輻射度量光度量基礎(chǔ)

輻射度量光度量基礎(chǔ)第一頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二第1章輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)

輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量。光度量是光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的度量，即光度量是具有平均人眼視覺響應(yīng)特性的人眼所接收到的輻射量的度量。因此，輻射度量和光度量都可定量地描述輻射能強(qiáng)度，但輻射度量是輻射能本身的客觀度量，是純粹的物理量；而光度量則還包括了生理學(xué)、心理學(xué)的概念在內(nèi)。第二頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量1.2光度量1.3人眼視覺特性1.4朗伯輻射體及其輻射特性1.5幾種典型光輻射量的計算公式第1章輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)

第三頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量1.1.1立體角任一光源發(fā)射的能量都輻射在它周圍一定的空間。因此，在進(jìn)行光輻射的討論和計算時，是一個立體空間問題。在光輻射測量中，常用的幾何量就是立體角。立體角Ω描述輻射能向空間發(fā)射、傳輸或被某一表面接收時的發(fā)散或會聚的角度。定義：以錐體的基點為球心作一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比，即：式中，為天頂角；為方位角；d,d分別為其增量。單位：球面度(sr)。

dsrdddo整個球面度為:，半個球面度為:。立體角是平面角向三維空間的推廣。在二維空間，2π角度覆蓋整個單位圓。在三維空間，4π的球面度立體角覆蓋整個單位球面。第四頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量1.1.2輻射度量的名稱、定義、符號和單位第五頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量(1)輻射能(Q，Radiantenergy)

以電磁波形式發(fā)射、傳輸或接收的能量稱為輻射能，簡稱輻能，描述以輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的能量。一個光量子的輻射能為。(2)輻射能密度(w,Radiantdensity)

輻射場內(nèi)單位體積中的輻射能。第六頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量(3)輻射通量(，Radiantflux)

以輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時間特性。

輻射通量以及由它派生出來的幾個輻射度學(xué)中的物理量，屬于基本物理量。它們的量值都可以用專門的紅外輻射計在離開輻射源一定的距離上進(jìn)行測量。所以其他輻射量都是由輻射功率輻射通量（或稱為輻射功率）定義的。第七頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二輻射強(qiáng)度是在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量，輻射強(qiáng)度描述點光源輻射的方向特性。1.1輻射度量(4)輻射強(qiáng)度(I，Radiantintensity)

這是一個相對概念，輻射源與觀測點之間距離大于輻射源最大尺寸10倍時，可當(dāng)做點源處理，否則稱為擴(kuò)展源（有一定面積）。點輻射源與擴(kuò)展源如果觀測中使用光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)源的像小于探測器，就可以看成是點源。均勻點輻射源（各向同性）輻射強(qiáng)度I不隨方向變化，故整個球面的輻射通量為：第八頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量(5)輻射出射度(M，Radiantexitance)

輻射出射度表示擴(kuò)展源單位面積向半球空間發(fā)射的功率(或輻射通量)，是描述擴(kuò)展源輻射特性的輻射量。若輻射源的x處微小面積元dA向半球空間的輻射功率為d

，則d與dA之比定義為x處的輻射出射度。x如果擴(kuò)展源表面的發(fā)射不是均勻的：擴(kuò)展源的輻射功率：如果擴(kuò)展源表面的發(fā)射是均勻的：第九頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量(6)輻亮度(L，Radiance)

輻射源在給定方向上的輻射亮度，是源在該方向單位投影面積上、單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射功率。描述擴(kuò)展源表面不同位置沿空間不同方向的輻射功率分布特性。輻出度M和輻亮度L的關(guān)系輻強(qiáng)度I和輻亮度L的關(guān)系第十頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量(7)輻照度(E，Irradiance)

輻射照度描述受照物體表面單位面積上接收到的輻射通量。輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性。輻射照度可以是多個輻射源輻照的結(jié)果，也可以是特定方向的一個立體角中投射的輻射功率。x第十一頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量(8)吸收比、反射比、透射比由于輻射度量也是波長的函數(shù)，當(dāng)描述光譜輻射量時，可在相應(yīng)名稱前加“光譜”，并在相應(yīng)的符號上加波長的符號“”作為下標(biāo)，例如光譜輻射通量記為或()

等等。irsa第十二頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二前面介紹的六個基本輻射量反映了輻射功率的幾何分布特性：表面密度分布和空間角分布。

