《颜色的物理与生理》PPT课件.ppt

第二讲颜色的物理与生理机制 课后练习 1 说明以下常用照明术语的定义及其单位光通量光强 发光强度 照度2 解释暗视觉 明视觉 和中介视觉视觉阈限明适应和暗适应后像 一 光的本质 照明工程中 光是指辐射能的一部分 即能产生视觉的辐射能 从物理学的观点 光是电磁波谱的一部分 波长范围在380 780nm之间 这个范围在视觉上可能稍有些差异 任何物体发射或反射足够数量合适波长的辐射能 作用于人眼睛的感受器 就可看见该物体 电磁波谱 电磁波谱10 16 105m可见380 780nm紫外线100 380nm红外线780nm 1000um 天然的紫外 红外源 太阳是近紫外线发射源 人造发射源可以产生整个紫外线波谱太阳是天然的红外线发射源白炽灯一般可发射波长在5000nm以内的红外线发射近红外线的特制灯可用于理疗和工业设施 二 光谱光效率曲线 光谱光效率用来评价人眼的视觉灵敏度不同波长的光在人眼中产生光感觉的灵敏度也不同 人眼对波长为555nm的黄绿光感受效率最高 峰值波长 m 555nm用来度量辐射能所引起的视觉能力的量叫光谱光效能 Km 683lm W 其他任意波长时的光谱光效能K 与之比称为光谱光效率 用表示V 它随波长而变化V K Km 视觉与亮度的关系 亮度在10cd m 2以上时 人眼为明视觉 若再增加亮度 则眼睛的反应不受影响 亮度在10 6 10 2cd m 2之间时 人眼光谱光效率曲线的峰值要向波长较短的方向移动 其最大灵敏度值一般出现在波长为507nm 曲线2即为暗视觉光谱光效率曲线 明暗视觉的这种差别被认为与视网膜内两种视觉神经元工作特性有关 光谱光效率曲线 1 明视觉 2 暗视觉 第二节常用的光度量 一 光通量二 发光强度 光强 三 照度四 光出射度 面发光度 五 亮度 光通量 单位时间内光辐射能量的大小 它是根据人眼对光的感觉来评价的 光源出光的量为光通量 光通量是光流的时间速率 光通量一般就视觉而言 即辐射体发出的辐射通量按V 曲线的效率被人眼所接受若辐射体的光谱辐射通量为 e 其光通量公的表达式为 光通量的单位 光通量的单位是流明lm 在国际单位制和我国法定计量单位中 它是一个导出单位 1lm是发光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量 在照明工程中 光通量是说明光源发光能力的基本量 一只220V40w白炽灯发射的光通量为350lm 而一只220V40W荧光灯发射的光通量为2100lm 为白炽灯的6倍 光强 为了表示辐射体在不同方向上光通量的分布特性 引入光通量的角 空间的 密度概念S为点状发光体 它向各个方向辐射光量 若在某方向上取微小立体角d 在此立体角内所发出的光通量为d 则两者的比值即为该方向上的光强I 提高发光强度的方法 发光强度常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向或在选定方向上的分布密度 例一只220V40W白炽灯发出约350lm光通量 它的平均光强为350 4 28cd 若在该颗灯泡上面装一盏白色搪瓷平盘灯罩 则灯的正下方发光强度能提高到70 80cd 如果配上一个聚焦合适的镜面反射皿则灯下方的发光强度可以高达数百坎德拉 在后两种情况下 灯泡发出的光通量并没有变化只是光通量在空间的分布更为集中 相应的发光强度也提高了 发光强度的单位 单位是坎德拉cd 在数量上1cd 1lm sr坎德拉是国际单位制的基本单位之一 其他光度量单位都是由坎德拉导出的 坎德拉定义为 一个光源发出频率为540 1012Hz的单色辐射 对应于空气中波长为550nm的单色辐射 若在一定方向上的辐射强度为1 683w sr 则光源在该方向上的发光强度为1cd 1979年10月第10届国际计量大会 照度 用来表示被照面上光的强弱 以被照场所光通的面积密度来表示 取微小面积dA 入射的光通为d 则照度E为 照度的单位 国际单位勒克斯 lx 