第二章_人眼視覺原理ok

1、1第二章 人眼視覺原理23光是一種電磁光是一種電磁波！在真空的波！在真空的速度是每秒速度是每秒30萬公里萬公里4微粒說，統(tǒng)治17、18世紀(jì)，可以解釋光的直線傳播和反射、折射，但是得出光在水中的速度比空氣中大的錯(cuò)誤結(jié)論。波動(dòng)說，認(rèn)為光是縱波，無法解釋“靜止以太”的矛盾性質(zhì)（密度極小，彈性模量極大）?；莞梗?6291695）：牛頓（16431727）：5托馬斯.楊和菲涅爾于19世紀(jì)初解決光是橫波的問題菲涅爾菲涅爾托馬斯托馬斯. 楊楊傅科1862年證實(shí)光在水中的速度小于空氣中的速度傅科傅科1773.6-1829，英國醫(yī)生兼物英國醫(yī)生兼物理 學(xué) 家 ， 以理 學(xué) 家 ， 以“雙縫干涉雙縫干涉”實(shí)驗(yàn)聞

2、名實(shí)驗(yàn)聞名1788.5-1827，法國土木工程法國土木工程師兼物理學(xué)家，師兼物理學(xué)家，以以“泊松亮斑泊松亮斑”聞名聞名1819.9-1868.2，法國物理學(xué)家，法國物理學(xué)家，實(shí) 驗(yàn) 天 才 ， 以實(shí) 驗(yàn) 天 才 ， 以“傅科擺傅科擺”聞名聞名于世于世6 19世紀(jì)60年代，麥克斯韋的電磁理論確信光是一種電磁現(xiàn)象。麥克斯韋麥克斯韋1831-1879，英，英國物理學(xué)家、國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，預(yù)言數(shù)學(xué)家，預(yù)言電磁波的存在。電磁波的存在。以麥克斯韋電以麥克斯韋電磁方程聞名。磁方程聞名。 物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期，可以說是達(dá)到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程度。一切物理現(xiàn)象似乎都能夠從相應(yīng)的理論中得到滿意的回答。 例

3、如，一切力學(xué)現(xiàn)象原則上都能夠從經(jīng)典力學(xué)得到解釋，牛頓力學(xué)以及分析力學(xué)已成為解決力學(xué)問題力學(xué)問題的有效的工具。對(duì)于電磁電磁現(xiàn)象現(xiàn)象的分析，已形成麥克斯韋電磁場理論，這是電磁場統(tǒng)一理論，這種理論還可用來闡述波動(dòng)光學(xué)的基本問題。至于熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象，也已經(jīng)有了唯象熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的理論，它們對(duì)于物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的宏觀規(guī)律和分子熱運(yùn)動(dòng)的微觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律，幾乎都能夠作出合理的說明。 總之，以經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)為三大支柱的經(jīng)典物理大廈已經(jīng)建成，而且基礎(chǔ)牢固，宏偉壯觀！在這種形勢下，物理學(xué)家大多感到陶醉，感到物理學(xué)已大功告成，因而斷言往后難有作為了。這種思想當(dāng)時(shí)在物理界不但普遍存在，而且由來已久。7

4、19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會(huì)上，開爾文勛爵發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說，物理大廈已經(jīng)落物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作成，所剩只是一些修飾工作。同時(shí)，他在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)，卻若有所思地講道：“動(dòng)力理論肯定了熱和光是運(yùn)動(dòng)的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論上第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。（The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes

5、of motion, is at present obscured by two clouds. ） W湯姆孫在1900年4月曾發(fā)表過題為19世紀(jì)熱和光的動(dòng)力學(xué)理論上空的烏云的文章。他所說的第一朵烏云，主要是指邁克爾孫實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以邁克爾孫實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以太漂移說相矛盾太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏云，主要是指熱學(xué)中的能量均分定則熱學(xué)中的能量均分定則在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實(shí)驗(yàn)不等的結(jié)果，其中尤在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實(shí)驗(yàn)不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”最為突出最為突出。 英國著名物理學(xué)家W湯姆孫（即開爾文勛爵）是1

6、9世紀(jì)英國杰出的理論物理和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，是一位頗有影響的物理學(xué)權(quán)威，他的說法道出了物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期的基本狀況，反映了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的主要思潮：8u 第一朵烏云第一朵烏云邁克耳孫邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)與莫雷實(shí)驗(yàn)與“以太以太”說破滅說破滅 水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質(zhì)都不能傳播。太陽光穿過真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個(gè)傳播介質(zhì)“以太以太”。 最早提出“以太”的是古希臘哲學(xué)家亞里士多德。亞里士多德認(rèn)為下界為火、水、土、氣四元素組成；上界加第五元素“以太”。牛頓

