1、第9章 辐射度学与光度学基础 第9章 辐射度学与光度学基础 9.1 常用辐射量常用辐射量 9.2 光谱辐射量和光子辐射量光谱辐射量和光子辐射量 9.3 视觉的生理基础视觉的生理基础 9.4 光谱光效率光谱光效率 9.5 光度量光度量第9章 辐射度学与光度学基础 9.1 常用辐射量常用辐射量 9.1.1 立体角立体角立体角是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，如图9-1所示，其定义为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S和球半径r平方之比称为这一锥体的立体角。立体角的单位是球面度(sr)。2Sr(9-1)第9章 辐射度学与光度学基础 图9-1
2、 立体角第9章 辐射度学与光度学基础 这样，在以锥体的顶点为中心，半径为1单位的球面上，锥体所截得的面积大小就准确地度量了立体角的大小。以球心为顶点的锥体在球的表面切割出的、面积等于球半径平方的区域，所张的立体角称为单位立体角，为1球面度。对于半径为r的球，其表面积等于4r2，所以一个光源向整个空间发出辐射能或者一个物体从整个空间接收辐射能时，其对应的立体角为4球面度，而半球空间所张的立体角为2球面度。第9章 辐射度学与光度学基础 在平面上定义一段弧微分ds与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角，记作，所以整个圆周对应的圆心角就是2；和平面角的定义类似，定义立体角为曲面上面元ds与其矢量半径的二
3、次方的比值为此面元对应的立体角，记作。由此可得，任意闭合曲面的立体角都是4。2dsr2ddsr 求空间一任意表面S对空间某一点O所张的立体角，可由O点向空间表面S的外边缘做一系列射线，由射线所围成的空间角即为表面S对O点所张的立体角。因而不管空间表面的凹凸如何，只要对同一O点所作射线束围成的空间角是相同的，那么它们就有相同的立体角。第9章 辐射度学与光度学基础 9.1.2 辐射度量的名称、定义、符号及单位辐射度量的名称、定义、符号及单位辐射度学中所用到的辐射量较多，很长时间以来，国际上所采用的辐射度量和光度量的名称、单位、符号等很不统一。国际照明委员会(CIE)在1970年推荐采用的辐射度量和
4、光度量单位基本上和国际单位制(SI)一致，并在后来为越来越多的国家所采纳。1.辐射能辐射能(Q)所谓辐射能，就是以电磁波的形式发射、传输或接收的能量，单位是焦耳(J)，辐射能简称辐能。第9章 辐射度学与光度学基础 当描述辐射能量在一段时间内积累时，用辐能来表示，例如，地球吸收太阳的辐射能，又向宇宙空间发射辐射能，使地球在宇宙中具有一定的平均温度，则用辐能来描述地球辐射能量的吸收辐射平衡情况。为进一步描述辐能随时间、空间、方向等的分布特性，分别用以下辐射度量来表示。第9章 辐射度学与光度学基础 2.辐能密度辐能密度()辐射场内单位体积中的辐射能称为辐射能密度，简称辐能密度，单位是J/m3，其定义
5、式为其中，V为体积，单位是m3。因为辐射能还是波长、面积、立体角等许多因素的函数，所以和Q的关系用Q对V的偏微分来定义。同理，后面讨论的其它辐射量也将用偏微分来定义。QV(9-2)第9章 辐射度学与光度学基础 3.辐射功率辐射功率(P，f f)辐射功率就是发射、传输或接收辐射能的时间速率，用以描述辐射能的时间特性，用P表示，单位是W，其定义式为其中，t为时间，单位为s。辐射功率P与辐射通量混用。辐射在单位时间内通过某一面积的辐射能称为经过该面积的辐射通量，辐射通量也称为辐通量。QPt(9-3)第9章 辐射度学与光度学基础 4.辐射强度辐射强度(I)辐射强度是描述点辐射源特性的物理量。下面先说明
6、一下什么是点辐射源(简称点源)和扩展辐射源(简称扩展源或面源)。所谓点源，就是其物理尺寸可以忽略不计，理想上将其抽象为一个点的辐射源。否则，就是扩展源。真正的点源是不存在的。在实际情况下，能否把辐射源看成是点源，首先问题不是辐射源的真实物理尺寸，而是它相对于观测者(或探测器)所张的立体角度。例如，距地面遥远的一颗星体，它的真实物理尺寸可能很大，但是我们却可以将它看做点源。同一辐射源，在不同场合，可以是点源，也可以是扩展源。例如，喷气式飞机的尾喷口，在1km以外处观测，可以作为点源处理，而在3m处观测，就表现为一个扩展源。第9章 辐射度学与光度学基础 一般来讲，如果测量装置没有使用光学系统，只要