1lx即表示在1m2的面积上均匀分布llm光通量的照度值 或者是一个光强为1cd的均匀发光的点光源 以它为中心 在半径为1m的球表面上各点所形成的照度值 除了勒克斯 lx 化工程上还曾经用过英尺 坎德拉 fc 辐透 ph 毫辐辐透 mph 常见情景的照度 1lx的照度是比较小的 在此照度下仅能大致地辨认周围物体要进行区别细小零件的工作则是不可能的 晴朗的满月夜地面照度约为0 21lx白天采光良好的室内照度为100 500lx 晴天室外太阳散射光 非直射 下的地面照度约为l000lx中午太阳光照射下的地面照度可达10000lx 光谱光视效率 V Le555 Le 1光视效能 K Xv Xe KmV 光和视觉 第一节视觉的生理基础眼睛的构造视觉产生过程第二节视觉特性暗视觉 明视觉和中介视觉视觉阈限明适应和暗适应后像眩光个人差别第三节视觉功能对比敏感度可见度视觉敏锐度 视力 视觉感受速度 察觉速度 屈光系统 屈光系统的作用是将不同远近的物体清晰地成像在视网膜上 它包括有 角膜位于眼球的正前方 是一种弹性透明组织 厚度约为0 5mm 直径约11mm 角膜具有屈光能力 平均折射率为1 336 房水充满于角膜和虹膜之间虹膜与晶状体之间的水样透明液体 由睫状体产业 它的功能是提供角膜和晶状体等血管组织的新陈代谢和维持眼内压 房水的折射率也为1 336 睫状肌的收缩可改变晶状体的屈光力 使不同距离的物体均能成象在视网膜上 晶状体厚3 6 4 4nm 直径约为9mm 折射率从外到内约为1 386 1 437 玻璃体是一种透明的半流体 位于晶状体和视网膜之间 折射率为1 236 感光系统 视网膜就是人眼的感光系统 人眼的视网膜厚度约0 1 0 5mm 主要由三层细胞构成 最外层为视细脑层 它包括两种视细胞 锥体细胞和杆体细胞 达两种细胞是以它们的形状取名的 图中a为杆体细胞 直径约2 4um 长约60um b为锥体细胞 它为圆锥状 直径约2 6um长40um 锥体细胞具有精细的分辨能力 能很好地分辨颜色 但感光灵敏度低 而杆体细胞感光灵敏度高 促分辨细节的能力低不能分辩颜色 第二层为双极细胞层 d e f h 双极细胞的一端与视细胞相联 另一端与神经节细胞相联 一般情况 每一个锥体细胞都与一个双极细胞联结 因此 在光亮条件下 每一锥体细胞作为一个单元 能够精细地分辨外界对象的细节 而杆体细胞则不同 几个杆体细胞只联结一个双极细胞 因此次黑暗条件下通过几个杆体细胞对外界微弱刺激起总和作用 能得到高的感光灵敏度 第三层是最内层 主要含有神经节细胞 它与视神经相联结 视神经穿过眼球后壁进入脑内的视觉中枢 光线由角膜进入眼球到达视网膜 通过视网膜的第三层和第二层 最后才到达锥体细胞和杆体细胞 人和其他脊椎动物的眼睛 都具有这种感光细胞在最后层的 倒置 的视网膜 视细胞与双极细胞和神经节细胞栋联结成一个个纵向体系 图中A B C是杆体细胞系统 D E F G是锥体细胞系统 H是杆体与锥体细胞混合系统 人眼视网膜小约有1 07亿个视细胞 其中杆体细脑约1亿个 锥体细胞约700万个 它们在视网膜上的分布是不均匀的 位于视网膜中央部位 有一个呈黄色的锥体细胞密集区 直径约2 3mm 称为黄斑 黄斑中央有一凹窝 称为中央凹 是视觉最敏锐的地方 锥体细胞的密度在中央凹处最大 在视网膜中央的黄斑部位和中央凹大约3 视角范围内主要是锥体细胞 几乎没有杆体细胞 出里向外锥体细胞急剧减少 而杆体细胞逐渐增多 在离小央凹20 的地方 杆体细胞的数量最大 在距中央凹约4mm的鼻侧 为视神经纤维以及视网膜中央动 静脉所通过 形成一个卵圆形的乳头 此处没有视细胞 故称为盲点 眼球除了上述两大主要部分外 其他部分各有它们的特殊功能 虹膜在角膜后面 位于晶状体前 中央有一圆孔称为瞳孔 虹膜内有扩大肌和括约肌两种肌肉来控制瞳孔扩大或缩小 以控制进入眼内的光能量的多少 睫状体位于虹膜后 其内部有睫状肌 起调节晶状体曲率的作用 使外界不同距离的物体都能清晰地成像在视网膜上 脉络膜合有丰富的色素细胞 呈黑色 