三度學(xué)第1章-課件

第1章輻射度量、光度量基礎(chǔ)輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量,輻射度量是輻射能本身的客觀度量，是純粹的物理量。光度量是光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的度量,即是具有平均人眼視覺響應(yīng)特性的人眼所接收到的輻射量的度量,包括了生理學(xué)、心理學(xué)的概念在內(nèi)。輻射度量和光度量都可定量地描述輻射能強度。第1章輻射度量、光度量基礎(chǔ)輻射度量是用能量單位描述輻射能1dsrdddo1.1輻射度量立體角立體角Ω是描述輻射能向空間發(fā)射、傳輸或被某一表面接收時的發(fā)散或會聚的角度，定義為：以錐體的基點為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比式中，為天頂角；為方位角；d

d分別為其增量。立體角單位是球面度(sr)。dsrdddo1.1輻射度量立體角21.1輻射度量(1)輻射能(Q):簡稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，單位焦耳(J)。(2)輻能密度(w,單位J/m-3

)(3)輻射通量(,P,單位W):以輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時間特性。實際應(yīng)用中，對于連續(xù)輻射體或接收體，以單位時間內(nèi)的輻射能，即輻射通量表示。1.1輻射度量(1)輻射能(Q):簡稱輻能，描述以輻射31.1輻射度量(4)輻射強度(I，單位Wsr-1):在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量，即輻射強度描述了光源輻射的方向特性。點光源~擴展源:光源發(fā)光部分的尺寸比起其實際輻射傳輸距離小得多時，把其近似認(rèn)為是一個點光源，在輻射傳輸計算和測量上不會引起明顯的誤差。點光源向空間輻射球面波。對點光源的輻射強度描述1.1輻射度量(4)輻射強度(I，單位Wsr-1):在41.1輻射度量(5)輻亮度(L，單位Wm-2sr-1):光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量，光源微面元輻強度特性輻亮度在光輻射的傳輸和測量中具有重要的作用。例如，描述螺旋燈絲白熾燈時，由于描述燈絲每一局部表面(燈絲、燈絲之間的空隙)的發(fā)射特性常常是沒有實用意義的，而把它作為一個整體，即一個點光源，描述在給定觀測方向上的輻射強度；而在描述天空輻射特性時，希望知道其各部分的輻射特性，則用輻亮度可描述天空各部分輻亮度分布的特性。1.1輻射度量(5)輻亮度(L，單位Wm-2sr-1)51.1輻射度量(6)輻射出射度(M，單位Ｗm-2):離開光源表面單位面元的輻射通量面元所對應(yīng)的立體角是輻射的整個半球空間。平面與球面輻射出射度的表面積。(7)輻照度(E，單位Ｗm-2):單位面元被照射的輻射通量輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。1.1輻射度量(6)輻射出射度(M，單位Ｗm-2):61.1輻射度量(8)吸收比(率)、反射比、透射比由于輻射度量也是波長的函數(shù)，當(dāng)描述光譜輻射量時，可在相應(yīng)名稱前加“光譜”，并在相應(yīng)的符號上加波長的符號“”作為下標(biāo)，例如光譜輻射通量記為或()，等等。irsa1.1輻射度量(8)吸收比(率)、反射比、透射比ir71.1光譜輻射度量1.1光譜輻射度量81.2光度量人眼的視見函數(shù)光通量V和輻射通量e可通過人眼視覺特性進行轉(zhuǎn)換

V()是CIE推薦的平均人眼光譜光視效率(或稱視見函數(shù))。對于明視覺，對應(yīng)為輻射通量e(555)與某波長能對平均人眼產(chǎn)生相同光視刺激的輻射通量e()的比值。Km是最大光譜光視效能(常數(shù)),明視覺Km=683lm/W。暗視覺Km=1725lm/W。1.2光度量人眼的視見函數(shù)V()是CIE推薦的平均人眼光91.2光度量人眼的光視效能K（lm/W）

視見函數(shù)，光視效率1.2光度量人眼的光視效能K（lm/W）視見函數(shù)，光視效10常見光源的光視效能光源類型光視效能(lm/W)光源類型光視效能(lm/W)鎢絲燈(真空)8~9.2日光燈27~41鎢絲燈(充氣)9.2~21高壓水銀燈34~45石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈40~47.5氣體放電管16~30鈉光燈60節(jié)能燈原理：1）光視效能高 2）光學(xué)聚光能力強常見光源的光視效能光源類型光視效能(lm/W)光源類型光視效111.2光度量(1)光能(QV，單位流明秒lm·s)(2)光能密度(wv,單位lm·s

/m-3

)(3)光通量(v,

單位流明lm)(4)發(fā)光強度(Iv,單位坎德拉,cd,lm·sr-1)(5)亮度(Lv,單位cd·m-2):(6)光出射度(Mv,lm·m-2)(7)照度(Ev,lm·m-2)1.2光度量(1)光能(QV，單位流明秒lm·s)12中間視覺式中，0x1;Vmes(,x)是中間視覺狀態(tài)下的光視效率函數(shù)；V()和V()分別是明和暗視覺光視效率；M(x)是歸一化函數(shù)。(b)標(biāo)準(zhǔn)LED和優(yōu)化的LED(a)HPS路燈和MH路燈標(biāo)準(zhǔn)LED光源：德士達DST110W優(yōu)化LED光源：自Lemnis公司常用路燈：飛利浦公司高壓鈉燈(HPS)和金屬鹵化燈(MH)。應(yīng)用舉例中間視覺式中，0x1;Vmes(,x)是中間視13中間視覺兩種視覺狀態(tài)路燈的光視效率路燈環(huán)境照明(cd/m2)x中間視覺光視效率(lm/W)明視覺光視效率(lm/W)LED-10.030.230131.292.2LED-20.292273.8113.7HPS0.14175.9112.0MH0.224121.592.0LED-10.10.398122.792.2LED-20.440240.3113.7HPS0.34884.6112.0MH0.394115.092.0LED-10.30.540140.592.2LED-20.569211.1113.7HPS0.50591.2112.0MH0.534109.792.0中間視覺兩種視覺狀態(tài)路燈的光視效率路燈環(huán)境照明x中間視覺141.3人眼視覺特性人眼在光度量和色度學(xué)評價中起著極為重要的作用。研究人眼的視覺特性是正確地進行各種光度/色度測量的基礎(chǔ)，也是各種光度或色度儀器設(shè)計的依據(jù)。錐體細(xì)胞和桿體細(xì)胞顏色是人眼明視覺的主觀感覺。顏色可分為彩色和非彩色。非彩色指白/黑色和各種深淺不同的灰色系列，稱為白黑系列彩色指白黑系列以外的各種顏色1.3人眼視覺特性人眼在光度量和色度學(xué)評價中151.3.1人眼黑白視覺特性(1)成像功能人眼類似于一個自動調(diào)焦的成像系統(tǒng)。人眼簡化眼模型的主要參數(shù)折射率n1.33物方焦距f-17.1mm折射面半徑R5.7mm像方焦距f’22.8mm焦度58.48屈光度網(wǎng)膜曲率半徑r9.7mm1.3.1人眼黑白視覺特性(1)成像功能人眼簡化眼模型的161.3.1人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)人眼能在一個相當(dāng)大(約10個數(shù)量級)的范圍內(nèi)適應(yīng)視場亮度。隨著外界視場亮度的變化，人眼視覺響應(yīng)可分為三類：明視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)大于或等于3cd/m2的視場亮度后，視覺由錐體細(xì)胞起作用。暗視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)小于或等于3×10-5cd/m2視場亮度之后，視覺只由桿體細(xì)胞起作用。由于桿體細(xì)胞沒有顏色分辨能力，故夜間人眼觀察景物呈灰白色。中介視覺響應(yīng)：隨著視場亮度從3cd/m2降至3×10-5cd/m2，人眼逐漸由錐體細(xì)胞的明視覺響應(yīng)轉(zhuǎn)向桿體細(xì)胞的暗視覺響應(yīng)。1.3.1人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)171.3.1人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)當(dāng)視場亮度發(fā)生突變時，人眼要穩(wěn)定到突變后的正常視覺狀態(tài)需經(jīng)歷一段時間，這種特性稱為‘適應(yīng)’，適應(yīng)主要包括明暗適應(yīng)和色彩適應(yīng)二種。適應(yīng)由兩個方面來調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)瞳孔的大小，改變進入人眼的光通量。眼瞳大小是隨視場亮度而自動調(diào)節(jié)的。視細(xì)胞感光機制的適應(yīng)。桿體細(xì)胞內(nèi)有一種紫紅色的感光化學(xué)物質(zhì)——視紫紅質(zhì)。人眼的明暗視覺適應(yīng)分為亮適應(yīng)和暗適應(yīng)。對視場亮度由暗突然到亮的適應(yīng)稱為亮適應(yīng)，大約需要2~3分鐘；對視場亮度由亮突然到暗的適應(yīng)稱為暗適應(yīng)，通常需要45分鐘，充分暗適應(yīng)則需要1個多小時。1.3.1人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)181.3.1人眼黑白視覺特性不同視場亮度一人眼瞳孔直徑和面積適應(yīng)視場亮度(cd/m2)瞳孔直徑(mm)瞳孔面積(mm2)視網(wǎng)膜上照度(lx)10-58.1752.22.2×10-610-37.8047.82.0×10-410-27.4443.41.8×10-310-16.7235.41.5×10-215.6625.11.0×10-1104.3214.60.61023.047.253.01032.324.2317.62×1042.243.94109.91.3.1人眼黑白視覺特性不同視場亮度一人眼瞳孔直徑和面積19三度學(xué)第1章-課件201.3.1人眼黑白視覺特性(3)人眼的絕對視覺閾在充分暗適應(yīng)的狀態(tài)下，全黑視場中人眼感覺到的最小光刺激值，稱為人眼的絕對視覺閾。以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示時，人眼的絕對視覺閾值在10-9lx數(shù)量級。以量子閾值表示時，最小可探測的視覺刺激是58~145個藍(lán)綠光(波長為0.51m)的光子轟擊角膜引起的，據(jù)估算，這一刺激只有5~14個光子實際到達并作用于視網(wǎng)膜上。對于點光源天文學(xué)家認(rèn)為正常視力的眼睛能看到六等星，其在眼睛上形成的照度近似為8.5×10-9lx。實驗室“人工星點”測定的視覺閾值約為2.44×10-9lx。對具有一定大小的光源(張角小于10')，自身發(fā)光或被照明的圓形目標(biāo)，在瞳孔上的照度閾值與張角無關(guān)，并等于5×10-9