任何輻射均有一定的波長分布范圍：輻射的光譜特性。那么，基本輻射量都應(yīng)該有相應(yīng)的光譜輻射量。1.1.3光譜輻射量與光子輻射量1.1輻射度量第十三頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二（全）輻射量：光譜帶輻射量：1、光譜輻射量任一基本輻射量X，它包含了波長范圍0~∞的全部輻射量，因此也叫全輻射量。對于基本輻射量X，它在波長范圍λ~λ+Δλ內(nèi)相應(yīng)的輻射量為ΔX，定義光譜輻射量（也叫單色輻射量）：1.1輻射度量第十四頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二單位：W/μm（瓦/微米）(1)光譜輻射功率（光譜輻射通量）輻射源在λ+△λ波長間隔內(nèi)發(fā)出的輻射功率，稱為在波長λ處的光譜輻射功率（或單色輻射功率）光譜帶輻射功率：全輻射功率：1.1輻射度量第十五頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(2)光譜輻射強(qiáng)度單位：W/Sr·μm（瓦/球面度·微米）(3)光譜輻射出射度單位：W/m2·μm（瓦/米2·微米）1.1輻射度量第十六頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(4)光譜輻射亮度單位：W/m2·Sr·μm（瓦/米2·球面度·微米）(5)光譜輻射照度單位：W/m2·μm（瓦/米2·微米）1.1輻射度量第十七頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二2、光子輻射量在紅外輻射的探測與測量時，常用的探測器很重要的一類是光子探測器，它們對于入射輻射的響應(yīng)是和入射的光子數(shù)相關(guān)的。光子輻射量是單位時間間隔內(nèi)傳輸、發(fā)送或接收的光子數(shù)。(1)光子數(shù)是用頻率表示的單色輻射能。頻率為ν的光子數(shù)：2、光子輻射量頻率范圍內(nèi)的光子數(shù)為光子數(shù)：則(2)光子通量單位時間內(nèi)傳輸?shù)墓庾訑?shù)。單位：1/S（1/秒）1.1輻射度量第十八頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(3)光子輻射強(qiáng)度光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射的光子通量，或單位時間向給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)。單位：1/s?Sr（1/秒?球面度）(4)光子輻射亮度輻射源在給定方向上的輻射亮度，是源在該方向單位投影面積上、單位立體角內(nèi)發(fā)射的光子通量。單位：1/㎡?s?Sr（1/平方米?秒?球面度）1.1輻射度量第十九頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(5)光子輻射出射度光源單位面積向半球空間（2π）內(nèi)發(fā)射的光子通量。單位：1/㎡?s（1/平方米?秒）(6)光子輻射照度受照物體單位面積接收到的光子通量。單位：1/㎡?s（1/平方米?秒）1.1輻射度量第二十頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量1.2光度量1.3人眼視覺特性1.4朗伯輻射體及其輻射特性1.5幾種典型光輻射量的計算公式第1章輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)第二十一頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二光度學(xué)考慮的是人的視覺對輻射的反應(yīng)，光度量是輻射量對人眼視覺的刺激值。它是人對輻射的主觀感受，不同的人視覺特性會有差異，因此需要一個“標(biāo)準(zhǔn)人眼”。光度量是具有“標(biāo)準(zhǔn)人眼”視覺響應(yīng)特性的人眼對所接收到的輻射量的度量（視覺刺激值）。人眼對不同波長的光的光能視覺響應(yīng)（刺激值）是不同的。光譜光視效能是評定該刺激值的參數(shù)。1.2光度量第二十二頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.2光度量1.2.1光度量的名稱、定義、符號和單位光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的。下表列出了基本光度量的名稱、符號、定義方程及單位、單位符號。有時為避免混淆，在輻射度量符號上加下標(biāo)“e”，而在光度量符號上加下標(biāo)“v”。

第二十三頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.2光度量(1)光量(Q，quantityoflight

)

光源在指定時間內(nèi)發(fā)出的光能。(2)光通量(，luminousflux)

光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光能。(3)光強(qiáng)度(I，luminousIntensity)

光源在指定方向上通過單位立體角內(nèi)的光通量。(4)光亮度(L，luminance)

面光源在給定方向上，單位正投影面積的發(fā)光強(qiáng)度。(5)光出射度(M，Lminousexitance)

面光源單位元表面內(nèi)向外所發(fā)射的光通量。(6)光照度(E，illuminance)

被照物體單位元表面里入射或獲得的光通量。第二十四頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二常見光源的光視效能:1.2光度量1、光視效能

為了描述光源的光度與輻射度的關(guān)系，通常引入光視效能K，其定義為目視引起刺激的光通量與光源發(fā)出的輻射通量之比，單位為（lm/W）。光源類型光視效能(lm/W)光源類型光視效能(lm/W)鎢絲燈(真空)8~9.2日光燈27~41鎢絲燈(充氣)9.2~21高壓水銀燈34~45石英鹵鎢燈30超高壓水銀燈40~47.5氣體放電管16~30鈉光燈60第二十五頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.2光度量2、光譜光視效能人眼對不同波長的光的視覺響應(yīng)是不同的，說明即使輻射通量不變，光通量也隨著波長不同而變化，K是個比例，但不是常數(shù)，是隨波長變化的。對于標(biāo)準(zhǔn)人眼，的極大值位于處，?！诓ㄩLλ處的光譜輻射通量；——在波長λ處的光譜光通量；第二十六頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.2光度量3、光視效能與光譜光視效能的關(guān)系

