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1、第一章 光与视觉 本章要点： 什么是颜色？颜色的定义 颜色的物理基础 颜色的视觉基础 视觉功能 重点是理解颜色的物理和生理特性 颜色是什么？ 颜色怎么产生的？与什么因素有关？ 如何确定两颜色是否相同？ ? 人眼的颜色感觉是最终评价的标准 颜色究竟是什么？ 颜色是信息 颜色是信息的载体，可以传达比单色更 丰富的信息 彩色可以给人以美的感受 颜色是如何产生的？ 光与物体 颜色是由光产生的 物体要有光的照明 光与物体相互作用后才可能出现颜色 无光就无色 颜色是一种视觉感觉，即使有光，还必须有 正常的颜色视觉才能感受到 外部世界信息的80%是通过视觉提供的 视觉分为颜色视觉与形象视觉两部分 人们观察物
2、体时，视觉神经首先反映的是 物体的颜色，其次才是形状、质感等具体 细节，这就是所谓“远观颜色、近看花” 视 觉 人类的五大感官：视觉、听觉、嗅觉、味 觉和触觉 视觉产生的过程 颜色视觉产生的大致过程： 光源(包括自然光与人工光源)发出的光照 在物体表面 物体对光选择性地吸收，反射或透射之 后作用于人眼 人眼内视细胞将光刺激转换为神经冲动 由视神经传入大脑，由大脑判断出该物 体的颜色 光源、物体、眼睛+大脑（视觉）是颜色 视觉产生的四（三）大要素 在颜色视觉形成的过程中，光源显然为 四要素之首，一切颜色来源于光，无光 就无色 为什么有光才有色？光与色之间有什么 关系？ 研究颜色首先就要研究光的辐
3、射特性 1.1光 1.1.1 可 见 光 能引起人眼视觉明亮感觉的电磁辐射 称为可见光辐射，简称可见光或光 可见光的波长范围大约在380780 nm (400700）（1 nm=10 mm=10 m) 在整个电磁波谱中，可见光辐射只占 很小的一部分 具有单一波长的光称为单色光 -6- 9 光波的物理特性 光是如何产生的？ 表示光波的物理参数有哪些？ 光波的物理特性是什么？ 单色光有什么物理特性？ 可见光谱内，不同波长的单色光引起人 眼的颜色感觉是不同的，大致为： 红色770-650nm 黄色600-550nm 绿色530-500nm 蓝色460-420nm 橙色650-600nm 黄绿色550
4、-530nm 青色500-460nm 紫色420-380nm 白光色散后按波长顺序排列而成的彩色光带称 为可见光谱，组成光谱的各种单色光又叫作光 谱色。 自然光和大多数光源发出的光是由单色光复合 而成，只有激光器发出单色光 不同波长的单色光可以产生不同的颜色感觉 各种单色光混合在一起成为复色光 1.1.2 光 谱 分 布 不同波长的单色光产生不同的颜色感觉 不同波长单色光混合而成的复色光颜 色，就取决于各个波长单色光的组成比 例 辐射能量按波长分布的规律称为光谱分 布 光谱分布是描述物体颜色特性的最基本 方法（以物理方法研究物体颜色） 光谱分布 在实际应用中，使用更 多的是光谱分布的相对 值，
5、最大值为“1” 用光谱分布既可以表示 光源的发光，也可以表 示物体对光的作用 光谱分布是波长的函 数，如S()， () 物体产生的颜色取决于 光谱分布中的主要波长 400 450 500 550 600 650 700nm 1 0.5 问题 光源光谱分布曲线下包围的面积有 何物理意义？ 常见光源的光谱分布有(1)线状光谱， (2)带状光谱，(3)连续光谱，(4)混合光谱 (前三种的组合)。 1.2 物体的光谱特性 物体的三种主要形式 自发光物体：可发出不同颜色光的发 光物体 反射物体：不透明物体，能够反射照 射在上面的光，如印刷品 透射物体：透明的物体，可以透过照 射在上面的光，如透射原稿 后
