第1章 辐射度量光辐射度量基础.docx

第1章 辐射度量光辐射度量基础.docx

《第1章 辐射度量光辐射度量基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 辐射度量光辐射度量基础.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第1章辐射度量光辐射度量基础

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。

１１　辐射度量

１１１　立体角　　

立体角Ω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１１所示），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ｄＳ和球半径ｒ平方之比图１１　立体角的概念ｄΩ＝ｄＳｒ２＝ｒ２ｓｉｎθｄθｄφｒ２＝ｓｉｎθｄθｄφ（１１）式中，θ为天顶角；φ为方位角；ｄθｄφ分别为其增量。

立体角的单位是球面度（ｓｒ）。

在平面图形上，常用角度来描述两条或一束射线的发散和会聚的程度，而辐射能是以电磁波的形式向其所在的空间传输，因此需要用立体角来描述辐射能在传输中发散和会聚的空间角度。

对于半径为ｒ的球，其表面积等于４πｒ２，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４π球面度，而半球空间所张的立体角为２π球面度。

在θ，φ角度范围内的立体角Ω＝∫θ∫φｓｉｎθｄθｄφ（１２）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的外边缘作一系列射线，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凸凹如何，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。

１１２　辐射度量的名称、定义、符号及单位（ＧＢ３１０２６—１９８２）

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（包括我国）所采纳。

表１１列出了基本的辐射度量的名称、符号、定义方程及单位名称、符号。

表１１　基本辐射度量的名称、符号和定义方程量的名称符号定义方程单位名称单位符号辐（射）能Ｑ，Ｗ焦（耳）Ｊ辐（射）能密度ｗｗ＝ｄＱ／ｄｖ焦（耳）每立方米Ｊ／ｍ３辐射通量，辐（射）功率Φ，ΡΦ＝ｄＱ／ｄｔ瓦（特）Ｗ辐射强度ＩＩ＝ｄΦ／ｄΩ瓦（特）每球面度Ｗ／ｓｒ辐（射）亮度，辐射度ＬＬ＝ｄ２Φ／ｄΩｄＡｃｏｓθ＝ｄＩ／ｄＡｃｏｓθ瓦（特）每球面度平方米Ｗ／（ｓｒ·ｍ２）辐射出射度ΜＭ＝ｄΦ／ｄＡ瓦（特）每平方米Ｗ／ｍ２辐（射）照度ＥＥ＝ｄΦ／ｄＡ瓦（特）每平方米Ｗ／ｍ２辐射发射率εε＝Ｍ／Ｍ０——吸收比αα＝Φａ／Φｉ——反射比ρρ＝Φｒ／Φｉ——透射比ττ＝Φｓ／Φｉ——注：

Ｍ０是黑体的辐射出射度；Φｉ是入射辐射通量；Φａ、Φｒ和Φｓ分别是吸收、反射和透射的辐射通量

１辐射能（Ｑ）辐射能简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳（Ｊ）。

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。

为进一步描述辐射能随时间、空间、方向等的分布特性，分别用以下辐射度量来表示。

２辐能密度（ｗ）辐能密度定义为单位体积元内的辐射能，即ｗ＝ｄＱｄｖ

３辐射通量（Φ，Ｐ）辐射通量定义为以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。

实际应用中，对于连续辐射体或接收体，以单位时间内的辐射能，即辐射通量表示。

因此，辐射通量是一个十分重要的辐射度量。

例如，许多光源的发射特性；许多辐射接收器的响应值不取决于辐射能的时间积累值，而取决于辐射通量的大小。

Φ＝ｄＱｄｔ

４辐射强度（Ｉ）辐射强度定义为在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即Ｉ＝ｄΦｄΩ辐射强度描述了光源辐射的方向特性，且对点光源的辐射强度描述具有更重要的意义。

