第二章_人眼视觉原理ok

1、1第二章 人眼视觉原理23光是一种电磁光是一种电磁波！在真空的波！在真空的速度是每秒速度是每秒30万公里万公里4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（16291695）：牛顿（16431727）：5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菲涅尔托马斯托马斯. 杨杨傅科1862年证实光在水中的速度小于空气中的速度傅科傅科1773.6-1829，英国医生兼物英国医生兼物理 学 家 ， 以理 学 家 ， 以“双缝干涉双缝干涉”实验闻

2、名实验闻名1788.5-1827，法国土木工程法国土木工程师兼物理学家，师兼物理学家，以以“泊松亮斑泊松亮斑”闻名闻名1819.9-1868.2，法国物理学家，法国物理学家，实 验 天 才 ， 以实 验 天 才 ， 以“傅科摆傅科摆”闻名闻名于世于世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。麦克斯韦麦克斯韦1831-1879，英，英国物理学家、国物理学家、数学家，预言数学家，预言电磁波的存在。电磁波的存在。以麦克斯韦电以麦克斯韦电磁方程闻名。磁方程闻名。 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

3、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力学问题的有效的工具。对于电磁电磁现象现象的分析，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。7

4、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，物理大厦已经落物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作成，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 be modes

5、of motion, is at present obscured by two clouds. ） 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迈克尔孙实验结果和以太漂移说相矛盾太漂移说相矛盾；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以黑体辐射理论出现的“紫外灾难紫外灾难”最为突出最为突出。 英国著名物理学家W汤姆孙（即开尔文勋爵）是1

6、9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：8u 第一朵乌云第一朵乌云迈克耳孙迈克耳孙莫雷实验与莫雷实验与“以太以太”说破灭说破灭 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

7、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、感觉不到的媒是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介介。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

8、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“以太漂移以太漂移”实验实验。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

9、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。9u 第二朵乌云第二朵乌云黑体辐射与黑体辐射与“紫外灾难紫外灾难” 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。

10、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（ 18601925）等人通过著名实验黑体辐射实验，发现黑体发现黑体辐射的能量不是连续的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

11、（18641928）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

12、。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，美国物理学家国物理学家1839-1923，美，美国化学家国化学家1842-1919，英，英国物理学家国物理学家1879-1955，美，美国物理学家国物理学家1858-1947，德，德国物理学家国物理学家11红外、可见光、红外、可见光、紫外线紫外线X射线射线宇宙射线宇宙射线内层电子内层电子外层电子外层电子原子核原子核12光的强弱的度量：光度学光的强弱的度量：光度学说明功率和波长都是影响亮度感觉的因素

13、。说明功率和波长都是影响亮度感觉的因素。1314光照度光照度（）单位面积（每平方米）接收面接收面的照明的照明程度程度光通量光通量（流明（流明lm）反映一束光反映一束光引起光亮感引起光亮感觉的能力，觉的能力，可以描述光可以描述光源、接收面源、接收面指定方向（球面度）发光强度发光强度(坎德拉坎德拉cd)单位面积（每平方米）亮度亮度(cd/m2)1550lx1000lx1000020000lx0.lx教室阴天阳光直射夜间满月1615亿亿500万万50002500阳光白炽灯满月蜡烛17人的眼睛是一人的眼睛是一个平均直径约个平均直径约为为20mm的球的球体体18 白色、坚固的巩膜，保护眼球 脉络膜，黑色

14、不透光，营养眼球 视网膜，含有许多对光线敏感的细胞，能感受光的刺激 后房，玻璃体，透明胶状物质 晶状体，透明，有弹性，像双凸透镜，能折射光线 角膜，无色透明 虹膜，有色素，可以调节瞳孔大小 前房，充满透明淡盐溶液19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人眼21( )P( )P( )P( )K( )P( )K22相对视敏度曲线（光谱响应曲线）相对视敏度曲线（光谱响应曲线）明亮环境下，明亮环境下，对黄绿光视敏对黄绿光视

15、敏度的归一化曲度的归一化曲线线2324 源 于 视 网源 于 视 网膜 内 锥 状 细膜 内 锥 状 细胞 和 柱 状 细胞 和 柱 状 细胞 的 不 同 工胞 的 不 同 工作特点作特点25明视觉与暗视觉的视敏度曲线明视觉与暗视觉的视敏度曲线 白白天天不不懂懂夜夜的的黑黑晚晚上上看看花花花花不不同同26min/BB常数minB 说明人眼的亮度说明人眼的亮度感觉不仅与物体自感觉不仅与物体自身亮度有关，还与身亮度有关，还与周围环境亮度有关。周围环境亮度有关。 一般地，背景一般地，背景越亮，越不易分辨。越亮，越不易分辨。27不同亮度下的路灯感觉不一样不同亮度下的路灯感觉不一样28晴朗的白天（晴朗的

16、白天（10000cd/mm2），），人眼可分辨的亮度范围为人眼可分辨的亮度范围为20020000 cd/mm2 ，200 cd/mm2以以下就感觉黑；而在夜间（下就感觉黑；而在夜间（30 cd/mm2 ），可分辨的亮度范围），可分辨的亮度范围为为1200 cd/mm2 ，100 cd/mm2的亮度就感觉很亮。的亮度就感觉很亮。29实际感受亮度是实际感受亮度是以适应亮度为中以适应亮度为中心的一部分心的一部分（1000:110:1） 指人眼所能感觉到的亮指人眼所能感觉到的亮度范围，可以从千分之几度范围，可以从千分之几到几百万到几百万cd/mm2。30这 种 感 觉这 种 感 觉很有用！很有用！31

17、P15：分辨率：分辨率1，0.03mm是分辨极限是分辨极限32光照度光照度相对对比度相对对比度色色 彩彩3334与视觉惰性紧密联系的还有临界闪烁临界闪烁频率频率，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 36我是色盲我是色盲37彩色彩色非彩色非彩色颜色3839亮度：亮度：色调：色调：指指颜色的类颜色的类别，与光别，与光的波长有的波长有关。改变关。改变光的波谱光的波谱成分，光成分，光的色调会的色调会发生变化。发生变化。色饱和度：色饱和度： 指色调深浅的程度指色调深浅的程度(纯度纯度)，对物体，对物体而言，色饱和度与物体的反射光谱选择性有关。而言，色饱和度与物体的反射光谱选择性有关。4041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。421931年，国际照明委员会年，国际照明委员会（CIE）规定水银光谱中）规定水银光谱中 R 700nm； G546.1nm； B 435.8nm为红、绿、蓝为红、绿、蓝基色光。当红、绿、