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1、其次章 人眼视觉原理1内容导航内容导航 2.1 光的特性 2.2 光度学基本概念 2.3 人眼器官结构 2.4 人眼视觉特性 2.5 颜色视觉 2.6 小结与作业22.1 光的特性光的特性n 电磁波谱分布光是一种电磁光是一种电磁波！在真空的波！在真空的速度是每秒速度是每秒30万公里万公里32.1 光的特性光的特性微粒说，统治17、18世纪，可以说明光的直线传播和反射、折射，但是得出光在水中的速度比空气中大的错误结论。波动说，认为光是纵波，无法说明“静止以太”的冲突性质（密度微小，弹性模量极大）。惠更斯（16291695）：牛顿（16431727）：42.1 光的特性光的特性托马斯.杨和菲涅尔于
2、19世纪初解决光是横波的问题菲涅尔菲涅尔托马斯托马斯.杨杨傅科1862年证明光在水中的速度小于空气中的速度傅科傅科1773.6-1829，英英国国医医生生兼兼物物理理学学家家，以以“双双缝缝干干涉涉”试试验著名验著名1788.5-1827，法法国国土土木木工工程程师师兼兼物物理理学学家家，以以“泊泊松松亮亮斑斑”著名著名1819.9-1868.2，法法国国物物理理学学家家，试试验验天天才才，以以“傅傅科科摆摆”著著名名于于世世5 19世纪60年头，麦克斯韦的电磁理论确信光是一种电磁现象。麦克斯韦麦克斯韦2.1 光的特性光的特性1831-1879，英英国国物物理理学学家家、数数学学家家，预预言言
3、电电磁磁波波的的存存在在。以以麦麦克克斯斯韦韦电电磁方程著名。磁方程著名。物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题力学问题的有效的工具。对于电磁电磁现象现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够作出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为
4、三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，物理学家大多感到陶醉，感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已久。62.1 光的特性光的特性 19世纪的最终一天，欧洲著名的科学家团聚一堂。会上，开尔文勋爵发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的宏大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论确定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云覆盖了第一朵乌云出现在光的波动理论上其次朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。（The
5、 beauty and clearness of the dynamical theory,which asserts heat and light to be modes of motion,is at present obscured by two clouds.）W汤姆孙在1900年4月曾发表过题为19世纪热和光的动力学理论上空的乌云的文章。他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔孙试验结果和以太漂移说相冲突；他所说的其次朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论说明中得出与试验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。英国著名物理学家W汤姆孙（即开尔
6、文勋爵）是19世纪英国杰出的理论物理和试验物理学家，是一位颇有影响的物理学权威，他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况，反映了当时物理学界的主要思潮：7u 第一朵乌云第一朵乌云迈克耳孙迈克耳孙莫雷试验与莫雷试验与“以太以太”说破灭说破灭2.1 光的特性光的特性 水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质“以太”。最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成
7、；上界加第五元素“以太”。牛顿在发觉了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充溢了“以太”，“以太”是一种由特别小的弹性球组成的淡薄的、感觉不到的媒介。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以确定渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是确定静止的参考系，一切运动都相对于它
