光的色表和显色机能。 3、物体色:物体对光源的光谱辐射有选择地反射或透射对人眼所产 生的感受。物体色决定于物体概况的光谱反射率。光源的光谱构成对 于显色也是至关主要的。 B 颜色分类和属性 1、颜色:有彩色、无彩色。任何一种有彩色的表不雅颜色,按照三个 的客不雅属性分类描述, 这就是: 色调、 明度彩度 (也叫饱和度) 。 2、色调是各彩色相互区分的特征。明度是指颜色相对明暗的特征。 彩度指的是彩色的性。可见光谱的各类单色荣耀度最高。 3、无彩色指白色、黑色和两头深浅分歧的灰色,它们只要明度的变 化,没有色和谐彩度的区别。当物体概况的光反射比都正在 80~90% 以上时,该物体为白色;当物体概况的光反射比均正在 4%以下时,该 物体为黑色。 C 颜色夹杂 1、人眼可以或许和辨认的每一种颜色都能用红、绿、蓝三种颜色匹 配出来。可是,这三种颜色中无论哪一种都不克不及由其它两种颜色夹杂 发生。因而,将红(700nm) 、绿(546.1nm)、蓝(435.8nm)称为三原 色。 2、颜色相加夹杂纪律:a 凡两种颜色按恰当比例夹杂能发生白色或 灰色,这两种颜色称为互补色,b 非互补色的任何两种颜色夹杂,可 以发生两头色。c 表不雅颜色不异的光,不管其光谱构成能否不异,正在 颜色相加夹杂中具有同样的结果。 例如颜色 A=颜色 B, 颜色 C=颜色 D, 那么颜色 A 十颜色 C=颜色 B 十颜色 D d 由几个颜色光构成的夹杂色 的亮度,是各颜色亮光度的总和。 3、彩色涂料的夹杂(相减夹杂) :彩色涂料对于光的选择反射是颜色 相减的过程。颜色的三原色:青、品红和黄。 4、当两种颜料夹杂或两个滤光片沉应时,有堆叠相减的结果,而且 相减夹杂获得的颜色总要比原有的颜色暗一些。 二、颜色的定量 A CIE1931 尺度色度系统 1、这一系统的特点是用严酷的数学方式来计较和颜色。利用这 一系统,任何一种颜色都能用两个色坐标正在色度图上暗示出来。 2、CIE 尺度色度系统现实按照:a 任何一种光的颜色都能用红、绿、 蓝三原色的光婚配出来;b 大大都人具有很是类似的颜色视觉。 3、 “CIE1931 尺度色度察看者光谱三刺激值”, 以符号 x(λ)、 y(λ)、 z(λ)暗示。它们别离代表婚配各波长纯光谱色所需要的红、绿、蓝 三原色的量。若想获得某一波长(λ)的光谱,可从曲线或数表中查 得响应的 x(λ)、y(λ)、z(λ)三刺激值,按 x(λ)、y(λ)、z(λ) 数量的红、绿、蓝设想原色相加,便能获得该光谱色。 4、X=k∑Ф(λ)x(λ)?λ;Y=k∑Ф(λ)y(λ)?λ;Z=k∑Ф(λ)z(λ)?λ X、Y、Z:某光源色三刺激值;Ф(λ) —波长间隔为 ?λ 的光通量; x(λ)、y(λ)、z(λ) —CIE 尺度色度察看者光谱三刺激值;k —调整 因数,它是一个肆意。 5、颜色的色坐标别离是每一刺激值正在三刺激值总和中所占的比例, 以 x、y、z 暗示。于是 X=X/X+Y+Z Y=Y/X+Y+Z Z=Z/X+Y+Z 6、物体色计较时必需先选择一种光源或选一种尺度照明体,由于正在 分歧照明前提下,物体色会发生变化,色坐标也就有所分歧。此外, 还需要晓得物体的光谱反射比,或光谱透射比(用于透光材料) ,或 物体的辐亮度因数(用于光泽概况) 。计较物体色三刺激值时,其Ф (λ)按下式计较:φ(λ)=ρ(λ)s(λ) ;φ(λ)=β(λ)s(λ) ; φ(λ)=τ(λ)s(λ)此中的 s(λ)是所选光源或照明体的相对光 谱功率分布。 7、x 色坐标相当原色的比例,y 色坐标相当于绿原色的比例。 图上的马蹄形曲线是单一波长的光谱色轨迹,标注了响应的波长。 毗连 400nm 取 700nm 的由紫到红的曲线是光谱上没有的颜色。 凡物理 上可以或许实现的颜色,都正在这个马蹄形内拥有。 8、色度图的核心 E 点是等能白光,由三原色各 1/3 构成,其色坐标 为 xe= ye = ze =0.3333 正在色度图上,一种颜色的坐标点距光谱轨 迹愈近,距 E 点愈远,它的彩度愈高,颜色愈纯;反之,距 E 点愈近, 彩度愈低,颜色愈淡。 9、将颜色坐标点取 E 点连曲线并耽误至光谱轨迹上.