光度学与色度学 1 光度学基础

光度学与色度学第一章光度学基础物理与光电工程学院黄曦1.辐射度量为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。1.辐射度量辐射能：反射、传输、接收的能量，单位焦耳。辐通量：单位时间内的辐射能，单位瓦特。许多辐射接收器的响应值不取决于辐射能的时间积累值，而取决于辐射通量值辐出度、辐照度、辐强度、辐亮度hQedtdQee2.光度量光度量和辐射度量的定义、定义方程式一一对应的。光量：反射、传输、接收的光谱段能量，单位焦耳。光通量：发光体对人眼刺激程度，单位流明；（辐通量）光出射度：发光体……（辐出度）光照度：受照体……（辐照度）发光强度：发光体……（辐强度）光亮度：发光体and反射体……（辐亮度）hQv2.光度量四个光度量的示意2.光度量：光通量光通量和辐通量可通过“平均人眼”视觉特性进行转换在很小的波长范围内：wlmKdVKdwlmKdVKdmemvmemv/1755)()()(暗视觉条件下：/683)()()(明视觉条件下：在整个可见光谱范围内：dVKdVKemvemv)()(暗视觉：)()(明视觉：7803807803802.光度量：光通量流明1W功率555nm的黄绿光发出的光通量是683lm。光视效能Φν——光通量Φe——辐射通量即人眼对不同波长的辐射产生光感觉的效率。光谱光视效率eKeK)(2.光度量：光通量平均人眼是什么意思?平均人脸(●’◡’●)2.光度量：发光强度相同功率，不同光源发出的光通量不同：400W高压钠灯光通量48000lm发光效率102lm/W400W高压汞灯光通量21600lm发光效率54lm/W400W金卤灯光通量38000lm发光效率95lm/W发光效率（luminousefficiency)：光源发出的光通量÷光源输入效率发光效能（luminousefficacy)：系统发出的光通量÷系统输入效率引申：对植物的光效……2.光度量：发光强度一个电珠，光通量一样，装于手电筒后，“效果”不同发光强度发光强度：单位立体角中的光通量。单位：坎德拉（cd）1cd=1lm/1sr坎德拉是国际单位制七个基本量之一。一个光源发出频率为540*1012Hz的单色光，在一定方向的辐射强度为：1/683W/sr，则该方向上的发光强度为1cd。2.光度量：光亮度光亮度：单位投影面积上发出的光强。单位：cd/m2投影面积不同，光亮度不同2.光度量：光照度光照度：被照面上单位面积上接受的光通量。单位：勒克斯（lx）1lx=1lm/1m2221coscosrLdAdAdEs辐射量光谱辐射量光子辐射量光度量通量强度亮度出射度照度dtdQdtNpPnmnmemdVK780380)(IIIPPIIcos2APLLLAcosLP2Pcos2ALAMAEMMEEAMPPAMAEPPAE描述辐射场的基本物理量3.人眼视觉特性视觉是人类最重要的一种感觉，主要由光刺激作用于人眼产生的。人类获得的外界信息中，70%来自视觉，20%来自听觉，区域感官的获取量仅占10%。3.人眼视觉特性：人眼构造人眼的构造相当于一架摄像机或照相机。前面，是由角膜、晶状体、前房，后房、玻璃体所共同组成的具备镜头功能的组合，把物体发出的光线聚焦到后面的相当与胶卷的用于检测光线的视网膜上。3.人眼视觉特性：人眼构造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。3.人眼视觉特性：人眼构造角膜(cornea)：如同相机的滤镜眼球最前端是透明的角膜，它是平均折射率为1.336的透明体，俗称眼白，微向前突出，曲率半径前表面约7.7毫米，后表面约6.8毫米，光由这里折射进入眼球而成像。3.人眼视觉特性：人眼构造晶状体，水晶体(lens)：如同相机的镜片。晶状体在眼睛正面中央，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.人眼视觉特性：人眼构造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。盲点(blindspot)：视神经与眼球的接点，该处无视细胞所以无法感光。3.人眼视觉特性：人眼构造视网膜(retina)：如同底片。视觉接收器的所在，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，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，能在夜间活动。3.人眼视觉特性：人眼构造3.人眼视觉特性：人眼构造视神经(opticnerve)：将收集到的光线转化为脉冲传向大脑，如同光纤。中心窝(fovea)：视细胞最密集之处，为视线投影到网膜上的焦点。这一小凹是视觉最敏锐的地方。眼皮(eyelid)：如同相机的快门3.人眼视觉特性：人眼构造思考：上帝的眼睛VS达尔文的眼睛科学知识科学思维3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.1成像功能：自调焦的成像系统3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.2视觉响应:明视觉、暗视觉、中介视觉(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。