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光学知识

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目录

（一）光照度2

一、定义2

二、计算2

（二）光强、光亮度与光通量3

一烛光、国际烛光、坎德拉（candela）的定义3

二发光强度与光亮度4

三光通量5

（三）色温5

一定义5

二如何选择合适的色温6

三如何准确地进行色温定位7

（四）色品坐标8

一标准照明体与标准光源8

二颜色样品的照明与观察条件8

三环境因素的影响及控制9

（五）工程光学子午面10

（六）照度的计算方法10

（七）相对光谱率分布11

一定义11

二光谱密度的概念及相关知识12

（八）色纯度13

（九）灯具CIE分类13

（十）显色指数14

一基本信息14

二显色分两种15

三显色指数与显色性的关系15

（一）光照度

一、定义

光照度，即通常所说得勒克司度（lux），表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。

1勒克司相当于1流明/平方米，即被摄主体每平方米的面积上，受距离一米、发光强度为1烛光的光源，垂直照射的光通量。

光照度是衡量拍摄环境的一个重要指标。

二、计算

室内照明利用系数法计算平均照度：

在平时做照度计算时，如果我们已知利用系数“CU”，则可以方便的利用一个经验公式进行快速计算，求出我们想要的室内工作面的平均照度值。

我们通常把这种计算方法称为“利用系数法求平均照度”，也叫流明系数法。

照度计算有粗略地计算和精确地计算2种。

例如，假设像住宅那样整体照度应该在100勒克斯（lx）的情况，而即使是90勒克斯（lx）也不会对生活带来很大的影响。

但是，如果是道路照明的话,情况就不同了。

假设路面照度必须在20勒克斯（lx）的情况下，如果是18勒克斯（lx）的话，就有可能造成交通事故频发。

商店也是一样，例如，商店的整体最佳照度是500勒克斯（lx），由于用600勒克斯（lx）的照度,所以,照明灯具数量和电量就会增加,并在经济上造成影响。

无论是哪一种照度计算都是重要的。

虽然只是粗略地估算,也会有20%-30%的误差。

所以建议在一般情况下最好采用专业的照明设计软件进行精确模拟计算，将误差控制在最小范围内。

但有时我们由于情况特殊或场地条件所限，而不能采用照明软件模拟计算时，在计算地板、桌面、作业台面平均照度可以用下列基本公式进行，略估算出灯具照度（勒克斯lx）=光通量（流明lm）/面积（平方米m^2）即平均1勒克斯（lx）的照度,是1流明（lm）的光通量照射在1平方米（m^2）面积上的亮度。

用这种方法求房间地板面的平均照度时,在整体照明灯具的情况下,可以用下列公式进行计算。

平均照度（Eav）=单个灯具光通量Φ×灯具数量（N）×空间利用系数（CU）×维护系数（K）÷地板面积（长×宽）

公式说明：

1、单个灯具光通量Φ，指的是这个灯具内所含光源的裸光源总光通量值。

2、空间利用系数（CU），是指从照明灯具放射出来的光束有百分之多少到达地板和作业台面,所以与照明灯具的设计、安装高度、房间的大小和反射率的不同相关,照明率也随之变化。

如常用灯盘在3米左右高的空间使用，其利用系数CU可取0.6--0.75之间；而悬挂灯铝罩，空间高度6--10米时，其利用系数CU取值范围在0.7--0.45；筒灯类灯具在3米左右空间使用，其利用系数CU可取0.4--0.55；而像光带支架类的灯具在4米左右的空间使用时，其利用系数CU可取0.3--0.5。

以上数据为经验数值，只能做粗略估算用，如要精确计算具体数值需由公司书面提供，相关参数，在此仅做参考。

3、是指伴随着照明灯具的老化，灯具光的输出能力降低和光源的使用时间的增加，光源发生光衰;或由于房间灰尘的积累，致使空间反射效率降低，致使照度降低而乘上的系数.一般较清洁的场所,如客厅、卧室、办公室、教室、阅读室、医院、高级品牌专卖店、艺术馆、博物馆等维护系数K取0.8；而一般性的商店、超市、营业厅、影剧院、机械加工车间、车站等场所维护系数K取0.7；而污染指数较大的场所维护系数K则可取到0.6左右。

