颜色的物理与生理副本

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1、第二讲 颜色的物理与生理机制,课后练习,1、说明以下常用照明术语的定义及其单位 光通量 光强（发光强度） 照度 2、解释 暗视觉、明视觉、和中介视觉 视觉阈限 明适应和暗适应 后像,一、光的本质,照明工程中，光是指辐射能的一部分，即能产生视觉的辐射能。 从物理学的观点，光是电磁波谱的一部分，波长范围在380-780nm之间，这个范围在视觉上可能稍有些差异。 任何物体发射或反射足够数量合适波长的辐射能，作用于人眼睛的感受器，就可看见该物体。,电磁波谱,电磁波谱 10-16-105m 可见 380-780nm 紫外线 100-380nm 红外线 780nm-1000um,天然的紫外、红外源,太阳是

2、近紫外线发射源。人造发射源可以产生整个紫外线波谱 太阳是天然的红外线发射源 白炽灯一般可发射波长在5000nm以内的红外线 发射近红外线的特制灯可用于理疗和工业设施,二、光谱光效率曲线,光谱光效率用来评价人眼的视觉灵敏度 不同波长的光在人眼中产生光感觉的灵敏度也不同；人眼对波长为555 nm的黄绿光感受效率最高，峰值波长m = 555 nm 用来度量辐射能所引起的视觉能力的量叫光谱光效能。Km= 683 lm/W。 其他任意波长时的光谱光效能K()与之比称为光谱光效率，用表示V ，它随波长而变化 V = K()/ Km,视觉与亮度的关系,亮度在10 cdm-2以上时，人眼为明视觉，若再增加亮度

3、，则眼睛的反应不受影响； 亮度在10-6-10-2 cdm-2之间时，人眼光谱光效率曲线的峰值要向波长较短的方向移动，其最大灵敏度值一般出现在波长为507 nm，曲线2即为暗视觉光谱光效率曲线。 明暗视觉的这种差别被认为与视网膜内两种视觉神经元工作特性有关。,光谱光效率曲线,1-明视觉，2-暗视觉,第二节 常用的光度量,一、光通量 二、发光强度(光强) 三、照度 四、光出射度(面发光度) 五、亮度,光通量,单位时间内光辐射能量的大小。 它是根据人眼对光的感觉来评价的。 光源出光的量为光通量。光通量是光流的时间速率。 光通量一般就视觉而言，即辐射体发出的辐射通量按V曲线的效率被人眼所接受 若辐射

4、体的光谱辐射通量为e,其光通量公的表达式为：,光通量的单位,光通量的单位是流明lm在国际单位制和我国法定计量单位中，它是一个导出单位。1 lm是发光强度为1 cd的均匀点光源在1 sr内发出的光通量。 在照明工程中，光通量是说明光源发光能力的基本量。 一只220V 40w白炽灯发射的光通量为350 lm，而一只220V 40W荧光灯发射的光通量为2100 lm，为白炽灯的6倍。,光 强,为了表示辐射体在不同方向上光通量的分布特性，引入光通量的角(空间的)密度概念 S为点状发光体，它向各个方向辐射光量，若在某方向上取微小立体角d，在此立体角内所发出的光通量为d，则两者的比值即为该方向上的光强I,

5、提高发光强度的方法,发光强度常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向或在选定方向上的分布密度。 例一只220V 40W白炽灯发出约350 lm光通量，它的平均光强为350/428 cd; 若在该颗灯泡上面装一盏白色搪瓷平盘灯罩，则灯的正下方发光强度能提高到70-80 cd。 如果配上一个聚焦合适的镜面反射皿则灯下方的发光强度可以高达数百坎德拉。 在后两种情况下，灯泡发出的光通量并没有变化只是光通量在空间的分布更为集中，相应的发光强度也提高了,发光强度的单位,单位是坎德拉cd，在数量上1cd=1lm/sr 坎德拉是国际单位制的基本单位之一，其他光度量单位都是由坎德拉导出的。 坎德拉定义为：一

6、个光源发出频率为5401012 Hz的单色辐射(对应于空气中波长为550 nm的单色辐射)，若在一定方向上的辐射强度为1/683 w/sr，则光源在该方向上的发光强度为1cd （1979年10月第10届国际计量大会）,照 度,用来表示被照面上光的强弱，以被照场所光通的面积密度来表示 取微小面积dA，入射的光通为d，则照度E为：,照度的单位,国际单位 勒克斯(lx) 1 lx即表示在1 m2的面积上均匀分布l lm光通量的照度值。或者是一个光强为1 cd的均匀发光的点光源，以它为中心，在半径为1 m的球表面上各点所形成的照度值。 除了勒克斯(lx)化工程上还曾经用过英尺-坎德拉(fc)、辐透(p