注意！第二十七頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.2光度量4、光視效率

把光視效能最大值（，）作為基準(zhǔn)來衡量在其它波長處引起的視覺。5、光譜光視效率具體某個波長上的光視效率稱為光譜光視效率，也稱為視見函數(shù)，反映人眼對各種不同波長光的視覺靈敏度

。視見函數(shù)第二十八頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.2光度量6、光視效率與光譜光視效率的關(guān)系

注意！第二十九頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.2光度量7、明視覺、暗視覺V()是CIE推薦的平均人眼光譜光視效率(或稱視見函數(shù))。對于明視覺，對應(yīng)為輻射通量e(555)與某波長能對平均人眼產(chǎn)生相同光視刺激的輻射通量e()的比值。Km是最大光譜光視效能(常數(shù)),對于明視覺，Km=683lm/W。對暗視覺，Km=1725lm/W。明視覺條件下V()所對應(yīng)的峰值波長為555nm，暗視覺條件下V()所對應(yīng)的峰值波長為507nm。

視網(wǎng)膜有兩種感光細(xì)胞錐體細(xì)胞桿體細(xì)胞明視覺暗視覺視見函數(shù)第三十頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.2光度量1.2.2光度量與輻射度量的關(guān)系

(光譜)光度量和(光譜)輻射度量可通過人眼視覺特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即:

光譜光度量和光譜輻射度量:

光度量和輻射度量:

光通量V和輻射通量e可通過人眼視覺特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即

明視覺:暗視覺:第三十一頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量1.2光度量1.3人眼視覺特性1.4朗伯輻射體及其輻射特性1.5幾種典型光輻射量的計算公式第1章輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)第三十二頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3人眼視覺特性人眼在光度量和色度學(xué)評價中起著極為重要的作用。研究人眼的視覺特性是正確地進(jìn)行各種光度/色度測量的基礎(chǔ)，也是各種光度或色度儀器設(shè)計的依據(jù)。視覺是人的主要感覺功能，人的視覺系統(tǒng)能完美的完成許多復(fù)雜的信息處理功能。視覺研究所涉及的學(xué)科：物理學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)、解剖學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等。第三十三頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3人眼視覺特性1.3.1人眼視覺產(chǎn)生過程1.3.2人眼黑白視覺特性1.3.3人眼顏色視覺特性第三十四頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二

人眼的構(gòu)造眼球包括：曲光系統(tǒng)和感光系統(tǒng)曲光系統(tǒng)由角膜、房水、晶狀體和玻璃體組成感光系統(tǒng)由充滿了視細(xì)胞的視網(wǎng)膜組成1.3.1人眼視覺產(chǎn)生過程第三十五頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二眼睛中圖像的形成外界光線射進(jìn)眼球角膜對入射光具有聚光作用瞳孔起了照相機(jī)的光圈作用晶狀體懸掛在睫狀體上睫狀肌的收緊和松弛使晶狀體改變凸度，起著光學(xué)變焦透鏡的作用晶狀體的后面是玻璃體光線最后落在眼底的視網(wǎng)膜上第三十六頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3.1人眼視覺產(chǎn)生過程(1)光學(xué)過程

15/100=2.55/17第三十七頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(2)化學(xué)過程

錐狀細(xì)胞：約有700萬個錐狀細(xì)胞，分布在正對瞳孔的視網(wǎng)膜中央?yún)^(qū)域（黃斑區(qū)）錐狀細(xì)胞既能感光，又能感色，但感光靈敏度不高，主要在強(qiáng)光條件下工作。錐狀細(xì)胞直徑為2.5~7.5um。桿狀細(xì)胞：約有1.2億個桿狀細(xì)胞，越遠(yuǎn)離黃斑區(qū)錐狀細(xì)胞越少，在接近邊緣區(qū)域的幾乎全是桿狀細(xì)胞。桿狀細(xì)胞只能感光，不能感色，但感光靈敏度高，是錐狀細(xì)胞的10000倍，主要在弱光條件下工作。桿狀細(xì)胞直徑為20um左右。1.3.1人眼視覺產(chǎn)生過程第三十八頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(3)神經(jīng)處理過程

每個視網(wǎng)膜接收單元都與一個神經(jīng)元細(xì)胞借助突觸（synapse）相連。每個神經(jīng)元細(xì)胞借助其它的突觸與其它細(xì)胞連接，從而構(gòu)成光神經(jīng)（opticalnerve）網(wǎng)絡(luò)。光神經(jīng)進(jìn)一步與大腦中的側(cè)區(qū)域（sideregionofthebrain）連接，到達(dá)大腦中的紋狀皮層（striatedcortex）。對光刺激產(chǎn)生的響應(yīng)經(jīng)過一系列處理最終形成關(guān)于場景的表象，從而將對光的感覺轉(zhuǎn)化為對景物的知覺。1.3.1人眼視覺產(chǎn)生過程第三十九頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二

整體視覺過程

視覺＝“視”＋“覺”