其交点即这种 颜色的从波长,由从波长能够判断出它的色相.此外,通过 E 点画任 一曲线取曲线得两支点,两点的颜色为互补色。 B 孟塞尔表色系统 1、表色系统按颜色的三个根基属性:色调(H) ,明度(V)和彩度(C) 对颜色进行分类取标定。 2、地方轴代表无彩色(中性色)明度品级,抱负白色为 10,抱负黑 色为 0,共有感受上等距离的 11 个品级。颜色样品分开地方轴的水 平距离,代表彩度的变化。地方轴上的彩度为 0,分开地方轴愈远, 彩度愈大。 3、颜色的暗示方式:先写超卓调(H) ,然后写明度值(V) ,再正在斜 线后面写出彩度(C) ,即: HV/C=色调 明度/彩度(标号为 10Y8/12 的颜色, ,明度值为 8,彩度 12。无彩色用 N 暗示,只写明度值,斜 线、孟塞尔明度值取光反射比有对应的关系。它们的换算近似公式为: ρ=V(V— 1)/100(明度值为 9 的一块颜色,其反射比约等于 ρ=9 (9- 1)/100=0.72) 5、光源颜色:正在境设想实践中,照明光源的颜色质量常用两个 性质分歧的术语来表征:a 光源的色表:灯光的表示颜色 b 光源的显 色性:灯光对它映照的物体颜色的影响感化。 6、光源的色表:正在照明使用范畴里,常用色温定量描述光源的色表。 当一个光源的颜色取完全辐射体(黑体)正在某一温度时发出的光色相 同时,完全辐射体的温度就叫做此光源的色温(Tc),单元 K(绝对温 度) 。完全辐射体也称黑体,它是既不反射,也不透射,但它是能把 投射正在它的辐射全数接收的物体。黑体加热到高温便发生辐射; 黑体辐射的光谱功率分布完全取决于它的温度。 7、分歧温度下黑体辐射的色坐标点连成一条曲线,画正在 CIE 色度图 上,叫做黑体轨迹或普朗克轨迹。 8、相关色温:非热辐射光源(如荧光灯、高压钠灯) ,它们的光谱功 率分布形式取黑体辐射相差甚大, 其色坐标点不必然落正在黑体轨迹线 上,而常常正在这条线的附近。严酷地说,不应当用色温来描述这类光 源的色表; 可是答应用取某一温度黑体辐射最接近的颜色来近似地确 定这类光源的色混,称为相关色温,以符号 Tcp 暗示。 9、相关色温用的等温线:凡色坐标点位于黑体轨迹附近的光源,都 能够自色坐标点沿着取最接近的等温线相平行的标的目的引一曲线, 此曲 线取黑体轨迹线交点的温度就是该光源的相关色温。 10、光源的显色性:物体色随分歧照明前提而变化。物体正在待测光源 下的颜色同它正在参照光源下的颜色比拟的合适程度, 定义为待测光源 的显色性。参照光源是我们相信它能呈现出物体“实正在”颜色的光 源。一般半夜的日光是抱负的参照光源。 11、现实上,日光的光谱构成正在一天中有很大的变化,可是这种大幅 度的变化被人眼的颜色顺应弥补了, 所以我们发觉不到物体颜色的相 应变化。因而,以日光做为评定人工照明光源显色性的参照光源仍是 合理的,独一的前提前提是两者的色温要附近。 11、CIE 及我国相关色温低于 5000K 的待测光源以完全辐射体做 为参照光源,它取晚上或薄暮时日光的色温附近;色温高于 5000K 的 待测光源以组合昼光做为参照光源,它相当于半夜的日光。 12、光源显色的好坏以显色指数定量评定,包罗一般显色指数(Ra) 取特殊显色指数(Ri)两组数据。Ra 简直定方式:是以选定的一套共 8 个有代表性的色样正在待测光源取参照光源下一一进行比力,确定每 种色样正在两种光源下的色差 ?Ei,然后按照商定的定量标准,计较每 一色样的显色指数:Ri =100 一 4.6 ?Ei 一般显色指数则是 8 个色样 显色指数的算术平均值。 Ra = 1 8 ∑ Ri 8 i =1 13、一般人工照明光源只用 Ra 做为评价显色性的目标就够了。正在需 要调查光源对特定颜色的显色机能时, 尚可援用别的的 7 种色样 中的一种或数种做为特殊显色指数评价目标. 7 种查验色样别离是 这 深红、深黄、深绿、深蓝、碧眼儿肤色、叶绿色、中国女性肤色。 14、显色指数的最大值定为 100。一般认为 Ra 正在 100~80 范畴内, 显色性优秀;Ra=79~50 显色性一般;Ra< 50 显色性较差。