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1 第二章人眼视觉原理 2 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 3 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 4 2 1光的特性 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 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 惠更斯 1629 1695 牛顿 1643 1727 5 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 菲涅尔 托马斯 杨 傅科1862年证实光在水中的速度小于空气中的速度 傅科 1773 6 1829 英国医生兼物理学家 以 双缝干涉 实验闻名 1788 5 1827 法国土木工程师兼物理学家 以 泊松亮斑 闻名 1819 9 1868 2 法国物理学家 实验天才 以 傅科摆 闻名于世 6 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 麦克斯韦 2 1光的特性 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 7 2 1光的特性 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 Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory whichassertsheatandlighttobemodesofmotion isatpresentobscuredbytwoclouds 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 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 8 第一朵乌云 迈克耳孙 莫雷实验与 以太 说破灭 2 1光的特性 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 9 第二朵乌云 黑体辐射与 紫外灾难 2 1光的特性 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 所以这也是整个经典物理学的 灾难 10 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 2 1光的特性 迈克尔逊 莫雷 瑞利 爱因斯坦 普朗克 1852 1931 美国物理学家 1839 1923 美国化学家 1842 1919 英国物理学家 1879 1955 美国物理学家 1858 1947 德国物理学家 11 2 1光的特性 红外 可见光 紫外线 X射线 宇宙射线 光的产生机理 12 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 13 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 14 2 2光度学基本概念 发光强度 坎德拉cd 15 典型照度 教室 阴天 阳光直射 夜间满月 16 典型亮度 cd mm2 阳光 白炽灯 满月 蜡烛 17 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 18 三膜 两房 一晶体 19 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 20 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 不同彩色感觉不同亮度感觉 21 四 人眼视觉特性 视敏度的定义在相同亮度感觉的情况下 测各种波长光的辐射功 越大 说明人眼对该波长的光越不敏感 越小 人眼对该波长的光越敏感 习惯上定义的倒数为视敏度 22 2 4人眼视觉特性 相对视敏度曲线 光谱响应曲线 明亮环境下 对黄绿光视敏度的归一化曲线 23 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 24 2 4人眼视觉特性 谱尔金效应不同亮度下 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 源于视网膜内锥状细胞和柱状细胞的不同工作特点 2 人眼亮度感觉特性 25 2 4人眼视觉特性 明视觉与暗视觉的视敏度曲线 26 2 4人眼视觉特性 韦伯定律在均匀亮度背景下 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 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 27 不同亮度下的路灯感觉不一样 28 2 4人眼视觉特性 明暗感觉的相对性 晴朗的白天 10000cd mm2 人眼可分辨的亮度范围为200 20000cd mm2 200cd mm2以下就感觉黑 而在夜间 30cd mm2 可分辨的亮度范围为1 200cd mm2 100cd mm2的亮度就感觉很亮 29 2 4人眼视觉特性 视觉范围 实际感受亮度是以适应亮度为中心的一部分 1000 1 10 1 指人眼所能感觉到的亮度范围 可以从千分之几到几百万cd mm2 30 2 4人眼视觉特性 这种感觉很有用 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 31 2 4人眼视觉特性 3 人眼分辨力 对景物细节的分辨能力 一般将被观察物体上刚能分辨的最近邻两黑点或两白点的视角的倒数称为人眼的分辨力 P15 分辨率1 0 03mm是分辨极限 32 2 4人眼视觉特性 33 2 4人眼视觉特性 4 人眼视觉惰性一般将人眼亮度感觉变化滞后于实际亮度变化 以及视觉暂留特性 总称为视觉惰性 视觉惰性是人眼的重要特性之一 它描述了主观亮度与光作用时间的关系 34 2 4人眼视觉特性 与视觉惰性紧密联系的还有临界闪烁频率 它是指刚好不引起闪烁感觉的最低频率 如果光脉冲频率不高 会使人眼产生一明一暗的闪烁感觉 长期观看容易疲劳 35 2 4人眼视觉特性 一般在电影播放中每秒放24幅固定的画面 电视每秒传送25 30幅图像 就可以使人眼感觉为连续活动的图像 36 2 5颜色视觉 我是色盲 37 2 5颜色视觉 38 五 颜色视觉 颜色感觉射入眼内的是含有不同颜色成分单色光的复合光 视网膜上锥细胞内含有感受红 绿 蓝三种基色的感色成分 39 彩色三要素 亮度 指光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉 与色光所含能量有关 色调 指颜色的类别 与光的波长有关 改变光的波谱成分 光的色调会发生变化 色饱和度 指色调深浅的程度 纯度 对物体而言 色饱和度与物体的反射光谱选择性有关 40 2 5颜色视觉 色调 色饱和度 色度色度既说明彩色光的颜色类别 又说明颜色的深浅程度 色度 亮度 完整彩色非彩色只有亮度的差别 而没有色调和饱和度这两种特性 41 三基色原理 指自然界中常见的大部分彩色都可由三种相互独立的基色按照一定比例混合得到 所谓独立 是指其中任何一种基色都不能由另外两种基色合成 42 1931年 国际照明委员会 CIE 规定水银光谱中R 700nm G 546 1nm B 435 8nm为红 绿 蓝基色光 当红 绿 蓝三束光比例合适时 就可以合成自然界中常见的大多数彩色 43 五 颜色视觉 混色方法 定性 不同颜色混合在一起 能产生新的颜色 这种方法称为混色法 混色分为相加混色和相减混色 44 2 5颜色视觉 相加混色各分色的光谱成分相加 混色所得彩色光的亮度等于成分基色的亮度之和 彩色电视就是利用红 绿 蓝基色相加产生各种不同的彩色 45 2 5颜色视觉 相加混色规律红色 绿色 蓝色 白色红色 绿色 黄色红色 蓝色 品红 紫 绿色 蓝色 青色 46 2 5颜色视觉 黄色 蓝色 白色 互补 品红 绿色 白色 互补 青色 红色 白色 互补 47 三基色与互补色 48 2 5颜色视觉 相减混色相减混色是利用颜料 染料的吸色性质来实现的 多用于彩色印刷 彩色胶片和绘画 49 2 5颜色视觉 相减混色规律青色 白色 红色品红 白色 绿色黄色 白色 蓝色 50 2 5颜色视觉 相减混色规律黄色 品红 白色 蓝色 绿色 红色黄色 青色 白色 蓝色 红色 绿色品红 青色 白色 绿色 红色 蓝色黄色 青色 品红 白色 蓝色 红色 绿色 黑色 51 2 5颜色视觉 答 因蓝光 红光均被吸收而呈现绿色 提问 白光照射下 黄色颜料呈现什么颜色 答 吸收蓝色光而呈现黄色 2 白光照射下 黄 青