辐射度量光度量基础

关于辐射度量光度量基础第1章辐射度量、光辐射度量基础

辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量。光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量，即光度量是具有平均人眼视觉响应特性的人眼所接收到的辐射量的度量。因此，辐射度量和光度量都可定量地描述辐射能强度，但辐射度量是辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量；而光度量则还包括了生理学、心理学的概念在内。第2页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量1.2光度量1.3人眼视觉特性1.4朗伯辐射体及其辐射特性1.5几种典型光辐射量的计算公式第1章辐射度量、光辐射度量基础

第3页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量1.1.1立体角

任一光源发射的能量都辐射在它周围一定的空间。因此，在进行光辐射的讨论和计算时，是一个立体空间问题。在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角。立体角Ω描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度。定义：以锥体的基点为球心作一球表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比，即：式中，

为天顶角；

为方位角；d

,d

分别为其增量。单位：球面度(sr)。

dsrd

d

d

o整个球面度为:，半个球面度为:。立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2π角度覆盖整个单位圆。在三维空间，4π的球面度立体角覆盖整个单位球面。第4页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量1.1.2辐射度量的名称、定义、符号和单位第5页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量(1)辐射能(Q，Radiantenergy)

以电磁波形式发射、传输或接收的能量称为辐射能，简称辐能，描述以辐射形式发射、传输或接收的能量。一个光量子的辐射能为。(2)辐射能密度(w,Radiantdensity)

辐射场内单位体积中的辐射能。第6页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量(3)辐射通量(

，Radiantflux)

以辐射形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。

辐射通量以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量，属于基本物理量。它们的量值都可以用专门的红外辐射计在离开辐射源一定的距离上进行测量。所以其他辐射量都是由辐射功率辐射通量（或称为辐射功率）定义的。第7页,共88页，2024年2月25日，星期天

辐射强度是在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，辐射强度描述点光源辐射的方向特性。1.1辐射度量(4)辐射强度(I，Radiantintensity)

这是一个相对概念，辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）。点辐射源与扩展源

如果观测中使用光学系统，当源的像小于探测器，就可以看成是点源。

均匀点辐射源（各向同性）辐射强度I不随方向变化，故整个球面的辐射通量为：第8页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量(5)辐射出射度(M，Radiantexitance)

辐射出射度表示扩展源单位面积向半球空间发射的功率(或辐射通量)，是描述扩展源辐射特性的辐射量。若辐射源的x处微小面积元dA向半球空间的辐射功率为d

，则d

与dA之比定义为x处的辐射出射度。x

如果扩展源表面的发射不是均匀的：扩展源的辐射功率：如果扩展源表面的发射是均匀的：第9页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量(6)辐亮度(L，Radiance)

辐射源在给定方向上的辐射亮度，是源在该方向单位投影面积上、单位立体角内发出的辐射功率。描述扩展源表面不同位置沿空间不同方向的辐射功率分布特性。辐出度M和辐亮度L的关系辐强度I和辐亮度L的关系第10页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量(7)辐照度(E，Irradiance)

辐射照度描述受照物体表面单位面积上接收到的辐射通量。辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。辐射照度可以是多个辐射源辐照的结果，也可以是特定方向的一个立体角中投射的辐射功率。x第11页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量(8)吸收比、反射比、透射比由于辐射度量也是波长的函数，当描述光谱辐射量时，可在相应名称前加“光谱”，并在相应的符号上加波长的符号“

”作为下标，例如光谱辐射通量记为

或

(

)

等等。

i

r

s

a第12页,共88页，2024年2月25日，星期天

前面介绍的六个基本辐射量反映了辐射功率的几何分布特性：表面密度分布和空间角分布。

任何辐射均有一定的波长分布范围：辐射的光谱特性。那么，基本辐射量都应该有相应的光谱辐射量。1.1.3光谱辐射量与光子辐射量1.1辐射度量第13页,共88页，2024年2月25日，星期天（全）辐射量：光谱带辐射量：1、光谱辐射量

