各波长流明亮度、视觉原理

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1、11光和视觉性1.1.1人眼构造和感光机理一、人眼的构造 眼睛的外形是一个直径大约为23mm的球体，其水平断面，如图1.11所示。鼻子一锵眼球由多层组成，最外层是较硬的膜，前面1/6部分是透明的角膜，光线由此进 入，其余5/6部分为巩膜，作为外壳保护眼球。角膜内是前室，含有水状液，对 可见光是透明的，能吸收一部分紫外光。前室后面是虹膜，其中间有一直径可在 28mm间变化的小孔，称为瞳孔，相当于照相机的光圈，调节进入眼睛的光通 量。瞳孔后面是永晶体，它是扁球形弹性透明体，能起透镜作用，其曲率由两旁 的睫状肌调节，从而改变它的焦距，使远近不同的景物都在视网膜上清晰成象。 永晶体的后面是后室，它充满

2、了透明的胶质，起着保护眼睛的滤光作用。后壁则 为视网膜，它由无数的光敏细胞组成光敏细胞按其形状分为杆状的细胞和锥状细 胞，锥状细胞有700万个，主要集中在正对瞳孔的视网膜中央区域称为黄斑区。此处无杆状细胞，越远离黄斑区，锥状细胞越少，杆状细胞越多，在接近加缘区 域，几乎全是杆状细胞。杆状细胞只能感光，不能感色，但感光灵敏度极高，是锥状细胞感光灵敏度的 10, 000倍。锥状细胞既能感光，又能感色。两者有明确的分工：在强光作用下， 主要由锥状细胞起作用，所以在白天或明亮环境中，看到的景象既有明亮感，又 有彩色感，这种视觉叫做明视觉（或白日视觉）。在弱光作用下，主要由杆状细 胞起作用，所以在黑夜或

3、弱光环境中，看到的景物全是灰黑色，只有明暗感，没 有彩色感，这种视觉叫做暗视觉。锥体细胞和杆状细胞经过双极经胞与视神经相连，视神经细胞经过视经纤维通向 大脑，视神经汇集视网膜的一点，此点无光敏细胞，称为盲点。二、感光机理感光过程大致分为四个步骤：第一步：景物经过水晶体聚焦于视网膜形成“光象”。视网膜上各点光敏细胞受到 不同强度有光刺激，锥体细胞和杆状细胞中的感光包色素分别是视紫蓝质和视紫 红质，它们受光照后发生化学变化，化学变化向相反方向进行。第二步：因上述光学变化使视网膜上点产生与光照度成正比的电位，即在视网膜 上将“光象”变成“电位象”。第三步：视网膜上各点的民位分别促使各对应的视神经放电

4、，放电电流是振幅恒 定而频率随视网膜电位大小变化的电脉冲。换句话说，视神经将网膜的“电位象” 按频率偏码方式传送给视觉皮质。第四步：视觉皮质通常用接收到多达200万个频率编码的电脉冲信号，首先将 它们分别存入视网膜光敏细胞相对应的细胞特殊表面中，然后进行综合的图像信 息处理使人产生视觉，看到景物的图象。关于视觉皮质图像信息处理，还是一个 谜，人们正处于研究与探索之中。1.1.2光特性与度量一、光的特性光学和电磁场理论指出：光是一种可以看得见的电磁波，它具有波粒二象性一一 波形性和微粒性。电磁波的谱极为宽广，它包适无线电波、可见光谱、紫外线、 X射线和宇宙射线等，它们分别占据的频率范围如图1.1

5、2所示。可见光谱的波长范围在380780mm之间，随着波长的变化，人眼主观感随之 变化，表现为两个重要特性：1、不同波长的不具有不同的光颜色。若光的波从780nm依次递减变化到380nm， 光的颜色红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，比780nm更长的电磁辐射是红外线， 比380nm更短的电磁辐射是紫外线。2、辐射功率相同但波长不同的光给人眼的亮度不相同。下面将详细说明这一重 要特性。3x id-11可见出帯龍較丁80感锻东fiSO 珈 55S騎5俪倔 330 （sn）图屹也灘轴箱谢带ttrJS老廉也）”却一未盃贱电窗 10*宇宙射球二、辐射通量 所谓光源辐射通量就是指其辐射功率，而光源对某面积的辐射