3×10-5cd/m23cd/m23×105cd/m2暗视觉明视觉中介视觉3.人眼视觉特性：黑白视觉特性(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：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。明视觉曲线与暗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。3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.2视觉适应:明暗视觉适应、色彩适应适应调节:瞳孔大小调节视细胞感光物质调节（红光不破坏视紫红质）亮适应：暗亮，2-3min暗适应：亮暗，45-60min色彩适应：同样有适应过程3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.3绝对视觉阈值：全黑视场下，人眼感觉到的最小光刺激值，约10-9lx量级。蓝绿光（510nm）58-145个光子轰击角膜（5-14个光子到达视网膜）背景亮度Lb（1cd/m2)下，人眼可观察到的最小照度Lb16.4cd/m2后，产生炫目现象。L0眩目亮度，L像场亮度bLE5min105.3308LL3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.4阈值对比度：时间不限，使用双眼探测一个亮度大于背景亮度的圆盘，察觉概率为50%时，不同背景亮度下的对比度。Wald定律：背景亮度、对比度和人眼所能探测的目标张角三者之间存在制约关系:小目标Rose定律：目标张角7’时，x=2:bbtL-LLCconstαCLxb2constαCLb223.人眼视觉特性：黑白视觉特性韦伯定律：在均匀亮度背景下其中，是背景亮度，是人眼可觉察的最小亮度差。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。重现图像的亮度不需要等于实际景象的亮度，只要保持二者的对比度不变；对于人眼不能察觉的亮度差别，在重现图像时也不必精确复制出来，只要保证重现图像和原景物有相同的亮度层次。const/BΔBminBminΔB3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.5人眼分辨力：人眼能区分两发光点的最小角距离为极限分辨角θ，其倒数为人眼分辨力。从内因分析，影响分辨力的因素为眼睛的构造。从外因分析，与目标亮度、形状、对比度、运动状态等有关。3.人眼视觉特性：黑白视觉特性人眼分辨力内因：圆孔衍射理论的最小分辨角瑞利判据：视网膜上衍射图样衍射斑的半角宽度当两光源对瞳孔的张角为α0时，由于前房液和玻璃状液的折射，两光线在眼睛中的夹角为α，由n0α0=nα，即α0=nα应用瑞利判据，当两光源恰好能分辨时这时两点光源对瞳孔的张角22.10Dδnn0nDD22.122.10n0=1n=1.331S2S0λDnD22.10minDnDn22.122.1min03.人眼视觉特性：黑白视觉特性人眼分辨力内因：在通常亮度下，人眼的瞳孔直径约为3mm，视觉感受的最灵敏的光波波长为550nm，人眼的最小分辨角为：最小分辨角对应视网膜上尺寸：'43900.8(rad)102.3103105501.22Dλ1.22θm3.5μ1.331020102.3nlθxlxnθθ34003.人眼视觉特性：黑白视觉特性人眼分辨力外因：目标亮度、形状、对比度、运动状态等有关人眼会根据外界条件自动进行适应，从而可以得到不同的极限分辨角。分辨力和景物运动的连续感的关系：人眼对运动景物的分辨力要低于对静止景物的分辨力，其分辨角值约是静止景物时的5倍。3.人眼视觉特性：黑白视觉特性人眼分辨力外因：3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.6人眼对间断光的响应：人眼睛的视觉暂留约为每秒16-24次左右，因此只要以每秒30次或更短的时间间隔来更新屏幕画面，就可以骗过人的眼睛，让我们以为画面没有变过。虽然如此，实际上每秒30次的屏幕刷新率所产生的闪烁现象我们的眼睛仍然能够察觉从而产生疲劳的感觉。所以屏幕的场频越高，画面越稳定，使用者越感觉舒适。一般屏幕刷新率场频在每秒75次以上人眼就完全觉察不到了，所以建议场频设定在75Hz-85Hz之间，这足以满足一般使用者的需求了。视觉惰性后像3.人眼视觉特性：黑白视觉特性临界闪烁频率与波动光的亮度、波形、振幅、颜色有关。3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.7视觉系统的调制传递函数MTF：多种典型人眼MTF模型3.人眼视觉特性：黑白视觉特性3.2.8色差灵敏度：人眼恰好分辨色度差异的能力3.人眼视觉特性：颜色视觉特性3.3.1彩色特性及其表示：眼睛感受到的光信号中各波长的光占任意比例且均不相同