1、1第二章 人眼視覺原理23光是一種電磁光是一種電磁波！在真空的波！在真空的速度是每秒速度是每秒30萬公里萬公里4微粒說，統(tǒng)治17、18世紀，可以解釋光的直線傳播和反射、折射，但是得出光在水中的速度比空氣中大的錯誤結論。波動說，認為光是縱波，無法解釋“靜止以太”的矛盾性質（密度極小，彈性模量極大）。惠更斯（16291695）：牛頓（16431727）：5托馬斯.楊和菲涅爾于19世紀初解決光是橫波的問題菲涅爾菲涅爾托馬斯托馬斯. 楊楊傅科1862年證實光在水中的速度小于空氣中的速度傅科傅科1773.6-1829，英國醫(yī)生兼物英國醫(yī)生兼物理 學 家 ， 以理 學 家 ， 以“雙縫干涉雙縫干涉”實驗聞

2、名實驗聞名1788.5-1827，法國土木工程法國土木工程師兼物理學家，師兼物理學家，以以“泊松亮斑泊松亮斑”聞名聞名1819.9-1868.2，法國物理學家，法國物理學家，實 驗 天 才 ， 以實 驗 天 才 ， 以“傅科擺傅科擺”聞名聞名于世于世6 19世紀60年代，麥克斯韋的電磁理論確信光是一種電磁現象。麥克斯韋麥克斯韋1831-1879，英，英國物理學家、國物理學家、數學家，預言數學家，預言電磁波的存在。電磁波的存在。以麥克斯韋電以麥克斯韋電磁方程聞名。磁方程聞名。 物理學發(fā)展到19世紀末期，可以說是達到相當完美、相當成熟的程度。一切物理現象似乎都能夠從相應的理論中得到滿意的回答。 例

3、如，一切力學現象原則上都能夠從經典力學得到解釋，牛頓力學以及分析力學已成為解決力學問題力學問題的有效的工具。對于電磁電磁現象現象的分析，已形成麥克斯韋電磁場理論，這是電磁場統(tǒng)一理論，這種理論還可用來闡述波動光學的基本問題。至于熱現象熱現象，也已經有了唯象熱力學和統(tǒng)計力學的理論，它們對于物質熱運動的宏觀規(guī)律和分子熱運動的微觀統(tǒng)計規(guī)律，幾乎都能夠作出合理的說明。 總之，以經典力學、經典電磁場理論和經典統(tǒng)計力學為三大支柱的經典物理大廈已經建成，而且基礎牢固，宏偉壯觀！在這種形勢下，物理學家大多感到陶醉，感到物理學已大功告成，因而斷言往后難有作為了。這種思想當時在物理界不但普遍存在，而且由來已久。7

4、19世紀的最后一天，歐洲著名的科學家歡聚一堂。會上，開爾文勛爵發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落物理大廈已經落成，所剩只是一些修飾工作成，所剩只是一些修飾工作。同時，他在展望20世紀物理學前景時，卻若有所思地講道：“動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，現在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了第一朵烏云出現在光的波動理論上第二朵烏云出現在關于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。（The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes

5、of motion, is at present obscured by two clouds. ） W湯姆孫在1900年4月曾發(fā)表過題為19世紀熱和光的動力學理論上空的烏云的文章。他所說的第一朵烏云，主要是指邁克爾孫實驗結果和以邁克爾孫實驗結果和以太漂移說相矛盾太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏云，主要是指熱學中的能量均分定則熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果，其中尤在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果，其中尤以黑體輻射理論出現的以黑體輻射理論出現的“紫外災難紫外災難”最為突出最為突出。 英國著名物理學家W湯姆孫（即開爾文勛爵）是1

6、9世紀英國杰出的理論物理和實驗物理學家，是一位頗有影響的物理學權威，他的說法道出了物理學發(fā)展到19世紀末期的基本狀況，反映了當時物理學界的主要思潮：8u 第一朵烏云第一朵烏云邁克耳孫邁克耳孫莫雷實驗與莫雷實驗與“以太以太”說破滅說破滅 水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質都不能傳播。太陽光穿過真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質是什么？物理學家給光找了個傳播介質“以太以太”。 最早提出“以太”的是古希臘哲學家亞里士多德。亞里士多德認為下界為火、水、土、氣四元素組成；上界加第五元素“以太”。牛頓