任一基本辐射量X，它包含了波长范围0~∞的全部辐射量，因此也叫全辐射量。

对于基本辐射量X，它在波长范围λ~λ+Δλ内相应的辐射量为ΔX，定义光谱辐射量（也叫单色辐射量）：1.1辐射度量第14页,共88页，2024年2月25日，星期天单位：W/μm（瓦/微米）(1)光谱辐射功率（光谱辐射通量）辐射源在λ+△λ波长间隔内发出的辐射功率，称为在波长λ处的光谱辐射功率（或单色辐射功率）光谱带辐射功率：全辐射功率：1.1辐射度量第15页,共88页，2024年2月25日，星期天(2)光谱辐射强度单位：W/Sr·μm（瓦/球面度·微米）(3)光谱辐射出射度单位：W/m²·μm（瓦/米²·微米）1.1辐射度量第16页,共88页，2024年2月25日，星期天(4)光谱辐射亮度单位：W/m²·Sr·μm（瓦/米²·球面度·微米）(5)光谱辐射照度单位：W/m²·μm（瓦/米²·微米）1.1辐射度量第17页,共88页，2024年2月25日，星期天2、光子辐射量

在红外辐射的探测与测量时，常用的探测器很重要的一类是光子探测器，它们对于入射辐射的响应是和入射的光子数相关的。

光子辐射量是单位时间间隔内传输、发送或接收的光子数。(1)光子数是用频率表示的单色辐射能。频率为ν的光子数：2、光子辐射量频率范围内的光子数为光子数：则(2)光子通量单位时间内传输的光子数。单位：1/S（1/秒）1.1辐射度量第18页,共88页，2024年2月25日，星期天(3)光子辐射强度

光源在给定方向上单位立体角内发射的光子通量，或单位时间向给定方向上单位立体角内发射的光子数。单位：1/s‧Sr（1/秒‧球面度）(4)光子辐射亮度

辐射源在给定方向上的辐射亮度，是源在该方向单位投影面积上、单位立体角内发射的光子通量。单位：1/㎡‧s‧Sr（1/平方米‧秒‧球面度）1.1辐射度量第19页,共88页，2024年2月25日，星期天(5)光子辐射出射度光源单位面积向半球空间（2π）内发射的光子通量。单位：1/㎡‧s（1/平方米‧秒）(6)光子辐射照度受照物体单位面积接收到的光子通量。单位：1/㎡‧s（1/平方米‧秒）1.1辐射度量第20页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量1.2光度量1.3人眼视觉特性1.4朗伯辐射体及其辐射特性1.5几种典型光辐射量的计算公式第1章辐射度量、光辐射度量基础第21页,共88页，2024年2月25日，星期天

光度学考虑的是人的视觉对辐射的反应，光度量是辐射量对人眼视觉的刺激值。它是人对辐射的主观感受，不同的人视觉特性会有差异，因此需要一个“标准人眼”。

光度量是具有“标准人眼”视觉响应特性的人眼对所接收到的辐射量的度量（视觉刺激值）。

人眼对不同波长的光的光能视觉响应（刺激值）是不同的。光谱光视效能是评定该刺激值的参数。1.2光度量第22页,共88页，2024年2月25日，星期天1.2光度量1.2.1光度量的名称、定义、符号和单位光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。下表列出了基本光度量的名称、符号、定义方程及单位、单位符号。有时为避免混淆，在辐射度量符号上加下标“e”，而在光度量符号上加下标“v”。

第23页,共88页，2024年2月25日，星期天1.2光度量(1)光量(Q，quantityoflight

)

光源在指定时间内发出的光能。(2)光通量(

，luminousflux)

光源在单位时间内发出的光能。(3)光强度(I，luminousIntensity)

光源在指定方向上通过单位立体角内的光通量。(4)光亮度(L，luminance)

面光源在给定方向上，单位正投影面积的发光强度。(5)光出射度(M，Lminousexitance)

面光源单位元表面内向外所发射的光通量。(6)光照度(E，illuminance)

被照物体单位元表面里入射或获得的光通量。第24页,共88页，2024年2月25日，星期天

常见光源的光视效能:1.2光度量1、光视效能

为了描述光源的光度与辐射度的关系，通常引入光视效能K，其定义为目视引起刺激的光通量与光源发出的辐射通量之比，单位为（lm/W）。第25页,共88页，2024年2月25日，星期天1.2光度量2、光谱光视效能人眼对不同波长的光的视觉响应是不同的，说明即使辐射通量不变，光通量也随着波长不同而变化，K是个比例，但不是常数，是随波长变化的。对于标准人眼，的极大值位于处，。——在波长λ处的光谱辐射通量；——在波长λ处的光谱光通量；第26页,共88页，2024年2月25日，星期天1.2光度量3、光视效能与光谱光视效能的关系