lx。1.3.1人眼黑白視覺特性(3)人眼的絕對視覺閾211.3.1人眼黑白視覺特性在一定的背景亮度Lb條件下(10-9~1cd/m2)，人眼能夠觀察到的最小照度Emin約為

當(dāng)Lb

>16.4cd/m2后將產(chǎn)生眩目現(xiàn)象，絕對視覺閾值迅速提高。實驗表明，眩目亮度L0與像場亮度L(cd/m2)之間有

由此可說明為何100W的燈在白天陽下不感眩目，但在暗室將產(chǎn)生眩目效應(yīng)。1.3.1人眼黑白視覺特性在一定的背景亮度Lb條件下(10221.3.1人眼黑白視覺特性(4)人眼的閾值對比度人眼的視覺探測是在一定背景中把目標(biāo)鑒別出來。人眼的視覺敏銳程度與背景的亮度及目標(biāo)在背景中的襯度有關(guān)。目標(biāo)的襯度以對比度C來表示式中,LT和LB分別為目標(biāo)和背景的亮度。有時也將C的倒數(shù)稱為反襯靈敏度。把人眼視覺在一定背景亮度下可探測的最小襯度對比度稱為閾值對比度，或稱亮度差靈敏度。1.3.1人眼黑白視覺特性(4)人眼的閾值對比度231.3.1人眼黑白視覺特性實驗表明：人眼視覺特性與視場亮度、景物對比度和目標(biāo)大小等參數(shù)相關(guān)。通常背景亮度LB、對比度C和人眼所能探測的目標(biāo)張角之間具有下述關(guān)系(Wald定律)

式中,x值在0~2之間變化。1946年Blackwell閾值對比度實驗當(dāng)觀察亮度不同的兩個面時，亮度很低就察覺不出差別。如果兩個面的亮度按比例提高,并維持其C值不變,則一定亮度后有可能察覺在2×10-3cd/m2附近的間斷點表明明/暗視覺的轉(zhuǎn)折。1.3.1人眼黑白視覺特性實驗表明：人眼241.3.1人眼黑白視覺特性(5)人眼的分辨力人眼能區(qū)別兩發(fā)光點的最小角距離稱為極限分辨角，其倒數(shù)則為眼睛的分辨力，或稱為視覺銳度。集中于人眼視網(wǎng)膜中央凹的錐體細(xì)胞具有較小的直徑，且每個錐體細(xì)胞都具有單獨向大腦傳遞信號的能力。桿體細(xì)胞的分布密度較稀，且成群地聯(lián)系于公共神經(jīng)的末稍，故人眼中央凹處的分辨本領(lǐng)比視網(wǎng)膜邊緣處高，故人眼在觀察物體時，總是在不斷地運動以促使各個被觀察的物體依次地落在中央凹處，使被觀察物體看得最清楚。在較好的照明條件下，眼睛的極限分辨角的平均值在1′1.3.1人眼黑白視覺特性(5)人眼的分辨力251.3.1人眼黑白視覺特性眼睛的分辨力除與眼睛的構(gòu)造有關(guān)外,還與目標(biāo)的亮度、形狀及景物對比度等有關(guān)。實驗測得的人眼極限分辨角(白光且觀察時間不受限制條件下,雙目觀察白色背景上具有不同對比度且?guī)в蟹叫稳笨诘暮诃h(huán))。對比度c(%)白背景的亮度L(cd/m2)4.46×10-43.37×10-30.03410.06340.1510.3441.0693.43892.976.239.428.415.59.66.32.981.77182333448.8111824403.03.75.27.61425292.22.53.85.19.51619281.62.02.73.46.38.81226361.41.52.32.85.18.08.421301.21.41.92.23.96.27.217221.01.21.61.73.04.95.412141.3.1人眼黑白視覺特性眼睛的分辨力除與261.3.1人眼黑白視覺特性人眼的分辨角

