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各波长流明亮度、视觉原理课件
§1.1?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1.1-1所示。
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2~8mm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,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--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1.1-2所示。
可见光谱的波长范围在380~780mm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。
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1.1-3表示甲、乙两种光源辐射功率波谱P(l )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?+dl?=P(l?)dl?(1.1-1)
总的辐射通量为
?(1.1-2)
式中,W的单位为工率单位,如瓦。
三、相对视敏度函数
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1-1给出了相对视敏度的最佳数据,图1.1-4是根据表1-1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660n
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