注意！第27页,共88页，2024年2月25日，星期天1.2光度量4、光视效率

把光视效能最大值（，）作为基准来衡量在其它波长处引起的视觉。5、光谱光视效率具体某个波长上的光视效率称为光谱光视效率，也称为视见函数，反映人眼对各种不同波长光的视觉灵敏度

。视见函数第28页,共88页，2024年2月25日，星期天1.2光度量6、光视效率与光谱光视效率的关系

注意！第29页,共88页，2024年2月25日，星期天1.2光度量7、明视觉、暗视觉V(

)是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率(或称视见函数)。对于明视觉，对应为辐射通量

e(555)与某波长

能对平均人眼产生相同光视刺激的辐射通量

e(

)的比值。Km是最大光谱光视效能(常数),对于明视觉，Km=683lm/W。对暗视觉，K

m=1725lm/W。明视觉条件下V(

)所对应的峰值波长为555nm，暗视觉条件下V(

)所对应的峰值波长为507nm。

视网膜有两种感光细胞锥体细胞杆体细胞明视觉暗视觉视见函数第30页,共88页，2024年2月25日，星期天1.2光度量1.2.2光度量与辐射度量的关系

(光谱)光度量和(光谱)辐射度量可通过人眼视觉特性进行转换，即:

光谱光度量和光谱辐射度量:

光度量和辐射度量:

光通量

V和辐射通量

e可通过人眼视觉特性进行转换，即

明视觉:暗视觉:第31页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量1.2光度量1.3人眼视觉特性1.4朗伯辐射体及其辐射特性1.5几种典型光辐射量的计算公式第1章辐射度量、光辐射度量基础第32页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3人眼视觉特性人眼在光度量和色度学评价中起着极为重要的作用。研究人眼的视觉特性是正确地进行各种光度/色度测量的基础，也是各种光度或色度仪器设计的依据。

视觉是人的主要感觉功能，人的视觉系统能完美的完成许多复杂的信息处理功能。视觉研究所涉及的学科：物理学、心理学、生理学、解剖学、计算机科学等。第33页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3人眼视觉特性1.3.1人眼视觉产生过程1.3.2人眼黑白视觉特性1.3.3人眼颜色视觉特性第34页,共88页，2024年2月25日，星期天

人眼的构造眼球包括：曲光系统和感光系统曲光系统由角膜、房水、晶状体和玻璃体组成感光系统由充满了视细胞的视网膜组成1.3.1人眼视觉产生过程第35页,共88页，2024年2月25日，星期天眼睛中图像的形成外界光线射进眼球角膜对入射光具有聚光作用瞳孔起了照相机的光圈作用晶状体悬挂在睫状体上睫状肌的收紧和松弛使晶状体改变凸度，起着光学变焦透镜的作用晶状体的后面是玻璃体光线最后落在眼底的视网膜上第36页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3.1人眼视觉产生过程(1)光学过程

15/100=2.55/17第37页,共88页，2024年2月25日，星期天(2)化学过程

锥状细胞：约有700万个锥状细胞，分布在正对瞳孔的视网膜中央区域（黄斑区）锥状细胞既能感光，又能感色，但感光灵敏度不高，主要在强光条件下工作。锥状细胞直径为2.5~7.5um。杆状细胞：约有1.2亿个杆状细胞，越远离黄斑区锥状细胞越少，在接近边缘区域的几乎全是杆状细胞。杆状细胞只能感光，不能感色，但感光灵敏度高，是锥状细胞的10000倍，主要在弱光条件下工作。杆状细胞直径为20um左右。1.3.1人眼视觉产生过程第38页,共88页，2024年2月25日，星期天(3)神经处理过程

每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（synapse）相连。每个神经元细胞借助其它的突触与其它细胞连接，从而构成光神经（opticalnerve）网络。光神经进一步与大脑中的侧区域（sideregionofthebrain）连接，到达大脑中的纹状皮层（striatedcortex）。对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉。1.3.1人眼视觉产生过程第39页,共88页，2024年2月25日，星期天

整体视觉过程

视觉＝“视”＋“觉”