可按以下經(jīng)驗公式估算式中,d為瞳孔直徑(mm)。人眼的分辨角隨照度的變化照度(lx)分辨角()照度(lx)分辨角()0.00010.00050.0010.0050.010.050.1503017119430.51510100500100021.51.20.90.80.70.71.3.1人眼黑白視覺特性人眼的分辨角可按以下經(jīng)驗公式271.3.1人眼黑白視覺特性(6)人眼對間斷光的響應(yīng)人們觀察周期性波動光刺激時，對波動頻率較低的光，可明顯感到光亮閃動；頻率增高，產(chǎn)生閃爍感；進－步增高頻率，閃爍感消失，波動光被看成是恒定光。周期性波動光在主觀上不引起閃爍感時的最低頻率叫做臨界閃爍頻率。臨界閃爍頻率與波動光的亮度(或人眼視網(wǎng)膜上的照度)、波動光的波形以及振幅有關(guān)。在亮度較低時，臨界閃爍頻率還與顏色有關(guān)。1.3.1人眼黑白視覺特性(6)人眼對間斷光的響應(yīng)281.3.1人眼黑白視覺特性當(dāng)視網(wǎng)膜上的照度較低時,不同顏色對臨界閃爍頻率影響較大,藍(lán)光的臨界閃爍頻率最高,紅光的臨界閃爍頻率最低當(dāng)照度大于1.2×10-2lx時，臨界閃爍頻率與顏色無關(guān)；視網(wǎng)膜上的照度與臨界閃爍頻率在很大的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,隨著視網(wǎng)膜上照度的增大，臨界閃爍頻率也不斷增大。在觀看電影時，當(dāng)屏幕的亮度小于20cd/m2時，在每秒18幀的頻率下,人眼不能察覺閃爍；而當(dāng)屏幕亮度增加到200cd/m2時，人眼便能感覺閃爍現(xiàn)象。人眼最大臨界閃爍頻率≤50Hz。常見的光電探測器的響應(yīng)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼。對于頻率大于臨界閃爍頻率的周期性光刺激，人眼感覺的恒定光亮度L1.3.1人眼黑白視覺特性當(dāng)視網(wǎng)膜上的照度較低時,不同顏291.3.1人眼黑白視覺特性(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)人眼的分辨力表征了眼睛分辨兩點或兩線的能力，但仍有較大的局限性。為了更全面地實現(xiàn)對人眼圖像傳遞和復(fù)現(xiàn)性能評價，可引用光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)的概念，A為分離視網(wǎng)膜中央凹處；B為角膜加晶狀體；C為網(wǎng)膜加處理系統(tǒng)(視神經(jīng)、大腦)D為處理系統(tǒng)(視神經(jīng)加大腦)1.3.1人眼黑白視覺特性(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(301.3.1人眼黑白視覺特性1.3.1人眼黑白視覺特性311.3.1人眼黑白視覺特性(8)色差靈敏度人眼能恰好分辨色度差異的能力叫做色差靈敏度，人眼剛能分辨光線顏色變化時波長改變量稱為色差閾值。色差閾值隨在光譜帶的位置有所不同。1.3.1人眼黑白視覺特性(8)色差靈敏度321.4朗伯輻射體及其輻射特性

反射

方向性漫反射和朗伯輻射體各方向的(輻)亮度不變某些自身發(fā)射輻射的輻射源，其輻亮度與方向無關(guān)，即輻射源各方向的輻亮度不變，這類輻射源稱為朗伯輻射體。絕對黑體和理想漫反射體是兩種典型的朗伯體。在實際問題的分析中，常采用朗伯體作為理想的模型。1.4朗伯輻射體及其輻射特性反射漫331.4.2朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系設(shè)朗伯微面元dS亮度為L，則輻射到dA上的輻射通量為在半球內(nèi)發(fā)射的總通量P為按照出射度的定義得對于輻射場中反射率為

的朗伯漫反射體(

=1為理想漫反射體),不論輻射從何方向入射,它除吸收(1-

)入射輻射通量外,其它全部按朗伯余弦定律反射出去。即M=E，故1.4.2朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系設(shè)341.5幾種典型光輻射量的計算公式

1.5.1點源對微面元的照度設(shè)受照微面元dA距點源O的距離為l，其平面法線n與輻射方向夾角為，dA對點源O所張立體角為若點源在該方向的輻射強度為I，則向立體角d發(fā)射的通量dP為如果不考慮能量傳播損失，則微面元照度為OlndAdAcosd圖1-25點源對微面元的照度即點源對微面元的照度與點源的發(fā)光強度成正比，與距離平方成反比，并與面元對輻射方向的傾角有關(guān)。──距離平方反比定律。1.5幾種典型光輻射量的計算公式

1.5.1點源對微面元351.5.2點源向圓盤發(fā)射的輻射通量點源O發(fā)出光輻射，距點源l0處有一與輻射方向垂直半徑為R的圓盤(圓盤輻照度不均勻),圓盤微元dA接收輻射通量為由于,對和積分，得l0lddAdOR當(dāng)圓盤距點源足夠遠(yuǎn)時，即l0R，則

用于計算距點源一定距離的光學(xué)系統(tǒng)或接收器接收的輻射通量。1.5.2點源向圓盤發(fā)射的輻射通量點源O發(fā)出光361.5.3面輻射在微面元上的輻照度設(shè)A為面輻射源，Q為受照面，n1為微面元dA的法線，與輻射方向夾角為，n2為Q平面O點處的法線，與入射輻射方向的夾角為，dA到O點的距離為l。面源A上微面元dA對O點的輻照度dE。

QOn2n1dAdAl式中，I為面元dA在方向上的發(fā)光強度，與該方向上發(fā)光亮度L間有關(guān)系，因此，1.5.3面輻射在微面元上的輻照度設(shè)A為面371.5.3面輻射在微面元上的輻照度面輻射源A對O點處微面元所形成的照度值E，得

一般情況下，面輻射源在各個方向上的亮度是不等的，但對各方向亮度相等的朗伯輻射源簡化為

式中,是立體角d在Q平面的投影。立體角投影定律1.5.3面輻射在微面元上的輻照度面輻射源381.5.4朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度朗伯?dāng)U展源為半徑R的圓盤A，取圓環(huán)狀面元dA1=rdrd，由于

=，環(huán)狀面元輻射在距圓盤為l0的某點Ad處的輻照度為

由幾何關(guān)系得ARAdrdA1l0n01.5.4朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度朗伯?dāng)U展源391.5.4朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度擴展源近似為點源的條件

相對誤差：如果R/l01/10，即當(dāng)l0>10R或0≤5.7°時，相對誤差<1%。物理意義：目標(biāo)點與圓盤朗伯輻射體的距離大于10倍圓盤半徑時，按點源測量的輻照度相對誤差小于1%。1.5.4朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度擴展源近似為點源的條件401.5.5成像系統(tǒng)像平面的輻照度物空間亮度L0的微面元ds0經(jīng)過成像物鏡成像在像空間ds1微面元上，確定ds1上的照度。微面元向透鏡口徑D所張立體角發(fā)射的輻射通量為其中，u0為物點對成像系統(tǒng)的張角。ds0ds1u0u1L0EflDDn1n0ld經(jīng)過透過率的成像物鏡后照射在微面元ds1上的照度為1.5.5成像系統(tǒng)像平面的輻照度物空間亮度L411.5.5成像系統(tǒng)像平面的輻照度利用光學(xué)的拉-亥不變式

一般光電成像系統(tǒng)，由于n0=n11，且光瞳放大率p=D/D=1，其中D和D為物鏡物方和像方孔徑。于是

l>>f

1.5.5成像系統(tǒng)像平面的輻照度利用光學(xué)的拉-亥不變式42例已知太陽輻亮度L0等于2×107Ｗ/m2/sr，太陽的半徑r0等于6.957×108m，地球的半徑re為6.374×106m，太陽到地球的年平均距離l為1.496×1011m，求太陽的輻射出射度M0、輻射強度I0、輻射通量Φ0以及地球接收的輻射通量Φe、地球大氣層邊沿的輻照度Ee。解:太陽可假定為朗伯光源，則太陽的輻射出射度M0=L0=6.2832107(W/m2)若認(rèn)為太陽是一均勻發(fā)光體，則太陽的輻射通量

0=4R2M0=3.8211026(W)太陽的輻射強度:I0=0/4=3.0411025(W/sr)地球?qū)μ柕牧Ⅲw角：=re2/l2=5.70310-9(sr)即地球只接收了太陽總輻射能的5.7×10-9/4=4.54×10-10。地球接收到的太陽的輻射通量:Φe=I0=1.7341017(W)地球大氣層邊沿的輻照度:Ee=I0/l2=1358.79(W/m2)例已知太陽輻亮度L0等于2×107Ｗ/m2/sr，太陽的431.3.3人眼的顏色視覺特性