起着吸收外来杂散光的作用 消除由于反射 散射光线在眼球内形成的杂光 它还起供给视网膜营养的作用 巩膜是眼球的外壁 起保护作用 当入观察物体时 物体发出的光通过角膜进人人眼 在角膜 房水 晶状体 玻璃体的作用下 成像在视网膜上 视细胞接受光刺激转化为神经冲动 经视神经进入脑内的视觉中枢 从而产生物体大小 形状 亮暗和颜色等视感觉 扬 赫姆霍尔兹的三色学说 这一学说是由19世纪提出的根据红 绿 蓝三原色可以混合出各种不同色彩颜色的混合规率 假设人眼视网膜上有三种神经纤维 每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉 光作用于视网膜上虽然能同时引起三种纤维的兴奋 但波长不同 引起三种纤维的兴奋程度不同 人眼就产生不同的颜色感觉 例如长波端的光同时刺激 红 绿 蓝 三种纤维 但是 红 纤维的兴奋最强烈 因此有红色感觉 光刺激同时引起三种纤维强烈兴奋 从兴奋程度相同就会产生白色感觉 对光谱的每一波长 三种神经纤维都有其持有的兴奋水平 三种纤维不同样度的同时活动就产生了相应的颜色感觉 总亮度感觉为三种纤维中每种纤维提供的亮度感觉之和 人眼视网膜上确实含有三种不同类型的锥体细胞 这三种锥体细胞中分别合有三种不同的视色素 这三种不同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰值分别约在440 450nm 530 540nm 560 570nm处 赫姆霍尔兹三色学说的图解 颜色感觉 可见光辐射刺激人眼引起颜色感觉 物体的颜色除取决于物体辐射对人眼产生的物理刺激外 还取决于人眼的视觉特性必须从生理学及心理学的角度了解人限的构造和颜色感觉的机理 以及种种颜色视觉现象 人的视觉系统 人的视网膜有三种色彩感觉细胞叫做圆锥细胞 三种类型 决定对进入光的波长的灵敏性蓝色圆锥细胞的波峰是440nm绿色圆锥细胞的是545nm红色的是580nm 眼睛对各种相同强度的波长的敏感峰是550nm 相同强度下绿色要比红和蓝看着都要亮些 圆锥细胞需要高的亮度去刺激 当亮度增加世颜色的区分度也就增加 同样 纯度的增加颜色的区别度也随之增加 有种圆柱形神经的末端杆状分布在视网膜上对光的亮度和色彩信息敏感杆状细胞对弱光很敏感同样对外型和质地也很敏感三原色理论 也称三刺激理论是基于视网膜有三种色彩感受器的 这个理论可用来解释颜色匹配实验的结果 视觉神经元的吸收光谱曲线 外界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收特性所吸收 细胞色素吸收光子所引起光化学反应 视色素被分解漂白 同时触发生物能 引起神经活动 将视觉信息通过双投细胞和神经节细胞传至神经中枢 视色素的漂白程度以及产生的生物能的大小与此类锥体细胞吸收的光子数量有关 光子数越多 则漂白程度越高 分别称这三种视色素为亲蓝 亲绿 亲红视色素 吸收光谱曲线 人眼对各种色彩的感觉是不同的光辐射对三种色素不同程度的漂白的综合结果 人眼的明亮感觉是三种锥体细胞提供的亮度之和 视场 头部不动时 眼睛能看见的范围称为视场 视野 在正常情况下 人两眼的视场为水平面的视场为180o 垂直面的视场为130o 水平面上方为60o 水平面下方为70o黄斑的对应角约为2o 这个区域称为中心视场 从中心视场的外边线到离视线轴线30o的圆周这个范围是视界最清楚的区域 图中间白色部分为双眼都看到部分左右两侧灰色部分为左右眼分别看到部分 黑色部分为被眼眉 面颊和鼻子遮挡的部分 暗视觉 明视觉和中介视觉 视场亮度在10 6 10 2cd m2只有杆状体工作锥状体不工作 这种视觉状态称为暗视觉 亮度达到10cd m2以上时锥状体的工作起着主要作用 这种视觉状态称为明视觉 亮度在10 2 10cd m2时杆状体和锥状体同时起作用 这种视觉状态称为中介视觉 暗视觉 明视觉和中介视觉 杆状体的最大灵敏度在波长为507nm处 而锥状体的最大灵敏度在波长为555nm处 暗视觉的光谱光效率曲线V