7、在比辐射源的最大尺寸大10倍的距离处观测，辐射源就可视为一个点源。如果测量装置使用了光学系统，则基本的判断标准是探测器的尺寸和辐射源在探测器表面上像的尺寸之间的关系；如果像比探测器小，辐射源可看做是一个点源；如果像比探测器大，则辐射源可认为是一个扩展源。换言之，充满光学系统视场的可看做扩展源，而未充满视场的则是点源。现在来定义辐射强度。辐射源在某一方向上的辐射强度是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出的辐射功率，用I表示。第9章 辐射度学与光度学基础 如图9-2所示，若一个点源在围绕某指定方向的小立体角内发射的辐射功率为P，则P与之比的极限就是辐射源在该方向上的辐射强度I，即 辐射强度就是
8、点源在单位立体角内发射的辐射功率。因此，它是点源所发射的辐射功率在空间分布特性的描述。或者说，它是辐射功率在某方向上的角密度的度量。按照定义，它的单位是瓦球面度1(W/sr)。0limPPI(9-4)第9章 辐射度学与光度学基础 图9-2 辐射强度的定义第9章 辐射度学与光度学基础 辐射强度对整个发射立体角的积分，就可给出辐射源发射的总辐射功率P，即对于各向均匀辐射的辐射源，I等于常数，则由(9-5)式得P=4I。对于辐射功率在空间分布不均匀的辐射源，一般来讲，辐射强度I与方向有关，因此计算起来比较困难。dPI(9-5)第9章 辐射度学与光度学基础 5.辐射出射度辐射出射度(M)辐射出射度简称
9、辐出度，是描述扩展源辐射特性的量。辐射源单位表面积向半球空间(2立体角)内发射的辐射功率称为辐射出射度，用M表示。例如，太阳表面的辐射出射度是指太阳表面单位表面积向外部空间发射的辐射功率。如图9-3所示，若面积为A的扩展源上围绕x点的一个小面元A，向半球空间内发射的辐射功率为P，则P与A之比的极限值就是该扩展源在x点的辐射出射度，即0limAPPMAA(9-6)第9章 辐射度学与光度学基础 图9-3 辐射出射度的定义第9章 辐射度学与光度学基础 辐射出射度是扩展源所发射的辐射功率在源表面分布特性的描述。或者说，它是辐射功率在某一点附近的面密度的度量。按照定义，辐射出射度的单位是W/m2。对于发
10、射不均匀的辐射源表面，表面上各点附近将有不同的辐射出射度。一般来讲，辐射出射度M是源表面上位置x的函数。辐射出射度M对源发射表面积A的积分，就是该辐射源发射的总辐射功率，即如果辐射源表面的辐射出射度M为常数，则它所发射的辐射功率为P=MA。dAPM A(9-7)第9章 辐射度学与光度学基础 6.辐射亮度辐射亮度(L)辐射强度I只能描述点源在空间不同方向上的辐射功率分布，这个量不能适用于扩展源。这是因为对于扩展源，无法确定探测器对辐射源所张的立体角。而辐射出射度M可以描述扩展源在源表面不同位置上的辐射功率分布。为了描述扩展源所发射的辐射功率在源表面不同位置上沿空间不同方向的分布特性，特别引入辐射
11、亮度的概念。辐射亮度又叫辐射率或面辐射强度。第9章 辐射度学与光度学基础 如图9-4所示，若在扩展源表面上某点x附近取一小面元A，该面元向半球空间发射的辐射功率为P，如果进一步考虑，在与面元A的法线夹角为的方向取一小立体角元，那么，从面元A向立体角元内发射的辐射功率是二级小量(P)=2P。由于从A向方向发射的辐射(也就是在方向观测到的来自A的辐射)，而在方向上看到的面元A的有效面积，即投影面积(也称为表观面积)是A=Acos，所以，在方向的立体角元内发出的辐射，就等效于从辐射源的投影面积A上发出的辐射。因此，在方向观测到的辐射源表面上位置x处的辐射亮度，就是2P比A与之积的极限值，即 第9章
12、辐射度学与光度学基础 图9-4 辐射亮度的定义 第9章 辐射度学与光度学基础 这个定义描述如下，辐射源在某一方向上的辐射亮度是指在该方向上的单位投影面积向单位立体角中发射的辐射功率。这个定义表明,辐射亮度是扩展源辐射功率在空间分布特性的描述。辐射亮度的单位是W/(m2sr)。一般来说，辐射亮度的大小应该与源面上的位置x及方向有关。既然辐射亮度L和辐射出射度M都是表征辐射功率在表面上的分布特性，而M是单位面积向半球空间的辐射功率，L是单位表观面积向特定方向上的单位立体角发射的辐射功率，所以，我们可以推出两者之间的相互关系。2200limcosAPPLAA (9-8)第9章 辐射度学与光度学基础