1.3.1人眼視覺產(chǎn)生過程第四十頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3人眼視覺特性1.3.1人眼視覺產(chǎn)生過程1.3.2人眼黑白視覺特性1.3.3人眼顏色視覺特性第四十一頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3.2人眼黑白視覺特性(1)成像功能人眼類似于一個自動調(diào)焦的成像系統(tǒng)。人眼能夠看清不同距離的物體，是由于正常的眼睛具有調(diào)節(jié)功能。這種調(diào)節(jié)功能是靠調(diào)節(jié)人眼肌肉的拉緊與松弛來實現(xiàn)的。在觀察遠(yuǎn)距離物體時，調(diào)節(jié)肌處于松弛狀態(tài)，晶體的曲率較小，屈光力較小，使物體成像在視網(wǎng)膜上。當(dāng)觀察近距離物體時，調(diào)節(jié)肌處于緊張狀態(tài)，晶體的曲率加大，厚度增加，晶體會聚光線的能力增強(qiáng)，使近處物體的像仍成在視網(wǎng)膜上。人眼簡化眼模型的主要參數(shù)折射率n1.33物方焦距f-17.1mm折射面半徑R5.7mm像方焦距f’22.8mm焦度58.48屈光度網(wǎng)膜曲率半徑r9.7mm第四十二頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二圖象是周圍世界的一種映射,而周圍世界是一個能量場,它可以描述為：其中,x,y,z為空間坐標(biāo),λ為光波波長,t為時間。而圖象是客觀世界的一次攝影的結(jié)果,是能量場E

的一個映射,即：1.3.2人眼黑白視覺特性第四十三頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二對于運動圖象x,y,z都是時間

t的函數(shù)，若在連續(xù)的不同時間獲取圖象,可以獲得序列圖象：對于按不同波段獲取圖象，可獲得彩色圖象或不同波段的圖象信號（如遙感圖象，醫(yī)學(xué)圖象等）。對于按不同視角，即不同的

x,y,z間相互關(guān)系，可以得到不同視角的不同圖象。

1.3.2人眼黑白視覺特性因此，視覺現(xiàn)象包括有視覺對光強(qiáng)，對各種波長、彩色的光譜效應(yīng)，對物體邊緣等空間頻率變化的響應(yīng)，以及視覺對時間瞬時變化運動的響應(yīng)。第四十四頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二在外界光線的亮度發(fā)生變化時，人眼的感受性也會發(fā)生變化，這種感受性對光刺激產(chǎn)生順應(yīng)變化的特性，稱為眼睛的亮度適應(yīng)性。由于這種適應(yīng)性，人眼所感覺到的亮度范圍（視覺范圍）非常大。明亮較暗現(xiàn)象？逐漸能夠看清物體暗光適應(yīng)(20~30s)較暗明亮現(xiàn)象？逐漸能夠看清物體亮光適應(yīng)(1~2s)1.3.2人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應(yīng)第四十五頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二剛從暗室進(jìn)入亮室時人眼觀測情形1.3.2人眼黑白視覺特性第四十六頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(2)視覺的適應(yīng)

人眼能在一個相當(dāng)大(約10個數(shù)量級)的范圍內(nèi)適應(yīng)視場亮度。隨著外界視場亮度的變化，人眼視覺響應(yīng)可分為三類：明視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)大于或等于3cd/m2的視場亮度后，視覺由錐體細(xì)胞起作用。暗視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)小于或等于3×10-5cd/m2視場亮度之后，視覺只由桿體細(xì)胞起作用。由于桿體細(xì)胞沒有顏色分辨能力，故夜間人眼觀察景物呈灰白色。中介視覺響應(yīng)：隨著視場亮度從3cd/m2降至3×10-5cd/m2，人眼逐漸由錐體細(xì)胞的明視覺響應(yīng)轉(zhuǎn)向桿體細(xì)胞的暗視覺響應(yīng)。當(dāng)視場亮度發(fā)生突變時，人眼要穩(wěn)定到突變后的正常視覺狀態(tài)需經(jīng)歷一段時間，這種特性稱為‘適應(yīng)’，適應(yīng)包括明暗適應(yīng)和色彩適應(yīng)二種。適應(yīng)由兩個方面來調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)瞳孔大小，改變進(jìn)入人眼光通量。眼瞳大小是隨視場亮度而自動調(diào)節(jié)。視細(xì)胞感光機(jī)制的適應(yīng)。桿體細(xì)胞內(nèi)有一種紫紅色的感光化學(xué)物質(zhì)——視紫紅質(zhì)。人眼的明暗視覺適應(yīng)分為亮適應(yīng)和暗適應(yīng)。對視場亮度由暗突然到亮的適應(yīng)稱為亮適應(yīng)，大約需要2~3分鐘；對視場亮度由亮突然到暗的適應(yīng)稱為暗適應(yīng)，通常需要45分鐘，充分暗適應(yīng)則需要1個多小時。值得注意的是，紅光不破壞桿體細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)，即紅光不影響桿體細(xì)胞的暗適應(yīng)過程。因此，在黑暗環(huán)境(如暗室洗相或X光大夫)工作的人們，在進(jìn)入光亮環(huán)境時帶上紅色眼鏡，再回到暗室時，由于視紫紅質(zhì)未被破壞，其視覺感受仍保持原來水平，不需重新暗適應(yīng)便可繼續(xù)工作。重要的信號燈、車輛的紅色尾燈以及飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的儀表采用紅光照明等情況也均有利于暗適應(yīng)。不同視場亮度一人眼瞳孔直徑和面積適應(yīng)視場亮度(cd/m2)瞳孔直徑(mm)瞳孔面積(mm2)視網(wǎng)膜上照度(lx)10-58.1752.22.2×10-610-37.8047.82.0×10-410-27.4443.41.8×10-310-16.7235.41.5×10-215.6625.11.0×10-1104.3214.60.61023.047.253.01032.324.2317.62×1042.243.94109.91.3.2人眼黑白視覺特性第四十七頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3.2人眼黑白視覺特性第四十八頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(3)人眼的絕對視覺閾在充分暗適應(yīng)的狀態(tài)下，全黑視場中人眼感覺到的最小光刺激值，稱為人眼的絕對視覺閾。以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示時，人眼的絕對視覺閾值在10-9lx數(shù)量級。以量子閾值表示時，最小可探測的視覺刺激是58~145個藍(lán)綠光(波長為0.51m)的光子轟擊角膜引起的，據(jù)估算，這一刺激只有5~14個光子實際到達(dá)并作用于視網(wǎng)膜上。對于點光源天文學(xué)家認(rèn)為正常視力的眼睛能看到六等星，其在眼睛上形成的照度近似為8.5×10-9lx。實驗室“人工星點”測定的視覺閾值約為2.44×10-9lx。對具有一定大小的光源(張角小于10ˊ)，自身發(fā)光或被照明的圓形目標(biāo)，在瞳孔上的照度閾值與張角無關(guān)，并等于5×10-9lx。

