机器视觉中的照明光学基础概念

光度学

人眼观测物体感受到的亮度是由光源照射到物体表面的光通量和物体表面反射率共同决定的，并且在计算时需要考虑人眼对不同波长光的感知效果。

发光强度描述了光源在特定方向上的辐射能力，光通量表示光源总的辐射亮度，亮度是人眼对光的主观感知，照度描述了物体表面接收到的光强度。

其中光通量尤为重要，它不仅是计算发光强度、亮度和照度的必要参数，还可以直接反映灯具的亮度大小。

可见光（Visible Light）

可见光是指人眼可感知的光谱范围，波长大约在380到780纳米之间，其中红光的波长最长，紫光波长最短。

光通量（Luminous Flux）

衡量光源辐射的总光功率，单位为流明（Lumen，lm）。光通量描述了光源整体辐射的亮度，它不涉及方向性。光通量可以看作是光源发出的光的总量。

光学效率（Optical Efficiency）

光学效率是指光源将输入电能转换为可见光的效率。光学效率通常用百分比表示，表示光源的能量利用效率。高光学效率的光源能够更有效地将电能转化为光能。

立体角（Solid Angle）

用于描述空间中的角度大小，单位为球面度（Steradian，sr）。立体角用于衡量光源辐射的方向性。一个球面度等于球面上半径为1米的球体上的面积等于球面半径平方。

发光强度（Luminous Intensity）

发光强度是指光源在某一方向上辐射光的能力，单位为坎德拉（Candela，cd）。发光强度描述了光源在特定方向上的亮度。根据光源光强分布特性，设计光学系统和光源的位置，以获得最大光效。

光照度（Illuminance）

光照度是指光照射到物体表面上的光强度，单位为勒克斯（Lux，lx）。照度与光通量和照射距离有关。它描述了特定区域或物体表面接收到的光的数量。照度可以用来评估照明场景下的亮度。

亮度（Brightness）

亮度是对人眼感知到的光的强度的主观评价。亮度与发光强度和观察角度有关。同样的光源，在不同的观察角度下可能会有不同的亮度感觉。亮度可以用来描述物体表面自身发出的光的强度，亮度及均匀性都随角度变化而变化。

发光面积（Light Emitting Area）

发光面积是指光源辐射光的表面区域的大小。发光面积越大，光源所辐射的光通量将更多地分布在更广阔的区域内。

对于灯具而言，光通量决定了灯具的亮度和照明效果，合格的灯具应提供更高的光通量，从而提供更好的照明效果，如提供足够的亮度、良好的色彩还原效果，以及适当的光照分布。

此外，除了光通量这一衡量标准，光学效率也是一个非常重要的因素。通常较高的光通量，也就意味着更高的能耗，但一台高质量灯具却可以以更少的能量消耗，产生更多的光通量，实现节能环保的目的。因此，光学效率的高低可以直接影响灯具的能耗和节能性能。

色度学

以上我们通过不同的物理量对光的特性有了一定的了解，然而，当我们开始考虑光的颜色特性时，我们需要另一个框架来描述它。这就是色坐标、普朗克黑体辐射定律、色温、显色性和相关色温等概念。

这些概念描述了光的颜色属性和其对物体视觉效果的影响。色温确定了光源的颜色特性，显色性评估了光源对物体颜色还原的能力，而相关色温描述了物体在特定光源下的颜色感觉。这些概念提供了一个有条理的框架，帮助我们理解和描述光的颜色特性。

色坐标CIE1931（Color Coordinates）

色坐标是用来描述光源或物体发出的光在彩色空间中的位置。常用的色坐标系统包括CIE XYZ色度学系统和CIE xyY色度学系统。色坐标通常由两个分量表示，比如CIE xy色坐标表示为(x, y)。通过色坐标，我们可以确定光源或物体的颜色。

普朗克黑体辐射定律（Planck's Law of Black Body Radiation）

由德国物理学家马克斯·普朗克于1900年提出的一项重要物理定律，用于描述黑体辐射的能谱分布。该定律说明了黑体辐射的特性，即随着频率的增加，辐射功率密度也会增加，但增长率会逐渐减小。同时，随着温度的升高，整个频谱向高频率方向移动，并且峰值辐射频率也随之增加。

该定律为光学设计提供了重要的理论基础，帮助优化光源选择，进行光谱分析和评估，从而实现所需光学性能和光学器件的设计优化。

色温（Color Temperature）

色温是用来描述光源的颜色特性的参数，单位为开尔文（Kelvin，K）。色温定义了光源辐射出的光的颜色偏暖还是偏冷。较低的色温（约2700-3500K）通常被认为是暖色调，类似于黄色或橙色的光。较高的色温（约5000-6500K）通常被认为是冷色调，类似于蓝色或白色的光。

显色性（Color Rendering）

显色性是用来评价光源或灯具对物体颜色还原能力的指标。常用的显色性指标包括显色指数（Color Rendering Index，CRI）和色质指数（Color Quality Scale，CQS）。这些指标描述了光源对不同颜色的物体的呈现效果，即它们是否能够准确还原物体的真实颜色。

相关色温（Correlated Color Temperature，CCT）

相关色温是用来描述物体自发光（非光源辐射）的颜色特征的参数。它与光源的色温有关，但并不相同。相关色温用于描述物体在特定光源照射下所呈现的颜色感觉。

前照灯色温差异