1.3.1人眼视觉产生过程第40页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3人眼视觉特性1.3.1人眼视觉产生过程1.3.2人眼黑白视觉特性1.3.3人眼颜色视觉特性第41页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3.2人眼黑白视觉特性(1)成像功能人眼类似于一个自动调焦的成像系统。人眼能够看清不同距离的物体，是由于正常的眼睛具有调节功能。这种调节功能是靠调节人眼肌肉的拉紧与松弛来实现的。在观察远距离物体时，调节肌处于松弛状态，晶体的曲率较小，屈光力较小，使物体成像在视网膜上。当观察近距离物体时，调节肌处于紧张状态，晶体的曲率加大，厚度增加，晶体会聚光线的能力增强，使近处物体的像仍成在视网膜上。人眼简化眼模型的主要参数第42页,共88页，2024年2月25日，星期天图象是周围世界的一种映射,而周围世界是一个能量场,它可以描述为：其中,x,y,z为空间坐标,λ为光波波长,t为时间。而图象是客观世界的一次摄影的结果,是能量场E

的一个映射,即：1.3.2人眼黑白视觉特性第43页,共88页，2024年2月25日，星期天对于运动图象x,y,z都是时间

t的函数，若在连续的不同时间获取图象,可以获得序列图象：对于按不同波段获取图象，可获得彩色图象或不同波段的图象信号（如遥感图象，医学图象等）。对于按不同视角，即不同的

x,y,z间相互关系，可以得到不同视角的不同图象。

1.3.2人眼黑白视觉特性

因此，视觉现象包括有视觉对光强，对各种波长、彩色的光谱效应，对物体边缘等空间频率变化的响应，以及视觉对时间瞬时变化运动的响应。第44页,共88页，2024年2月25日，星期天

在外界光线的亮度发生变化时，人眼的感受性也会发生变化，这种感受性对光刺激产生顺应变化的特性，称为眼睛的亮度适应性。由于这种适应性，人眼所感觉到的亮度范围（视觉范围）非常大。明亮

较暗

现象？逐渐能够看清物体

暗光适应(20~30s)较暗

明亮

现象？逐渐能够看清物体

亮光适应(1~2s)1.3.2人眼黑白视觉特性(2)视觉的适应第45页,共88页，2024年2月25日，星期天刚从暗室进入亮室时人眼观测情形1.3.2人眼黑白视觉特性第46页,共88页，2024年2月25日，星期天(2)视觉的适应

人眼能在一个相当大(约10个数量级)的范围内适应视场亮度。随着外界视场亮度的变化，人眼视觉响应可分为三类：明视觉响应：当人眼适应大于或等于3cd/m2的视场亮度后，视觉由锥体细胞起作用。暗视觉响应：当人眼适应小于或等于3×10-5cd/m2视场亮度之后，视觉只由杆体细胞起作用。由于杆体细胞没有颜色分辨能力，故夜间人眼观察景物呈灰白色。中介视觉响应：随着视场亮度从3cd/m2降至3×10-5cd/m2，人眼逐渐由锥体细胞的明视觉响应转向杆体细胞的暗视觉响应。当视场亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视觉状态需经历一段时间，这种特性称为‘适应’，适应包括明暗适应和色彩适应二种。适应由两个方面来调节。调节瞳孔大小，改变进入人眼光通量。眼瞳大小是随视场亮度而自动调节。视细胞感光机制的适应。杆体细胞内有一种紫红色的感光化学物质——视紫红质。人眼的明暗视觉适应分为亮适应和暗适应。对视场亮度由暗突然到亮的适应称为亮适应，大约需要2~3分钟；对视场亮度由亮突然到暗的适应称为暗适应，通常需要45分钟，充分暗适应则需要1个多小时。值得注意的是，红光不破坏杆体细胞中的视紫红质，即红光不影响杆体细胞的暗适应过程。因此，在黑暗环境(如暗室洗相或X光大夫)工作的人们，在进入光亮环境时带上红色眼镜，再回到暗室时，由于视紫红质未被破坏，其视觉感受仍保持原来水平，不需重新暗适应便可继续工作。重要的信号灯、车辆的红色尾灯以及飞机驾驶舱内的仪表采用红光照明等情况也均有利于暗适应。不同视场亮度一人眼瞳孔直径和面积1.3.2人眼黑白视觉特性第47页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3.2人眼黑白视觉特性第48页,共88页，2024年2月25日，星期天(3)人眼的绝对视觉阈在充分暗适应的状态下，全黑视场中人眼感觉到的最小光刺激值，称为人眼的绝对视觉阈。以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示时，人眼的绝对视觉阈值在10-9lx数量级。以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是58~145个蓝绿光(波长为0.51