k 和明视觉的光谱光效率曲线V 黄昏亮度低 暗视觉杆状体工作时 绿光与蓝光显得特别明亮 而在白天亮度高 视觉锥状体工作时 波长较长的光谱如红色光显得明亮 杆状体虽然对光的感受性很高但它却不能分辨颜色 只有锥状体在感受光刺激时 才有颜色感 因此只有在照度较高显得明亮的条件下 才有良好的额色感 在低照度的暗视觉下 颜色感则很差 此时 各种颜色的物体都给人以蓝 灰的色感 明适应与暗适应 当光的亮度不同时 对人的视觉器官感受性也不同 亮度有较大变化时 感受性也随着变化 这种对光刺激变化相顺应的感受性称为适应 适应有明适应与暗适应两种 人眼睛从数万斯勒克 阳光下 到百分之几勒克斯 月光下 这样宽广的亮度变化环境下 要能看清被识别对象 其感受性必须随之变化 变化的过渡过程与杆状体和锥状体两种细胞替换工作有关 还与瞳孔扩大 缩小以及视网膜上的化学变化等因素有关 暗适应 暗适应所需过渡时间较久由光亮处进入黑暗处时 开始一切都看不见 经过一段时间才逐渐看清轮朗 在这个过程开始时 瞳孔逐渐放大 进入服中的光通量增讯感受性随之提高 但整个过程必须在杆状体细胞转入工作才能完成 图是用白色试标在短时间内达到能看得出的程度所需的最低亮度界限 亮度阈值 变化曲线 A段为视网膜上锥状体参加工作 B段为杆状体参加工作 整个过程的开始阶段感受性增长很快 以后越来超慢 大约30Min后才能趋于稳定 明适应 明适应发生在由暗处到亮处的时候 开始时人眼也不能辨别物体 几秒到几十秒后才能看清物体 这个过程也是眼的感受性降低的过程 开始时瞳孔缩小 视网膜上感受性降低 杆状体退出工作而锥状体开始工作 明适应时间较短开始时感受性迅速降低30s以后变化则很缓慢 几百秒后趋于稳定 当视场内明暗急剧变化晚眼睛不能很快顺应 视力下降 为了满足眼睛适应性要求 在隧道入口处需作一段明瞄过渡照况以保证一定的视力要求 如图所示为隧道入口处明暗过渡照明亮度的最低界限位 隧道出口处因明适应时间很短 在1s以内 故可不作其他处理 四 后像 视觉是不会瞬时产生 也不合瞬时消失特别是在高亮度的闪光之后往往还可感到有一连串的影像 以不规则的强度和不断降低的频率正负交替出现 这种现象称为后像 正后像是亮的 与闪光的颜色一样 负后像比较暗 颜色接近于闪光的补色 后像应用和危害 如果闪光的频率增加到某一数值时 闪光的闪烁感就被这种连续的影像所融合而消失眼睛所感觉到的好像是连续光一样 这个频率称为临界融合频率 临界融合频率值与亮度有关 在暗视觉时 临界融合频率低于10Hz 它随亮度的增加而提高 在亮度为103cd m2时 临界融合频率可达45 60Hz 电影之所以感到如连续画面 荧光灯的发光使人感到稳定连续 都是由于视觉的后像特性而形成的 强烈的后像对视力工作特别有害 例如偶然看到极亮的发光体后在一定时间内 我们总被一个用影 极亮发光体的负后像 所困扰 颜色是什么 颜色是人脑对外在事物视觉刺激的反映是观察者的主观感情经历的反映 没有观察者就不会有颜色依靠光的物理性质 光与物体的相互作用 人脑和人的视觉系统的翻译出的一种综合解释 光的分类 按颜色可分为彩色光和非变化光 非彩色包适白 色 光 各种深浅不一样的灰 色 光和黑 色 光 彩色光又可细分为红光 绿光 黄光 红紫光等 按频率成分可分为单色光和复合光 单色光是指具有一波长的色光或者所占波谱宽度小于5nm的色光 非单色光即复合光 按频率和颜色综合考虑可分为谱色光和非谱色光 谱色光主要是指波长从780nm到380nm 颜色按红 橙 黄 绿 青 蓝 紫顺序排列的各种单色光 把两个或者两个以上的单色光混合所得 但又不能作为谱色出现在光谱上的色光称为非谱色光 白光是非谱色光单色光一定是谱色光 非谱色光一定是复合光 而复合光也可能是谱色光 例如 红单色光和绿单色光合成的复合光为黄色 它属于谱色光 按发光方式可分为直射光 反射光和透射光 发光体 光源 直接发出的光称为直射光 物体对光源发出的光 能够进行反射所形成的光称为反射光 能进行透射所形成的光称为透射光 颜色的定义 