6、两种又称为物体色 物体的光谱特性 物体呈现出不同的颜色，原因就在于物 体自身的光学特性，物体对落在其表面 的光谱成分有选择性透射、吸收和反射 的特性，物体的这种特性称为物体的光 谱特性 物体的光谱特性是物体自身性质决定 的，相对固定 物体本身的光谱特性是产生不同颜色的 主要原因之一 1.2.1 透明物体的光谱特性 当光照射在透明物体 上，一部分光会透过 物体，另一部分光则 被吸收，改变了透射 光的颜色 用光谱透射率曲线来描述透过率与波长的关系 光谱透射率为从物体透射出的波长为入的光通 量()与入射于物体上的波长为的光通 量o()之比。表示为： 透射率倒数为吸收度 单位厚度的吸收度为吸 收系数
7、透射率 吸收率1- 1 0.1 0.01 0.001 00.90.990.999 密度D=-lg 01.02.03.0 吸收度的对数又称为(光学)密度，密度常 用 D表示，与吸光材料的厚度成正比（比尔定 律） 密度是印刷中用来衡量照相软片的透过率和 油墨膜层厚度的常用物理量，作为质量控制 的参数 问题 请推导两个或以上透射物体的总光 谱透射率总()和总密度D总的表 达式，并给予解释。 空气（真空）是一种理想透明体， 其在整个可见光波段内的光谱透射比均 为1，因此，空气被用来作为其它透明物 体光谱透射比测量的参照标准。 透明物体的颜色特性可以从它的光 谱透射比算出来，所以，在色度学中光 谱透射比
8、的测定有重要意义。测定光谱 透射比使用分光光度计。 透明物体的光谱特性 透明物体 的选择性 吸收和透 过特性是 它产生颜 色的物理 原因 吸收透过 被吸收 透过光 透 过 光 强 度 1.2.2 反射物体的光谱特性 光照射在反射物体上时，由于其表面 特性而形成选择性吸收，将可见光谱 中某些波长的辐射能吸收了，而将剩 余波长的色光反射出来。同样地， 若一个表面对投射到它上面的白光在各波 段内做等比例吸收，则保持照明光原来的 颜色，仅改变对照明光的反射强度 当反射率从0到1变化，物体表面就呈现出 黑、灰色(由深入浅)、白色。 物体表面对白光中光谱各波段的辐射能做 等比吸收，则反射(或透射)光各波长
9、的辐射 能均做等量减少，而光谱组成比例不会改 变，这种现象就称为非选择性吸收 光 谱 反 射 率 白色 浅灰色 灰色 深灰色 黑色 波长 nm 0 理想的非选择性吸收 1 600700 标准白板材料光谱反射率曲线 反射物体的光谱特性 反射物体 对光谱成 分选择性 吸收和反 射是它产 生不同颜 色的主要 原因 反射波段 吸收波段 反 射 率 1.3 视觉的生理基础 1.3.1 眼睛的生理结构 可见光辐射刺激人眼产生颜色视觉。 人眼担负着成像和感觉两大作用，是 颜色视觉产生的第三大要素 从视觉功能的角度看，整个眼球主要 可分为屈光、控制和感光系统三个部 分 一、屈光系统 屈光系统的作用是将物体清晰
10、地成像 在视网膜上。它包括角膜、瞳孔、房 水、晶状体和玻璃体 角膜、房水 、玻璃体折射率为 1.336，晶状体折射率从外层到内层约 1.386-1.437，起主要的成像作用 二、控制系统 瞳孔如同照相机的光圈，可以随光线 明暗自动在2-8 mm之间调节大小 曲率半径由睫状肌调节从而在一定范 围内改变屈光度，使远近不同的物体 都能在视网膜上得到清晰的成像。作 用相当于照相机的变焦镜头 三、感光系统 人眼的感光系统由视网膜组成，相当 于像机内的感光胶片，更确切地说， 更类似于数字相机的接收器 视网膜厚度约为0.1-0.5 mm，主要由 视细胞层、双极细胞层和神经节细胞 层三层细胞构成 锥体细胞 只