在一定背景亮度Lb條件下(10-9~1cd/m2)，人眼能觀察到的最小照度Emin約

當(dāng)Lb

>16.4cd/m2后將產(chǎn)生眩目現(xiàn)象，絕對視覺閾值迅速提高。實驗表明，眩目亮度L0與像場亮度L(cd/m2)之間有

由此可說明為何100W的燈在白天眼光下不感眩目，但在暗室將產(chǎn)生眩目效應(yīng)。1.3.2人眼黑白視覺特性第四十九頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(4)人眼的閾值對比度人眼的視覺探測是在一定背景中把目標(biāo)鑒別出來。人眼的視覺敏銳程度與背景的亮度及目標(biāo)在背景中的襯度有關(guān)。目標(biāo)的襯度以對比度C來表示式中,LT和LB分別為目標(biāo)和背景的亮度。有時也將C的倒數(shù)稱為反襯靈敏度。把人眼視覺在一定背景亮度下可探測的最小襯度對比度稱為閾值對比度，或稱亮度差靈敏度。實驗表明：人眼視覺特性與視場亮度、景物對比度和目標(biāo)大小等參數(shù)相關(guān)。通常背景亮度LB、對比度C和人眼所能探測的目標(biāo)張角之間具有下述關(guān)系(Wald定律)

式中,x值在0~2之間變化。對于小目標(biāo)α<7′，則x=2，上式變?yōu)榧粗腞ose定律。若α<1′時，就很難觀察到目標(biāo)。若目標(biāo)無限大，則x→0。1946年Blackwell閾值對比度實驗當(dāng)觀察亮度不同的兩個面時，亮度很低就察覺不出差別；如果兩個面的亮度按比例提高,并維持其C值不變,則一定亮度后有可能察覺；在2×10-3cd/m2附近的間斷點表明明/暗視覺的轉(zhuǎn)折。1.3.2人眼黑白視覺特性第五十頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(5)人眼的分辨力人眼能區(qū)別兩發(fā)光點的最小角距離稱為極限分辨角，其倒數(shù)則為眼睛的分辨力，或稱為視覺銳度。集中于人眼視網(wǎng)膜中央凹的錐體細(xì)胞具有較小的直徑，且每個錐體細(xì)胞都具有單獨向大腦傳遞信號的能力。桿體細(xì)胞的分布密度較稀，且成群地聯(lián)系于公共神經(jīng)的末稍，故人眼中央凹處的分辨本領(lǐng)比視網(wǎng)膜邊緣處高，故人眼在觀察物體時，總是在不斷地運動以促使各個被觀察的物體依次地落在中央凹處，使被觀察物體看得最清楚。在較好的照明條件下，眼睛的極限分辨角的平均值在1′左右。人眼分辨力與視角的關(guān)系1.3.2人眼黑白視覺特性第五十一頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二眼睛的分辨力除與眼睛的構(gòu)造有關(guān)外,還與目標(biāo)的亮度、形狀及景物對比度等有關(guān)。實驗測得的人眼極限分辨角(白光且觀察時間不受限制條件下,雙目觀察白色背景上具有不同對比度且?guī)в蟹叫稳笨诘暮诃h(huán))。對比度c(%)白背景的亮度L(cd/m2)4.46×10-43.37×10-30.03410.06340.1510.3441.0693.43892.976.239.428.415.59.66.32.981.77182333448.8111824403.03.75.27.61425292.22.53.85.19.51619281.62.02.73.46.38.81226361.41.52.32.85.18.08.421301.21.41.92.23.96.27.217221.01.21.61.73.04.95.41214人眼看的極限分辨角(′)