利用系数法

此方法用于计算平均照度

（光源光通量）（CU）（MF）/照射区域面积

适用于室内，体育照明

利用系数（CU）：

一般室内取0.4，体育取0.3

1.灯具的照度分布

2.灯具效率

3.灯具在照射区域的相对位置

4.被包围区域中的反射光

维护系数MF=（LLD）X（LDD）一般取0.7～0.8

举例1：

室内照明，4×5米房间，使用3×36W隔栅灯9套

计算公式:

平均照度＝光源总光通×CU×MF/面积

＝（2500×3×9）×0.4×0.8÷4÷5

＝1080Lux

结论：

平均照度1000Lux以上

举例2：

体育馆照明，20×40米场地，

使用POWRSPOT1000W金卤灯60套

平均照度＝光源总光通×CU×MF/面积

＝（105000×60）×0.3×0.8÷20÷40

＝1890Lux

结论：

平均水平照度1500Lux以上

垂直照度1000Lux以上（视安装位置）

（二）光强、光亮度与光通量

1967年法国第十三届国际计量大会规定了以坎德拉、坎德拉/平方米、流明、勒克斯分别作为发光强度、光亮度、光通量和光照度等的单位，为统一工程技术中使用的光学度量单位有重要意义。

为使您了解和使用便利，以下将有关知识做一简单介绍：

一烛光、国际烛光、坎德拉（candela）的定义

在每平方米101325牛顿的标准大气压下，面积等于1/60平方厘米的绝对“黑体”（即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体），在纯铂（Pt）凝固温度（约2042K获1769℃）时，沿垂直方向的发光强度为1坎德拉。

并且，烛光、国际烛光、坎德拉三个概念是有区别的，不宜等同。

从数量上看，60坎德拉等于58.8国际烛光，亥夫纳灯的1烛光等于0.885国际烛光或0.919坎德拉。

二发光强度与光亮度

发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。

Lcd是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。

光源辐射是均匀时，则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F为光通量，单位是流明，对于点光源由I=F/4。

光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。

对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。

电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。

以下是部分光源的亮度值：

单位cd/m²

太阳：

1.5*10；日光灯：

（5—10）*10³；月光（满月）：

2.5*10³；黑白电视机荧光屏：

120左右；彩色电视机荧光屏：

80左右。

3.光通量与流明

光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。

各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。

如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。

光通量的单位是流明，是英文lumen的音译，简写为lm。

绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。

为表明光强和光通量的关系，发光强度为1坎德拉的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1六名。

一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。

4.光照度与勒克斯

光照度可用照度计直接测量。

光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。

被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。

有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。

例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。

以下是各种环境照度值：

单位lux

黑夜：

0.001—0.02；月夜：

0.02—0.3；阴天室内：

5—50；阴天室外：

50—500；晴天室内：

100—1000；夏季中午太阳光下的照度：

约为10*9次方；阅读书刊时所需的照度：

50—60；家用摄像机标准照度：

1400

三光通量

　　luminousflux

　　光通量指人眼所能感觉到的辐射能量，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。

由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。

　　例如，当波长为555×10-9米的绿光与波长为650×10-9米的红光辐射功率相等时，前者的光通量为后者的10倍。

　　光通量的单位为“流明”。

光通量通常用Φ来表示，在理论上其功率可用瓦特来度量，但因视觉对此尚与光色有关。

所以度量单位采用，依标准光源及正常视力另定之“流明”来度量光通量。

符号：

lm

　　光通量是每单位时间到达、离开或通过曲面的光能数量。

流明（lm）是国际单位体系（SI）和美国单位体系（AS）的光通量单位。

如果您想将光作为穿越空间的粒子（光子），那么到达曲面的光束的光通量与1秒钟时间间隔内撞击曲面的粒子数成一定比例。

　　光源的辐射能通量；对人眼所引起视觉的物理量。

即单位时间内某一波段内的辐射能量与该波段的相对视见率的乘积。

人眼对不同波段的光，视见率不同；故不同波段的光辐射功率相等，而光通量不等。

[1]

　　==================================

　　人眼对亮度的敏感程度与颜色有关,在整个可见光范围内并不是均匀的.可以用相对敏感函数曲线进行描述.