8、进行。这样，电磁理论与牛顿力学取得协调一样。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。但是，确定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必需会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必需对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。为了观测“以太风”是否存在，1887年，美国物理学家迈克尔孙与美国化学家、物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的试验-迈克耳逊-莫雷试验，即“以太漂移”试验。试验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一样或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相
9、对运动。因而，根本找不到“以太”或“确定静止的空间”。由于这个试验在理论上简洁易懂，方法上精确牢靠，所以，试验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。迈克耳孙莫雷试验使科学家处于左右犯难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的很多现象的以太理论。假如他们不敢放弃以太，那么，他们必需放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名试验面前，真是一筹莫展。8u 其次朵乌云其次朵乌云黑体辐射与黑体辐射与“紫外灾难紫外灾难”2.1 光的特性光的特性 在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸取辐射的本事比较强，比如煤炭对电磁波的吸取率可达到80左右。所谓“黑体”是指能
10、够全部吸取外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸取率是100的志向物体。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸取以后，不会再从小孔透出。19世纪末，卢梅尔（18601925）等人通过著名试验黑体辐射试验，发觉黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个试验的结果是不行思议的。怎样说明黑体辐射试验的结果呢？当时，人们都从经典物理学动身找寻试验的规律。前提和动身点不正确，最终都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩（18641928）建立起黑体辐射能量按波长分布的公
11、式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和试验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变更的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和试验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利-金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和试验数据相差十万八千里，是根本不行能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。9 物理学发展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，最终酿成了一场大风暴。第一朵乌云，导致相对论的产生；其次朵乌云，导致了量子
12、论的出现。这“两朵乌云”恰恰是世纪之交物理学革命的导火线，发展起了全新的物理学理论。2.1 光的特性光的特性迈克尔逊 莫雷 瑞利 爱因斯坦普朗克 1852-1931，美美国物理学家国物理学家1839-1923，美美国化学家国化学家1842-1919，英英国物理学家国物理学家1879-1955，美美国物理学家国物理学家1858-1947，德德国物理学家国物理学家102.1 光的特性光的特性红外、可见光、红外、可见光、紫外线紫外线X射线射线宇宙射线宇宙射线光光的的产产朝朝气气理理内层电子内层电子外层电子外层电子原子核原子核112.2 光度学基本概念光度学基本概念辐射功率相同，波辐射功率相同，波长不
13、同的光，亮度长不同的光，亮度感觉不同感觉不同（相同亮度环境）（相同亮度环境）（相同亮度环境）（相同亮度环境）辐射功率不同，波辐射功率不同，波长不同的光，亮度长不同的光，亮度感觉相同感觉相同光的强弱的度量：光度学光的强弱的度量：光度学说明功率和波长都是影洪亮度感觉的因素。说明功率和波长都是影洪亮度感觉的因素。122.2 光度学基本概念光度学基本概念 光度学中接受发光强度的单位坎德拉为基本单位。1979年第16届国际计量大会确定：坎德拉是一个光源在指定方向上的发光强度，该光源发出频率为5401012Hz的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为1/683（W/Sr）。132.2 光度学基本概念光度学基