(1)彩色的特性及其表示明度：人眼對物體的明暗感覺。發(fā)光物體的亮度越高,則明度越高；非發(fā)光物體反射比越高，明度越高。色調(diào)：區(qū)分彩色的特性,即紅/黃/綠/藍(lán)/紫等。不同波長的單色光具有不同的色調(diào)。發(fā)光物體的色調(diào)決定于它的光輻射的光譜組成。非發(fā)光物體的色調(diào)決定于照明光源的光譜組成和物體本身的光譜反射(透射)的特性。飽和度：指彩色的純潔性?？梢姽庾V的單色光是最飽和的彩色。彩色飽和度決定于物體反射(透射)特性。如果物體反射光的光譜帶很窄，則飽和度就高。1.3.3人眼的顏色視覺特性(1)彩色的特性及其表示色441.3.3人眼的顏色視覺特性1.3.3人眼的顏色視覺特性451.3.3人眼的顏色視覺特性

(2)視網(wǎng)膜的顏色區(qū)

視網(wǎng)膜中央視覺主要是錐體細(xì)胞,邊緣視覺則主要是桿體細(xì)胞。具有正常顏色視覺的視網(wǎng)膜中央能分辨各種顏色,由中央向邊緣過渡,顏色分辯能力逐漸減弱,直到對顏色感覺消失。與中央?yún)^(qū)相鄰的外周區(qū)先喪失紅色和綠色的感受性,再向外部對黃色和藍(lán)色的感受也喪失,成為全色盲區(qū)。在同一光亮下，白色視野范圍最大，其次為黃藍(lán)色,紅綠色視野最小。當(dāng)觀察大于4視場時，在視線正中會看到一個由中央黃色素造成略帶紅色的圓斑，稱為麥克斯韋爾圓斑。1.3.3人眼的顏色視覺特性(2)視網(wǎng)膜的顏色區(qū)461.3.3人眼的顏色視覺特性

(3)顏色恒常性外界條件變化后，人們的色知覺仍然保持相對不變，這種現(xiàn)象稱為顏色恒常性。物體表面的顏色取決于物體表面的物理屬性，物理屬性在照度發(fā)生變化時并不改變。赫林的記憶色概念：最常見物體的顏色給人們的記憶以深刻的印象，這個顏色變成了印象的固定特征，一切人們經(jīng)驗所知的東西都是通過記憶顏色的眼睛去觀察，顏色恒常性是與物體的物理屬性以及記憶色有一定的關(guān)系。物體顏色既決定于光線在物體表面的反射和吸收,也受光源條件影響。在一定條件下,顏色恒常性可受到破壞而發(fā)生很大變化。顏色恒常性現(xiàn)象目前尚不能全面地解釋清楚。1.3.3人眼的顏色視覺特性(3)顏色恒常性物體表面的471.3.3人眼的顏色視覺特性

(4)色對比顏色視覺還受到被觀察物體周圍環(huán)境以及觀察者眼睛在觀察前觀看過其它顏色歷史的影響。

如果將兩種顏色按適當(dāng)比例相混合后，能產(chǎn)生灰色，則稱這兩種顏色互為補色。例如紅和綠、藍(lán)和黃都是互補色。視場中相鄰區(qū)域不同顏色的相互影響叫做顏色對比，包括明度對比、色調(diào)對比和飽和度對比。一塊灰色紙片放在白色背景上看起來發(fā)暗，而放在黑色背景上看起來發(fā)亮，這種當(dāng)明暗不同的物體并置于視場中會感到明暗差異增強的現(xiàn)象稱為明度對比。1.3.3人眼的顏色視覺特性(4)色對比48馬赫帶(MarchBand)側(cè)抑制特性(LateralInhibition)馬赫帶(MarchBand)側(cè)抑制特性(LateralI49有趣的錯覺現(xiàn)象有趣的錯覺現(xiàn)象50三度學(xué)第1章-課件511.3.3人眼的顏色視覺特性

兩種不同色調(diào)的物體并置于視場中，每一種顏色的色調(diào)都向另一顏色的補色方向變化，從而增強兩顏色色調(diào)的差異，這種現(xiàn)象稱為色調(diào)對比。將兩種飽和度不同的顏色并置于視場中，會感到兩飽和度的差異增強，高飽和度的更高，低飽和度的更低，這種現(xiàn)象稱為飽和度對比。一般視場中相鄰不同顏色間的影響是上述三種對比的綜合結(jié)果，對比的結(jié)果是增強了相鄰顏色間的差異。1.3.3人眼的顏色視覺特性兩種不同色調(diào)52顏色隨背景的變化顏色隨背景的變化531.3.3人眼的顏色視覺特性

(5)色適應(yīng)在亮適應(yīng)狀態(tài)下,視覺系統(tǒng)對視場中顏色變化會產(chǎn)生適應(yīng)的過程。當(dāng)人眼對某一色光適應(yīng)后，觀察另一物體的顏色，不能立即獲得客觀的顏色印象，而帶有原適應(yīng)色光的補色成分，需經(jīng)過一段時間適應(yīng)后才會獲得客觀的顏色感覺，即色適應(yīng)。一般，對某一顏色光預(yù)先適應(yīng)后再觀察其它顏色，則顏色的明度和飽和度都會降低。在一個白色或灰色背景上注視一塊顏色紙片一段時間，當(dāng)忽然拿走顏色紙片后，則在背景的同一地點會出現(xiàn)原來的補色，誘導(dǎo)出的補色時隱時現(xiàn)，直到最后完全消失，這稱為負(fù)后象現(xiàn)象，也是色適應(yīng)現(xiàn)象。1.3.3人眼的顏色視覺特性(5)色適應(yīng)541.3.3人眼的顏色視覺特性

(6)明度加法定理

明度是人眼對外界光線明暗感覺程度的度量。對于混合光，不論光譜成份如何,所產(chǎn)生的表觀明度等于混合光各個光譜成份分別產(chǎn)生的表觀明度之和。稱為明度加法定理。在實際研究工作中，我們常常遇到復(fù)合光輻射的測量與研究，明度加法定理是對不同光譜成份的光輻射作光度評價的重要理論依據(jù)。1.3.3人眼的顏色視覺特性(6)明度加法定理551.3.3人眼的顏色視覺特性

(7)色覺缺陷正常視覺視網(wǎng)膜上有含有親紅、親綠和親藍(lán)3種視色素的3種體細(xì)胞，能夠分辨出各種顏色，接受試驗時可用紅、綠、藍(lán)三原色光相加混合出各種顏色，因此稱為三色覺者。但也有少數(shù)人成為色覺缺陷或異常色覺者。常見的有色弱和色盲。1.3.3人眼的顏色視覺特性(7)色覺缺陷561.3.3人眼的顏色視覺特性

色弱：輕度異常色覺者,也稱為異常三色覺者。對光譜上紅色和綠色區(qū)域的顏色分辨能力較差,當(dāng)紅綠區(qū)波長有較大變化時,才能區(qū)別出色調(diào)的變化,且須有較高強度才能保證對顏色的正確辨認(rèn),在亮度不足的照明下,可能將紅色和綠色相互混淆。如果異常三色覺者對紅色的辨別能力差，就屬于紅色弱亦稱為甲型色弱；如果對綠色的辨別能力差就屬于綠色弱亦稱為乙型色弱。他們與正常色覺的人之間沒有嚴(yán)格的界線，他們?nèi)跃哂腥曈X，但是在用紅、綠、藍(lán)三原色相加混合出各種顏色時，紅、綠原色的比例與色覺正常者不同。色弱多發(fā)生于后天，男性多，女性少，紅色弱者約占男性人口的1%，綠色弱者約占男性人口的5%。1.3.3人眼的顏色視覺特性色弱：輕度異常色覺者,571.3.3人眼的顏色視覺特性

