關于輻射度量光度量基礎第1章輻射度量、光輻射度量基礎

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、心理學的概念在內。第2頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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

第3頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.1輻射度量1.1.1立體角

任一光源發射的能量都輻射在它周圍一定的空間。因此，在進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射、傳輸或被某一表面接收時的發散或會聚的角度。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)。

dsrd

d

d

o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4頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.1輻射度量1.1.2輻射度量的名稱、定義、符號和單位第5頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.1輻射度量(1)輻射能(Q，Radiantenergy)

以電磁波形式發射、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)

輻射場內單位體積中的輻射能。第6頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.1輻射度量(3)輻射通量(

，Radiantflux)

以輻射形式發射、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7頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

輻射強度是在給定傳輸方向上的單位立體角內光源發出的輻射通量，輻射強度描述點光源輻射的方向特性。1.1輻射度量(4)輻射強度(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，可當做點源處理，否則稱為擴展源（有一定面積）。點輻射源與擴展源

如果觀測中使用光學系統，當源的像小于探測器，就可以看成是點源。

均勻點輻射源（各向同性）輻射強度I不隨方向變化，故整個球面的輻射通量為：第8頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.1輻射度量(5)輻射出射度(M，Radiantexitance)

輻射出射度表示擴展源單位面積向半球空間發射的功率(或輻射通量)，是描述擴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

如果擴展源表面的發射不是均勻的：擴展源的輻射功率：如果擴展源表面的發射是均勻的：第9頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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、單位立體角內發出的輻射功率。描述擴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的關系輻強度I和輻亮度L的關系第10頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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11頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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，當描述光譜輻射量時，可在相應名稱前加“光譜”，并在相應的符號上加波長的符號“

”作為下標，例如光譜輻射通量記為

或

(

)

等等。

i

r

s

a第12頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

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，基本輻射量都應該有相應的光譜輻射量。1.1.3光譜輻射量與光子輻射量1.1輻射度量第13頁,共88頁，2024年2月25日，星期天（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內相應的輻射量為ΔX，定義光譜輻射量（也叫單色輻射量）：1.1輻射度量第14頁,共88頁，2024年2月25日，星期天單位：W/μm（瓦/微米）(1)光譜輻射功率（光譜輻射通量）輻射源在λ+△λ波長間隔內發出的輻射功率，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15頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(2)光譜輻射強度單位：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16頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(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17頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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是和入射的光子數相關的。

光子輻射量是單位時間間隔內傳輸、發送或接收的光子數。(1)光子數是用頻率表示的單色輻射能。頻率為ν的光子數：2、光子輻射量頻率范圍內的光子數為光子數：則(2)光子通量單位時間內傳輸的光子數。單位：1/S（1/秒）1.1輻射度量第18頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(3)光子輻射強度

光源在給定方向上單位立體角內發射的光子通量，或單位時間向給定方向上單位立體角內發射的光子數。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、單位立體角內發射的光子通量。單位：1/㎡?s?Sr（1/平方米?秒?球面度）1.1輻射度量第19頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(5)光子輻射出射度光源單位面積向半球空間（2π）內發射的光子通量。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20頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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、光輻射度量基礎第21頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

光度學考慮的是人的視覺對輻射的反應，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“標準人眼”。

光度量是具有“標準人眼”視覺響應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（刺激值）是不同的。光譜光視效能是評定該刺激值的參數。1.2光度量第22頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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“e”，而在光度量符號上加下標“v”。

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

)

光源在指定時間內發出的光能。(2)光通量(

，luminousflux)

光源在單位時間內發出的光能。(3)光強度(I，luminousIntensity)

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

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

面光源單位元表面內向外所發射的光通量。(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24頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

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出的輻射通量之比，單位為（lm/W）。第25頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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，是隨波長變化的。對于標準人眼，的極大值位于處，。——在波長λ處的光譜輻射通量；——在波長λ處的光譜光通量；第26頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.2光度量3、光視效能與光譜光視效能的關系

注意！第27頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.2光度量4、光視效率

把光視效能最大值（，）作為基準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，反映人眼對各種不同波長光的視覺靈敏度

。視見函數第28頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.2光度量6、光視效率與光譜光視效率的關系