所谓点光源是相对扩展源而言，即光源发光部分的尺寸比起其实际辐射传输距离小得多时，把其近似认为是一个点光源，在辐射传输计算，测量上不会引起明显的误差。

点光源向空间辐射球面波。

如果在传输介质内没有损失（反射、散射、吸收），那么在给定方向上某一立体角内，不论辐射能传输距离有多远，其辐射通量是不变的。

大多数光源向空间各个方向发出的辐射通量往往是不均匀的，因此辐射强度提供了描述光源在空间某个方向上发射辐射通量大小和分布的可能。

图１２是一种钨丝白炽灯的辐射强度分布特性。

５辐亮度（Ｌ）辐亮度定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，Ｌ＝ｄ２ΦｄΩｄＡｃｏｓθ＝ｄＩｄＡｃｏｓθ

辐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（灯丝、灯丝之间的空隙）的发射特性常常是没有实用意义的，而把它作为一个整体，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，希望知道其各部分的辐射特性，则用辐亮度可描述天空各部分辐亮度分布的特性。

６辐射出射度（Ｍ）

辐射出射度定义为离开光源表面单位面元的辐射通量，即Ｍ＝ｄΦｄＡ

面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。

例如，太阳表面的辐射出射度指太阳表面

单位表面积向外部空间发射的辐射通量。

７辐照度（Ｅ）

辐照度定义为单位面元被照射的辐射通量，即Ｅ＝ｄΦｄＡ

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。

如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，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部分（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通量。

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“λ”作为下标，例如光谱辐射通量记为Φ或λΦ（λ）等。

１２光度量

光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。

表１２列出了基本光度量的名称、符号、定义方程及单位名称、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”，例如辐射度量Ｑｅ，Φｅ，Ｉｅ，Ｌｅ，Ｍｅ，Ｅｅ等，对应的光度量为Ｑｖ，Φｖ，Ｉｖ，Ｌｖ，Ｍｖ，Ｅｖ等。

表１２　基本光度量的名称、符号和定义方程量的名称符　　号定义方程单位名称单位符号光量Ｑ流明秒流明小时ｌｍ·ｓｌｍ·ｈ光通量ΦΦ＝ｄＱ／ｄｔ流明ｌｍ发光强度ＩＩ＝ｄΦ／ｄΩ坎德拉ｃｄ光）亮度ＬＬ＝ｄ２Φ／ｄΩｄＡｃｏｓθ＝ｄＩ／ｄＡｃｏｓθ坎德拉／平方米ｃｄ／２光出射度ＭＭ＝ｄΦ／ｄＡ流明／平方米ｌｍ／ｍ２光）照度ＥＥ＝ｄΦ／ｄＡ勒克斯（流明／平方米）ｌｘ（ｌｍ／ｍ２）光视效能ＫＫ＝Φｖ／Φｅ流明／瓦ｌｍ／Ｗ光视效率ＶＶ＝Ｋ／Ｋｍ——光通量Φｖ和辐射通量Φ

ｅ可通过人眼视觉特性进行转换，即Φｖ（λ）＝ＫｍＶ（λ）Φｅ（λ）（１３）Φｖ＝Ｋｍ∫∞０Ｖ（λ）Φｅ（λ）ｄλ（１４）式中，Ｖ（λ）是ＣＩＥ推荐的平均人眼光谱光视效率（或称视见函数），图１３给出人眼对应明视觉和暗视觉的视见函数。

