光度学基本理论

作者：追风剑情发布于：2022-8-30 10:49 分类：Algorithms

和辐射度学相比，光度学的研究对象只限于可见光范围内，并且要以人眼的视觉特性为基础。辐射度学中的所有概念，如光通量、光照强度等，都和视觉函数有关。光度量和辐射度量的定义是一一对应的。下面列出了基本的辐射度量和光度量的名称、符号、方程和单位名称。有时为了避免混淆，在辐射度量符号上加上下标e，在光度学符号上加上下标v，如辐射度量Φ_e、I_e、M_e等，光度量Φ_v、I_v、M_v等。

辐射度量和光度量的名称、符号和定义式
辐射度量	光度量	符号	方程	辐射度量单位名称和符号	光度量单位名称和符号
辐射量	光量	Q		焦，J	流秒，lm●s
辐射通量	光通量	Φ	Φ=dQ/dt	瓦（焦每秒），W(J/s)	流，lm
辐射强度	发光强度	I	I=dΦ/dΩ	瓦每球面度，W/sr	坎，cd
辐射亮度	光亮度	L	L=d²Φ/(dΩdAcosθ)	瓦每球面度平方米，W/(sr●m²)	坎每平方米，cd/m²
辐射出射度	光出射度	M	M=dΦ/dA	瓦每平方米，W/m²	流每平方米，lm/m²
辐射入射度	光照度	E	E=dΦ/dA	瓦每平方米，W/m²	勒（流每平方米），lx(lm/m²)

下面介绍人眼的视觉特性和视见函数，光通量和辐射通量可以通过人眼的视觉特性进行转换。人眼的视觉特性有以下几种。

视敏特性：指人眼对不同波长的光具有不同敏感的特性，即对辐射功率相同的各种颜色的光具有不同的亮度感觉。在相同辐射功率的条件下，人眼感到最亮的光是黄绿光（波长约为555nm），感觉最暗的光是红光和紫光。视敏特性可用视敏函数和相对视敏函数来描述。

亮度感觉特性：指人眼能够感觉到的亮度范围，该范围可达109:1。人眼总视觉范围很宽，但不能在同一时间感受这么大的亮度范围。当平均亮度适中时亮度范围为100:1，平均亮度较高或较低时亮度范围只有10:1。通常情况下为100:1，电影银幕亮度范围大致为100:1，CRT显像管亮度范围只有30:1。人眼对景物亮度的主观感觉不仅取决于景物实际亮度值，而且还与周围环境的平均亮度有关。人眼的明暗感觉是相对的，在不同环境亮度下，对同一亮度的主观感觉会不同。

彩色视觉：人眼的锥状细胞有3种，分别对红、绿、蓝三种色光最敏感，称为红感细胞、绿感细胞、蓝感细胞。当一束光射入眼时，3种锥状细胞就会产生不同的反应，不同颜色的光对3种锥状细胞的刺激量是不同的，产生的颜色视觉各异，使人能够分辨出各种颜色。

分辨力：指人眼分辨景物细节的能力，分辨力是有限的，其大小用分辨角表示，分辨角也称视敏角或称视角。视力正常的人在中等亮度和中等对比度情况下观察静止图像时，人眼能分辨的最小视角为1'~1.5'。人眼的分辨力因人而异，分辨力还与景物照度和对比度有关。

光通量和辐射通量的转换公式为

$$ Φ_v(λ)=K_mV(λ)Φ_e(λ) $$

式中，V(λ)是由国际照明委员会(Commision Internationale de L'Eclairage, CIE)推荐的平均人眼光谱光视效率，即视见函数；Φ_v(λ)为辐射通量对波长的函数；Φ_e(λ)为光通量对波长的函数；K_m为最大光谱光视效能值，它是一个常数。

明视觉（photopic vision）和暗视觉（scotopic vision）相对，是不同波长的光刺激在两种亮度范围内作用于视觉器官而产生的视觉现象。人眼视网膜上分布有视锥细胞（cone cell），集中在视网膜中央窝及其附近，接受强光的刺激，在强光下起作用，所以称为明视觉器官。锥体细胞能分辨物体的细节和颜色，视网膜不同部位视敏度的判别与视锥细胞的分布情况是一致的。视网膜一定区域的视锥细胞数量决定着视觉的敏锐程度。

视杆细胞（rod cell）只在较暗条件下起作用，适宜于微光视觉，但不能分辨颜色与细节。视网膜中央的“视锥细胞视觉”和视网膜边缘的“视杆细胞视觉”即明视觉和暗视觉。

明视觉指人眼在光亮度超过3cd/m²的环境所产生的视觉，此时视觉主要由视锥细胞起作用。最大的视觉响应在光谱蓝绿区间的555nm处，即波长为555nm处的光产生了明视觉函数的峰值。暗视觉指人眼在环境亮度低于10^-3cd/m²单位所产生的视觉，此时视杆细胞是主要作用的感光细胞，即波长为507nm处的光产生了暗视觉函数的峰值。中间视觉介于明视觉和暗视觉亮度之间，此时人眼的视锥和视杆细胞同时响应，并且随着亮度的变化，两种细胞的活跃程度也发生了变化。一般从白天晴朗的太阳到晚上台灯的照明，都是在明视觉范围内的；而在路灯照明和明朗的月夜下，为中间视觉照明；昏暗的星空下就是暗视觉了。

光度量中最基本的物理量是发光强度，其单位是坎德拉(candela)，记作cd。它是国际单位制中7个基本单位之一，其定义为波长为555nm的光产生的辐射。在给定方向上的辐射强度为$\frac{1}{683}W/sr$时，光源在该方向上的光强度为1cd。光通量的单位是流明(lumen)，记作lm。1lm是指光强度为1cd的均匀点光源在1球面度内发出的光通量。

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