1.3.2人眼黑白視覺特性第五十二頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二人眼的分辨角

可按以下經(jīng)驗公式估算式中,d為瞳孔直徑(mm)。人眼的分辨角隨照度的變化照度(lx)分辨角()照度(lx)分辨角()0.00010.00050.0010.0050.010.050.1503017119430.51510100500100021.51.20.90.80.70.71.3.2人眼黑白視覺特性第五十三頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二實驗證明（1）人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨力比對黑白細(xì)節(jié)的分辨力要低，而且人眼對不同彩色，分辨力也各不相同。如果眼睛對黑白細(xì)節(jié)的分辨力定義為100%，則實驗測得人眼對各種顏色細(xì)節(jié)的相對分辨力用百分?jǐn)?shù)表示如下表。1.3.2人眼黑白視覺特性（2）人眼對運動景物的分辨力要低于靜止景物的分辨力。運動圖像θ=7.5’黑白靜止圖像θ=1.5’彩色靜止圖像θ=4’分辨角：第五十四頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二特性分析：人眼的分辨力體現(xiàn)了人的視力水平，可以簡單定義為人眼在一定距離上能區(qū)分相近兩點的能力。人眼的分辨力和被觀察對象的相對對比度有關(guān)，當(dāng)對比度小時，表明對象和背景的亮度很接近，此時，分辨力下降。此外，運動速度也會影響分辨力，速度大，則分辨力下降。人眼的分辨力體現(xiàn)了整個視覺系統(tǒng)對外界光刺激的獲取與加工的能力和水平。1.3.2人眼黑白視覺特性第五十五頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二（6）視覺惰性與閃爍感覺1.3.2人眼黑白視覺特性第五十六頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二視覺惰性

1.3.2人眼黑白視覺特性使視覺圖像建立起來時需要時間，而視覺圖像一旦建立起來之后，即使把目標(biāo)圖像拿走，視覺反應(yīng)也有持續(xù)一小段時間。正因為視網(wǎng)膜上的圖像是逐漸消退的，所以視覺暫留可以存在約150~250ms。實驗證明,當(dāng)一定強(qiáng)度的光突然作用于視網(wǎng)膜時,不能在瞬間形成穩(wěn)定的主觀亮度感覺,而是按近似指數(shù)規(guī)律上升;當(dāng)亮度突然消失后,人眼的亮度感覺并不立即消失,而是按近似指數(shù)規(guī)律下降。人眼的亮度感覺總是滯后于實際亮度的，這一特性稱為視覺惰性。第五十七頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二閃爍

人們觀察周期性波動光刺激時，對波動頻率較低的光，可明顯感到光亮閃動；頻率增高，產(chǎn)生閃爍感；進(jìn)－步增高頻率，閃爍感消失，波動光被看成是恒定光。周期性波動光在主觀上不引起閃爍感時的最低頻率叫做臨界閃爍頻率。臨界閃爍頻率與波動光的亮度(或人眼視網(wǎng)膜上的照度)、波動光的波形以及振幅有關(guān)。在亮度較低時，臨界閃爍頻率還與顏色有關(guān)。

當(dāng)視網(wǎng)膜上的照度較低時,不同顏色對臨界閃爍頻率影響較大,藍(lán)光的臨界閃爍頻率最高,紅光的臨界閃爍頻率最低。當(dāng)照度大于1.2×10-2lx時，臨界閃爍頻率與顏色無關(guān)；視網(wǎng)膜上的照度與臨界閃爍頻率在很大的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,隨著視網(wǎng)膜上照度的增大，臨界閃爍頻率也不斷增大。臨界閃爍頻率與波動光亮度的關(guān)系

電影播放過程中，每秒投射24幅靜止畫面,每幅畫面投射過程中用機(jī)械擋光閥遮擋一次，等效于每畫面投射2次,這樣就得到了48HZ的閃爍頻率。電視每秒掃描50幅畫面，由于人眼的視覺惰性和有限的細(xì)節(jié)分辨能力，看起來就成了整幅的活動景象。1.3.2人眼黑白視覺特性第五十八頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二對于頻率大于臨界閃爍頻率的周期性光刺激，人眼感覺的恒定光亮度L為式中，L(t)是周期性光亮度；T是閃爍周期。在光度測量中，常要判斷兩個亮度場的亮度是否相等。為此使兩個亮度場交替出現(xiàn)在觀察視場內(nèi)，當(dāng)人眼看不出亮度有閃爍時，可認(rèn)為兩者亮度相等。因此，必須考慮在不同視場亮度和閃爍頻率下人眼可分辨的亮度差。由圖可見：隨著視場亮度的增大，人眼可分辨的亮度差減??；對應(yīng)一定的視場亮度，當(dāng)閃爍頻率在600~900周/分之間時，人眼可分辨的亮度差最小，達(dá)到1.5％。人眼亮度差閾值與視場亮度和閃爍頻率的關(guān)系