14、本概念光照度光照度（勒克斯勒克斯lx）单位面积（每平方米）接收面接收面的照明的照明程度程度光通量光通量（流明（流明lm）反映一束光反映一束光引起光亮感引起光亮感觉的能力，觉的能力，可以描述光可以描述光源、接收面源、接收面指定方向（球面度）发光强度发光强度(坎德拉坎德拉cd)单位面积（每平方米）亮度亮度(cd/m2)14典型照度典型照度50lx1000lx1000020000lx0.lx教室阴天阳光直射夜间满月15典型亮度（典型亮度（cd/mm2）15亿亿500万万50002500阳光白炽灯满月蜡烛162.3 人眼器官结构人眼器官结构人的眼睛是一人的眼睛是一个平均直径约个平均直径约为为20mm的
15、球的球体体17 白色、坚固的巩膜，保护眼球 脉络膜，黑色不透光，营养眼球 视网膜，含有许多对光线敏感的细胞，能感受光的刺激 后房，玻璃体，透明胶状物质 晶状体，透明，有弹性，像双凸透镜，能折射光线 角膜，无色透明 虹膜，有色素，可以调节瞳孔大小 前房，充满透明淡盐溶液三膜、两房、一晶体三膜、两房、一晶体182.3 人眼器官结构人眼器官结构光学过程化学过程神经处理过程 客观景物（发光体或者散射体）发出的光束，携带光能量进入左右眼睛并同时作用在视网膜上引起视感觉。光刺激在视网膜上经神经处理产生的神经冲动（电流脉冲）沿视神经纤维传到大脑皮层，产生视知觉。192.4 人眼视觉特性人眼视觉特性1.人眼的
16、光谱响应特性人眼的光谱响应特性辐射功率相同，波辐射功率相同，波长（频率）不同长（频率）不同不同彩色感觉不同彩色感觉不同亮度感觉不同亮度感觉人眼视敏度20四、人眼视觉特性四、人眼视觉特性 视敏度 的定义 在相同亮度感觉的状况下，测 各种波长光的辐射功 。越大，说明人眼对该波长的光越不敏感，越小，人眼对该波长的光越敏感。习惯上习惯上定义 的倒数为视敏度 。212.4 人眼视觉特性人眼视觉特性相对视敏度曲线（光谱响应曲线）相对视敏度曲线（光谱响应曲线）光明环境下，光明环境下，对黄绿光视敏对黄绿光视敏度的归一化曲度的归一化曲线线222.4 人眼视觉特性人眼视觉特性 视察视敏度曲线可以发觉：在等能量分布
17、的光谱中，人眼感觉最暗的是红色，其次是蓝色和紫色，感觉最亮的是黄绿色（波长为555nm）。232.4 人眼视觉特性人眼视觉特性 谱尔金效应谱尔金效应 不同亮度下，人眼的视敏度曲不同亮度下，人眼的视敏度曲线会发生变更。弱光条件下，视敏线会发生变更。弱光条件下，视敏度曲线会向左移。度曲线会向左移。源源 于于 视视 网网膜膜内内锥锥状状细细胞胞和和柱柱状状细细胞胞的的不不同同工工作特点作特点2.人眼亮度感觉特性人眼亮度感觉特性242.4 人眼视觉特性人眼视觉特性明视觉与暗视觉的视敏度曲线明视觉与暗视觉的视敏度曲线 白白天天不不懂懂夜夜的的黑黑晚晚上上看看花花花花不不同同252.4 人眼视觉特性人眼视
18、觉特性 韦伯定律 在匀整亮度背景下，（韦伯费赫涅尔系数）。其中，B 是背景亮度，是人眼可觉察的最小亮度差。说说明明人人眼眼的的亮亮度度感感觉觉不不仅仅与与物物体体自自身身亮亮度度有有关关，还还与与四周环境亮度有关。四周环境亮度有关。一一般般地地，背背景景越亮，越不易辨别。越亮，越不易辨别。26不同亮度下的路灯感觉不一样不同亮度下的路灯感觉不一样272.4 人眼视觉特性人眼视觉特性 明暗感觉的相对性明暗感觉的相对性 晴朗的白天（晴朗的白天（10000cd/mm2），），人眼可辨别的亮度范围为人眼可辨别的亮度范围为20020000 cd/mm2，200 cd/mm2以以下就感觉黑；而在夜间（下就感
19、觉黑；而在夜间（30 cd/mm2），可辨别的亮度范围），可辨别的亮度范围为为1200 cd/mm2，100 cd/mm2的亮度就感觉很亮。的亮度就感觉很亮。282.4 人眼视觉特性人眼视觉特性 视觉范围视觉范围 实际感受亮度是实际感受亮度是以适应亮度为中以适应亮度为中心的一部分心的一部分（1000:110:1）指人眼所能感觉到的亮指人眼所能感觉到的亮度范围，可以从千分之几度范围，可以从千分之几到几百万到几百万cd/mm2。292.4 人眼视觉特性人眼视觉特性这这种种感感觉觉很有用！很有用！重现图像的亮度不须要等于实际景象的亮度，只要保持二者的对比度不变；对于人眼不能察觉的亮度差别，在重现图像
20、时也不必精确复制出来，只要保证重现图像和原景物有相同的亮度层次。302.4 人眼视觉特性人眼视觉特性3.人眼辨别力：人眼辨别力：对景物细微环节的辨对景物细微环节的辨别实力。别实力。一般将被视察物体上刚能辨别的最近邻两黑点或两白点的视角的倒数称为人眼的辨别力。P15：辨别率：辨别率1，0.03mm是辨别极限是辨别极限312.4 人眼视觉特性人眼视觉特性人眼分辨力的影响因素人眼分辨力的影响因素光照度光照度物体运动速度物体运动速度相对对比度相对对比度色色 彩彩322.4 人眼视觉特性人眼视觉特性4.人眼视觉惰性 一般将人眼亮度感觉变更滞后于实际亮度变更，以及视觉暂留特性，总称为视觉惰性。视觉惰性是人
21、眼的重要特性之一，它描述了主观亮度与光作用时间的关系。332.4 人眼视觉特性人眼视觉特性与视觉惰性紧密联系的还有临界闪烁临界闪烁频率频率，它是指刚好不引起闪烁感觉的最低频率。假如光脉冲频率不高，会使人眼产生一明一暗的闪烁感觉，长期观看简洁疲惫。342.4 人眼视觉特性人眼视觉特性一般在电影播放中每秒放一般在电影播放中每秒放24幅固定的画面，电视每秒传幅固定的画面，电视每秒传送送2530幅图像，就可以使幅图像，就可以使人眼感觉为连续活动的图像。人眼感觉为连续活动的图像。352.5 颜色视觉颜色视觉我是色盲我是色盲362.5 颜色视觉颜色视觉彩色彩色非彩色非彩色颜色37五、颜色视觉五、颜色视觉