色盲：是嚴(yán)重的異常色覺者，對顏色辨別能力很差。其中又分為局部色盲和全色盲兩類。局部色盲也稱為二色覺者，包括紅-綠色盲和藍(lán)-黃色盲。紅綠色盲者不能區(qū)分紅色和綠色，紅綠色盲又分紅色盲和綠色盲，紅色盲亦稱為甲型色盲，綠色盲稱為乙型盲；藍(lán)-黃色盲又稱為丙色盲，這種色盲僅對紅綠產(chǎn)生色覺，對黃藍(lán)不產(chǎn)生色覺。1.3.3人眼的顏色視覺特性色盲：是嚴(yán)重的異常色覺581.3.4顏色視覺理論(1)揚-赫姆霍爾茲的三色學(xué)說19世紀(jì)的揚和赫姆霍爾茲提出。他們根據(jù)紅/綠/藍(lán)三原色可混合出各種不同色彩顏色的混合規(guī)律,假設(shè)人眼視網(wǎng)膜上有三種神經(jīng)纖維,每種神經(jīng)纖維的興奮都引起一種原色的感覺。光作用于視網(wǎng)膜上雖然能同時引起三種纖維的興奮,但波長不同，引起三種纖維的興奮程度不同，人眼就產(chǎn)生不同的顏色感覺。光刺激同時引起三種纖維的興奮程度相同，就會產(chǎn)生白色感覺。1.3.4顏色視覺理論(1)揚-赫姆霍爾茲的三色學(xué)說同591.3.4顏色視覺理論近20年來的實驗結(jié)果證明人眼視網(wǎng)膜上確實含有三種含有不同視色素的錐體細(xì)胞。通過采用眼底反射分光光度法、顯微分光光度法等的實驗方法，測得這三種不同光譜敏感性的視色素原光譜吸收峰值分別約在440~450nm；530~540nm；560~570nm處,分別為親藍(lán)、親綠、親紅視色素。三色學(xué)說能夠很好地說明各種顏色的混合現(xiàn)象，但是對有些現(xiàn)象不能滿意地解釋，例如色盲現(xiàn)象。1.3.4顏色視覺理論近20年來的實驗結(jié)601.3.4顏色視覺理論(2)赫林的“對立”顏色學(xué)說赫林的“對立”顏色學(xué)說叫做四色學(xué)說，假設(shè)視網(wǎng)膜中有白-黑視素、紅-綠視素、黃-藍(lán)視素三對視素，其代謝作用包括建設(shè)(同化)和破壞(異化)兩種對立過程。光刺激破壞白-黑視素，引起神經(jīng)沖動產(chǎn)生白色感覺，無光刺激時白-黑視素被重新建設(shè)起來，產(chǎn)生黑色感覺；對紅-綠視素，紅光起破壞作用，綠光起建設(shè)作用，色素破壞時感覺為紅色，建設(shè)時感覺為綠色；對黃-藍(lán)視素，黃光起破壞作用，藍(lán)光起建設(shè)作用，色素破壞時感覺為黃色，建設(shè)時感覺藍(lán)。各種視素都有一定的明亮度，每一種顏色不僅影響其本身視素的活動，也影響黑-白視素的活動。1.3.4顏色視覺理論(2)赫林的“對立”顏色學(xué)說611.3.4顏色視覺理論三對視素的代謝作用如圖所示，圖中x-x線上/下分別表示破壞/建設(shè)作用；曲線a是白-黑視素的代謝作用，曲線b是黃-藍(lán)視素的代謝作用，曲線c是紅-綠視素的代謝作用。曲線a的形狀表明光譜色的明度成分在黃綠處最高。三種視素對立過程的組合產(chǎn)生各種顏色感覺和各種顏色混合現(xiàn)象，四色說能很好地解釋色盲現(xiàn)象，但對三原色能混合出各種顏色現(xiàn)象沒有給予說明，而這正是近代色度學(xué)的基礎(chǔ)。1.3.4顏色視覺理論三對視素的代謝作用621.3.4顏色視覺理論(3)顏色視覺理論的發(fā)展“階段”學(xué)說：顏色視覺過程分成幾個階段：第一階段是在視網(wǎng)膜內(nèi)有三種獨立的錐體感色物質(zhì)(R,G,B),它們有選擇地吸收光譜不同波長的輻射，同時每一物質(zhì)又可單獨產(chǎn)生白和黑的反應(yīng)，強光下產(chǎn)生白的反應(yīng)，無刺激時是黑的反應(yīng)。第二階段是在興奮由錐體細(xì)胞向視覺中樞的傳導(dǎo)過程中，三種反應(yīng)重新組合，形成三對對立性的神經(jīng)反應(yīng)：紅-綠，黃-藍(lán)，白-黑?！半A段學(xué)說”統(tǒng)一了兩個古老/對立的學(xué)說，能夠解釋顏色視覺現(xiàn)象1.3.4顏色視覺理論(3)顏色視覺理論的發(fā)展第二階段63第1章輻射度量、光度量基礎(chǔ)輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量,輻射度量是輻射能本身的客觀度量，是純粹的物理量。光度量是光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的度量,即是具有平均人眼視覺響應(yīng)特性的人眼所接收到的輻射量的度量,包括了生理學(xué)、心理學(xué)的概念在內(nèi)。輻射度量和光度量都可定量地描述輻射能強度。第1章輻射度量、光度量基礎(chǔ)輻射度量是用能量單位描述輻射能64dsrdddo1.1輻射度量立體角立體角Ω是描述輻射能向空間發(fā)射、傳輸或被某一表面接收時的發(fā)散或會聚的角度，定義為：以錐體的基點為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比式中，為天頂角；為方位角；d

d分別為其增量。立體角單位是球面度(sr)。dsrdddo1.1輻射度量立體角651.1輻射度量(1)輻射能(Q):簡稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，單位焦耳(J)。(2)輻能密度(w,單位J/m-3

)(3)輻射通量(,P,單位W):以輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時間特性。實際應(yīng)用中，對于連續(xù)輻射體或接收體，以單位時間內(nèi)的輻射能，即輻射通量表示。1.1輻射度量(1)輻射能(Q):簡稱輻能，描述以輻射661.1輻射度量(4)輻射強度(I，單位Wsr-1):在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量，即輻射強度描述了光源輻射的方向特性。點光源~擴展源:光源發(fā)光部分的尺寸比起其實際輻射傳輸距離小得多時，把其近似認(rèn)為是一個點光源，在輻射傳輸計算和測量上不會引起明顯的誤差。點光源向空間輻射球面波。對點光源的輻射強度描述1.1輻射度量(4)輻射強度(I，單位Wsr-1):在671.1輻射度量(5)輻亮度(L，單位Wm-2sr-1):光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量，光源微面元輻強度特性輻亮度在光輻射的傳輸和測量中具有重要的作用。例如，描述螺旋燈絲白熾燈時，由于描述燈絲每一局部表面(燈絲、燈絲之間的空隙)的發(fā)射特性常常是沒有實用意義的，而把它作為一個整體，即一個點光源，描述在給定觀測方向上的輻射強度；而在描述天空輻射特性時，希望知道其各部分的輻射特性，則用輻亮度可描述天空各部分輻亮度分布的特性。1.1輻射度量(5)輻亮度(L，單位Wm-2sr-1)681.1輻射度量(6)輻射出射度(M，單位Ｗm-2):離開光源表面單位面元的輻射通量面元所對應(yīng)的立體角是輻射的整個半球空間。平面與球面輻射出射度的表面積。(7)輻照度(E，單位Ｗm-2):單位面元被照射的輻射通量輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。1.1輻射度量(6)輻射出射度(M，單位Ｗm-2):691.1輻射度量(8)吸收比(率)、反射比、透射比由于輻射度量也是波長的函數(shù)，當(dāng)描述光譜輻射量時，可在相應(yīng)名稱前加“光譜”，并在相應(yīng)的符號上加波長的符號“”作為下標(biāo)，例如光譜輻射通量記為或()，等等。irsa1.1輻射度量(8)吸收比(率)、反射比、透射比ir701.1光譜輻射度量1.1光譜輻射度量711.2光度量人眼的視見函數(shù)光通量V和輻射通量e可通過人眼視覺特性進行轉(zhuǎn)換