美国光学学会的色度学委员会曾经把颜色定义为 颜色是除了空间的和时间的不均匀性以外的光的一种特性 即光的辐射能刺激视网膜而引起观察者通过视觉而获得的景象 在我国国家标准GB5698 85中 颜色的定义为 色是光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性 根据这一定义 色是一种物理刺激作用于人眼的视觉特性 而人的视觉特性是受大脑支配的 也是一种心理反映 色彩感觉不仅与物体本来的颜色特性有关 而且还受时间 空间 外表状态以及该物体的周围环境的影响 同时还受各人的经历 记忆力 看法和视觉灵敏度等各种因素的影响 颜色的描述 感知到的色彩可由光的物理性质所描述 1 主波长 确定光谱的特别颜色2 纯度 所分布光量子的波长的一种度量 纯度高的光它的光量子都分布在一很窄的波长带宽中3 亮度 强度 光量子的数量 与感觉相对应 色调 是一种感觉性质是颜色和主波长相关的一种区别饱和度 颜色与灰色之间特定的差别 光纯度的反映例如纯红是高饱和度的 分红是低饱和度的 亮度 人感觉强度的估量 它不说明任何色彩信息和彩色度的量化 只有纯度和饱和度才量化色彩信息 色名法 色彩的种类繁多 为了正确的表达和应用色彩 每种色彩都用一个名称来表示 这种方法叫色名法 自然色名法 用自然界景物色彩的方法为自然色名法 使用自然景色 植物 动物 矿物色彩 例如 海蓝色 宝石蓝 栗色 桔黄色 象牙白 蛋青色等等 系统色名法 系统化色名法是在色相加修饰语的基础上 再加上明度和纯度的修饰语 通过色调的倾向以及明度和纯度的修饰就比较精确了 国际颜色协会 ISCC 和美国国家标准局共同确定并颁布了267个适用于非发光物质的标准颜色名称 简称ISCC NBS色名 颜色匹配实验 1835年格拉斯曼用最少特定颜色来实现颜色的匹配 实验证明任意一种颜色可由三中不同的颜色混合而成观察者的视野被一个黑隔板分成两个观察者可以对比测试广同三种已知光源相混合的光进行对比 颜色匹配试验的推论 任何颜色可以通过任意三种独立基础色混合得出独立基础色 任何一种均不能由另外两个混合得出匹配测试光所需的基础色的量叫三色值红绿蓝满足这些要求通常用作三基色 特别是在彩色电视中红绿蓝三基色可以匹配出所有可视图谱的主波长 红色匹配负数值在500nm左右说明这些颜色不能通过基色的叠加合成三刺激值公式在实验中颜色的匹配只是视觉上的匹配三基色匹配出的光谱并不和测试光的光谱相同光线感觉相同但是有不同的光谱分布曲线叫做同色异普现象 三基色理论 人的眼睛就像一个三色接收器的体系 大多数的颜色可以通过红 绿 蓝三色按照不同的比例合成产生 同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光 相加混色 是指两种以上的光混合在一起光亮度会提高 混合色的光的总亮度等于相混各色光亮度之和色光混合中 三原色是朱红 翠绿 蓝紫 这三色光是不能用其它别的色光相混而产生的 CIE标准色度系统 照明委员会制定的一套标准色系统定义三个基本量为X Y Z来标定颜色用来消除负值颜色值X Y Z 均为光波的正值 CIE标准系统规范 Y为亮度主要用来描述色彩的两度匹配颜色的基本值为 X Y Z 由其中对于彩色电视K是680流明每瓦特 对于反射物体k为当表面y值为100时的值 CIE色谱图 可以将所有可视颜色在XYZ空间标注出的锥形标图如果 x y z 是颜色C的匹配值那么就C X Y Z x y z 可以看作所有的光能如果我们知道拉x和y那么可以通过算出z 染色性值仅与主波长值有关与饱和度无关 CIE色品图所给出的x y值被广泛用于颜色科学中 CIE色品图的应用 给出所有可视颜色的染色值边界曲线为纯色给出拉一个可与阳光相比的白光场源C帮助定义主波长 测量色纯度 当两种颜色相叠加时新的颜色在两种颜色的连线上当用三种基础色时 那么所有在三色所围城的三角形中的颜色均可由这三色表示出帮助进行全色的对比 如颜色的采集中表示一些不能通过主波长定义的颜色叫非光谱色如紫