7、在發(fā)現(xiàn)了萬有引力之后，碰上了難題：在宇宙真空中，引力由什么介質(zhì)傳播呢？為了求得完整的解決，牛頓復(fù)活了亞里士多德的“以太”說，認(rèn)為“以太”是宇宙真空中引力的傳播介質(zhì)。后來，物理學(xué)家又發(fā)展了“以太”說，認(rèn)為“以太”也是光波的傳播介質(zhì)。光和引力一樣，是由“以太”傳播的。他們還假定整個(gè)宇宙空間都充滿了“以太”，“以太以太”是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介介。19世紀(jì)時(shí)，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質(zhì)說成是一種沒有重量，可以絕對(duì)滲透的“以太”?！耙蕴奔染哂须姶诺男再|(zhì)，又是電磁作用的傳遞者，又具有機(jī)械力學(xué)的性質(zhì)，它是絕對(duì)靜止的參

8、考系，一切運(yùn)動(dòng)都相對(duì)于它進(jìn)行。這樣，電磁理論與牛頓力學(xué)取得協(xié)調(diào)一致?！耙蕴笔枪?、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門“以太學(xué)”。 但是，肯定了“以太”的存在，新的問題又產(chǎn)生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動(dòng)，就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時(shí)，它也必須對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接憽耙蕴L(fēng)”存在與否。 為了觀測“以太風(fēng)”是否存在，1887年，美國物理學(xué)家邁克爾孫與美國化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷合作，在克利夫蘭進(jìn)行了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)-邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，即“以太漂移以太漂移”實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動(dòng)的方向同光的射向一致或相反，測出的光速

9、都相同，在地球同設(shè)想的“以太”之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因而，根本找不到“以太”或“絕對(duì)靜止的空間”。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)在理論上簡單易懂，方法上精確可靠，所以，實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。 邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)使科學(xué)家處于左右為難的境地。他們或者須放棄曾經(jīng)說明電磁及光的許多現(xiàn)象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那么，他們必須放棄比“以太學(xué)”更古老的哥白尼的地動(dòng)說。經(jīng)典物理學(xué)在這個(gè)著名實(shí)驗(yàn)面前，真是一籌莫展。9u 第二朵烏云第二朵烏云黑體輻射與黑體輻射與“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難” 在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領(lǐng)比較強(qiáng)，比如煤炭對(duì)電磁波的吸收率可達(dá)到80左右。

10、所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100的理想物體。真正的黑體并不存在，但是，一個(gè)表面開有一個(gè)小孔的空腔，可以看作是一個(gè)近似的黑體。因?yàn)橥ㄟ^小孔進(jìn)入空腔的輻射，在腔里經(jīng)過多次反射和吸收以后，不會(huì)再從小孔透出。 19世紀(jì)末，盧梅爾（ 18601925）等人通過著名實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黑體發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關(guān)。從經(jīng)典物理學(xué)的角度看來，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是不可思議的。 怎樣解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果呢？當(dāng)時(shí)，人們都從經(jīng)典物理學(xué)出發(fā)尋找實(shí)驗(yàn)的規(guī)律。前提和出發(fā)點(diǎn)不正確，最后都導(dǎo)致了失敗的結(jié)果。例如，德國物理學(xué)家維恩

11、（18641928）建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個(gè)公式只在波長比較短、溫度比較低的時(shí)候才和實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合。英國物理學(xué)家瑞利和物理學(xué)家、天文學(xué)家金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利-金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強(qiáng)度可以無止境地增加，這和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個(gè)失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。它的失敗無可懷疑地表明經(jīng)典物理學(xué)理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的“災(zāi)難”。10 物理學(xué)發(fā)展的歷史表明，正是這兩朵小小的烏云，終于釀成了一場大風(fēng)暴

12、。第一朵烏云，導(dǎo)致相對(duì)論的產(chǎn)生；第二朵烏云，導(dǎo)致了量子論的出現(xiàn)。這“兩朵烏云”恰恰是世紀(jì)之交物理學(xué)革命的導(dǎo)火線，發(fā)展起了全新的物理學(xué)理論。邁克爾遜 莫雷 瑞利 愛因斯坦普朗克 1852-1931，美，美國物理學(xué)家國物理學(xué)家1839-1923，美，美國化學(xué)家國化學(xué)家1842-1919，英，英國物理學(xué)家國物理學(xué)家1879-1955，美，美國物理學(xué)家國物理學(xué)家1858-1947，德，德國物理學(xué)家國物理學(xué)家11紅外、可見光、紅外、可見光、紫外線紫外線X射線射線宇宙射線宇宙射線內(nèi)層電子內(nèi)層電子外層電子外層電子原子核原子核12光的強(qiáng)弱的度量：光度學(xué)光的強(qiáng)弱的度量：光度學(xué)說明功率和波長都是影響亮度感覺的因素

13、。說明功率和波長都是影響亮度感覺的因素。1314光照度光照度（）單位面積（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覺的能力，覺的能力，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）發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度(坎德拉坎德拉cd)單位面積（每平方米）亮度亮度(cd/m2)1550lx1000lx1000020000lx0.lx教室陰天陽光直射夜間滿月1615億億500萬萬50002500陽光白熾燈滿月蠟燭17人的眼睛是一人的眼睛是一個(gè)平均直徑約個(gè)平均直徑約為為20mm的球的球體體18 白色、堅(jiān)固的鞏膜，保護(hù)眼球 脈絡(luò)膜，黑色