　　人眼对于波长X=555nm的光线最为敏感,我们定义这时的相对视敏度Vs（555）=1.当X为其它值时,Vs（X）均小于1.如果对于某一波长X的单色光,其辐射功率为P（X）,相对视敏函数为Vs（X）,则可以定义光通量为Y（X）=P（X）*Vs（X）

　　当P（X）以瓦为单位时,Y（X）的单位为光瓦.只有当X=555nm时,1瓦光辐射功率产生1lm（流明）的光通量

（三）色温

一定义

色温（colo（u）rtemperature）是表示光源光色的尺度，单位为K（开尔文）。

色温是在摄影、录象、出版等领域具有重要应用。

光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。

热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温，它直接和普朗克黑体辐射定律相联系。

三种色温的荧光灯光谱

色温是表示光源光谱质量最通用的指标。

色温是按绝对黑体来定义的，光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。

低色温光源的特征是能量分布中，红辐射相对说要多些，通常称为“暖光”；色温提高后，能量分布中，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”。

一些常用光源的色温为：

标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为5400K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。

　　在讨论彩色摄影用光问题时，摄影家经常提到“色温”的概念。

色温究竟是指什么?

我们知道，通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱所组成。

但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度和计算光线的颜色成分的方法，是19世纪末由英国物理学家洛德·开尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体确定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。

　　开尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话，它产生辐射最大强度的波长随温度变化而变化。

例如，当黑体受到的热力相当于500—550℃时，就会变成暗红色（某红色波长的辐射强度最大），达到1050一1150℃时，就变成黄色……因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的温度相对应的。

色温通常用开尔文温度（K）来表示，而不是用摄氏温度单位。

打铁过程中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。

通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体。

色温计算法就是根据以上原理，用K来对应表示物体在特定温度辐射时最大波长的颜色。

　　根据这一原理，任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”。

颜色实际上是一种心理物理上的作用，所有颜色印象的产生，是由于时断时续的光谱在眼睛上的反应，所以色温只是用来表示颜色的视觉印象。

二如何选择合适的色温

　　色温是人眼对发光体或白色反光体的感觉，这是物理学.身理学与心理学的综合复杂因素的一种感觉，也是因人而异的。

色温在电视（发光体）或摄影（反光体）上是可以用人为的方式来改变的，例如在摄影上我们用3200K的白炽热灯（3200K），但我们在镜头上加上红色滤光镜滤通过一点红光线使照片看起来色温低一点；相同的道理，我们也可以在电视上减少一点红色（但减太多多少也会影响到正常红色的表现）让画面看起来色温高一点。

　　在色温上的喜好是因人而定的，这跟我们日常看到景物景色有关，例如在接近赤道的人，日常看到的平均色温是在11000K（8000K（黄昏）～17000K（中午）），所以比较喜欢高色温（看起来比较真实），相反的，在纬度较高的地区（平均色温约6000K）的人就比较喜欢低色温的（5600K或6500K），也就是说如果您用一台高色温的电视去表现北极的风景，看起来就感觉偏青；相反的若您用低色温的电视去看亚热带的风情，您会感觉有点偏红，

　　电视或者显示屏的色温是如何界定的呢?

因为在中国的景色一年四季平均色温约在8000K～9500K之间，所以电视台在节目的制作都以观众的色温为9300K去摄影的。

但是欧美因为平时的色温和我们有差异，以一年四季的平均色温约6000K为制作的参考的，所以我们再看那些外来的片子时，就会发现5600K～6500K最适合观看。

当然这种差异使我们也会因此觉得猛的看到欧美的电脑或者电视的屏幕时感觉色温偏红，偏暖，有些不大适应。

　　就是色温黑眼睛的人看9300K是白色的但是蓝眼睛的人看了就是偏蓝6500K蓝眼睛的人看了是白色咱们中国人看了就是偏黄。

三如何准确地进行色温定位

　　如何准确地进行色温定位？

（原文地址5200~5500°K。

新闻摄影灯的色温在3200°K；一般钨丝灯、照相馆拍摄黑白照片使用的钨丝灯以及一般的普通灯泡光的色温大约在2800°K；由于色温偏低，所以在这种情况下拍摄的照片扩印出来以后会感到色彩偏黄色。