1.3.2人眼黑白視覺特性第五十九頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

人眼的分辨力表征眼睛分辨兩點或兩線的能力，但仍有較大局限性。為了更全面實現(xiàn)對人眼圖像傳遞和復(fù)現(xiàn)性能評價，可引用光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)的概念。優(yōu)點：

從MTF可推斷由單純視力測定難以了解的視覺功能，例如推斷弱視眼的特性?？蓪σ暰W(wǎng)膜、信息處理系統(tǒng)的特性作統(tǒng)一的數(shù)學(xué)處理。有可能按MTF推斷各種圖像的像質(zhì)特性、知覺特性等。按信息傳遞順序，特別是按其功能，視覺過程大致分以下幾個階段：眼球光學(xué)系統(tǒng)把外界的三維信息傳遞，形成二維圖像；視細(xì)胞檢測光，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，視網(wǎng)膜進(jìn)行圖像信息處理；大腦枕葉視皮層的信號處理與大腦中樞的辨識。每一個階段并不完全獨立，彼此有相互作用，有反饋回路等復(fù)雜地交錯在一起，對視覺過程功能的研究是生理學(xué)和有關(guān)交叉學(xué)科的重點之一。

1.3.2人眼黑白視覺特性第六十頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

眼球光學(xué)系統(tǒng)MTF是低通濾波函數(shù)。下圖為用摘出的小牛眼測定的MTF曲線。

眼球光學(xué)MTF的測定結(jié)果

1.3.2人眼黑白視覺特性第六十一頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

視覺系統(tǒng)的MTF由眼球光學(xué)系統(tǒng)、網(wǎng)膜等各部分的MTF乘積構(gòu)成，視系統(tǒng)各部分的MTF如圖所示。A為分離視網(wǎng)膜中央凹處；B為角膜加晶狀體；C為網(wǎng)膜加處理系統(tǒng)(視神經(jīng)、大腦)D為處理系統(tǒng)(視神經(jīng)加大腦)視覺各部分MTF的比較

1.3.2人眼黑白視覺特性第六十二頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

四種典型模型：

(i)高斯型其中：為空間頻率，為人眼響應(yīng)等效線擴(kuò)展函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

(ii)指數(shù)型其中：為顯示屏平均亮度。

(iii)Barten模型其中：為歸一化常數(shù)，為顯示屏平均亮度,。1.3.2人眼黑白視覺特性第六十三頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)(iv)復(fù)合型在人眼視覺實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提出基于人眼視覺噪聲和神經(jīng)側(cè)抑制的復(fù)合模型:其中：M是歸一化常數(shù)，K是閾值常量；T是人眼積分時間(s)；ηs是量子效率；I為入射到視網(wǎng)膜上的照度(單位為td：瞳孔面積為1mm2，亮度為1cd/m2的光源在視網(wǎng)膜上的照度為1特羅蘭得)；Φ0是高頻時的噪聲譜密度(s·(°)2)；ω是觀察圖像的視場角(°)；Xe是人眼積累信息所需的最大視場角(°)；Ne是人眼積累信息所需的最大角周期(cyc)；P為由光度量和物理量來決定常量光子數(shù)/[(td·s·(°)2)]。1.3.2人眼黑白視覺特性第六十四頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二

V(λ)為光譜光視效能；P(λ)為光譜輻射分布；；I=πd2L/4;d為人眼瞳孔直徑(mm)，L是目標(biāo)亮度(cd/mm2)。

f0為特征空間頻率(cyc/deg)；σe為光學(xué)點擴(kuò)散函數(shù)徑向標(biāo)準(zhǔn)偏差；σ0為常數(shù)(deg)；Csph為視覺球差系數(shù)，一般為10-4(deg/mm3)；F(f)是低通濾波傳遞函數(shù)；Mopt(f)表示人眼光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù);其它常數(shù)如表1-10所示。1.3.2人眼黑白視覺特性第六十五頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(7)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

高斯型是空間頻率f的單參數(shù)模型；指數(shù)型、Barten模型是空間頻率和目標(biāo)亮度的雙參數(shù)模型；復(fù)合模型是多參數(shù)模型，與空間頻率、目標(biāo)亮度、視場角、顯示器尺寸、波長等多種因素有關(guān)。