14、不透光，營養(yǎng)眼球 視網(wǎng)膜，含有許多對(duì)光線敏感的細(xì)胞，能感受光的刺激 后房，玻璃體，透明膠狀物質(zhì) 晶狀體，透明，有彈性，像雙凸透鏡，能折射光線 角膜，無色透明 虹膜，有色素，可以調(diào)節(jié)瞳孔大小 前房，充滿透明淡鹽溶液19光學(xué)過程化學(xué)過程神經(jīng)處理過程 客觀景物（發(fā)光體或者散射體）發(fā)出的光束，攜帶光能量進(jìn)入左右眼睛并同時(shí)作用在視網(wǎng)膜上引起視感覺。光刺激在視網(wǎng)膜上經(jīng)神經(jīng)處理產(chǎn)生的神經(jīng)沖動(dòng)（電流脈沖）沿視神經(jīng)纖維傳到大腦皮層，產(chǎn)生視知覺。20人眼21( )P( )P( )P( )K( )P( )K22相對(duì)視敏度曲線（光譜響應(yīng)曲線）相對(duì)視敏度曲線（光譜響應(yīng)曲線）明亮環(huán)境下，明亮環(huán)境下，對(duì)黃綠光視敏對(duì)黃綠光視

15、敏度的歸一化曲度的歸一化曲線線2324 源 于 視 網(wǎng)源 于 視 網(wǎng)膜 內(nèi) 錐 狀 細(xì)膜 內(nèi) 錐 狀 細(xì)胞 和 柱 狀 細(xì)胞 和 柱 狀 細(xì)胞 的 不 同 工胞 的 不 同 工作特點(diǎn)作特點(diǎn)25明視覺與暗視覺的視敏度曲線明視覺與暗視覺的視敏度曲線 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26min/BB常數(shù)minB 說明人眼的亮度說明人眼的亮度感覺不僅與物體自感覺不僅與物體自身亮度有關(guān)，還與身亮度有關(guān)，還與周圍環(huán)境亮度有關(guān)。周圍環(huán)境亮度有關(guān)。 一般地，背景一般地，背景越亮，越不易分辨。越亮，越不易分辨。27不同亮度下的路燈感覺不一樣不同亮度下的路燈感覺不一樣28晴朗的白天（晴朗的

16、白天（10000cd/mm2），），人眼可分辨的亮度范圍為人眼可分辨的亮度范圍為20020000 cd/mm2 ，200 cd/mm2以以下就感覺黑；而在夜間（下就感覺黑；而在夜間（30 cd/mm2 ），可分辨的亮度范圍），可分辨的亮度范圍為為1200 cd/mm2 ，100 cd/mm2的亮度就感覺很亮。的亮度就感覺很亮。29實(shí)際感受亮度是實(shí)際感受亮度是以適應(yīng)亮度為中以適應(yīng)亮度為中心的一部分心的一部分（1000:110:1） 指人眼所能感覺到的亮指人眼所能感覺到的亮度范圍，可以從千分之幾度范圍，可以從千分之幾到幾百萬到幾百萬cd/mm2。30這 種 感 覺這 種 感 覺很有用！很有用！31

17、P15：分辨率：分辨率1，0.03mm是分辨極限是分辨極限32光照度光照度相對(duì)對(duì)比度相對(duì)對(duì)比度色色 彩彩3334與視覺惰性緊密聯(lián)系的還有臨界閃爍臨界閃爍頻率頻率，它是指剛好不引起閃爍感覺的最低頻率。如果光脈沖頻率不高，會(huì)使人眼產(chǎn)生一明一暗的閃爍感覺，長期觀看容易疲勞。35 36我是色盲我是色盲37彩色彩色非彩色非彩色顏色3839亮度：亮度：色調(diào)：色調(diào)：指指顏色的類顏色的類別，與光別，與光的波長有的波長有關(guān)。改變關(guān)。改變光的波譜光的波譜成分，光成分，光的色調(diào)會(huì)的色調(diào)會(huì)發(fā)生變化。發(fā)生變化。色飽和度：色飽和度： 指色調(diào)深淺的程度指色調(diào)深淺的程度(純度純度)，對(duì)物體，對(duì)物體而言，色飽和度與物體的反射光譜選擇性有關(guān)。而言，色飽和度與物體的反射光譜選擇性有關(guān)。4041指自然界中常見的大部分彩色都可由三種相互獨(dú)立的基色按照一定比例混合得到。421931年，國際照明委員會(huì)年，國際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定水銀光譜中）規(guī)定水銀光譜中 R 700nm； G546.1nm； B 435.8nm為紅、綠、藍(lán)為紅、綠、藍(lán)基色光。當(dāng)紅、綠、