13、由式(9-8)可知，源面上的小面元dA，在方向上的小立体角元d内发射的辐射功率为 d2P=LcosddA (9-9)所以，dA向半球空间(2球面度)发射的辐射功率，可以通过对立体角积分得到，即根据辐射出射度M的定义式，我们就得到L与M的关系为22ddcos d dPPLA半球空间球面度(9-10)2dcosddPMLA 球面度(9-11)第9章 辐射度学与光度学基础 在实际测量辐射亮度时，总是用遮光板或光学装置将测量限制在扩展源的一小块面元A上。在这种情况下，由于小面元A比较小，就可以确定处于某一方向上的探测器表面对A中心所张的立体角。此时，用测得的辐射功率(P()除以被测小面元A在该方向上的
14、投影面积Acos和探测器表面对A中心所张的立体角元，便可得到辐射亮度L。从理论上讲，将在立体角元内所测得的辐射功率(P()，除以立体角元，就是辐射强度I。第9章 辐射度学与光度学基础 在定义辐射强度时特别强调，辐射强度是描述点源辐射空间角分布特性的物理量。只有当辐射源的面积(严格讲，应该是空间尺度)比较小时，才可将其看成是点源。此时，将这类辐射源称为小面源或微面源。可以说，小面源是具有一定尺度的“点源”，它是联系理想点源和实际面源的一个重要概念。对于小面源而言，它既具有点源特性的辐射强度，又有面源的辐射亮度。对于上述测量的小面源A，有 2()coscoscosPPILAAA (9-12)第9章
15、 辐射度学与光度学基础 和 如果小面源的辐射亮度L不随位置变化(由于小面源A面积较小，通常可以不考虑L随A上位置的变化)，则小面源的辐射强度为I=LAcos (9-14)即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐射亮度乘以小面源在该方向上的投影面积。d cosAIL A(9-14)第9章 辐射度学与光度学基础 辐射亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作用，是光源微面元在垂直传输方向辐射强度特性的描述。例如，描述螺旋灯丝白炽灯时，由于描述灯丝每一局部表面的发射特性常常是没有实用意义的，而是把它作为一个整体，即一个点光源，描述在给定观测方向上的辐射强度；而在描述天空辐射特性时，希望知道其各部
16、分的辐射特性，则用辐射亮度描述天空各部分辐射功率在空间分布的特性。第9章 辐射度学与光度学基础 7.辐射照度辐射照度(E)以上讨论的各辐射量都是用来描述辐射源发射特性的量。至于对一个受照表面接收辐射的分布情况，用上述各物理量均不能描述。为了描述一个物体表面被辐照的程度，在辐射度学中，引入辐射照度这一新的物理量。被照表面的单位面积上接收到的辐射功率称为该被照射处的辐射照度。辐射照度简称为辐照度，用E表示。如图9-5所示，若在被照表面上围绕x点取小面元A，投射到A上的辐射功率为P，则表面上x点处的辐射照度为 第9章 辐射度学与光度学基础 辐射照度的数值是投射到表面上每单位面积的辐射功率，辐照度的单
17、位是W/m2。辐照度和辐射出射度具有相同的定义式和单位，但应注意它们的差别。辐射出射度是描述辐射源表面所发射的辐射功率的面密度，它包括了辐射源向整个半球空间发射的辐射功率；而辐照度则是入射到被照表面上辐射功率的面密度，它可以是由一个或数个辐射源投射的辐射功率。一般来说，辐射照度E与x点在被照面上的位置有关，而且还与辐射源的特性及被照面与辐射源的相对位置有关。0limAPPEAA(9-15)第9章 辐射度学与光度学基础 图9-5 辐射照度的定义 第9章 辐射度学与光度学基础 例如，有两个辐射强度完全相同的点源S1和S2，如图9-6所示，其中S1在被照面的法线方向，S2位于与法线夹角的方向。如果不
18、考虑辐射传输过程中大气的影响，在离开点源距离l处的辐照度分别为 以上两式表明,点源在被照面上产生的辐照度与其辐射强度成正比，与源到被照面的距离平方成反比，并与源相对于被照面法线方向的夹角有关。11122ddddddPIIAIEAAA ll22222ddd coscosdddPIIAIEAAAll(9-16)(9-17)第9章 辐射度学与光度学基础 图9-6 点源的辐照度 第9章 辐射度学与光度学基础 如前所述，如果辐射源与被照面的距离超过辐射源最大尺寸的十倍，则在辐照度的计算中，就可以把该辐射源当作点源，误差不大于1%;如果辐射源为扩展源，则一般情况下，必须运用积分进行辐照度的计算。辐照度和辐
19、射出射度分别用来描述微面元发射和接收辐射功率的特性。如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射功率，那么该面元可看做是一个辐射源表面，即其辐射出射度在数值上等于照射辐照度。地球表面的辐照度是其各个面元接收太阳直射以及天空向下散射产生的辐照度之和；而地球表面的辐射出射度则是其单位表面积向宇宙空间发射的辐射功率。第9章 辐射度学与光度学基础 9.2 光谱辐射量和光子辐射量光谱辐射量和光子辐射量 前面所讨论的几个基本辐射量都只考虑了辐射功率的几何分布特征，如在表面上的面密度和空间的角分布等，并没有明确指出这些辐射功率是在怎样的波长范围内发射的。实际上，自任何一个辐射源发出的辐射，或投射到一个表面上的