m)的光子轰击角膜引起的，据估算，这一刺激只有5~14个光子实际到达并作用于视网膜上。对于点光源天文学家认为正常视力的眼睛能看到六等星，其在眼睛上形成的照度近似为8.5×10-9lx。实验室“人工星点”测定的视觉阈值约为2.44×10-9lx。对具有一定大小的光源(张角小于10ˊ)，自身发光或被照明的圆形目标，在瞳孔上的照度阈值与张角无关，并等于5×10-9lx。

在一定背景亮度Lb条件下(10-9~1cd/m2)，人眼能观察到的最小照度Emin约

当Lb

>16.4cd/m2后将产生眩目现象，绝对视觉阈值迅速提高。实验表明，眩目亮度L0与像场亮度L(cd/m2)之间有

由此可说明为何100W的灯在白天眼光下不感眩目，但在暗室将产生眩目效应。1.3.2人眼黑白视觉特性第49页,共88页，2024年2月25日，星期天(4)人眼的阈值对比度人眼的视觉探测是在一定背景中把目标鉴别出来。人眼的视觉敏锐程度与背景的亮度及目标在背景中的衬度有关。目标的衬度以对比度C来表示式中,LT和LB分别为目标和背景的亮度。有时也将C的倒数称为反衬灵敏度。把人眼视觉在一定背景亮度下可探测的最小衬度对比度称为阈值对比度，或称亮度差灵敏度。实验表明：人眼视觉特性与视场亮度、景物对比度和目标大小等参数相关。通常背景亮度LB、对比度C和人眼所能探测的目标张角之间具有下述关系(Wald定律)

式中,x值在0~2之间变化。对于小目标α<7′，则x=2，上式变为即著名的Rose定律。若α<1′时，就很难观察到目标。若目标无限大，则x→0。1946年Blackwell阈值对比度实验当观察亮度不同的两个面时，亮度很低就察觉不出差别；如果两个面的亮度按比例提高,并维持其C值不变,则一定亮度后有可能察觉；在2×10-3cd/m2附近的间断点表明明/暗视觉的转折。1.3.2人眼黑白视觉特性第50页,共88页，2024年2月25日，星期天(5)人眼的分辨力人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角

，其倒数则为眼睛的分辨力，或称为视觉锐度。集中于人眼视网膜中央凹的锥体细胞具有较小的直径，且每个锥体细胞都具有单独向大脑传递信号的能力。杆体细胞的分布密度较稀，且成群地联系于公共神经的末稍，故人眼中央凹处的分辨本领比视网膜边缘处高，故人眼在观察物体时，总是在不断地运动以促使各个被观察的物体依次地落在中央凹处，使被观察物体看得最清楚。

在较好的照明条件下，眼睛的极限分辨角的平均值在1′左右。人眼分辨力与视角的关系1.3.2人眼黑白视觉特性第51页,共88页，2024年2月25日，星期天眼睛的分辨力除与眼睛的构造有关外,还与目标的亮度、形状及景物对比度等有关。实验测得的人眼极限分辨角(白光且观察时间不受限制条件下,双目观察白色背景上具有不同对比度且带有方形缺口的黑环)。人眼看的极限分辨角(′)

1.3.2人眼黑白视觉特性第52页,共88页，2024年2月25日，星期天人眼的分辨角

可按以下经验公式估算式中,d为瞳孔直径(mm)。人眼的分辨角随照度的变化1.3.2人眼黑白视觉特性第53页,共88页，2024年2月25日，星期天实验证明（1）人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力要低，而且人眼对不同彩色，分辨力也各不相同。如果眼睛对黑白细节的分辨力定义为100%，则实验测得人眼对各种颜色细节的相对分辨力用百分数表示如下表。1.3.2人眼黑白视觉特性（2）人眼对运动景物的分辨力要低于静止景物的分辨力。运动图像θ=7.5’黑白静止图像θ=1.5’彩色静止图像θ=4’分辨角：第54页,共88页，2024年2月25日，星期天特性分析：人眼的分辨力体现了人的视力水平，可以简单定义为人眼在一定距离上能区分相近两点的能力。人眼的分辨力和被观察对象的相对对比度有关，当对比度小时，表明对象和背景的亮度很接近，此时，分辨力下降。此外，运动速度也会影响分辨力，速度大，则分辨力下降。人眼的分辨力体现了整个视觉系统对外界光刺激的获取与加工的能力和水平。1.3.2人眼黑白视觉特性第55页,共88页，2024年2月25日，星期天（6）视觉惰性与闪烁感觉1.3.2人眼黑白视觉特性第56页,共88页，2024年2月25日，星期天视觉惰性