对于明视觉，其对应为５５５ｎｍ波长的辐射通量Φ（ｅ５５５）与某波长λ能对平均人眼产生相同光视刺激的辐射通量Φ（ｅλ）的比值。

１９７１年ＣＩＥ公

布的明视觉Ｖ（λ）标准值已经国际计量委员会批准，其部分值见附表２２。

Ｋ是最大光谱光视效能（常ｍ数），对于波长为５５５ｎｍ的明视觉，Ｋｍ＝６８３ｌｍ／Ｗ。

对于波长为５０７ｎｍ的暗视觉，Ｋ′ｍ＝１７２５ｌｍ／Ｗ。

图１３　人眼的视见函数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。

Ｋ（ｍ∫∞Ｖ（λ）Φｅλ）ｄλＫ＝Φｖ０Φ＝＝ＫｍＶ（１５）ｅ∫∞Φ（ｅλ）ｄλ０其中，Ｖ＝Ｋ／Ｋ为光视效率，量纲为

ｍ１。

在照明工程中，通常希望光源有高的光视效能，当然还要考虑到光的颜色。

表１３给出常见光源的光视效能。

表１３　常见光源的光视效能

光源类型光视效能／（ｌｍ·Ｗ－１）光源类型光视效能／（ｌｍ·Ｗ－１）钨丝灯（真空）８０～９２日光灯２７～４１钨丝灯（充气）９２～２１０高压水银灯３４～４５石英卤钨灯３０超高压水银灯４００～４７５气体放电管１６～３０钠光灯６０光度量中最基本的单位是发光强度———坎德拉（Ｃａｎｄｅｌａ），记作ｃｄ，它是国际单位制中７个基本单位之一。

其定义为发出频率为５４０×１０１２Ｈｚ（对应在空气中５５５ｎｍ的波长）的单色辐射，在给定方向上辐强度为（１／６８３）Ｗ／ｓｒ时，光源在该方向上的发光强度规定为１ｃｄ。

光通量的单位是流明（ｌｍ）。

１ｌｍ是光强度为１ｃｄ的均匀点光源在１ｓｒ内发出的光通量。

１３　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。

１３１　人眼的构造

人的眼睛近似于球状（如图１４），其前后直径大约２３ｍｍ。

眼球壁的正前方是一层弹性透明组织，称为角膜，其横径约１１ｍｍ，厚度约１ｍｍ，略向眼外凸出。

角膜含有大量视觉神经纤维。

光线通过角膜进入人眼，角膜具有屈光功能，可使进入人眼的光线发生屈折。

角膜面积约为眼球壁外层面积的１／６。

眼球壁外层其余部分是一厚约０５～１０ｍｍ的白色不透明膜，称为巩膜，其作用是保护眼球。

眼球壁中层由脉络膜、虹膜和睫状体组成。

脉络膜呈黑色，与巩膜相连，吸收外来杂散光，消除眼球内光线的乱反射。

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。

瞳孔在虹膜组织内肌肉的作用下可以扩大和缩小，直径可在２～８ｍｍ之间调节，以改变进入人眼光能量的大小。

睫状体位于虹膜之后，睫状肌对晶体的形状进行调节，以改变晶体的屈光程度。

眼球内部包含房水、晶体与玻璃体。

房水位于前房和后房中，角膜与晶体之间是前房，虹膜与晶体之间是后房。

房水是一种透明水状介质，折射率约为１３３６。

晶体为一扁球形的弹性透明体，中心厚度为３６～４４ｍｍ，直径约９ｍｍ，晶体中心的折射率约为１４５，边缘折射率为１４１。

玻璃体在晶体后面，占据了眼球内部空间的４／５，是一种胶状的透明体，折射率等于１３３８。

眼球壁的内层包括视网膜与视神经乳头。

视网膜位于脉络膜里层，与玻璃体相连，是一种透明薄膜，其中具有视感细胞———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２～３ｍｍ。

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。

视神经乳头区位于距黄斑４ｍｍ处鼻侧，由于没有视神经细胞，故无感光能力，称为盲点。

视网膜可大致分为三层（图１５）。

最外层分布着锥体细胞ｂ和杆体细胞ａ。

锥体细胞呈锥状，直径约２～６μｍ，长约４０μｍ；杆体细胞呈杆状，直径约２～４μｍ，长约６０μｍ。

Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ是锥体细胞系统；Ａ、Ｂ、Ｃ是杆体细胞系统；Ｈ是锥体与杆体细胞混合系统。

锥体细胞与中间层是双极细胞（ｄ、ｅ、ｆ、ｈ）和其他细胞。

锥体细胞与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，而几个杆体细胞才连接一个双极细胞。

最里层是神经节细胞（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。

来自物体的光线通过角膜、瞳孔、晶体等，聚焦在视网膜上；锥体细胞和杆体细胞接受光刺激，转变为神经冲动，经双极细胞和神经节细胞，由视神经传导到大脑视觉中枢，完成人类的视觉功能。