6、通量是指单位时间 内通过该面积的辐射能量；光源总的辐射功率（或总辐射通量）是指单位时间内 通过包含光源的任一球面的辐射能量。其单位是尔格/秒或者瓦（焦耳/秒）。通常光源发出的光是由各种波长组成的，每种波长都是具有各自的辐射通量。光 源总的辐射通量应该是各个波长辐射通量之和。例如图1.13表示甲、乙两种 光源辐射功率波谱P （1 ）的曲线，它表示辐射通量按波长分布的情况。甲光源 是等能分布的，乙光源是非等能分布的。在某一极窄范围内的辐射通量（图中阴 影线所示面积）为：Wl .l +d/ =P (l) dl (1.11)总的辐射通量为恢刊&必（1.12）式中，W的单位为工率单位，如瓦。三、相对视敏

7、度函数辐射功率相同波长不同的光对人眼产生的亮度感觉是不相同的。1933年国际照 明委员会（CIE）经过大量实验和统计，给出人眼对不同波长光亮度感觉的相对 灵敏度，称为相同视敏度。表11给出了相对视敏度的最佳数据，图1.14 是根据表11作出的曲线，称为相同视敏函数曲线。它的意义是：人眼对各种 波长光的亮度感觉灵敏度是不相同的。实验表明：在同一亮度环境中，辐射功率 相同的条件下，波长等于555nm的黄绿光对人的亮度觉最大，并令其亮度感觉 灵敏度为1；人眼对其它波长光的亮度感觉灵敏度均于黄绿光（555nm）,故其 它波长光的相对视敏度V（ l）都小于1。例如波长为660nm的线光的相对视敏 度V

8、（660）0.061,所以，这种红光的的辐射功率应比黄绿光（555nm）大 16倍（即1/0.061=16），才能给人相同的亮度感觉。A (nm)A (nm)y400SSQ41Q0,00125404ZD0.0040販0.9954300.99S44 B5T00.953蚀0.038ESQQ-B70也3町590fl-J.570.0910,6310.13启100.503620DDD0.2655106400.1T5O.TIQ050Q4CT1-1祖討揑戟逵数值x0.0916700.0320.C17関0咖0.00417L0D0呵720o.eoios73D口.打QU5274-07504.0001Z760当丨3

9、80nm和丨780nm时，V (1 )=0。这说明紫外线和红外线的射功率再大，也不能引亮度感觉，所以红外线和紫外线是不可见光。这也是自然选择的结果。假如人眼对红外线也能反映，那么这种近似光雾的热辐射将会成为人们观察外部世界的一种干扰。四、光通道如前所述，在相同的亮度环境条件下，辐射功率相同波长不同的光所引起的亮度 感觉不同；辐射功率不同，波长也不相同的光可能引起相同的亮度感觉。为了按 人眼的光感觉去度量辐射功率，特引入光通量的概念，单一波长的光称为单色光 称为单色光。其光通量F (1 1)等于辐射功率P(1 )与相对视敏度的乘积，F (1 1)=P (1 1) V (1 1)光瓦(1.1-3)

10、两个或两个以上波长的光称为复合光。其光通量等于各波长光通量之和，光瓦(1.1-4)光通量的单位是光瓦和流明，1光瓦第于辐射率为1瓦波长为555nm的黄绿光 产生的光通量。1流明等于绝对黑体在铂的凝固点温度下，从5.303x10-3平方 厘米面积上辐射出的光通量。它们的互换关系是：1光瓦= 680流明，1流明= 1/680光瓦。o no 6 4 2 * F国相对视敏函数曲展1.1.3人眼的亮度感觉特性一、明暗视觉在1.1.2节中讨论了人眼的相对视敏函数曲线，这条曲线表明的是在白天正常光 照下人眼对各种不同波长光的敏感程度，它称为明视觉视敏函数曲线，如图1.1 5中粗曲线所示。明视觉过程主要是由锥