20、辐射功率，均有一定的波长分布范围。因此，已经讨论过的基本辐射量均应有相应的光谱辐射量，而且，在有关辐射传热、照明及颜色的研究和工程设计中，往往要考虑这些反映光谱特性的光谱辐射量。第9章 辐射度学与光度学基础 9.2.1 光谱辐射量前面讨论过的基本辐射量，事实上是被认为包含了波长(0)的全部辐射的辐射量，因此也可以把它们叫做全辐射量。如果我们关心的是在某特定波长附近的辐射特性，那么，我们就可以在指定波长处取一个小的波长间隔，在此小波长间隔内的辐射量X的增量X与之比的极限值，就定义为相应的光谱辐射量，并记为 例如，光谱辐射功率 0limXXX(9-18)0limPPP(9-19)第9章 辐射度学与
21、光度学基础 它表征在波长处单位波长间隔的辐射功率，其单位是W/m。P通常是的函数，即 P=P()(9-20)式中下标表示对的偏微分，而括号中的表示关于的函数。仿此方法，我们也可以定义出其它的光谱辐射量。光谱辐射出射度为光谱辐射强度为 0limMMM(9-21)0limIII(9-22)第9章 辐射度学与光度学基础 光谱辐射亮度为 光谱辐射照度为 在上述光谱辐射量的定义表达式中，我们均用脚标表示该光谱辐射量是属于在指定波长处的辐射量。从式(9-19)可知，在保持处的小波长间隔d内的辐射功率为 dP=Pd (9-25)0limLLL(9-23)0limEEE(9-24)第9章 辐射度学与光度学基础
22、 由于d足够小，此式中的dP就可称为波长的单色辐射功率。上式从1到2积分，即可得到在光谱带12之间的辐射功率P()如果1=0和2=，则上述积分结果就是全辐射功率，即221dPPP 1(9-26)0dPP(9-27)第9章 辐射度学与光度学基础 上述几个量的物理意义是有区别的。光谱辐射功率P是单位波长间隔的辐射功率，它是表征辐射功率随波长的分布特性的物理量，并非真正的辐射功率的度量。单色辐射功率dP是指在足够小的波长间隔内的辐射功率。光谱带内的辐射功率P()是指在较大的波长间隔内的辐射功率。全辐射功率P是0的全部波长内的辐射功率的度量。dP、P()，P的不同之处在于所占的波长范围不同，而单位都是
23、瓦，都是真正辐射功率的度量。其它各光谱辐射量、单色辐射量、某波长间隔辐射量和全辐射量，仿此就可以加以区别。第9章 辐射度学与光度学基础 9.2.2 光子辐射量光子辐射量在红外技术中常用的探测器，有很重要的一类是属于光子探测器。这类探测器对于入射辐射的响应，往往不是着重考虑入射辐射功率，而是它每秒钟接收到的光子数目。因此，描述这类探测器的性能和与其有关的辐射时，通常采用每秒接收(或发射、传输)的光子数代替辐射功率来定义各辐射量，这样定义的辐射量叫做光子辐射量。1.光子数光子数光子数是辐射源发出的光子数目，用Np表示。我们可以从光谱辐射能Q推导出光子数的表达式为pddQNh(9-28)第9章 辐射
24、度学与光度学基础 式中Q是指频率处单位频率间隔内的辐射能，Qd是指频率+d间隔内的辐射能。根据爱因斯坦光子理论，一个光子的能量为h，h为普朗克常数，为频率。dNp为频率+d间隔内的光子数目。辐射能所发出的光子数目为 pp0ddQNNh(9-29)第9章 辐射度学与光度学基础 2.光子通量光子通量光子通量是指在单位时间内发射、传输或接收到的光子数，用p表示，即p的单位是1/s。ppNtf(9-30)第9章 辐射度学与光度学基础 3.光子辐射强度光子辐射强度光子辐射强度是光源在给定方向上单位立体角内所发射的光子通量，用Ip表示，即Ip的单位是1/(ssr)。4.光子辐射亮度光子辐射亮度辐射源在给定
25、方向上的光子辐射亮度是指在该方向上的单位投影面积向单位立体角中发射的光子通量，用Lp表示。辐射源在给定方向上的光子辐射亮度也说成是辐射源单位表观面积向该方向单位立体角内发射的光子通量，即ppIf(9-31)第9章 辐射度学与光度学基础 Lp的单位是1/(sm2sr)。它也说成是辐射源单位表观面积在单位时间内向该方向单位立体角内发射的光子数目，即 2ppcosLAf(9-32)3ppcosNLA t(9-33)第9章 辐射度学与光度学基础 5.光子辐射出射度光子辐射出射度辐射源的单位表面积在单位时间内向半球空间2内发射的光子数目，称为光子辐射出射度，用Mp表示，即Mp的单位是1/(sm2)。光子