人眼视网膜上锥体细胞和杆体细胞的分布如图１６所示。

在视网膜中央凹约３°视角范围内几乎只有锥体细胞。

黄斑以外锥体细胞变少，杆体细胞增多。

在离开中央凹２０°的地方，细胞最多。

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１４００００～１６００００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。

为了描述人眼的光学性质，常采用表１４的简化眼模型。

颜色是人眼明视觉的主观感觉。

颜色可分为彩色和非彩色两类。

非彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色组成的系列，称为白黑系列。

彩色是指白黑系列以外的各种颜色。

１３２　人眼的黑白视觉特性当物体表面对可见光谱所有波长反射比都在８０％～９０％以上时，物体为白色；其反射比均在４％以下时，物体为黑色；处于两者之间的是不同程度的灰色。

纯白色的反射比应为１００％，纯黑色的反射比应为０。

在现实生活中没有纯白、纯黑的物体。

对发光物体来说，白黑的变化相当于白光的亮度变化，亮度高时人眼感到是白色，亮度很低时感到是灰色，无光时是黑色。

非彩色只有明亮度的差异。

１成像功能

人眼类似于一个自动调焦的成像系统。

人眼观察物体时，物体表面的每一点均可视为一个二次光源，人眼观察到的物体是上下颠倒的。

但实际中，人们对客观事物的感觉并非如此。

主要原因：

首先来自外界物体的光线刺激感光细胞，以神经冲动的形式传导到大脑，在这一传导过程中，光刺激作用不再具有原来固定的空间关系；其次人类对事物的感觉并不由视网膜上的影像单独决定，而是以客观刺激物为依据。

人在认识客观事物时，统一调动各种感觉器官———触摸觉、听觉、运动觉、视觉等———协同活动，相互验证，最终能够正确地反映客观现实。

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。

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：

（１）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。

（２）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。

（３）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。

明视觉和暗视觉的视见函数如图１３，但对于中间视觉的视见函数目前尚未很好地确定。

有研究表明：

采用明视觉和暗视见函数的线性组合，并不能模拟中间视觉的视见函数，因此，对中间视觉的认识还有待进一步深入的研究。

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调节瞳孔的大小，改变进入人眼的光通量。

眼瞳大小是随视场亮度而自动调节的，在各种视场亮度水平下，瞳孔直径及其面积的平均值如表１５所示。

②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。

当杆体细胞感受外界光能刺激，较强的光量使视紫红质被破坏呈褐色；外界变暗后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，所以视觉适应程度是与视紫红质的合成程度相应的。

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２～３ｍｉｎ；对视场亮度由亮突然到暗的适应称为暗适应，通常需要４５ｍｉｎ，充分暗适应则需要一个多小时。

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延迟见后续章节。

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光室）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。

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０５１μｍ）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８５×１０－９ｌｘ。

在实验室内用“人工星点”测定的视觉阈值约为２４４×１０－９ｌｘ。

对于具有一定大小的光源来说，张角小于１０′，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，甚至只有２２×１０－９ｌｘ。

在一定的背景亮度Ｌｂ条件下（１０－９～１ｃｄ／ｍ２），人眼能够观察到的最小照度Ｅｍｉｎ约为Ｅｍｉｎ＝３５×１０－５Ｌ槡ｂ（１６）当Ｌｂ＞１６４ｃｄ／ｍ２后将产生炫目现象，绝对视觉阈值迅速提高。

实验表明，炫目亮度Ｌ０与像场亮度Ｌ（ｃｄ／ｍ２）之间的数值关系为Ｌ０＝８３槡Ｌ（１７）由此可说明为何１００Ｗ的灯在白天眼光下不感炫目，但在暗室将产生炫目效应。

４人眼的阈值对比度

通常，人眼的视觉探测是在一定背景中把目标鉴别出来。

此时，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Ｃ＝ＬＴ－ＬＢＬＢ（１８）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α之间具有下述关系（Ｗａｌｄ定律）ＬＢ·Ｃ２·αｘ＝ｃｏｎｓｔ（１９）式中，ｘ值在０～２之间变化。