1.3.2人眼黑白视觉特性

使视觉图像建立起来时需要时间，而视觉图像一旦建立起来之后，即使把目标图像拿走，视觉反应也有持续一小段时间。正因为视网膜上的图像是逐渐消退的，所以视觉暂留可以存在约150~250ms。实验证明,当一定强度的光突然作用于视网膜时,不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉,而是按近似指数规律上升;当亮度突然消失后,人眼的亮度感觉并不立即消失,而是按近似指数规律下降。人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的，这一特性称为视觉惰性。第57页,共88页，2024年2月25日，星期天闪烁

人们观察周期性波动光刺激时，对波动频率较低的光，可明显感到光亮闪动；频率增高，产生闪烁感；进－步增高频率，闪烁感消失，波动光被看成是恒定光。周期性波动光在主观上不引起闪烁感时的最低频率叫做临界闪烁频率。临界闪烁频率与波动光的亮度(或人眼视网膜上的照度)、波动光的波形以及振幅有关。在亮度较低时，临界闪烁频率还与颜色有关。

当视网膜上的照度较低时,不同颜色对临界闪烁频率影响较大,蓝光的临界闪烁频率最高,红光的临界闪烁频率最低。当照度大于1.2×10-2lx时，临界闪烁频率与颜色无关；视网膜上的照度与临界闪烁频率在很大的范围内呈线性关系,随着视网膜上照度的增大，临界闪烁频率也不断增大。临界闪烁频率与波动光亮度的关系

电影播放过程中，每秒投射24幅静止画面,每幅画面投射过程中用机械挡光阀遮挡一次，等效于每画面投射2次,这样就得到了48HZ的闪烁频率。电视每秒扫描50幅画面，由于人眼的视觉惰性和有限的细节分辨能力，看起来就成了整幅的活动景象。1.3.2人眼黑白视觉特性第58页,共88页，2024年2月25日，星期天对于频率大于临界闪烁频率的周期性光刺激，人眼感觉的恒定光亮度L为式中，L(t)是周期性光亮度；T是闪烁周期。在光度测量中，常要判断两个亮度场的亮度是否相等。为此使两个亮度场交替出现在观察视场内，当人眼看不出亮度有闪烁时，可认为两者亮度相等。因此，必须考虑在不同视场亮度和闪烁频率下人眼可分辨的亮度差。由图可见：随着视场亮度的增大，人眼可分辨的亮度差减小；对应一定的视场亮度，当闪烁频率在600~900周/分之间时，人眼可分辨的亮度差最小，达到1.5％。人眼亮度差阈值与视场亮度和闪烁频率的关系

1.3.2人眼黑白视觉特性第59页,共88页，2024年2月25日，星期天(7)视觉系统的调制传递函数(MTF)

人眼的分辨力表征眼睛分辨两点或两线的能力，但仍有较大局限性。为了更全面实现对人眼图像传递和复现性能评价，可引用光学调制传递函数的概念。优点：

从MTF可推断由单纯视力测定难以了解的视觉功能，例如推断弱视眼的特性。可对视网膜、信息处理系统的特性作统一的数学处理。有可能按MTF推断各种图像的像质特性、知觉特性等。按信息传递顺序，特别是按其功能，视觉过程大致分以下几个阶段：眼球光学系统把外界的三维信息传递，形成二维图像；视细胞检测光，并进行光电转换，视网膜进行图像信息处理；大脑枕叶视皮层的信号处理与大脑中枢的辨识。

每一个阶段并不完全独立，彼此有相互作用，有反馈回路等复杂地交错在一起，对视觉过程功能的研究是生理学和有关交叉学科的重点之一。

1.3.2人眼黑白视觉特性第60页,共88页，2024年2月25日，星期天(7)视觉系统的调制传递函数(MTF)