注意！第29頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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)。對于明視覺，對應為輻射通量

e(555)與某波長

能對平均人眼產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),對于明視覺，Km=683lm/W。對暗視覺，K

m=1725lm/W。明視覺條件下V(

)所對應的峰值波長為555nm，暗視覺條件下V(

)所對應的峰值波長為507nm。

視網膜有兩種感光細胞錐體細胞桿體細胞明視覺暗視覺視見函數第30頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.2光度量1.2.2光度量與輻射度量的關系

(光譜)光度量和(光譜)輻射度量可通過人眼視覺特性進行轉換，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行轉換，即

明視覺:暗視覺:第31頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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、光輻射度量基礎第32頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.3人眼視覺特性人眼在光度量和色度學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行各種光度/色度測量的基礎，也是各種光度或色度儀器設計的依據。

視覺是人的主要感覺功能，人的視覺系統能完美的完成許多復雜的信息處理功能。視覺研究所涉及的學科：物理學、心理學、生理學、解剖學、計算機科學等。第33頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.3人眼視覺特性1.3.1人眼視覺產生過程1.3.2人眼黑白視覺特性1.3.3人眼顏色視覺特性第34頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

人眼的構造眼球包括：曲光系統和感光系統曲光系統由角膜、房水、晶狀體和玻璃體組成感光系統由充滿了視細胞的視網膜組成1.3.1人眼視覺產生過程第35頁,共88頁，2024年2月25日，星期天眼睛中圖像的形成外界光線射進眼球角膜對入射光具有聚光作用瞳孔起了照相機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膜上第36頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.3.1人眼視覺產生過程(1)光學過程

15/100=2.55/17第37頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(2)化學過程

錐狀細胞：約有700萬個錐狀細胞，分布在正對瞳孔的視網膜中央區域（黃斑區）錐狀細胞既能感光，又能感色，但感光靈敏度不高，主要在強光條件下工作。錐狀細胞直徑為2.5~7.5um。桿狀細胞：約有1.2億個桿狀細胞，越遠離黃斑區錐狀細胞越少，在接近邊緣區域的幾乎全是桿狀細胞。桿狀細胞只能感光，不能感色，但感光靈敏度高，是錐狀細胞的10000倍，主要在弱光條件下工作。桿狀細胞直徑為20um左右。1.3.1人眼視覺產生過程第38頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(3)神經處理過程

每個視網膜接收單元都與一個神經元細胞借助突觸（synapse）相連。每個神經元細胞借助其它的突觸與其它細胞連接，從而構成光神經（opticalnerve）網絡。光神經進一步與大腦中的側區域（sideregionofthebrain）連接，到達大腦中的紋狀皮層（striatedcortex）。對光刺激產生的響應經過一系列處理最終形成關于場景的表象，從而將對光的感覺轉化為對景物的知覺。1.3.1人眼視覺產生過程第39頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

整體視覺過程

視覺＝“視”＋“覺”

1.3.1人眼視覺產生過程第40頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.3人眼視覺特性1.3.1人眼視覺產生過程1.3.2人眼黑白視覺特性1.3.3人眼顏色視覺特性第41頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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焦的成像系統。人眼能夠看清不同距離的物體，是由于正常的眼睛具有調節功能。這種調節功能是靠調節人眼肌肉的拉緊與松弛來實現的。在觀察遠距離物體時，調節肌處于松弛狀態，晶體的曲率較小，屈光力較小，使物體成像在視網膜上。當觀察近距離物體時，調節肌處于緊張狀態，晶體的曲率加大，厚度增加，晶體會聚光線的能力增強，使近處物體的像仍成在視網膜上。人眼簡化眼模型的主要參數第42頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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,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果,是能量場E

的一個映射,即：1.3.2人眼黑白視覺特性第43頁,共88頁，2024年2月25日，星期天對于運動圖象x,y,z都是時間

t的函數，若在連續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，醫學圖象等）。對于按不同視角，即不同的

x,y,z間相互關系，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，視覺現象包括有視覺對光強，對各種波長、彩色的光譜效應，對物體邊緣等空間頻率變化的響應，以及視覺對時間瞬時變化運動的響應。第44頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