对于小目标α＜７′，则ｘ＝２，式（１９）变为ＬＢ·Ｃ２·α２＝ｃｏｎｓｔ（１１０）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用实验确定了在人眼各种视场亮度下对不同尺寸目标的阈值对比度（如图１７）。

实验采用双眼探测一个亮度大于背景亮度的圆盘，时间不限，察觉概率取５０％。

图中曲线说明：

当观察亮度不同的两个面时，如果亮度很低就察觉不出差别。

但如果将两个面的亮度按比例提高，并维持其Ｃ值不变，则到一定的亮度时，就有可能察觉出其差别，即不同亮度下的阈值对比度是不同的。

此外，图中曲线均在２×１０－３ｃｄ／ｍ２附近有间断点，这正表明了人眼由明视觉过渡到暗视觉的转折。

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θ，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梢，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。

图１８表示人眼（右眼）的分辨力与视角的关系，图中纵坐标表示分辨力，以中央凹处的分辨力为单位，横坐标表示被观察线与视轴的夹角，阴影部分对应于盲点的位置。

图１８　人眼分辨力与视角的关系若将眼睛当作一个理想的光学系统，可依照物理光学中的圆孔衍射理论计算极限分辨角。

如取人眼在白天的瞳孔直径为２ｍｍ，则其极限分辨角约为０７′。

若两个相邻发光点同时引起同一视神经细胞的刺激（即一个锥体细胞的刺激），这时会感到是一个发光点，而０７′对应的极限分辨角在网膜上相当于５～６μｍ，在黄斑上的锥体细胞尺寸约为４５μｍ，因此，视网膜结构可满足人眼光学系统分辨力的要求。

实际上，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。

当瞳孔增大到３ｍｍ时，该值还可稍微减少些，若瞳孔直径再增大时，由于眼睛光学系统像差随之增大，极限分辨角反而会增大。

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。

眼睛会随外界条件的不同，自动进行适应，因而可得到不同的极限分辨角。

表１６给出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）。

可以看出：

当背景亮度降低或对比度减小时，人眼的分辨力显著地降低。

表１７给出在白光照射且观察时间不受限制的情况下，人眼分别适应各个照度以后，观察用同样的环所测得的分辨角。

可以看出：

照度变化对分辨力有很大的影响，在无月的晴朗夜晚（照度约１０－３ｌｘ），人眼的分辨角为１７′，故夜间的分辨能力比白天约小２５倍。

表１８列出了人眼对几种不同形状的高对比度目标观察的分辨力。

可以看到：

长线条状目标要比圆形目标更容易发现；暗线宽度虽然只占锥细胞直径的几分之一，但人眼还是能发现，这是由于其使一系列锥细胞得到刺激，这种综合刺激增加了人眼发现目标细节的能力。

在实际工作中，人眼的分辨角θ可按以下经验公式估算。

θ＝１０６１８－０１３／ｄ（１１１）式中，ｄ为瞳孔直径（ｍｍ）。

６人眼对间断光的响应

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；进一步增高频率，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。

为了简单起见，用全对比的矩形波动光考察临界闪烁频率与波动光亮度的关系，实验结果如图１９所示。

从图中可见：

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１２×１０－２ｌｘ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。

在观看电影时，当屏幕的亮度小于２０ｃｄ／ｍ２时，在每秒１８帧的频率下，人眼不能察觉闪烁；而当屏幕亮度增加到２００ｃｄ／ｍ２时，人眼便能感觉闪烁现象。

人眼最大临界闪烁频率≤５０Ｈｚ。

常见的光电探测器的响应时间远远小于人眼。

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Ｌ＝１Ｔ∫Ｔ０Ｌ（ｔ）ｄｔ（１１２）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１１０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６００～９００ｃｙｃ／ｍｉｎ之间时，人眼可分辨的亮度差最小，达到１５％。

７视觉系统的调制传递函数（ＭＴＦ）

人眼的分辨力表征了眼睛分辨两点或两线的能力，但仍有较大的局限性。

为了更全面地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，其优点可列述如下：

●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。

按信息传递的顺序，特别是按其功能，视觉过程大致可分为以下几个阶段：

●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