V()是CIE推薦的平均人眼光譜光視效率(或稱視見函數(shù))。對于明視覺，對應(yīng)為輻射通量e(555)與某波長能對平均人眼產(chǎn)生相同光視刺激的輻射通量e()的比值。Km是最大光譜光視效能(常數(shù)),明視覺Km=683lm/W。暗視覺Km=1725lm/W。1.2光度量人眼的視見函數(shù)V()是CIE推薦的平均人眼光721.2光度量人眼的光視效能K（lm/W）

視見函數(shù)，光視效率1.2光度量人眼的光視效能K（lm/W）視見函數(shù)，光視效73常見光源的光視效能光源類型光視效能(lm/W)光源類型光視效能(lm/W)鎢絲燈(真空)8~9.2日光燈27~41鎢絲燈(充氣)9.2~21高壓水銀燈34~45石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈40~47.5氣體放電管16~30鈉光燈60節(jié)能燈原理：1）光視效能高 2）光學(xué)聚光能力強常見光源的光視效能光源類型光視效能(lm/W)光源類型光視效741.2光度量(1)光能(QV，單位流明秒lm·s)(2)光能密度(wv,單位lm·s

/m-3

)(3)光通量(v,

單位流明lm)(4)發(fā)光強度(Iv,單位坎德拉,cd,lm·sr-1)(5)亮度(Lv,單位cd·m-2):(6)光出射度(Mv,lm·m-2)(7)照度(Ev,lm·m-2)1.2光度量(1)光能(QV，單位流明秒lm·s)75中間視覺式中，0x1;Vmes(,x)是中間視覺狀態(tài)下的光視效率函數(shù)；V()和V()分別是明和暗視覺光視效率；M(x)是歸一化函數(shù)。(b)標(biāo)準(zhǔn)LED和優(yōu)化的LED(a)HPS路燈和MH路燈標(biāo)準(zhǔn)LED光源：德士達DST110W優(yōu)化LED光源：自Lemnis公司常用路燈：飛利浦公司高壓鈉燈(HPS)和金屬鹵化燈(MH)。應(yīng)用舉例中間視覺式中，0x1;Vmes(,x)是中間視76中間視覺兩種視覺狀態(tài)路燈的光視效率路燈環(huán)境照明(cd/m2)x中間視覺光視效率(lm/W)明視覺光視效率(lm/W)LED-10.030.230131.292.2LED-20.292273.8113.7HPS0.14175.9112.0MH0.224121.592.0LED-10.10.398122.792.2LED-20.440240.3113.7HPS0.34884.6112.0MH0.394115.092.0LED-10.30.540140.592.2LED-20.569211.1113.7HPS0.50591.2112.0MH0.534109.792.0中間視覺兩種視覺狀態(tài)路燈的光視效率路燈環(huán)境照明x中間視覺771.3人眼視覺特性人眼在光度量和色度學(xué)評價中起著極為重要的作用。研究人眼的視覺特性是正確地進行各種光度/色度測量的基礎(chǔ)，也是各種光度或色度儀器設(shè)計的依據(jù)。錐體細(xì)胞和桿體細(xì)胞顏色是人眼明視覺的主觀感覺。顏色可分為彩色和非彩色。非彩色指白/黑色和各種深淺不同的灰色系列，稱為白黑系列彩色指白黑系列以外的各種顏色1.3人眼視覺特性人眼在光度量和色度學(xué)評價中781.3.1人眼黑白視覺特性(1)成像功能人眼類似于一個自動調(diào)焦的成像系統(tǒng)。人眼簡化眼模型的主要參數(shù)折射率n1.33物方焦距f-17.1mm折射面半徑R5.7mm像方焦距f’22.8mm焦度58.48屈光度網(wǎng)膜曲率半徑r9.7mm1.3.1人眼黑白視覺特性(1)成像功能人眼簡化眼模型的791.3.1人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)人眼能在一個相當(dāng)大(約10個數(shù)量級)的范圍內(nèi)適應(yīng)視場亮度。隨著外界視場亮度的變化，人眼視覺響應(yīng)可分為三類：明視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)大于或等于3cd/m2的視場亮度后，視覺由錐體細(xì)胞起作用。暗視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)小于或等于3×10-5cd/m2視場亮度之后，視覺只由桿體細(xì)胞起作用。由于桿體細(xì)胞沒有顏色分辨能力，故夜間人眼觀察景物呈灰白色。中介視覺響應(yīng)：隨著視場亮度從3cd/m2降至3×10-5cd/m2，人眼逐漸由錐體細(xì)胞的明視覺響應(yīng)轉(zhuǎn)向桿體細(xì)胞的暗視覺響應(yīng)。1.3.1人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)801.3.1人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)當(dāng)視場亮度發(fā)生突變時，人眼要穩(wěn)定到突變后的正常視覺狀態(tài)需經(jīng)歷一段時間，這種特性稱為‘適應(yīng)’，適應(yīng)主要包括明暗適應(yīng)和色彩適應(yīng)二種。適應(yīng)由兩個方面來調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)瞳孔的大小，改變進入人眼的光通量。眼瞳大小是隨視場亮度而自動調(diào)節(jié)的。視細(xì)胞感光機制的適應(yīng)。桿體細(xì)胞內(nèi)有一種紫紅色的感光化學(xué)物質(zhì)——視紫紅質(zhì)。人眼的明暗視覺適應(yīng)分為亮適應(yīng)和暗適應(yīng)。對視場亮度由暗突然到亮的適應(yīng)稱為亮適應(yīng)，大約需要2~3分鐘；對視場亮度由亮突然到暗的適應(yīng)稱為暗適應(yīng)，通常需要45分鐘，充分暗適應(yīng)則需要1個多小時。1.3.1人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)811.3.1人眼黑白視覺特性不同視場亮度一人眼瞳孔直徑和面積適應(yīng)視場亮度(cd/m2)瞳孔直徑(mm)瞳孔面積(mm2)視網(wǎng)膜上照度(lx)10-58.1752.22.2×10-610-37.8047.82.0×10-410-27.4443.41.8×10-310-16.7235.41.5×10-215.6625.11.0×10-1104.3214.60.61023.047.253.01032.324.2317.62×1042.243.94109.91.3.1人眼黑白視覺特性不同視場亮度一人眼瞳孔直徑和面積82三度學(xué)第1章-課件831.3.1人眼黑白視覺特性(3)人眼的絕對視覺閾在充分暗適應(yīng)的狀態(tài)下，全黑視場中人眼感覺到的最小光刺激值，稱為人眼的絕對視覺閾。以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示時，人眼的絕對視覺閾值在10-9lx數(shù)量級。以量子閾值表示時，最小可探測的視覺刺激是58~145個藍(lán)綠光(波長為0.51m)的光子轟擊角膜引起的，據(jù)估算，這一刺激只有5~14個光子實際到達并作用于視網(wǎng)膜上。對于點光源天文學(xué)家認(rèn)為正常視力的眼睛能看到六等星，其在眼睛上形成的照度近似為8.5×10-9lx。實驗室“人工星點”測定的視覺閾值約為2.44×10-9lx。對具有一定大小的光源(張角小于10')，自身發(fā)光或被照明的圓形目標(biāo)，在瞳孔上的照度閾值與張角無關(guān)，并等于5×10-9

lx。1.3.1人眼黑白視覺特性(3)人眼的絕對視覺閾841.3.1人眼黑白視覺特性在一定的背景亮度Lb條件下(10-9~1cd/m2)，人眼能夠觀察到的最小照度Emin約為