在外界光線的亮度發生變化時，人眼的感受性也會發生變化，這種感受性對光刺激產生順應變化的特性，稱為眼睛的亮度適應性。由于這種適應性，人眼所感覺到的亮度范圍（視覺范圍）非常大。明亮

較暗

現象？逐漸能夠看清物體

暗光適應(20~30s)較暗

明亮

現象？逐漸能夠看清物體

亮光適應(1~2s)1.3.2人眼黑白視覺特性(2)視覺的適應第45頁,共88頁，2024年2月25日，星期天剛從暗室進入亮室時人眼觀測情形1.3.2人眼黑白視覺特性第46頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(2)視覺的適應

人眼能在一個相當大(約10個數量級)的范圍內適應視場亮度。隨著外界視場亮度的變化，人眼視覺響應可分為三類：明視覺響應：當人眼適應大于或等于3cd/m2的視場亮度后，視覺由錐體細胞起作用。暗視覺響應：當人眼適應小于或等于3×10-5cd/m2視場亮度之后，視覺只由桿體細胞起作用。由于桿體細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：隨著視場亮度從3cd/m2降至3×10-5cd/m2，人眼逐漸由錐體細胞的明視覺響應轉向桿體細胞的暗視覺響應。當視場亮度發生突變時，人眼要穩定到突變后的正常視覺狀態需經歷一段時間，這種特性稱為‘適應’，適應包括明暗適應和色彩適應二種。適應由兩個方面來調節。調節瞳孔大小，改變進入人眼光通量。眼瞳大小是隨視場亮度而自動調節。視細胞感光機制的適應。桿體細胞內有一種紫紅色的感光化學物質——視紫紅質。人眼的明暗視覺適應分為亮適應和暗適應。對視場亮度由暗突然到亮的適應稱為亮適應，大約需要2~3分鐘；對視場亮度由亮突然到暗的適應稱為暗適應，通常需要45分鐘，充分暗適應則需要1個多小時。值得注意的是，紅光不破壞桿體細胞中的視紫紅質，即紅光不影響桿體細胞的暗適應過程。因此，在黑暗環境(如暗室洗相或X光大夫)工作的人們，在進入光亮環境時帶上紅色眼鏡，再回到暗室時，由于視紫紅質未被破壞，其視覺感受仍保持原來水平，不需重新暗適應便可繼續工作。重要的信號燈、車輛的紅色尾燈以及飛機駕駛艙內的儀表采用紅光照明等情況也均有利于暗適應。不同視場亮度一人眼瞳孔直徑和面積1.3.2人眼黑白視覺特性第47頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.3.2人眼黑白視覺特性第48頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(3)人眼的絕對視覺閾在充分暗適應的狀態下，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個藍綠光(波長為0.51

m)的光子轟擊角膜引起的，據估算，這一刺激只有5~14個光子實際到達并作用于視網膜上。對于點光源天文學家認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)，自身發光或被照明的圓形目標，在瞳孔上的照度閾值與張角無關，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Lb

>16.4cd/m2后將產生眩目現象，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，但在暗室將產生眩目效應。1.3.2人眼黑白視覺特性第49頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(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鑒別出來。人眼的視覺敏銳程度與背景的亮度及目標在背景中的襯度有關。目標的襯度以對比度C來表示式中,LT和LB分別為目標和背景的亮度。有時也將C的倒數稱為反襯靈敏度。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、景物對比度和目標大小等參數相關。通常背景亮度LB、對比度C和人眼所能探測的目標張角之間具有下述關系(Wald定律)

式中,x值在0~2之間變化。對于小目標α<7′，則x=2，上式變為即著名的Rose定律。若α<1′時，就很難觀察到目標。若目標無限大，則x→0。1946年Blackwell閾值對比度實驗當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/暗視覺的轉折。1.3.2人眼黑白視覺特性第50頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(5)人眼的分辨力人眼能區別兩發光點的最小角距離稱為極限分辨角

，其倒數則為眼睛的分辨力，或稱為視覺銳度。集中于人眼視網膜中央凹的錐體細胞具有較小的直徑，且每個錐體細胞都具有單獨向大腦傳遞信號的能力。桿體細胞的分布密度較稀，且成群地聯系于公共神經的末稍，故人眼中央凹處的分辨本領比視網膜邊緣處高，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系1.3.2人眼黑白視覺特性第51頁,共88頁，2024年2月25日，星期天眼睛的分辨力除與眼睛的構造有關外,還與目標的亮度、形狀及景物對比度等有關。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帶有方形缺口的黑環)。人眼看的極限分辨角(′)

