人眼成像原理

人眼成像原理

摘要：

人能看到大千世界，缤纷万物，这是靠我们的有精密的智能的成像系统—眼睛。眼睛是敏感的光感应器管，是一切动物与外界联系的信息接受器。这篇文章从光和颜色原理解释开始到成像原理和眼睛结构比较系统的介绍我们的眼睛是怎么形成图像的。

关键字：光成像眼睛

一、光和颜色的概述

任何光都以电磁波形式在空间传播的一个或者多个光子汇聚而成。人眼看到的景物是光源或者光源发出的光从物体上反射而成的光，人眼吸收这些光子并在脑子里成像就是你看到的景物了。有很多种方式产生光源，但所有这些方式都是利用原子激发的原理，当原子收到激发，其电子移至更高的轨道，每当电子从更高的轨道返回正常轨道，就产生了光子。加热是激发原子的一种方法，比如白炽灯，通过电流对灯丝加热，来激发灯丝里面的原子；

还有你看到铁在很热的时候是红色的，这个是铁原子的激发。光子照射到物体表面后，可能会被吸收、反射、折射或者散射，这都和物体的原子结构有关，不做深入分析。

物质颜色原理则是：当物质(分子或离子)吸收了相当可见光能量的电磁波后，就会表现出被人眼所能觉察到的颜色。物质之所以具有不同的颜色，这是因为它对不同的波长的可见光具有选择性吸收的结果。

物质呈现的颜色与它吸收的光的颜色有一定关系。如当白光通过硫酸铜溶液时,铜离子选择性地吸收了部分黄色光，使透射光中的蓝色光不能完全互补，于是硫酸铜溶液就呈现出蓝色。由于透射光中其它颜色的光仍是两两互补为白色，所以物质呈现出的颜色恰恰就是它所吸收的光的互补色。

若物体对白光中所有颜色的光全部吸收，它就呈现出黑色；若反射所有颜色的光,则呈现出白色；若透过所有颜色的光则为无色。

二、眼睛结构

眼睛等于捕捉光线的摄影机，而大脑是组成影像的机构。所有的色彩视觉都是建立在人的视觉器官的生理基础上的，所以必须了解视觉器官的生理

特征及其功能。

人眼的形状像一个小球，通常称为眼球。眼球内具有特殊的折光系统，使进入眼内的可见光汇聚在视网膜上。视网膜上含有感光的视杆细胞和视锥细胞，这些感光细胞把接受到的色光信号传到神经节细胞，再由视神经传到大脑皮层枕叶视觉神经中枢，产生色感。

眼球壁有三层膜组成。外层是坚韧的囊壳，保护眼睛的内部，称为纤维膜，它的前1/6为角膜，后5/6为白色不透明的巩膜，中层称葡萄膜（或血素层、血管层），颜色像黑紫葡萄，由前向后分为三部分：虹膜、睫状体和脉络膜。内层为视网膜，简称网膜。

1、角膜(cornea)：如同相机的滤镜，光由这里折射进入眼球而成像。

2、晶状体，水晶体 (lens)：如同相机的镜片。光线投射进来以后，经过

它的折射传给视网膜。所谓近视眼、远视眼、老花眼以及各种色彩、形态的视觉或错觉，大部分都是由于水晶体的伸缩作用所引起。它像一种能自动调节焦距的凸透镜一样。

3、黄斑是网膜中感觉最特殊的部分，稍呈黄色。色觉之所以有很大的个人

差异与黄斑是有关系的，位置刚好在通过瞳孔视轴所指的地方，即视锥细胞和视杆细胞最集中的所在，是视觉最敏锐的地方。我们看到物体最清楚时，就是因为影像刚好投射到黄斑上的缘故，黄斑下面有盲点，虽然是神经集中的部位，但缺少视觉细胞，不能看到物体影像。

4、盲点 (blind spot)：视神经与眼球的接点，该处无视细胞所以无法感光。

5、视网膜 (retina)：如同底片。视网膜是视觉接收器的所在，它本身也

是一个复杂的神经中心。眼睛的感觉为网膜中的视杆细胞和视锥细胞所致。视杆细胞能够感受弱光的刺激，但不能分辨颜色，视锥细胞在强光下反应灵敏，具有辩别颜色的本领。在中央凹处之内，只有视锥细胞，很少或没有视杆细胞。在网膜边缘，靠近眼球前方各处，有许多视杆细胞，而视锥细胞很少。某些动物（如鸡）因视杆细胞较少，所以在微光下，它们的视觉很差，成为夜盲。也有些动物（如猫和猫头鹰）因视杆细胞很多，所以能在夜间活动。

视觉细胞的两重功能:明视觉与暗视觉

1）、视锥细胞与明视觉

a．视锥细胞特性：包含感红，感绿，感蓝细胞主要感受颜色的差别，而对明暗的感觉比较低，对光的敏感性小，只有达到一定照度的情况下，视锥细胞才起作用。

b．明视觉：指在光亮的条件下，由锥体细胞起作用的辩认物体细节和颜色的视觉。

2）、视杆细胞与暗视觉

a.视杆细胞特性：感受物体的明暗，对光的敏感程度高，不能感受物体

颜色的差别。

b.暗视觉：指视杆细胞的活动特性，可以在光线很暗的情况下工作，不

能反映色光的差异。

3）、明暗视觉特点：

a．明视觉对400nm（紫色）和700nm（红色）附近的色光感受性很低，而对555nm的黄绿色部位最敏感。暗视觉对510nm的蓝绿色部位最敏感

b．明视觉曲线与视觉曲线之间没有联系。明暗视觉特性随人的年龄，性别等因素的变化而变化。

如下表所示：

三、成像原理

眼睛成像是透镜成像规律的重要应用。照相机与眼睛有相似的结构，眼球中的角膜和晶状体的共同作用，相当于一个“凸透镜”，视网膜相当于照相机的底片。从物体发出的光线经过人眼的凸透镜在视网膜上形成倒立、缩小的实像，分布在视网膜上的视神经细胞受到光的刺激，把这个信号传输给大脑，经过处理使人可以看到这个物正像的了。

而人为什么能感觉到物体的立体性，是因为人的视觉能分辨远近，这靠的是两只眼睛的差距。人的两眼分开约5公分，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，脑子就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。

一只眼睛虽然能看到物体，但对物体远近的距离却不易分辨。根据这一原理，如果把同一景像，用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛一边一个，各看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。各式各样的立体演示技术，也多是运用这一原理，我们称其为“偏