人眼视觉原理

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1773.6-1829 , 英国医生兼物 理学家,以 “双缝干涉” 实验闻名
菲涅尔
1788.5-1827 , 法国土木工程 师兼物理学家, 以“泊松亮斑” 闻名
傅科
1819.9-1868.2 , 法国物理学家, 实验天才,以 “傅科摆”闻名 于世
2.1 光的特性
19世纪60年代,麦克斯韦的电磁 理论确信光是一种电磁现象。
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2.1 光的特性
第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”
在同样的温度下,不同物体的发光亮度和颜色(波长)不同。颜色深的物体吸收 辐射的本领比较强,比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80%左右。所谓“黑体”是 指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射,吸收率是100%的理想物体。真 正的黑体并不存在,但是,一个表面开有一个小孔的空腔,可以看作是一个近似的 黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射,在腔里经过多次反射和吸收以后,不会再从 小孔透出。 19世纪末,卢梅尔( 1860-1925)等人通过著名实验—黑体辐射实验,发现黑体 辐射的能量不是连续的,它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角 度看来,这个实验的结果是不可思议的。 怎样解释黑体辐射实验的结果呢?当时,人们都从经典物理学出发寻找实验的规 律。前提和出发点不正确,最后都导致了失败的结果。例如,德国物理学家维恩 (1864—1928)建立起黑体辐射能量按波长分布的公式,但这个公式只在波长比较 短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学 家金斯认为能量是一种连续变化的物理量,建立起在波长比较长、温度比较高的时 候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是,从瑞利-金斯公式推出,在短波区 (紫外光区)随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加,这和实验数据相差十 万八千里,是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的 失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败,所以这也是整个经 9 典物理学的“灾难”。
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2.4 人眼视觉特性
1. 人眼的光谱响应特性
辐射功率相同,波 长(频率)不同
人眼 不同彩色感觉 不同亮度感觉
视敏度
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四、人眼视觉特性
视敏度 K ( ) 的定义
在相同亮度感觉的情况下,测出各种 P 波长光的辐射功率 P ( ) 。 ( ) 越大,说明 人眼对该波长的光越不敏感, ( ) 越小, P 人眼对该波长的光越敏感。
韦伯定律
在均匀亮度背景下,
Bmin / B 常数 (韦伯-费赫涅尔系 数)。其中,B 是背 景亮度, 是人眼 可觉察的最小亮度差。 Bmin
说明人眼的亮度 感觉不仅与物体自 身亮度有关,还与 周围环境亮度有关。 一般地,背景 越亮,越不易分辨。
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不同亮度下的路灯感觉不一样
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2.4 人眼视觉特性
明暗感觉的相对性
be modes of motion, is at present obscured by two clouds. )
英国著名物理学家W〃汤姆孙(即开尔文勋爵)是19世纪英国杰出的理论物
W〃汤姆孙在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空 的乌云》的文章。他所说的第一朵乌云,主要是指迈克尔孙实验结果和以 太漂移说相矛盾;他所说的第二朵乌云,主要是指热学中的能量均分定则 在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤 以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
习惯上定义 P ( ) 的倒数为视敏度 K ( ) 。
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2.4 人眼视觉特性
明亮环境下, 对黄绿光视敏 度的归一化曲 线
相对视敏度曲线(光谱响应曲线)
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2.4 人眼视觉特性
观察视敏度曲线可以发现:在等 能量分布的光谱中,人眼感觉最暗 的是红色,其次是蓝色和紫色,感 觉最亮的是黄绿色(波长为555nm)。
麦克斯韦
1831-1879 , 英 国物理学家、 数学家,预言 电磁波的存在。 以麦克斯韦电 磁方程闻名。
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2.1 光的特性
理和实验物理学家,是一位颇有影响的物理学权威,他的说法道出了物理 学发展到19世纪末期的基本状况,反映了当时物理学界的主要思潮: 19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上,开尔文勋爵发 表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落 成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若 有所思地讲道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的 美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了……第一朵乌云出现在光的波动理 论上……第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。 (The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to
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2.1 光的特性
第一朵乌云——迈克耳孙—莫雷实验与“以太”说破灭
水波的传播要有水做媒介,声波的传播要有空气做媒介,它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空 传到地球上,几十亿光年以外的星系发出的光,也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播? 它的传播介质是什么?物理学家给光找了个传播介质——“以太”。 最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成; 上界加第五元素—“以太”。牛顿在发现了万有引力之后,碰上了难题:在宇宙真空中,引力由什么介质传 播呢?为了求得完整的解决,牛顿复活了亚里士多德的“以太”说,认为“以太”是宇宙真空中引力的传 播介质。后来,物理学家又发展了“以太”说,认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样,是由 “以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”,“以太”是一种由非常小的弹性球组成的 稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时,麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量, 可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质,又是电磁作用的传递者,又具有机械力学的性质, 它是绝对静止的参考系,一切运动都相对于它进行。