當(dāng)Lb

>16.4cd/m2后將產(chǎn)生眩目現(xiàn)象，絕對視覺閾值迅速提高。實驗表明，眩目亮度L0與像場亮度L(cd/m2)之間有

由此可說明為何100W的燈在白天陽下不感眩目，但在暗室將產(chǎn)生眩目效應(yīng)。1.3.1人眼黑白視覺特性在一定的背景亮度Lb條件下(10851.3.1人眼黑白視覺特性(4)人眼的閾值對比度人眼的視覺探測是在一定背景中把目標(biāo)鑒別出來。人眼的視覺敏銳程度與背景的亮度及目標(biāo)在背景中的襯度有關(guān)。目標(biāo)的襯度以對比度C來表示式中,LT和LB分別為目標(biāo)和背景的亮度。有時也將C的倒數(shù)稱為反襯靈敏度。把人眼視覺在一定背景亮度下可探測的最小襯度對比度稱為閾值對比度，或稱亮度差靈敏度。1.3.1人眼黑白視覺特性(4)人眼的閾值對比度861.3.1人眼黑白視覺特性實驗表明：人眼視覺特性與視場亮度、景物對比度和目標(biāo)大小等參數(shù)相關(guān)。通常背景亮度LB、對比度C和人眼所能探測的目標(biāo)張角之間具有下述關(guān)系(Wald定律)

式中,x值在0~2之間變化。1946年Blackwell閾值對比度實驗當(dāng)觀察亮度不同的兩個面時，亮度很低就察覺不出差別。如果兩個面的亮度按比例提高,并維持其C值不變,則一定亮度后有可能察覺在2×10-3cd/m2附近的間斷點表明明/暗視覺的轉(zhuǎn)折。1.3.1人眼黑白視覺特性實驗表明：人眼871.3.1人眼黑白視覺特性(5)人眼的分辨力人眼能區(qū)別兩發(fā)光點的最小角距離稱為極限分辨角，其倒數(shù)則為眼睛的分辨力，或稱為視覺銳度。集中于人眼視網(wǎng)膜中央凹的錐體細(xì)胞具有較小的直徑，且每個錐體細(xì)胞都具有單獨向大腦傳遞信號的能力。桿體細(xì)胞的分布密度較稀，且成群地聯(lián)系于公共神經(jīng)的末稍，故人眼中央凹處的分辨本領(lǐng)比視網(wǎng)膜邊緣處高，故人眼在觀察物體時，總是在不斷地運動以促使各個被觀察的物體依次地落在中央凹處，使被觀察物體看得最清楚。在較好的照明條件下，眼睛的極限分辨角的平均值在1′1.3.1人眼黑白視覺特性(5)人眼的分辨力881.3.1人眼黑白視覺特性眼睛的分辨力除與眼睛的構(gòu)造有關(guān)外,還與目標(biāo)的亮度、形狀及景物對比度等有關(guān)。實驗測得的人眼極限分辨角(白光且觀察時間不受限制條件下,雙目觀察白色背景上具有不同對比度且?guī)в蟹叫稳笨诘暮诃h(huán))。對比度c(%)白背景的亮度L(cd/m2)4.46×10-43.37×10-30.03410.06340.1510.3441.0693.43892.976.239.428.415.59.66.32.981.77182333448.8111824403.03.75.27.61425292.22.53.85.19.51619281.62.02.73.46.38.81226361.41.52.32.85.18.08.421301.21.41.92.23.96.27.217221.01.21.61.73.04.95.412141.3.1人眼黑白視覺特性眼睛的分辨力除與891.3.1人眼黑白視覺特性人眼的分辨角

可按以下經(jīng)驗公式估算式中,d為瞳孔直徑(mm)。人眼的分辨角隨照度的變化照度(lx)分辨角()照度(lx)分辨角()0.00010.00050.0010.0050.010.050.1503017119430.51510100500100021.51.20.90.80.70.71.3.1人眼黑白視覺特性人眼的分辨角可按以下經(jīng)驗公式901.3.1人眼黑白視覺特性(6)人眼對間斷光的響應(yīng)人們觀察周期性波動光刺激時，對波動頻率較低的光，可明顯感到光亮閃動；頻率增高，產(chǎn)生閃爍感；進－步增高頻率，閃爍感消失，波動光被看成是恒定光。周期性波動光在主觀上不引起閃爍感時的最低頻率叫做臨界閃爍頻率。臨界閃爍頻率與波動光的亮度(或人眼視網(wǎng)膜上的照度)、波動光的波形以及振幅有關(guān)。在亮度較低時，臨界閃爍頻率還與顏色有關(guān)。1.3.1人眼黑白視覺特性(6)人眼對間斷光的響應(yīng)911.3.1人眼黑白視覺特性當(dāng)視網(wǎng)膜上的照度較低時,不同顏色對臨界閃爍頻率影響較大,藍(lán)光的臨界閃爍頻率最高,紅光的臨界閃爍頻率最低當(dāng)照度大于1.2×10-2lx時，臨界閃爍頻率與顏色無關(guān)；視網(wǎng)膜上的照度與臨界閃爍頻率在很大的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,隨著視網(wǎng)膜上照度的增大，臨界閃爍頻率也不斷增大。在觀看電影時，當(dāng)屏幕的亮度小于20cd/m2時，在每秒18幀的頻率下,人眼不能察覺閃爍；而當(dāng)屏幕亮度增加到200cd/m2時，人眼便能感覺閃爍現(xiàn)象。人眼最大臨界閃爍頻率≤50Hz。常見的光電探測器的響應(yīng)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼。對于頻率大于臨界閃爍頻率的周期性光刺激，人眼感覺的恒定光亮度L1.3.1人眼黑白視覺特性當(dāng)視網(wǎng)膜上的照度較低時,不同顏921.3.1人眼黑白視覺特性(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)人眼的分辨力表征了眼睛分辨兩點或兩線的能力，但仍有較大的局限性。為了更全面地實現(xiàn)對人眼圖像傳遞和復(fù)現(xiàn)性能評價，可引用光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)的概念，A為分離視網(wǎng)膜中央凹處；B為角膜加晶狀體；C為網(wǎng)膜加處理系統(tǒng)(視神經(jīng)、大腦)D為處理系統(tǒng)(視神經(jīng)加大腦)1.3.1人眼黑白視覺特性(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(931.3.1人眼黑白視覺特性1.3.1人眼黑白視覺特性941.3.1人眼黑白視覺特性(8)色差靈敏度人眼能恰好分辨色度差異的能力叫做色差靈敏度，人眼剛能分辨光線顏色變化時波長改變量稱為色差閾值。色差閾值隨在光譜帶的位置有所不同。1.3.1人眼黑白視覺特性(8)色差靈敏度951.4朗伯輻射體及其輻射特性

反射

方向性漫反射和朗伯輻射體各方向的(輻)亮度不變某些自身發(fā)射輻射的輻射源，其輻亮度與方向無關(guān)，即輻射源各方向的輻亮度不變，這類輻射源稱為朗伯輻射體。絕對黑體和理想漫反射體是兩種典型的朗伯體。在實際問題的分析中，常采用朗伯體作為理想的模型。1.4朗伯輻射體及其輻射特性反射漫961.4.2朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系設(shè)朗伯微面元dS亮度為L，則輻射到dA上的輻射通量為在半球內(nèi)發(fā)射的總通量P為按照出射度的定義得對于輻射場中反射率為

的朗伯漫反射體(

=1為理想漫反射體),不論輻射從何方向入射,它除吸收(1-

)入射輻射通量外,其它全部按朗伯余弦定律反射出去。即M=E，故1.4.2朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系設(shè)971.5幾種典型光輻射量的計算公式

1.5.1點源對微面元的照度設(shè)受照微面元dA距點源O的距離為l，其平面法線n與輻射方向夾角為，dA對點源O所張立體角為若點源在該方向的輻射強度為I，則向立體角d發(fā)射的通量dP為如果不考慮能量傳播損失，則微面元照度為OlndAdAcosd圖1-25點源對微面元的照度即點源對微面元的照度與點源的發(fā)光強度成正比，與距離平方成反比，并與面元對輻射方向的傾角有關(guān)。──距離平方反比定律。1.5幾種典型光輻射量的計算公式