眼球光学系统MTF是低通滤波函数。下图为用摘出的小牛眼测定的MTF曲线。

眼球光学MTF的测定结果

1.3.2人眼黑白视觉特性第61页,共88页，2024年2月25日，星期天(7)视觉系统的调制传递函数(MTF)

视觉系统的MTF由眼球光学系统、网膜等各部分的MTF乘积构成，视系统各部分的MTF如图所示。A为分离视网膜中央凹处；B为角膜加晶状体；C为网膜加处理系统(视神经、大脑)D为处理系统(视神经加大脑)视觉各部分MTF的比较

1.3.2人眼黑白视觉特性第62页,共88页，2024年2月25日，星期天(7)视觉系统的调制传递函数(MTF)

四种典型模型：

(i)高斯型其中：为空间频率，为人眼响应等效线扩展函数的标准偏差。

(ii)指数型其中：为显示屏平均亮度。

(iii)Barten模型其中：为归一化常数，为显示屏平均亮度,。1.3.2人眼黑白视觉特性第63页,共88页，2024年2月25日，星期天(7)视觉系统的调制传递函数(MTF)(iv)复合型在人眼视觉实验数据基础上，提出基于人眼视觉噪声和神经侧抑制的复合模型:其中：M是归一化常数，K是阈值常量；T是人眼积分时间(s)；ηs是量子效率；I为入射到视网膜上的照度(单位为td：瞳孔面积为1mm2，亮度为1cd/m2的光源在视网膜上的照度为1特罗兰得)；Φ0是高频时的噪声谱密度(s·(°)2)；ω是观察图像的视场角(°)；Xe是人眼积累信息所需的最大视场角(°)；Ne是人眼积累信息所需的最大角周期(cyc)；P为由光度量和物理量来决定常量光子数/[(td·s·(°)2)]。1.3.2人眼黑白视觉特性第64页,共88页，2024年2月25日，星期天

V(λ)为光谱光视效能；P(λ)为光谱辐射分布；；I=πd2L/4;d为人眼瞳孔直径(mm)，L是目标亮度(cd/mm2)。

f0为特征空间频率(cyc/deg)；σe为光学点扩散函数径向标准偏差；σ0为常数(deg)；Csph为视觉球差系数，一般为10-4(deg/mm3)；F(f)是低通滤波传递函数；Mopt(f)表示人眼光学系统的传递函数;其它常数如表1-10所示。1.3.2人眼黑白视觉特性第65页,共88页，2024年2月25日，星期天(7)视觉系统的调制传递函数(MTF)

高斯型是空间频率f的单参数模型；指数型、Barten模型是空间频率和目标亮度的双参数模型；复合模型是多参数模型，与空间频率、目标亮度、视场角、显示器尺寸、波长等多种因素有关。

Barten模型和复合模型与国际Meeteren&Vos测量数据的比较。

M&V测试值和理论值的比较，连续曲线为理论值

1.3.2人眼黑白视觉特性第66页,共88页，2024年2月25日，星期天(8)色差灵敏度人眼能恰好分辨色度差异的能力叫做色差灵敏度，人眼刚能分辨光线颜色变化时波长改变量称为色差阈值。色差阈值随在光谱带的位置有所不同，下图给出人眼的色差阈值随波长的关系。可以看到：最低色差阈值在480nm及600nm附近，只要改变1nm的波长，人眼便能看出颜色的差别；在多数部位则需要改1~2nm，才能看出颜色的变化；在540nm附近及可见光谱的两端色差阈值最高。曲线表明：人眼具有很强的分辨色差异能力。

光谱部位的色差阈值

1.3.2人眼黑白视觉特性第67页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3人眼视觉特性1.3.1人眼视觉产生过程1.3.2人眼黑白视觉特性1.3.3人眼颜色视觉特性第68页,共88页，2024年2月25日，星期天1、彩色视觉特性1.3.3人眼的颜色视觉特性

不同波长的单色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可以来源于不同的光谱成分组合，而人眼只能体会彩色感觉却不能分辨光谱成分。电视技术正是利用了人眼的这个特性。第69页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3.3人眼的颜色视觉特性2、彩色视觉特性的表示