而一般日光灯的色温在7200~8500°K左右，所以在日光灯下拍摄的相片会偏青色。

这都是因为拍摄环境的色温与拍摄机器设定的色温不对造成的。

一般在扩印机上可以进行调整。

但如果拍摄现场有日光灯也有钨丝灯的情况，我们成为混合光源，这种片子很难进行调整。

　　综上所述，拍摄期间对色温的考量、设定以及调整就显得非常重要。

无论你是使用传统相机还是数码相机以及摄像机。

都必须重视色温！

　　几种色温的荧光灯光谱图

由下至上分别为2700K，4000k，6500k三种荧光灯的光谱。

色温越高，蓝光区域所占比重越大。

（四）色品坐标

一标准照明体与标准光源

为了统一颜色测量和评价标准，cie（国际照明委员会）规定了四种标准照明体a，b，c，d和三种标准光源a，b，c。

cie规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布，是规定的光源颜色标准。

这种特定的光谱能量分布不是必须由一个光源直接提供，也并不一定用某一光源来实现，而可以用多个同性能的光源和辅助体共同实施。

而标准光源是用来实现标准照明体光谱功率分布的光源。

其中，cie标准照明体d65代表相关色温为6504k的典型昼光，接近大多数情况下日光照明的条件。

cie标准照明体d50代表相关色温为5003k的典型昼光，其光谱的蓝、绿、红波段的能量分布接近等能状态。

cie标准照明体a、b、c由标准光源a、b、c实现，但对于模拟典型日光的标准照明体d65和d50，目前cie还没有推荐相应的标准光源。

因为它的光谱能量分布在目前还不能由真实的光源准确地实现。

当前国际上正在研制的3种模拟d65人造光源分别为：

带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和荧光灯。

二颜色样品的照明与观察条件

现代印刷行业的生产过程中的数据化与标准化日益得到重视。

数字化的颜色信息正在印刷生产的各个工艺环节传递，尤其在对颜色进行管理和控制的过程中，颜色的照明和观察条件的标准化则更应得到重视。

在实际生产中，我国新闻出版行业标准cy/t3-1999以及国际标准化组织推荐的《iso3664∶2000观察彩色透射片和复印品的照明条件》标准，应作为印刷复制行业颜色技术测量和颜色评价的主要标准。

1）照明条件

对于观察反射颜色样品（反射原稿和复制品）应采用cie标准照明体d65，其参数指标在iel931色品图上的色品坐标为x=0.3127，y=0.3291；在ciel960ucs色品图上的色品坐标为u=0.1978，v=0.3122，所用人工光源为标准照明体d65的模拟体，光源与标准照明体的色品偏差值△c应小于0.008，光源的一般显色指数ra应大于等于90，特殊显色指数ri（检验色样9～15）应大于等于80。

（色品偏差值△c和光源显色指数的计算的方法可参见cy/t3—1999和gb/t5702）。

并且用于观察反射颜色样品的光源应在观察面上产生均匀的漫射光照明，照度范围在500lux～1500lux，并视被观察样品的明度而定。

另外，观察面的照明应尽可能均匀，不能有照度突变，照度的均匀度应大于80%。

对于观察透射颜色样品，应采用cie标准照明体d50，其参数指标在ciel931色品图上，照明体的色品坐标为x=0.3457，y=0.3586；在cie1960ucs色品图上的色品坐标为u=0.2091，v=0.3254，所用人工光源为d50的模拟体，光源与标准照明体的色品偏差值△c应小于0.008。

另外需要说明的是，对于观察反射样品采用d65光源和对于观察透射样品d50光源的标准限于我国新闻出版行业标准，对于执行《iso3664∶2000观察彩色透射片和复印品的照明条件》标准中，反射印品的鉴定、反射印品的实际评价、透射样品的直接观察等iso指定观察条件均采用d50标准光源。

2）观察条件

观察反射颜色样品时，如图1所示，光源应从与颜色样品表面垂直方向入射，观察方向应从与样品表面法线方向成45°夹角处观察颜色样品的漫反射光，即对应于0/45照明观察条件。

在保证观察面照度均匀的前提下，也可采用如图2所示的观察条件，光源从与颜色样品表面法线成45°角方向入射，观察方向从与样品表面垂直方向观察颜色样品的漫反射光，即对应于45/0的照明观察条件。