1.5.1點源對微面元981.5.2點源向圓盤發(fā)射的輻射通量點源O發(fā)出光輻射，距點源l0處有一與輻射方向垂直半徑為R的圓盤(圓盤輻照度不均勻),圓盤微元dA接收輻射通量為由于,對和積分，得l0lddAdOR當(dāng)圓盤距點源足夠遠(yuǎn)時，即l0R，則

用于計算距點源一定距離的光學(xué)系統(tǒng)或接收器接收的輻射通量。1.5.2點源向圓盤發(fā)射的輻射通量點源O發(fā)出光991.5.3面輻射在微面元上的輻照度設(shè)A為面輻射源，Q為受照面，n1為微面元dA的法線，與輻射方向夾角為，n2為Q平面O點處的法線，與入射輻射方向的夾角為，dA到O點的距離為l。面源A上微面元dA對O點的輻照度dE。

QOn2n1dAdAl式中，I為面元dA在方向上的發(fā)光強度，與該方向上發(fā)光亮度L間有關(guān)系，因此，1.5.3面輻射在微面元上的輻照度設(shè)A為面1001.5.3面輻射在微面元上的輻照度面輻射源A對O點處微面元所形成的照度值E，得

一般情況下，面輻射源在各個方向上的亮度是不等的，但對各方向亮度相等的朗伯輻射源簡化為

式中,是立體角d在Q平面的投影。立體角投影定律1.5.3面輻射在微面元上的輻照度面輻射源1011.5.4朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度朗伯?dāng)U展源為半徑R的圓盤A，取圓環(huán)狀面元dA1=rdrd，由于

=，環(huán)狀面元輻射在距圓盤為l0的某點Ad處的輻照度為

由幾何關(guān)系得ARAdrdA1l0n01.5.4朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度朗伯?dāng)U展源1021.5.4朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度擴展源近似為點源的條件

相對誤差：如果R/l01/10，即當(dāng)l0>10R或0≤5.7°時，相對誤差<1%。物理意義：目標(biāo)點與圓盤朗伯輻射體的距離大于10倍圓盤半徑時，按點源測量的輻照度相對誤差小于1%。1.5.4朗伯輻射體產(chǎn)生的輻照度擴展源近似為點源的條件1031.5.5成像系統(tǒng)像平面的輻照度物空間亮度L0的微面元ds0經(jīng)過成像物鏡成像在像空間ds1微面元上，確定ds1上的照度。微面元向透鏡口徑D所張立體角發(fā)射的輻射通量為其中，u0為物點對成像系統(tǒng)的張角。ds0ds1u0u1L0EflDDn1n0ld經(jīng)過透過率的成像物鏡后照射在微面元ds1上的照度為1.5.5成像系統(tǒng)像平面的輻照度物空間亮度L1041.5.5成像系統(tǒng)像平面的輻照度利用光學(xué)的拉-亥不變式

一般光電成像系統(tǒng)，由于n0=n11，且光瞳放大率p=D/D=1，其中D和D為物鏡物方和像方孔徑。于是

l>>f

1.5.5成像系統(tǒng)像平面的輻照度利用光學(xué)的拉-亥不變式105例已知太陽輻亮度L0等于2×107Ｗ/m2/sr，太陽的半徑r0等于6.957×108m，地球的半徑re為6.374×106m，太陽到地球的年平均距離l為1.496×1011m，求太陽的輻射出射度M0、輻射強度I0、輻射通量Φ0以及地球接收的輻射通量Φe、地球大氣層邊沿的輻照度Ee。解:太陽可假定為朗伯光源，則太陽的輻射出射度M0=L0=6.2832107(W/m2)若認(rèn)為太陽是一均勻發(fā)光體，則太陽的輻射通量

0=4R2M0=3.8211026(W)太陽的輻射強度:I0=0/4=3.0411025(W/sr)地球?qū)μ柕牧Ⅲw角：=re2/l2=5.70310-9(sr)即地球只接收了太陽總輻射能的5.7×10-9/4=4.54×10-10。地球接收到的太陽的輻射通量:Φe=I0=1.7341017(W)地球大氣層邊沿的輻照度:Ee=I0/l2=1358.79(W/m2)例已知太陽輻亮度L0等于2×107Ｗ/m2/sr，太陽的1061.3.3人眼的顏色視覺特性

(1)彩色的特性及其表示明度：人眼對物體的明暗感覺。發(fā)光物體的亮度越高,則明度越高；非發(fā)光物體反射比越高，明度越高。色調(diào)：區(qū)分彩色的特性,即紅/黃/綠/藍(lán)/紫等。不同波長的單色光具有不同的色調(diào)。發(fā)光物體的色調(diào)決定于它的光輻射的光譜組成。非發(fā)光物體的色調(diào)決定于照明光源的光譜組成和物體本身的光譜反射(透射)的特性。飽和度：指彩色的純潔性?？梢姽庾V的單色光是最飽和的彩色。彩色飽和度決定于物體反射(透射)特性。如果物體反射光的光譜帶很窄，則飽和度就高。1.3.3人眼的顏色視覺特性(1)彩色的特性及其表示色1071.3.3人眼的顏色視覺特性1.3.3人眼的顏色視覺特性1081.3.3人眼的顏色視覺特性

(2)視網(wǎng)膜的顏色區(qū)

視網(wǎng)膜中央視覺主要是錐體細(xì)胞,邊緣視覺則主要是桿體細(xì)胞。具有正常顏色視覺的視網(wǎng)膜中央能分辨各種顏色,由中央向邊緣過渡,顏色分辯能力逐漸減弱,直到對顏色感覺消失。與中央?yún)^(qū)相鄰的外周區(qū)先喪失紅色和綠色的感受性,再向外部對黃色和藍(lán)色的感受也喪失,成為全色盲區(qū)。在同一光亮下，白色視野范圍最大，其次為黃藍(lán)色,紅綠色視野最小。當(dāng)觀察大于4視場時，在視線正中會看到一個由中央黃色素造成略帶紅色的圓斑，稱為麥克斯韋爾圓斑。1.3.3人眼的顏色視覺特性(2)視網(wǎng)膜的顏色區(qū)1091.3.3人眼的顏色視覺特性

(3)顏色恒常性外界條件變化后，人們的色知覺仍然保持相對不變，這種現(xiàn)象稱為顏色恒常性。物體表面的顏色取決于物體表面的物理屬性，物理屬性在照度發(fā)生變化時并不改變。赫林的記憶色概念：最常見物體的顏色給人們的記憶以深刻的印象，這個顏色變成了印象的固定特征，一切人們經(jīng)驗所知的東西都是通過記憶顏色的眼睛去觀察，顏色恒常性是與物體的物理屬性以及記憶色有一定的關(guān)系。物體顏色既決定于光線在物體表面的反射和吸收,也受光源條件影響。在一定條件下,顏色恒常性可受到破壞而發(fā)生很大變化。顏色恒常性現(xiàn)象目前尚不能全面地解釋清楚。1.3.3人眼的顏色視覺特性(3)顏色恒常性物體表面的1101.3.3人眼的顏色視覺特性

(4)色對比顏色視覺還受到被觀察物體周圍環(huán)境以及觀察者眼睛在觀察前觀看過其它顏色歷史的影響。

如果將兩種顏色按適當(dāng)比例相混合后，能產(chǎn)生灰色，則稱這兩種顏色互為補色。例如紅和綠、藍(lán)和黃都是互補色。視場中相鄰區(qū)域不同顏色的相互影響叫做顏色對比，包括明度對比、色調(diào)對比和飽和度對比。一塊灰色紙片放在白色背景上看起來發(fā)暗，而放在黑色背景上看起來發(fā)亮，這種當(dāng)明暗不同的物體并置于視場中會感到明暗差異增強的現(xiàn)象稱為明度對比。1.3.3人眼的顏色視覺特性(4)色對比111馬赫帶(MarchBand)側(cè)抑制特性(LateralInhibition)馬赫帶(MarchBand)側(cè)抑制特性(LateralI1