1.3.2人眼黑白視覺特性第52頁,共88頁，2024年2月25日，星期天人眼的分辨角

可按以下經驗公式估算式中,d為瞳孔直徑(mm)。人眼的分辨角隨照度的變化1.3.2人眼黑白視覺特性第53頁,共88頁，2024年2月25日，星期天實驗證明（1）人眼對彩色細節的分辨力比對黑白細節的分辨力要低，而且人眼對不同彩色，分辨力也各不相同。如果眼睛對黑白細節的分辨力定義為100%，則實驗測得人眼對各種顏色細節的相對分辨力用百分數表示如下表。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54頁,共88頁，2024年2月25日，星期天特性分析：人眼的分辨力體現了人的視力水平，可以簡單定義為人眼在一定距離上能區分相近兩點的能力。人眼的分辨力和被觀察對象的相對對比度有關，當對比度小時，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。人眼的分辨力體現了整個視覺系統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55頁,共88頁，2024年2月25日，星期天（6）視覺惰性與閃爍感覺1.3.2人眼黑白視覺特性第56頁,共88頁，2024年2月25日，星期天視覺惰性

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，即使把目標圖像拿走，視覺反應也有持續一小段時間。正因為視網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,當一定強度的光突然作用于視網膜時,不能在瞬間形成穩定的主觀亮度感覺,而是按近似指數規律上升;當亮度突然消失后,人眼的亮度感覺并不立即消失,而是按近似指數規律下降。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57頁,共88頁，2024年2月25日，星期天閃爍

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，產生閃爍感；進－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(或人眼視網膜上的照度)、波動光的波形以及振幅有關。在亮度較低時，臨界閃爍頻率還與顏色有關。

當視網膜上的照度較低時,不同顏色對臨界閃爍頻率影響較大,藍光的臨界閃爍頻率最高,紅光的臨界閃爍頻率最低。當照度大于1.2×10-2lx時，臨界閃爍頻率與顏色無關；視網膜上的照度與臨界閃爍頻率在很大的范圍內呈線性關系,隨著視網膜上照度的增大，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節分辨能力，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58頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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在觀察視場內，當人眼看不出亮度有閃爍時，可認為兩者亮度相等。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??；對應一定的視場亮度，當閃爍頻率在600~900周/分之間時，人眼可分辨的亮度差最小，達到1.5％。人眼亮度差閾值與視場亮度和閃爍頻率的關系

1.3.2人眼黑白視覺特性第59頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(7)視覺系統的調制傳遞函數(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。為了更全面實現對人眼圖像傳遞和復現性能評價，可引用光學調制傳遞函數的概念。優點：

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膜、信息處理系統的特性作統一的數學處理。有可能按MTF推斷各種圖像的像質特性、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：眼球光學系統把外界的三維信息傳遞，形成二維圖像；視細胞檢測光，并進行光電轉換，視網膜進行圖像信息處理；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，有反饋回路等復雜地交錯在一起，對視覺過程功能的研究是生理學和有關交叉學科的重點之一。

1.3.2人眼黑白視覺特性第60頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(7)視覺系統的調制傳遞函數(MTF)

眼球光學系統MTF是低通濾波函數。下圖為用摘出的小牛眼測定的MTF曲線。

眼球光學MTF的測定結果

1.3.2人眼黑白視覺特性第61頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(7)視覺系統的調制傳遞函數(MTF)

視覺系統的MTF由眼球光學系統、網膜等各部分的MTF乘積構成，視系統各部分的MTF如圖所示。A為分離視網膜中央凹處；B為角膜加晶狀體；C為網膜加處理系統(視神經、大腦)D為處理系統(視神經加大腦)視覺各部分MTF的比較

1.3.2人眼黑白視覺特性第62頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(7)視覺系統的調制傳遞函數(MTF)