11、能在明亮条件下起作 用，感光灵敏度低，具有分辨物体颜色 与细节的能力。长度为28-58m，直径 为2.5-7.5m。数量700万个。 杆体细胞感光灵敏度高，能在昏暗条 件下发挥作用，分辨细节能力低，不能辨 别颜色。长度为40-60m，直径为2m。 数量1亿个。 1.视细胞层 2.双极细胞层联结视细胞与神经节细胞。 3.神经节细胞层它与视神经相联结，视神 经穿过眼球后壁进入脑内的视觉中枢。 视细胞层 双极细胞层 神经节细 胞层 视细胞在视网膜上的分布是不均匀的 盲点的确定实验 为什么平时看不到盲点？ 1.3.2 明视觉和暗视觉 人眼有两种视细胞：锥体细胞和杆体细 胞，对应着两种不同的视觉功能。
12、明视觉(锥体细胞视觉)：在光亮条件下，即亮 度在几个cd/m2以上时，人眼的锥体细胞起作 用，可以很好地分辨物体的颜色与细节 暗视觉（杆体细胞视觉）：在暗条件下，即亮 度在百分之几cd/m2以下时，人眼的杆体细胞 起作用，只有明暗感觉，不能分辨颜色和细节 根据不同科学家的实验结果规定了明视觉光谱光 视效率V()和暗视觉光谱光视效率V()。 光谱光视效率 能量相同而波长不同的光，引起人眼的亮 度感觉不同 眼睛的灵敏度与波长的依赖关系，称为光 谱光视效率(或称视见函数) 由于人眼有明视觉和暗视觉两种视觉功 能，光谱光视效率也分明、暗两种 CIE(国际照明委员会)分别于1924年和1951年 辐通量
13、 光通量 辐通量 辐通量与光通量的关系式为： 式中V()为明视觉光谱光视效率；V()为暗视 觉光谱光视效率；v,v为光通量，单位是流 明(lm)；e()是以波长为自变量的辐通量，单 位是瓦(W)；Km=683流明/瓦(lm/w)；Km=1755流 明/瓦(lm/w)。 计算举例 已知560 nm光的能量为50单位，700 nm光的能量为180单位，求混合光的 亮度。 L 683 (50 0.995 180 0.0041)34483.304(流明) 1.3.3 视觉功能 一、视角 物体对眼睛所形成的张角称作视角， 如图所示 A是物体的大小， D为A距眼睛节点 的距离即视距。 物体在视网膜上 成像
14、A，为物 体A对眼睛所形成 的视角。 当很小时， tg A 弧度57.3 弧度57.3 于是物体A在视网膜上的像A的大小为 tg 2 2D 视角可用下面公式计算 2 2 A D A b A D A b mm A D A17tg17 有 或 （弧度） 物体A的视网膜成像大小，取决于视 角的大小。视角的大小与物体的距 离成反比，与物体的高度成正比。 视角随距离的变化 1 V 常视力的人，能够分辨物体空间两点间所形成的最小视 角为1(角度)。临床医学上通常将视锐度叫做视 力，视力(视锐度)V是以视觉所能分辨的以角度分为单位 的视角的倒数，即 二、视力(视觉敏锐度) 表示视觉辨认物体细节的能力。也称视
15、锐度。具有正 在我国规定，当人的视觉能够分辨1分角的物体细节时，他 的视力便为1.0，并以此做为正常视力的标准。 三、视场 视角所对应的圆面积，称为视场。例如： 当观察距离D=250mm，视角=10时，所对应 的视场半径r为： 同理可得观察视距为250mm时，1、2、 4 4视角所形成的视场半径分别为：2.19mm， 4.36mm,8.32mm 对比辨认 视场中物体亮度与背景亮度差与背景亮 度之比称为对比度： L背景 L物体 L背景 或 C L物体 L背景 L背景 C 视力与对比度有关，如 EE 视觉功能曲线（视力与照度的关系） 视力随照明水平增加而提高 作要有相应的照明水平 视觉功能曲线（视力、对比和照度） 相同视力情 况下，照度 水平增加则 对比度就可 以越低