22、颜色感觉颜色感觉 射入眼内的是含有不同颜色成分单 色光的复合光；视网膜上锥细胞内含有感受红、绿、蓝三种基色的感色成分。38彩色三要素彩色三要素亮度：指亮度：指光作用于光作用于人眼时所人眼时所引起的光引起的光明程度的明程度的感觉，与感觉，与色光所含色光所含能量有关。能量有关。色调：指色调：指颜色的类颜色的类别，与光别，与光的波长有的波长有关。变更关。变更光的波谱光的波谱成分，光成分，光的色调会的色调会发生变更。发生变更。色饱和度：色饱和度：指色调深浅的程度指色调深浅的程度(纯度纯度)，对物体，对物体而言，色饱和度与物体的反射光谱选择性有关。而言，色饱和度与物体的反射光谱选择性有关。392.5 颜
23、色视觉颜色视觉 色调色饱和度色度 色度既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色度亮度完整彩色 非彩色只有亮度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。40三基色原理三基色原理指自然界中常见的大部分彩色都可由三种相互独立的基色依据确定比例混合得到。所谓独立，是指其中任何所谓独立，是指其中任何所谓独立，是指其中任何所谓独立，是指其中任何一种基色都不能由另外两一种基色都不能由另外两一种基色都不能由另外两一种基色都不能由另外两种基色合成。种基色合成。种基色合成。种基色合成。411931年，国际照明委员会年，国际照明委员会（CIE）规定水银光谱中）规定水银光谱中 R 700nm；G546.1nm；B
24、 435.8nm为红、绿、蓝为红、绿、蓝基色光。当红、绿、蓝三束基色光。当红、绿、蓝三束光比例合适时，就可以合成光比例合适时，就可以合成自然界中常见的大多数彩色。自然界中常见的大多数彩色。42五、颜色视觉五、颜色视觉 混色方法（定性）不同颜色混合在一起，能产生新的颜色，这种方法称为混色法。混色分为相加混色和相减混色。432.5 颜色视觉颜色视觉n 相加混色 各分色的光谱成分相加，混色所得彩色光的亮度等于成分基色的亮度之和。彩色电视就是利用红、绿、蓝基色相加产生各种不同的彩色。442.5 颜色视觉颜色视觉n 相加混色规律红色红色绿色绿色蓝色蓝色白色白色 红色红色绿色绿色黄色黄色 红色红色蓝色蓝色
25、品红（紫）品红（紫）绿色绿色蓝色蓝色青色青色 452.5 颜色视觉颜色视觉黄色黄色蓝色蓝色白色白色(互补）互补）品红品红绿色绿色白色白色(互补）互补）青色青色红色红色白色白色(互补）互补）46三基色与互补色三基色与互补色472.5 颜色视觉颜色视觉 相减混色 相减混色是利用颜料、染料的吸色性质来实现的。多用于彩色印刷、彩色胶片和绘画。482.5 颜色视觉颜色视觉 相减混色规律 青色青色白色白色红色红色 品红品红白色白色绿色绿色 黄色黄色白色白色蓝色蓝色492.5 颜色视觉颜色视觉n 相减混色规律黄色黄色品红品红白色白色蓝色蓝色绿色绿色红色红色黄色黄色青色青色白色白色蓝色蓝色红色红色绿色绿色品红
26、品红青色青色白色白色绿色绿色红色红色蓝色蓝色黄色黄色青色青色品红品红白色白色蓝色蓝色红色红色 绿色绿色黑色黑色502.5 颜色视觉颜色视觉答：因蓝光、红光均被吸取而呈现绿色。答：因蓝光、红光均被吸取而呈现绿色。提问：1.白光照射下，黄色颜料呈现什么颜色？白光照射下，黄色颜料呈现什么颜色？答：吸取蓝色光而呈现黄色。答：吸取蓝色光而呈现黄色。2.白光照射下，黄、青两色相混颜料呈现白光照射下，黄、青两色相混颜料呈现什么颜色？什么颜色？512.5 颜色视觉颜色视觉 CIE标准色度学系统标准色度学系统 指指国国际际照照明明委委员员会会（CIE）为为工工程程实实际际中中对对颜颜色色进进行行计计量量和和对对
27、颜颜色色的的混混合合进进行行定定量量计计算算而而制制定定的的一一整整套颜色测量和计算方法。套颜色测量和计算方法。522.5 颜色视觉颜色视觉 配色方程 对于随意的彩色光F，可以表示为：FRR+GG+BB式中，R、G、B为红、绿、蓝色系数；R、G、B为红、绿、蓝基色单位。532.5 颜色视觉颜色视觉说明：说明：RR代表代表0.30lm0.30lm的红基色光，的红基色光，GG代表代表0.59lm0.59lm的绿基色光，的绿基色光，BB代表代表0.11lm0.11lm的蓝基色光，的蓝基色光，三者相加，为三者相加，为1lm1lm的白光。的白光。542.5 颜色视觉颜色视觉n 亮度公式亮度公式 在色度学
28、中，通常把由配色方程配出的彩色光F的亮度用光通量来表示：Y=0.30R0.59G+0.11B552.6 小结以与作业小结以与作业 通过本章的学习，要求驾驭以下内容：人眼视觉的形成过程；人眼视觉特性 光谱响应特性 谱尔金效应韦伯定律562.6 小结与作业小结与作业 明暗感觉的相对性 视觉惰性 人眼辨别力 实际应用 572.6 小结与作业小结与作业 彩色视觉 彩色三要素 三基色原理 混色方法 配色方程 亮度公式582.6 小结与作业小结与作业思索题:1.在交通路口，为什么选择黄、绿、红作为交通指示灯的颜色？提示：细致视察视敏度曲线。2.在电影院看电影时，为什么要把照明灯都关掉？提示：理解韦伯定律和视觉惰性593.请写出人眼视觉和色觉的形成过程。4.试比较RGB模型和HSI模型，并写出二者之间的转换关系。5.熟悉色度图并给出说明。2.6 小结与作业小结与作业60