此外，观察反射颜色样品时的背景应是无光泽的孟塞尔颜色n5/～n6/，彩度值一般小于0.3，对于配色等要求较高的场合，彩度值应小于0.2。

当观察诸如镭射卡纸等表面光泽度较大的样品时，不能直接观看镜面反射光，可通过在一定范围内调整调整观察角度，找出最佳的观察角度观察。

观察透射颜色样品时，应用均匀漫射光在样品背后照明，在垂直于样品的表面观察。

观察时应尽量将样品置于照明面的中部，使其至少在三个边以外有50mm宽的被照明边界。

当所观察透射样品的面积小于70mm×70mm时，应适当减小被照明边界的宽度，使边界面积不超过样品面积的4倍，多余部分用灰色不透明的挡光材料遮盖。

②色评价视场

人眼观察物体细节时的分辨率与观察时视场的大小有关，与此相似，人眼对色彩的分辨率也受视场大小的影响。

实验表明：

人眼从小视场（2°）增大到大视场（10°）时，颜色匹配的精度和辨别色差的能力提高，但当视场再进一步增大时，颜色匹配的精度提高就不大了。

这是因为10°标准视场对400～500nm区域短波光谱有更高的敏感性。

所以在印刷工业中使用颜色测量仪器进行颜色数据测定时，我国国家标准gb7705-87、b7706-87、gb7707-87分别对平版装潢印刷品、凸版装潢印刷品和凹版装潢印刷品做出规定，测量同一批产品的颜色色差时，光源采用d65，测量视场采用10°。

三环境因素的影响及控制

在实际生产中，周围环境是对标准照明和观察条件影响最大的因素，例如观察环境周围的物体及其自身颜色和亮度可能在很大程度上影响观察者对观察对象的色彩感觉。

工作人员应尽量消除周围环境的影响，注意：

1）避免周围环境同时有额外的光源或光斑，从而影响在标准光源下正确辨色。

2）避免在观察视场中有强烈的色彩对比或是环境表面强烈的色彩反射，例如来白墙、地板等的表面反射。

周围环境的反射率最好小于20%。

在稳定的周围环境中进行观察工作。

3）由于在观察和评判样品时，人的主观印象起着重要作用，所以，当进入观测环境后，应让眼睛适应环境一段时间后再进行观测评判。

总之，在印刷分散的各个工艺环节，保证其间有效的色彩传递、测量、观测和评判就必须在标准的照明条件和观察条件下进行，在印刷生产中采用并严格执行标准照明和观察标准是帮助企业解决颜色质量问题的关键。

（五）工程光学子午面

工程光学中，我们将轴外点发出宽光束中通过入瞳中心的光线称为主光线，主光线和光轴构成的平面称为子午面，包含主光线并与子午面垂直的平面，则叫做弧矢面。

对共轴光学系统，不管经过多少次折射，主光线始终在同一个子午面内，而弧矢面是变化的。

对轴上点来讲，主光线即光轴，上、下边缘光线折射后对光轴仍是对称的，没有必要再定义弧矢面。

一般来讲，子午和弧矢面内光束的行径能近似地代表整个光束的成像质量。

（六）照度的计算方法

有利用系数法、概算曲线法、比功率法和逐点计算法等。

（一）利用系数法

1、利用系数的概念

照明光源的利用系数（utilizationcoefficient）是用投射到工作面上的光通量（包括直射光通和多方反射到工作面上的光通）与全部光源发出的光通量之比来表示，

即u=φe/nφ

利用系数u与下列因数有关：

1）、与灯具的型式、光效和配光曲线有关。

2）、与灯具悬挂高度有关。

悬挂越高，反射光通越多，利用系数也越高。

3）、与房间的面积及形状有关。

房间的面积越大，越接近于正方形，则由于直射光通越多，因此利用系数也越高。

4）、与墙壁、顶棚及地板的颜色和洁污情况有关。

颜色越浅，表面越洁净，反射的光通越多，因而利用系数也越高。

2、利用系数的确定

利用系数值应按墙壁和顶棚的反射系数及房间的受照空间特征来确定。

房间的受照空间特征

用一个“室空间比”（roomcabinrate，缩写为RCR）的参数来表征。

如图8-12所示，一个房间按受照的情况下不同，可分为三个空间：

最上面为顶棚空间，工作面以下为地板空间，中间部分则称为室空间。

对于装设吸顶灯或嵌入式灯具的房间，没有顶棚空间；而工作面为地面的房间，则无地板空间。

室空间比RCR=5hRC（l+b）/lb：

公式中

hRC，代表室空间高度；

l，代表房间的长度；

b，代表房间的宽度。

根据墙壁、顶棚的反射系数（参看表8-1）及室空间比RCR，就可以从相应的灯具利用系数表中查出其利用系数。

3、按利用系