这样,电磁理论与牛顿力学取得协调一致。“以太” 是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受,形成了一门“以太学”。 但是,肯定了“以太”的存在,新的问题又产生了:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇 到每秒30公里的“以太风”迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生,引起人们 去探讨“以太风”存在与否。 为了观测“以太风”是否存在,1887年,美国物理学家迈克尔孙与美国化学家、物理学家莫雷合作,在 克利夫兰进行了一个著名的实验-迈克耳逊-莫雷实验,即“以太漂移”实验。实验结果证明,不论地球运动 的方向同光的射向一致或相反,测出的光速都相同,在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而, 根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂,方法上精确可靠,所以, 实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。 迈克耳孙—莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以 太理论。如果他们不敢放弃以太,那么,他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理 学在这个著名实验面前,真是一筹莫展。
惠更斯(1629~1695):
波动说, 认为光是 纵波,无 法解释 “静止以 太”的矛 盾性质 (密度极 小,弹性 模量极 大)。 4
2.1 光的特性
托马 斯.杨 和菲 涅尔 于19 世纪 初解 决光 是横 波的 问题 傅科 1862 年证 实光 在水 中的 速度 小于 空气 中的 速度
5wk.baidu.com
托马斯. 杨
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2.1 光的特性
光 的 产 生 机 理
宇宙射线
X射线
外层电子 内层电子 原子核
红外、可见光、 紫外线
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2.2 光度学基本概念
辐射功率相同,波 长不同的光,亮度 感觉不同(相同亮度环境) 辐射功率不同,波 长不同的光,亮度 感觉相同
光的强弱的度量:光度学
说明功率和波长都是影响亮度感觉的因素。
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2.2 光度学基本概念
光度学中采用发光强度的单位坎德 拉为基本单位。
1979年第16届国际计量大会决定:坎德拉是 一个光源在指定方向上的发光强度,该光源 发出频率为540×1012Hz的单色辐射,而且在 此方向上的辐射强度为1/683(W/Sr)。
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发光强度:简称光强,光强是描述光源光 度特性最重要的参数。它表征了光源某个 方向上的发光强弱 。国际单位是candela (坎德拉)简写cd。 Lcd是指光源在指定方向的单位立体角内发 出的光通量。
第二章
人眼视觉原理
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内容导航
2.1 光的特性 2.2 光度学基本概念 2.3 人眼器官结构 2.4 人眼视觉特性 2.5 颜色视觉 2.6 小结与作业
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2.1 光的特性
电磁波谱分布
光是一种电磁 波!在真空的 速度是每秒30 万公里
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2.1 光的特性
牛顿(1643~1727): 微粒说,统 治17、18世 纪,可以解 释光的直线 传播和反射、 折射,但是 得出光在水 中的速度比 空气中大的 错误结论。
2.1 光的特性
物理学发展的历史表明,正是这两朵小小的乌云, 终于酿成了一场大风暴。第一朵乌云,导致相对论的 产生;第二朵乌云,导致了量子论的出现。这“两朵 乌云”恰恰是世纪之交物理学革命的导火线,发展起 了全新的物理学理论。
迈克尔逊
莫雷
瑞利
爱因斯坦
普朗克
1852-1931 , 美 1839-1923,美 1842-1919 , 英 1879-1955,美 1858-1947,德 国物理学家 国物理学家 国化学家 国物理学家 国物理学家
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2.4 人眼视觉特性
2. 人眼亮度感觉特性 谱尔金效应
源于视网 膜内锥状细 胞和柱状细 胞的不同工 作特点
不同亮度下,人眼的视敏度曲线 会发生变化。弱光条件下,视敏度 曲线会向左移。
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2.4 人眼视觉特性
白 天 不 懂 夜 的 黑
明视觉与暗视觉的视敏度曲线
晚 上 看 花 花 不 同
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2.4 人眼视觉特性
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2.2 光度学基本概念
光通
(流明lm)
单位面(每 平方米) 指定方向 (球面度)
光照度 (勒克斯lx)
接收面 的照明 程度
反映一束光 引起光亮感 觉的能力, 可以描述光 源、接收面
发光强度 (坎德拉cd)
单位面(每 亮度 平方米) (1nit=cd/m2)
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典型照度
教 室
>50lx 1000lx
物理学发展到19世纪末期,可以说是达到相当完美、相当成熟 的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回 答。 例如,一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释,牛顿 力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。对于电磁 现象的分析,已形成麦克斯韦电磁场理论,这是电磁场统一理论, 这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象,也已 经有了唯象热力学和统计力学的理论,它们对于物质热运动的宏 观规律和分子热运动的微观统计规律,几乎都能够作出合理的说 明。 总之,以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支 柱的经典物理大厦已经建成,而且基础牢固,宏伟壮观!在这种 形势下,物理学家大多感到陶醉,感到物理学已大功告成,因而 断言往后难有作为了。这种思想当时在物理界不但普遍存在,而 且由来已久。
虹膜,有色 素,可以调 节瞳孔大小
脉络膜,黑色不 透光,营养眼球
角膜,无 色透明 晶状体,透明, 有弹性,像双 凸透镜,能折 射光线 视网膜,含有许 多对光线敏感的 细胞,能感受光 的刺激
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后房,玻璃体, 透明胶状物质
2.3 人眼器官结构
光学过程+化学过程+神经处理过程
客观景物(发光体或者散射体)发出 的光束,携带光能量进入左右眼睛并同 时作用在视网膜上引起视感觉。光刺激 在视网膜上经神经处理产生的神经冲动 (电流脉冲)沿视神经纤维传到大脑皮 层,产生视知觉。
阴 天
阳 光 直 射
10000~20000lx
0.1lx
夜 间 满 月
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2) 典型亮度(cd/mm
15亿 500万
阳 光
白 炽 灯
2500 5000
满 月
蜡 烛
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2.3 人眼器官结构
人的眼睛是一 个平均直径约 为20mm的球 体
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三膜、两房、一晶体
前房,充满透 明淡盐溶液 白色、坚固的巩 膜,保护眼球
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