26、辐射出射度也说成是辐射源单位表面积向半球空间2内发射的光子通量，即2ppNMA t(9-34)ppp2cos dMLAf(9-35)第9章 辐射度学与光度学基础 6.光子辐射照度光子辐射照度光子辐射照度是指被照表面上某一点附近，单位面积上接收到的光子通量，用Ep表示，即Ep的单位是1/(sm2)。ppEAf(9-36)第9章 辐射度学与光度学基础 9.3 视觉的生理基础视觉的生理基础 9.3.1 眼睛的构造及功能眼睛的构造及功能人的眼睛是一个直径约24mm的近似球状体，由眼球壁和眼球内容物构成，其结构如图9-7所示。眼球壁的正前方是一层占整个眼球壁面积1/6的弹性透明组织，称为角膜，其横径约1
27、1mm，厚度约1mm，略向眼外凸出，角膜含有大量视觉纤维。角膜具有屈光功能，光线经角膜发生屈折进入人眼。眼球壁的其余5/6部分为白色不透明组织，称为巩膜，巩膜厚0.51mm，主要起巩固和保护眼球的作用。第9章 辐射度学与光度学基础 图9-7 眼睛解剖图第9章 辐射度学与光度学基础 眼球壁中层由脉络膜、虹膜和睫状体组成。脉络膜上有丰富的色素细胞，呈黑色，具有吸收外来杂散光的作用，可消除光线在眼球内的乱反射。虹膜位于角膜之后，晶体之前，其根部与睫状体相连，虹膜中央有一圆孔，称为瞳孔，瞳孔的大小可以借助于虹膜的肌肉组织来调节，从而可以控制进入人眼内部的光通量，相当于照相机光圈的作用。虹膜上的瞳孔直径
28、可从微弱光时的8mm缩小到强光时的2mm，虹膜随不同种族有不同的颜色，如黑色、蓝色、褐色等，中国人的虹膜呈黑色，西方人的虹膜呈蓝色。睫状体位于虹膜之后，其内部有睫状肌，起调节晶体的作用。第9章 辐射度学与光度学基础 眼球壁内层包括视网膜和视神经乳头。视网膜位于脉络膜里层，与玻璃体相连，为眼球的最内层，它为一透明薄膜，其中具有视觉感光细胞锥体细胞和杆体细胞，故视网膜是人眼的感光部分。在人眼光轴一侧有一呈黄色的锥体细胞密集区域，称为黄斑，直径约23mm。黄斑中央有一小凹，叫做中央凹，是视觉最敏锐的地方。中央凹与晶体中心的连线构成了人眼的视轴。在距中央凹约4mm的鼻侧，为视神经纤维以及视网膜中央动、
29、静脉所通过，形成一个卵圆形的乳头，叫做视神经乳头，视神经乳头没有感光能力，所以也叫做盲点。神经纤维由视神经乳头穿过脉络膜和巩膜壁而称为视神经。第9章 辐射度学与光度学基础 视网膜可大致分为三层，如图9-8所示，最外层分布着锥体细胞b和杆体细胞a，锥体细胞长度为0.0280.058mm，直径为0.0025mm0.0075mm，形状略似头部为圆锥的圆柱；而杆体细胞长度为0.040.06mm，平均直径只有0.002mm，形状略似细长的杆。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，但分辨细节的能力低，不能分辨颜色。图9-8中的D、E、F、G是锥体细胞系统；A
30、、B、C是杆体细胞系统；H是锥体与杆体细胞混合系统。锥体细胞b和杆体细胞a的末端靠近脉络膜，它们位于视网膜最后层，光线由角膜进入眼球至视网膜，先通过视网膜的第三层和第二第9章 辐射度学与光度学基础 层，最后才到达锥体细胞和杆体细胞。人和其它脊柱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。第二层为双极细胞(d，e，f，h)和其它细胞，锥体细胞和杆体细胞均与双极细胞相连。通常一个锥体细胞连接一个双极细胞，这是为了在光亮条件下，每一个锥体细胞作为一个单元，能够精细地分辨外界对象的细节。而几个杆体细胞才连接一个双极细胞，这是为了在黑暗条件下通过几个杆体细胞对外界的微弱光刺激起总和作用。第三
31、层是最内层，最内层是神经节细胞(m，s)，外连双极细胞，神经节细胞的轴突形成视神经纤维，汇集于视神经乳头处，形成视神经。我们也把视网膜的三层分别称为感光细胞层、双极细胞层和神经节细胞层。第9章 辐射度学与光度学基础 图9-8 锥状细胞与杆状细胞形状图第9章 辐射度学与光度学基础 眼球内容物包括晶状体、房水及玻璃体，它们都是屈光介质。晶状体为一双凸形弹性透明体，位于玻璃体和虹膜之间，厚为3.64.4mm，直径约为9mm，睫状肌的收缩可改变晶体的屈光力，使不同距离的物体均能成像在视网膜上，因此晶状体相当于一个曲率可变的凸透镜。角膜和晶状体之间是前房，虹膜与晶状体之间是后房，其内部都充满着房水，房水