彩色一般可用明度、色调和饱和度三个特性来描述。也可用其它类似的三种特性表示。明度：人眼对物体的明暗感觉。发光物体的亮度越高，则明度越高；非发光物体反射比越高，明度越高。色调：区分彩色的特性,即红、黄、绿、蓝、紫等。不同波长的单色光具有不同的色调。发光物体的色调决定于它的光辐射的光谱组成。非发光物体的色调决定于照明光源的光谱组成和物体本身的光谱反射(透射)的特性。

饱和度：指彩色的纯洁性。可见光谱的单色光是最饱和的彩色。颜色饱和度决定于物体反射(透射)特性。如果物体反射光的光谱带很窄，则饱和度就高。第70页,共88页，2024年2月25日，星期天不同的色调、明度和饱和度中间饱和度最高两边饱和度递减由右至左明度递增1.3.3人眼的颜色视觉特性第71页,共88页，2024年2月25日，星期天1.3.3人眼的颜色视觉特性第72页,共88页，2024年2月25日，星期天3、视敏特性

（1）视觉机理1.3.3人眼的颜色视觉特性第73页,共88页，2024年2月25日，星期天

（2）视敏函数在辐射功率相同的情况下，不同波长的光不仅给人不同的色彩感觉，而且也给人不同的亮度感觉。在获得相同的亮度感觉前提下，测出各种波长的辐射功率为P(λ)，其倒数

便称波长λ的光的视敏度。视敏度说明人眼对这种波长的光的灵敏度。它小说明人眼对该种波长的光不够敏感。人眼对555nm的光有最大的敏感度，即1.3.3人眼的颜色视觉特性第74页,共88页，2024年2月25日，星期天

于是相对视敏函数为

其曲线如图所示。相对视敏函数曲线1.3.3人眼的颜色视觉特性第75页,共88页，2024年2月25日，星期天4、人眼辨色能力

色分辨阈：200种色调

饱和度分辨阈：每种色调10~25级 能分辨的颜色：3000~4000种1.3.3人眼的颜色视觉特性第76页,共88页，2024年2月25日，星期天1.1辐射度量1.2光度量1.3人眼视觉特性1.4朗伯辐射体及其辐射特性1.5几种典型光辐射量的计算公式第1章辐射度量、光辐射度量基础第77页,共88页，2024年2月25日，星期天1.4朗伯辐射体及其辐射特性1.4.1朗伯余弦定律某些自身发射辐射的辐射源，其辐亮度与方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变，这类辐射源称为朗伯辐射体。绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体。朗伯体反射或发射辐射的空间分布可表为

按照朗伯辐射体亮度不随角度θ变化的定义，得即理想漫反射体单位表面积向空间指定方向单位立体角内发射（或反射）的辐射功率和该指定方向与表面法线夹角的余弦成正比，即朗伯余弦定律。第78页,共88页，2024年2月25日，星期天1.4朗伯辐射体及其辐射特性1.4.2朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系极坐标对应球面上微面元dA的立体角dΩ设朗伯微面元dS亮度为L，则辐射到dA上的辐射通量为在半球内发射的总通量P为根据出射度的定义，得

朗伯体辐射空间坐标第79页,共88页，2024年2月25日，星期天联系单位立体角内单位投影面积2π半球空间单位立体角内描述辐射特点面源面源点源、小面源源特点辐射亮度L辐射出射度M辐射强度I朗伯小面源的I、L、M的相互关系1.4朗伯辐射体及其辐射特性第80页,共88页，2024年2月25日，星期天1.4朗伯辐射体及其辐射特性例题：已知太阳辐亮度L0等于2×107Ｗ/(m2·sr)，太阳的半径r0等于6.957×108m，地球的半径re为6.374×106m，太阳到地球的年平均距离l为1.496×1011m，求太阳的辐射出射度M0、辐射强度I0、辐射通量Φ0以及地球接收的辐射通量Φe、地球大气层边沿的辐照度Ee。解:太阳可假定为朗伯光源，则太阳的辐射出射度:

M0=πL0=6.2832×107(W/m2)假定太阳为一均匀发光体，则太阳的辐射通量:Φ0=4πr02M0=3.821×1026(W)太阳的辐射强度:I0=Φ0/4π=3.041×1025(W/sr)地球对太阳的立体角:Ω=πre2/l2=5.703×10-9(sr)地球接收到的太阳的辐射通量:Φe=I0Ω=1.734×1017(W)地球大气层边沿的辐照度:Ee=I0/l2=1358.79(W/m2)

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