11、状细胞完成的，它既产生明感觉，又 产生彩色感觉。因此，这条曲线主要反映锥状细胞对不同波长光的亮度敏感特性。& 4 2 骨 Av u O图观敲硕数曲負在弱光条件下，人眼的视觉过程主要由杆状细胞完成。而杆状细胞对各种不同波 长光的敏程度将不同于明显视觉视敏函数曲线，表现为对波长短的光敏度感有所 增大。即曲线向左移，这条曲线称暗视觉敏函数曲线，如图1.15中细曲线所 示。在弱光条件下，杆状细胞只有明暗感觉，而没有彩色感觉。二、人眼察觉亮度变化能力的有限性人眼察觉亮度变化的能力是有限的。请看下面的实验：让人眼观察如图1.16(a)所示P1和P2两个画面，P1和P2的亮度均可调节。保持P1亮度从B 缓慢

12、递增至B+D Bmin,直到眼睛刚刚觉察到两者的亮度有差别为止。此时， 我们认为在这个亮度下的亮度感觉差了一级。用相同的方法，可以求出不同亮度 的主观亮度感觉级数，并制成如图1.1-6 (b)所示的曲线。曲线的意义是实际亮 度变化所引起的主观亮度感觉变化。图中横坐标代表实际亮度的变化，以尼特(1n it=1cd/m2)为单位：纵坐标代表主观亮度感觉的级数。以上实验说明： 1、要使人眼感觉到P1和P2两个画面有亮度差别，必须使两者的亮度差3 D Bnin, D Bmin是有限小量，而不是无限小量。因此，人眼察觉亮度变化的能力是有限 的。2、对于不同的环境亮度B。人眼可觉察的最小亮度差D Bmin

13、/B是相同的，并 等于一个常数。换句话说，人眼亮度感觉的增量D S不是正比于客观亮度的增 量D B,而是正比于亮度的相对增量D B/B，即D S=k(1.15)(1.1-5)上式经积分后得S=k1 nB+RO=k1gB+rO (1.1 6)式中k=k n10, k、k0均为常数。上式表明：主观亮度感觉与客观亮度的对数成 线性关系。并称之为韦伯费赫涅尔定律(WeberFechnerLaw)。图1.16所 示的曲线完全证明了这一点。Bmin/B称为对比度灵敏度阈或韦伯一费赫涅尔系数(WeberFecnerRatio)。通常占=0.0050.02，在亮很高或很低时，占增大至0.05。在观看电视时，因

14、杂散光影响，F的值也可大些。人眼亮度感觉的增量与客观亮度数成对比，这与人耳的听觉规律很相似；人耳对 声音感觉的增量与客观声音响度的对数也是成正比的。它们都是长期生态演变的 结果，使人眼形成对光强弱变化的适应性，否则人将无法受自然界光的刺激。黑白白-55亮度庖特图1.1-6眼硝的亮度感觉3 +400H然细胞三、视觉范围人眼能够感觉的亮度范围（称为视觉范围）极宽，从千分之几尼特直到几百万尼 特。其所以如此之宽，是由于依靠了瞳孔和光敏细胞的调节作用。瞳孔根据外界 光的强弱调节其大小，使射到视网膜上的光通量尽可能是适中的。在强光和弱光 下，分别由锥状细胞和杆状细胞作用，而后者的灵敏度是前者的1万倍。图

15、1.1 6所示的两条交叉曲线，分别表示杆状细胞和锥状细胞察觉亮度变化的关系。四、明暗感觉的相对性在不同的亮度环境下，人眼对于同一实际亮度所产生的相对亮度感觉是不相同的。 例如对同一电灯，在白天和黑夜它对人眼产生的相对亮度感觉是不相同的。另外， 当人眼适应了某一环境亮度时，所能感觉范围将变小。例如，在白天环境亮度 10，000特时，人眼大约能分辨的亮度范围为20020, 000尼特，低于200 尼特的亮度同感觉为黑色。而夜间环境为30尼特时，可分辨的亮度范围为1 200尼特，这时100尼特的亮度就引起相当亮的感觉。只有低于1尼特的亮度 才引起黑色感觉。图1.16的曲线也说明了这一点，当人眼分别适应了 A、B、 C点的环境亮度时，人眼感觉到“白”和“黑”的范围如虚线所示，它们所对应的实 际亮度范围比人眼的视觉范围小很多。并且A点的实际亮度对于适应了 B点亮 度的眼睛来说感