Barten模型和復(fù)合模型與國際Meeteren&Vos測量數(shù)據(jù)的比較。

M&V測試值和理論值的比較，連續(xù)曲線為理論值

1.3.2人眼黑白視覺特性第六十六頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二(8)色差靈敏度人眼能恰好分辨色度差異的能力叫做色差靈敏度，人眼剛能分辨光線顏色變化時波長改變量稱為色差閾值。色差閾值隨在光譜帶的位置有所不同，下圖給出人眼的色差閾值隨波長的關(guān)系?？梢钥吹剑鹤畹蜕铋撝翟?80nm及600nm附近，只要改變1nm的波長，人眼便能看出顏色的差別；在多數(shù)部位則需要改1~2nm，才能看出顏色的變化；在540nm附近及可見光譜的兩端色差閾值最高。曲線表明：人眼具有很強(qiáng)的分辨色差異能力。

光譜部位的色差閾值

1.3.2人眼黑白視覺特性第六十七頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3人眼視覺特性1.3.1人眼視覺產(chǎn)生過程1.3.2人眼黑白視覺特性1.3.3人眼顏色視覺特性第六十八頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1、彩色視覺特性1.3.3人眼的顏色視覺特性不同波長的單色光會引起不同的彩色感覺，但相同的彩色感覺卻可以來源于不同的光譜成分組合，而人眼只能體會彩色感覺卻不能分辨光譜成分。電視技術(shù)正是利用了人眼的這個特性。第六十九頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3.3人眼的顏色視覺特性2、彩色視覺特性的表示

彩色一般可用明度、色調(diào)和飽和度三個特性來描述。也可用其它類似的三種特性表示。明度：人眼對物體的明暗感覺。發(fā)光物體的亮度越高，則明度越高；非發(fā)光物體反射比越高，明度越高。色調(diào)：區(qū)分彩色的特性,即紅、黃、綠、藍(lán)、紫等。不同波長的單色光具有不同的色調(diào)。發(fā)光物體的色調(diào)決定于它的光輻射的光譜組成。非發(fā)光物體的色調(diào)決定于照明光源的光譜組成和物體本身的光譜反射(透射)的特性。

飽和度：指彩色的純潔性?？梢姽庾V的單色光是最飽和的彩色。顏色飽和度決定于物體反射(透射)特性。如果物體反射光的光譜帶很窄，則飽和度就高。第七十頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二不同的色調(diào)、明度和飽和度中間飽和度最高兩邊飽和度遞減由右至左明度遞增1.3.3人眼的顏色視覺特性第七十一頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.3.3人眼的顏色視覺特性第七十二頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二3、視敏特性

（1）視覺機(jī)理光敏細(xì)胞感光靈敏度辨色能力分布區(qū)域細(xì)節(jié)能力錐狀低有黃斑區(qū)內(nèi)細(xì)節(jié)桿狀高無黃斑區(qū)外輪廓1.3.3人眼的顏色視覺特性第七十三頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二

（2）視敏函數(shù)在輻射功率相同的情況下，不同波長的光不僅給人不同的色彩感覺，而且也給人不同的亮度感覺。在獲得相同的亮度感覺前提下，測出各種波長的輻射功率為P(λ)，其倒數(shù)

便稱波長λ的光的視敏度。視敏度說明人眼對這種波長的光的靈敏度。它小說明人眼對該種波長的光不夠敏感。人眼對555nm的光有最大的敏感度，即1.3.3人眼的顏色視覺特性第七十四頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二

于是相對視敏函數(shù)為

其曲線如圖所示。相對視敏函數(shù)曲線1.3.3人眼的顏色視覺特性第七十五頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二4、人眼辨色能力

色分辨閾：200種色調(diào)

飽和度分辨閾：每種色調(diào)10~25級 能分辨的顏色：3000~4000種1.3.3人眼的顏色視覺特性第七十六頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.1輻射度量1.2光度量1.3人眼視覺特性1.4朗伯輻射體及其輻射特性1.5幾種典型光輻射量的計算公式第1章輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)第七十七頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.4朗伯輻射體及其輻射特性1.4.1朗伯余弦定律某些自身發(fā)射輻射的輻射源，其輻亮度與方向無關(guān)，即輻射源各方向的輻亮度不變，這類輻射源稱為朗伯輻射體。絕對黑體和理想漫反射體是兩種典型的朗伯體。朗伯體反射或發(fā)射輻射的空間分布可表為

按照朗伯輻射體亮度不隨角度θ變化的定義，得即理想漫反射體單位表面積向空間指定方向單位立體角內(nèi)發(fā)射（或反射）的輻射功率和該指定方向與表面法線夾角的余弦成正比，即朗伯余弦定律。第七十八頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二1.4朗伯輻射體及其輻射特性1.4.2朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系極坐標(biāo)對應(yīng)球面上微面元dA的立體角dΩ設(shè)朗伯微面元dS亮度為L，則輻射到dA上的輻射通量為在半球內(nèi)發(fā)射的總通量P為根據(jù)出射度的定義，得

朗伯體輻射空間坐標(biāo)第七十九頁，共八十五頁，編輯于2023年，星期二聯(lián)系單位立體角內(nèi)單位投影面積2π半球空間單位立體角內(nèi)描述輻射特點面源面源點源