32、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。房水的折射率为1.336。玻璃体在晶状体后、视网膜前，占眼球内容物的4/5，是一种透明的半流体，折射率也为1.336。第9章 辐射度学与光度学基础 当人观察物体时，物体发出的光通过角膜进入人眼，在角膜、房水、晶状体及玻璃体的作用下，成像在视网膜上。视网膜的视感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。9.3.2 视觉的形成视觉的形成人眼的作用类似于照相机，但只是类似而已。人对光线的知觉视觉的形成，要比照相机把物体的像记录在感光胶片上的过程复杂的多。正因为如此，我们在研究视觉现象
33、时，就不得不采用一些与纯客观的物理测量不同的研究方法，不得不对客观描述光能量及其分布的辐射量用人眼的视觉特性加以评价。为了说明这一点，我们举一个历史上有名的例子。第9章 辐射度学与光度学基础 通过中学阶段几何光学的学习，我们已经知道，物体在视网膜上所成的像应是一个倒立的实像(如图9-9所示)，但是我们并不把外界物体看成倒立的，而看成正立的，这是为什么呢？首先，外界物体的光刺激，作用到视网膜的感光细胞，再以神经冲动的形式传导到大脑皮层。在传导过程中，刺激作用不再具有原来的空间关系。另外，心理学家为了解答这个问题，还在自己身上做了一个实验。他戴上一副特制的眼睛，通过这副眼镜的光学系统，能够使物体投
34、射在视网膜上的像成为正像。但是，在他戴上这幅眼镜时，看到的视场是颠倒的，一切东西看起来都翻了个。开始时，他非常不习惯这种情景，视觉与触觉、动觉之间经常发生矛盾。经过第9章 辐射度学与光度学基础 一段时间的适应，视觉逐渐与触觉、动觉协调起来，行动的错误减少了。到了21天以后，他又能够行动自如，完善地适应这种新的空间关系了，不仅如此，他看到的景物又都正过来了，周围的一切都回复正常了。不过，在取掉眼镜之后，又出现整个环境倒转的现象，再需要几天的时间才能恢复正常。这个有趣的例子说明，人在认识外部世界的时候，是作为一个统一的主体进行活动的，各种感觉器官触摸觉、运动觉、视觉器官等协调活动，相互传递和反馈信
35、息，通过实践活动，最后终于能够正常地反应客观现实。视觉的形成，并不是一个单纯的物理过程，而是与一系列生理过程与心理过程相联系的。第9章 辐射度学与光度学基础 图9-9 物体在视网膜上所成倒像图 第9章 辐射度学与光度学基础 9.3.3 明视觉与暗视觉明视觉与暗视觉我们白天在户外观察周围的物体时，不仅能区分各个物体的颜色在明暗上的不同，而且能区分同一个物体不同部分之间的差别即能分辨细节，但若在夜晚，当只有微弱的天光照明时，我们会觉得周围的物体都是朦朦胧胧的，失去了白昼的色彩；而且只能看出它们的大致轮廓，无法分辨细节。这种由于入射到人眼的光的强度不同而形成不同视觉感受的现象是由于视网膜上分布着两种
36、感光细胞锥体细胞和杆体细胞，它们执行着不同的视觉功能。第9章 辐射度学与光度学基础 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。在黄斑以外杆体细胞增多而锥体细胞变少。在离中央凹20的地方，杆体细胞的数目最大。人眼视网膜大约有650万个锥体细胞和1亿个杆体细胞。视网膜的中央凹每平方毫米有140000160000个锥体细胞，视网膜上锥体细胞的数量决定着视觉的敏锐程度。图9-10绘出了由奥斯特伯格(G.Osterberg)计算的视网膜上两种细胞的分布情况。第9章 辐射度学与光度学基础 图9-10 锥状细胞与杆状细胞分布图 第9章 辐射度学与光度学基础 杆体细胞形状
37、细长，往往几十个连在一起向视神经输送信息，导致它对光有高敏感性，能接受微弱光刺激，但不能分辨物体的细节和颜色。因此，在比较暗的条件下，由杆体细胞而形成了暗视觉。暗视觉只能分辨物体的明暗和形状。在光亮条件下，杆体细胞不起作用。而锥体细胞与视神经是一对一连接的，能在光亮条件下精细地接受外界的刺激，能分辨物体的颜色和细节。锥体细胞的活动只有当亮度达到一定水平时才能被激发起来，称为明视觉。1912年，冯凯斯(J.VonKries)根据上述事实，提出了视觉的二重功能学说，认为视觉有两重功能：视网膜中央的“锥体细胞视觉”和视网膜边缘的“杆体细胞视觉”，也分别叫做明视觉和暗视觉。第9章 辐射度学与光度学基础