7、h)、毫辐辐透(mph),常见情景的照度,1 lx的照度是比较小的，在此照度下仅能大致地辨认周围物体要进行区别细小零件的工作则是不可能的。 晴朗的满月夜地面照度约为0.21 lx 白天采光良好的室内照度为100-500 lx，晴天室外太阳散射光(非直射)下的地面照度约为l000 lx 中午太阳光照射下的地面照度可达10000 lx,光谱光视效率：V() = Le555/Le 1 光视效能：K()= Xv/Xe=KmV(),光和视觉,第一节 视觉的生理基础 眼睛的构造 视觉产生过程 第二节视觉特性 暗视觉、明视觉和中介视觉 视觉阈限 明适应和暗适应 后像 眩光 个人差别 第三节视觉功能 对比敏感

8、度可见度 视觉敏锐度(视力) 视觉感受速度(察觉速度),屈光系统,屈光系统的作用是将不同远近的物体清晰地成像在视网膜上。它包括有： 角膜 位于眼球的正前方，是一种弹性透明组织，厚度约为0.5 mm，直径约11 mm，角膜具有屈光能力，平均折射率为1.336。 房水 充满于角膜和虹膜之间虹膜与晶状体之间的水样透明液体，由睫状体产业。它的功能是提供角膜和晶状体等血管组织的新陈代谢和维持眼内压。房水的折射率也为1.336。 睫状肌的收缩可改变晶状体的屈光力，使不同距离的物体均能成象在视网膜上。晶状体厚3.6-4.4 nm，直径约为9 mm，折射率从外到内约为1.386-1.437。 玻璃体是一种透明

9、的半流体，位于晶状体和视网膜之间，折射率为1.236。,感光系统,视网膜就是人眼的感光系统。人眼的视网膜厚度约0.1-0.5mm,主要由三层细胞构成。 最外层为视细脑层，它包括两种视细胞-锥体细胞和杆体细胞。达两种细胞是以它们的形状取名的，图中a为杆体细胞，直径约2-4um，长约60um，b为锥体细胞，它为圆锥状，直径约2-6um长40um。锥体细胞具有精细的分辨能力，能很好地分辨颜色但感光灵敏度低；而杆体细胞感光灵敏度高，促分辨细节的能力低不能分辩颜色。,第二层为双极细胞层(d, e, f, h)，双极细胞的一端与视细胞相联，另一端与神经节细胞相联。一般情况，每一个锥体细胞都与一个双极细胞联

10、结，因此，在光亮条件下，每一锥体细胞作为一个单元，能够精细地分辨外界对象的细节。而杆体细胞则不同，几个杆体细胞只联结一个双极细胞，因此次黑暗条件下通过几个杆体细胞对外界微弱刺激起总和作用，能得到高的感光灵敏度。 第三层是最内层，主要含有神经节细胞，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。,光线由角膜进入眼球到达视网膜，通过视网膜的第三层和第二层，最后才到达锥体细胞和杆体细胞。 人和其他脊椎动物的眼睛，都具有这种感光细胞在最后层的“倒置”的视网膜。视细胞与双极细胞和神经节细胞栋联结成一个个纵向体系，图中A、B、C是杆体细胞系统；D、E、F、G是锥体细胞系统；H是杆体与锥体细胞混合

11、系统。,人眼视网膜小约有1.07亿个视细胞，其中杆体细脑约1亿个，锥体细胞约700万个。它们在视网膜上的分布是不均匀的。 位于视网膜中央部位，有一个呈黄色的锥体细胞密集区，直径约2-3mm，称为黄斑。黄斑中央有一凹窝，称为中央凹，是视觉最敏锐的地方，锥体细胞的密度在中央凹处最大。在视网膜中央的黄斑部位和中央凹大约3视角范围内主要是锥体细胞，几乎没有杆体细胞；出里向外锥体细胞急剧减少，而杆体细胞逐渐增多。在离小央凹20的地方，杆体细胞的数量最大。 在距中央凹约4mm的鼻侧，为视神经纤维以及视网膜中央动、静脉所通过，形成一个卵圆形的乳头，此处没有视细胞，故称为盲点。,眼球除了上述两大主要部分外，其