四種典型模型：

(i)高斯型其中：為空間頻率，為人眼響應等效線擴展函數的標準偏差。

(ii)指數型其中：為顯示屏平均亮度。

(iii)Barten模型其中：為歸一化常數，為顯示屏平均亮度,。1.3.2人眼黑白視覺特性第63頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(7)視覺系統的調制傳遞函數(MTF)(iv)復合型在人眼視覺實驗數據基礎上，提出基于人眼視覺噪聲和神經側抑制的復合模型:其中：M是歸一化常數，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/[(td·s·(°)2)]。1.3.2人眼黑白視覺特性第64頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

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是目標亮度(cd/mm2)。

f0為特征空間頻率(cyc/deg)；σe為光學點擴散函數徑向標準偏差；σ0為常數(deg)；Csph為視覺球差系數，一般為10-4(deg/mm3)；F(f)是低通濾波傳遞函數；Mopt(f)表示人眼光學系統的傳遞函數;其它常數如表1-10所示。1.3.2人眼黑白視覺特性第65頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(7)視覺系統的調制傳遞函數(MTF)

高斯型是空間頻率f的單參數模型；指數型、Barten模型是空間頻率和目標亮度的雙參數模型；復合模型是多參數模型，與空間頻率、目標亮度、視場角、顯示器尺寸、波長等多種因素有關。

Barten模型和復合模型與國際Meeteren&Vos測量數據的比較。

M&V測試值和理論值的比較，連續曲線為理論值

1.3.2人眼黑白視覺特性第66頁,共88頁，2024年2月25日，星期天(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67頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.3人眼視覺特性1.3.1人眼視覺產生過程1.3.2人眼黑白視覺特性1.3.3人眼顏色視覺特性第68頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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。電視技術正是利用了人眼的這個特性。第69頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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。發光物體的亮度越高，則明度越高；非發光物體反射比越高，明度越高。色調：區分彩色的特性,即紅、黃、綠、藍、紫等。不同波長的單色光具有不同的色調。發光物體的色調決定于它的光輻射的光譜組成。非發光物體的色調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70頁,共88頁，2024年2月25日，星期天不同的色調、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71頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.3.3人眼的顏色視覺特性第72頁,共88頁，2024年2月25日，星期天3、視敏特性

（1）視覺機理1.3.3人眼的顏色視覺特性第73頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

（2）視敏函數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

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74頁,共88頁，2024年2月25日，星期天

于是相對視敏函數為

其曲線如圖所示。相對視敏函數曲線1.3.3人眼的顏色視覺特性第75頁,共88頁，2024年2月25日，星期天4、人眼辨色能力

色分辨閾：200種色調

飽和度分辨閾：每種色調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76頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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、光輻射度量基礎第77頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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射輻射的輻射源，其輻亮度與方向無關，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發射（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78頁,共88頁，2024年2月25日，星期天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系極坐標對應球面上微面元dA的立體角dΩ設朗伯微面元dS亮度為L，則輻射到dA上的輻射通量為在半球內發射的總通量P為根據出射度的定義，得

朗伯體輻射空間坐標第79頁,共88頁，2024年2月25日，星期天聯系單位立體角內單位投影面積2π半球空間單位立體角內描述輻射特點面源面源點源、小面源源特點輻射亮度L輻射出射度M輻射強度I朗伯小面源的I、L、M的相互關系1.4朗伯輻射體及其輻射特性第80頁,共88頁，2024年2月25日，星期天1.4朗伯輻射體及其輻射特性例題：已知太陽輻亮度L0等于2×107Ｗ/(m2·sr)，太陽的半徑r0等于6.957×108m，地球的半徑re為6.374×106m，太陽到地球的年平均距離l為1.496×1011m，求太陽的輻射出射度M0、輻射強度I0、輻射通量Φ0以及地球接收的輻射通量Φe、地球大氣層邊沿的輻照度Ee。解:太陽可假定為朗伯光源，則太陽的輻射出射度:

M0=πL0=6.2832×107(W/m2)假定太陽為一均勻發光體，則太陽的輻射通量:Φ0=4πr02M0=3.821×1026(W)太陽的輻射強度:I0=Φ0/4π=3.041×1025(W/sr)地球對太陽的立體角:Ω=πre2/l2=5.703×10-9(sr)地球接收到的太陽的輻射通量:Φe=I0Ω=1.734×1017(W)地球大氣層邊沿的輻照度:Ee=I0/l2=1358.79(W/m2)

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