38、 视觉的二重功能得到了病理学材料的证实。锥体细胞退化或机能丧失的日盲症患者的视网膜中央部位是全盲的，同时也是全色盲。夜盲症患者是由于杆体细胞内缺少感光化学物质(视紫红质)，在黑暗条件下视觉便发生困难。另外，在一些昼视动物的视网膜中，只有锥体细胞，而无杆体细胞，昼视动物一般都能分辨颜色。大多数鸟类都是昼视的。在夜视动物的视网膜中则是有杆体细胞而无锥体细胞。夜视动物一般都是色盲的。一些爬虫动物是夜视的。第9章 辐射度学与光度学基础 9.3.4 视觉的适应视觉的适应人眼在一个非常大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。1明视觉响应明视觉响应当外界视场亮度大于或等于3c
39、d/m2(坎德拉每平方米)时，人眼的锥体细胞起作用，称为锥体细胞视觉，也称为明视觉。在明视觉条件下观察大面积表面时，多少也有些杆体细胞参加了活动。当亮度达到10cd/m2以上时可以认为完全是锥体细胞起作用。第9章 辐射度学与光度学基础 2暗视觉响应暗视觉响应当外界视场亮度小于或等于0.001cd/m2时，视觉只由杆体细胞起作用，称为杆体细胞视觉，也称为暗视觉。3中间视觉响应中间视觉响应当外界视场亮度从3cd/m2降至0.001cd/m2时，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，这里既有锥体细胞参加又有杆体细胞参加共同起作用。把处在明视觉与暗视觉之间的亮度水平的人眼的响应称为中
40、间视觉响应。第9章 辐射度学与光度学基础 在日常生活中广泛使用的天然光源和人工光源的明亮程度都在很宽的范围内变化，人眼在照度为105lx的直射日光下和在照度为0.0004lx的没有月光的夜晚都能看到物体。既然人眼在如此宽广的照度范围内都能达到适应，说明人眼对照明条件的改变具有很好的适应性。适应主要包括明暗适应和色彩适应两种。适应由两个方面来调节。(1)瞳孔大小的调节。人眼可通过改变相当于照相机光圈的瞳孔大小来调节光通量。眼瞳大小是随着视场亮度而自动调节的。瞳孔直径的变化范围为27mm，可见由瞳孔实现的光通量调节能力达到12倍。第9章 辐射度学与光度学基础(2)视感细胞感光机制的适应。在杆体细胞
41、内有一种紫红色的感光化学物质，叫做视紫红质。这种感光化学物质类似于照相底板上的感光乳胶剂，较强的光量使视紫红质被破坏呈褐色。当眼睛进入黑暗中，视紫红质又重新合成而恢复其紫红色。视紫红质的恢复可大大降低视觉阈限。视觉的适应过程是与视紫红质的合成程度相应的。我们从光亮地方进入黑暗环境，经过一段时间便能看清物体，这就是暗适应现象。在黑暗中，视网膜杆体细胞视紫红质的合成需要维生素A参与，所以缺乏维生素A的人时常伴随夜盲症的视觉障碍。患夜盲症者在黄昏和夜晚视觉能力显著降低。从明处进入暗处时，视觉由明视觉经中间视觉向暗视觉转移，这种变化要 第9章 辐射度学与光度学基础 达到完全适应约需40分钟时间，可见人
42、眼要达到暗适应状态是比较费时的。图9-11是暗适应曲线，在黑暗中停留的初期，暗适应进行得较快，即阈限快速下降，视觉感受性快速提高；而在后期暗适应进行得较慢，在黑暗中的最初15分钟是暗适应的关键时期，在黑暗中停留30分钟，视觉感受性提高约十万倍。视觉达到完全暗适应大约需要40分钟。相反，从暗处到明处时，视觉由暗视觉经中间视觉转为明视觉，这种视觉状态转换约需1分钟，然后人眼就会习惯明亮的条件。对视场亮度由暗到亮的适应称为亮适应。第9章 辐射度学与光度学基础 图9-11 视觉的暗适应过程 第9章 辐射度学与光度学基础 人眼对色彩变化也有一个适应的过程，达到新的平衡所需要的时间会延迟。在亮度适应状态下
43、视觉系统对视场中颜色变化也会产生适应的过程。人眼对某一物体颜色适应后，观察另一物体颜色时，不能立即获得客观的颜色印象，而带有原物体颜色的补色成分，需经过一段时间后才会获得客观的颜色感觉，这个过程称为色适应过程。例如当人眼注视一块大面积的绿纸一段时间后，再去看一张白纸时，会发现白纸显出红色，经过一段时间后，红色逐渐变淡，白纸逐渐成为白色。一般来讲，对某一色光预先适应后再观察其它颜色，则其它颜色的明度和饱和度都会降低。第9章 辐射度学与光度学基础 值得注意的是，红光只对中央视觉的锥体细胞起作用，而对边缘视觉的杆体细胞不起作用。这是由于红光不破坏杆体细胞的视紫红质，所以红光不影响杆体细胞的暗适应过程
44、。在黑暗环境(如暗室洗相或X光室)工作的人们，在进入光亮环境时戴上红色眼镜，再回到黑暗环境时，他的视觉感受性仍能保持原先水平，不需要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。第9章 辐射度学与光度学基础 9.3.5 视角视角物体的大小对眼睛形成的张角称为视角。视角的大小决定视网膜映像的大小。某一确定物体对眼睛形成的视角越大，视网膜的映像也相应越大。视角不仅决定于物体本身的大小，也决定于物体与眼睛的距离。在视觉研究中，常用视角表示物体与眼睛的关系。图9-12中D表示物体的大小，它可以是一条线的长度、一个圆形的直径、两点之间的距离