12、他部分各有它们的特殊功能。虹膜在角膜后面，位于晶状体前，中央有一圆孔称为瞳孔。虹膜内有扩大肌和括约肌两种肌肉来控制瞳孔扩大或缩小，以控制进入眼内的光能量的多少。睫状体位于虹膜后，其内部有睫状肌，起调节晶状体曲率的作用。使外界不同距离的物体都能清晰地成像在视网膜上。 脉络膜合有丰富的色素细胞，呈黑色，起着吸收外来杂散光的作用，消除由于反射、散射光线在眼球内形成的杂光。它还起供给视网膜营养的作用。巩膜是眼球的外壁，起保护作用。 当入观察物体时，物体发出的光通过角膜进人人眼，在角膜、房水、晶状体、玻璃体的作用下，成像在视网膜上。视细胞接受光刺激转化为神经冲动，经视神经进入脑内的视觉中枢，从而产生物体

13、大小、形状、亮暗和颜色等视感觉。,扬-赫姆霍尔兹的三色学说,这一学说是由19世纪提出的 根据红、绿、蓝三原色可以混合出各种不同色彩颜色的混合规率，假设人眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉。光作用于视网膜上虽然能同时引起三种纤维的兴奋，但波长不同，引起三种纤维的兴奋程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉。 例如长波端的光同时刺激“红”、“绿”、“蓝”三种纤维，但是“红”纤维的兴奋最强烈，因此有红色感觉。 光刺激同时引起三种纤维强烈兴奋，从兴奋程度相同就会产生白色感觉。,对光谱的每一波长，三种神经纤维都有其持有的兴奋水平，三种纤维不同样度的同时活动就产生了相应的颜色感觉。

14、总亮度感觉为三种纤维中每种纤维提供的亮度感觉之和。 人眼视网膜上确实含有三种不同类型的锥体细胞，这三种锥体细胞中分别合有三种不同的视色素。 这三种不同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰值分别约在440-450 nm ;530-540 nm; 560-570 nm处,赫姆霍尔兹三色学说的图解,颜色感觉,可见光辐射刺激人眼引起颜色感觉。 物体的颜色除取决于物体辐射对人眼产生的物理刺激外，还取决于人眼的视觉特性 必须从生理学及心理学的角度了解人限的构造和颜色感觉的机理，以及种种颜色视觉现象。,人的视觉系统,人的视网膜有三种色彩感觉细胞叫做圆锥细胞。 三种类型，决定对进入光的波长的灵敏性 蓝色圆锥细胞的波

15、峰是440nm绿色圆锥细胞的是545nm红色的是580nm,眼睛对各种相同强度的波长的敏感峰是550nm。相同强度下绿色要比红和蓝看着都要亮些。 圆锥细胞需要高的亮度去刺激，当亮度增加世颜色的区分度也就增加。 同样，纯度的增加颜色的区别度也随之增加。,有种圆柱形神经的末端杆状分布在视网膜上对光的亮度和色彩信息敏感 杆状细胞对弱光很敏感同样对外型和质地也很敏感 三原色理论也称三刺激理论是基于视网膜有三种色彩感受器的。 这个理论可用来解释颜色匹配实验的结果,视觉神经元的吸收光谱曲线,外界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收特性所吸收，细胞色素吸收光子所引起光化学反应，视色素被分解漂白，同

16、时触发生物能，引起神经活动，将视觉信息通过双投细胞和神经节细胞传至神经中枢。 视色素的漂白程度以及产生的生物能的大小与此类锥体细胞吸收的光子数量有关，光子数越多，则漂白程度越高。 分别称这三种视色素为亲蓝、亲绿、亲红视色素。,吸收光谱曲线,人眼对各种色彩的感觉是不同的光辐射对三种色素不同程度的漂白的综合结果。 人眼的明亮感觉是三种锥体细胞提供的亮度之和。,视 场,头部不动时，眼睛能看见的范围称为视场(视野)。在正常情况下，人两眼的视场为 水平面的视场为180o，垂直面的视场为130o，水平面上方为60o，水平面下方为70o 黄斑的对应角约为2o，这个区域称为中心视场，从中心视场的外边线到离视线轴线30o的圆周这个范围是视界最清楚的区域。,图中间白色部分为双眼都看到部分 左右两侧灰色部分为左右眼分别看到部分。 黑色部分为被眼眉、面颊和鼻子遮挡的部分,暗视觉、明视觉和中介视觉,视场亮度在10-6-10-2 cd/m2只有杆状体工作锥状体不工作，这种视觉状态称为暗视觉。 亮度达到10 cd/m2以上时锥状体的工作起