45、等，L表示由眼睛角膜到该物体的距离，表示视角，用下面公式计算视角:2arctan2DL(9-37)第9章 辐射度学与光度学基础 图9-12 视角的图 第9章 辐射度学与光度学基础 当较小时()，可将角的顶点作为圆心，D作为圆周的弧，L作为圆周的半径，用下面简便公式计算式中为弧度。或 式中为角度(1弧度=57.3)。式(9-38)、式(9-39)视角公式表明了物体的大小和距离与眼睛的关系。显然，视角的大小与物体的距离成反比，物体远离观察者时视角变小，物体靠近观察者时视角则增大。tanDL(9-38)57.3DL(9-39)第9章 辐射度学与光度学基础 9.4 光谱光效率光谱光效率 9.4.1 等
46、亮曲线和等能曲线等亮曲线和等能曲线人眼对不同波长的可见光的感受性是不同的。同样功率的光辐射在不同的光谱部位表现为不同的明亮程度。由于人眼可以判断出在同一视场中两束光线的明亮程度是否相同，却不能判断一光束的明亮程度是另一束的几倍或几分之几，所以要定量研究人眼对光的感受性随波长变化的规律，就须通过实验确定人眼观察不同波长的光达到同样亮度时所需的辐射能量。又由于人的视觉具有二重功能，所以按明视觉条件和暗视觉条件分别设计实验。第9章 辐射度学与光度学基础 在光亮条件下，要求许多观察者依次调节可见光范围各个波长(实际上是各个波长附近一定宽度的波长间隔)的光的强度，使它们看起来同一个固定亮度的白灯光具有相
47、同的明亮程度。在这个“等亮”条件下，分别测出各个波长的光的辐射功率，把实验结果按相对辐射能量(用对数表示)和波长的关系画出来便是所谓锥体视觉的等亮曲线,如图9-13所示。在黑暗条件下，则是许多观察者依次调节各波长的光的能量，直到达到视觉阈限水平，即达到刚看到光亮的程度，测出相应的辐射能量，按前述方法作图，就得到所谓杆体细胞的等亮曲线。第9章 辐射度学与光度学基础 图9-13 引起锥状细胞与杆状细胞反应的相对能量 第9章 辐射度学与光度学基础 图9-14 所示的两条曲线是1932年吉布逊(K.S.Gibon)和廷德尔(E.P.T.Tyndall)总结了200多个观测者的实验数据所得到的平均结果。
48、可以看出，锥体视觉与杆体视觉的最大感受性处在光谱的不同部位。锥体细胞对光谱黄绿部位(555nm附近)最敏感，而杆体细胞对光谱蓝绿部位(510nm附近)最敏感。应该指出，每个人的明视觉锥体细胞感受性和暗视觉杆体细胞感受性是有差异的，这主要是因为人眼的光谱感受性中央黄斑区黄色素的影响(黄色素是吸收短波辐射的)，而每人视网膜黄色素密度不完全相同。此外，人眼的光谱感受性还受到年龄的影响，晶体随年龄的增大而变黄，也造成明视觉与暗视觉感受性的个别差异。第9章 辐射度学与光度学基础 图9-14 CIE1924明视觉曲线与CIE1951暗视觉曲线 第9章 辐射度学与光度学基础 让我们再做这样一个设想，调节可见
49、光谱各个波长区间的辐射能量(区间尽可能划分得小一些)，使得它们彼此都相等，这样的光谱叫等能光谱。显然，人眼看到的等能光谱不同部位的明亮程度是不一样的。人眼感受性较高的波段，也就是等亮曲线上与较小纵坐标对应的波段，看起来较亮；而人眼感受性低的波段，也就是等亮曲线上与较大纵坐标对应的波段，看起来较暗。因此，要定量描述人眼看到的等能光谱的不同部位的相对明亮程度，只要把等亮曲线翻转过来就可以了，这就是所谓等能曲线。第9章 辐射度学与光度学基础 1924国际照明委员会(CommissionInternationalede1Eclairage，简称CIE)采用了吉布逊和廷德尔推荐的材料规定了明视觉的等能光
50、谱相对明亮度曲线，简称明视觉曲线V()。吉布逊和廷德尔的材料是根据他们自己的研究，同时参考了七项其他作者的实验结果得出的。这一曲线代表了300多名观测者中央凹视觉(23)的平均光谱感受性。1951年CIE又根据1945年沃尔德(G.Wald)和1949年格劳福德(B.H.Crawford)的实验结果规定了暗视觉的等能光谱相对明亮度曲线,简称暗视觉曲线V()。这一曲线代表在完全暗适应条件下、年龄低于30岁的观测者，刺激物离开中央凹大于5的杆体细胞的平均光谱感受性。顺便指出，图9-14并不是图9-13的简单翻转。这是CIE为了使用方便，将两条曲线的最大值都归一为整数，即令两种情况下视觉感受性最大的