7、在發(fā)現了萬有引力之后，碰上了難題：在宇宙真空中，引力由什么介質傳播呢？為了求得完整的解決，牛頓復活了亞里士多德的“以太”說，認為“以太”是宇宙真空中引力的傳播介質。后來，物理學家又發(fā)展了“以太”說，認為“以太”也是光波的傳播介質。光和引力一樣，是由“以太”傳播的。他們還假定整個宇宙空間都充滿了“以太”，“以太以太”是一種由非常小的彈性球組成的是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介稀薄的、感覺不到的媒介。19世紀時，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質說成是一種沒有重量，可以絕對滲透的“以太”。“以太”既具有電磁的性質，又是電磁作用的傳遞者，又具有機械力學的性質，它是絕對靜止的參

8、考系，一切運動都相對于它進行。這樣，電磁理論與牛頓力學取得協(xié)調一致。“以太”是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門“以太學”。 但是，肯定了“以太”的存在，新的問題又產生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的“以太風”迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生，引起人們去探討“以太風”存在與否。 為了觀測“以太風”是否存在，1887年，美國物理學家邁克爾孫與美國化學家、物理學家莫雷合作，在克利夫蘭進行了一個著名的實驗-邁克耳遜-莫雷實驗，即“以太漂移以太漂移”實驗實驗。實驗結果證明，不論地球運動的方向同光的射向一致或相反，測出的光速

9、都相同，在地球同設想的“以太”之間沒有相對運動。因而，根本找不到“以太”或“絕對靜止的空間”。由于這個實驗在理論上簡單易懂，方法上精確可靠，所以，實驗結果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。 邁克耳孫莫雷實驗使科學家處于左右為難的境地。他們或者須放棄曾經說明電磁及光的許多現象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那么，他們必須放棄比“以太學”更古老的哥白尼的地動說。經典物理學在這個著名實驗面前，真是一籌莫展。9u 第二朵烏云第二朵烏云黑體輻射與黑體輻射與“紫外災難紫外災難” 在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80左右。

10、所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100的理想物體。真正的黑體并不存在，但是，一個表面開有一個小孔的空腔，可以看作是一個近似的黑體。因為通過小孔進入空腔的輻射，在腔里經過多次反射和吸收以后，不會再從小孔透出。 19世紀末，盧梅爾（ 18601925）等人通過著名實驗黑體輻射實驗，發(fā)現黑體發(fā)現黑體輻射的能量不是連續(xù)的輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關。從經典物理學的角度看來，這個實驗的結果是不可思議的。 怎樣解釋黑體輻射實驗的結果呢？當時，人們都從經典物理學出發(fā)尋找實驗的規(guī)律。前提和出發(fā)點不正確，最后都導致了失敗的結果。例如，德國物理學家維恩

11、（18641928）建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個公式只在波長比較短、溫度比較低的時候才和實驗事實符合。英國物理學家瑞利和物理學家、天文學家金斯認為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利-金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數據相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災難”。它的失敗無可懷疑地表明經典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經典物理學的“災難”。10 物理學發(fā)展的歷史表明，正是這兩朵小小的烏云，終于釀成了一場大風暴

12、。第一朵烏云，導致相對論的產生；第二朵烏云，導致了量子論的出現。這“兩朵烏云”恰恰是世紀之交物理學革命的導火線，發(fā)展起了全新的物理學理論。邁克爾遜 莫雷 瑞利 愛因斯坦普朗克 1852-1931，美，美國物理學家國物理學家1839-1923，美，美國化學家國化學家1842-1919，英，英國物理學家國物理學家1879-1955，美，美國物理學家國物理學家1858-1947，德，德國物理學家國物理學家11紅外、可見光、紅外、可見光、紫外線紫外線X射線射線宇宙射線宇宙射線內層電子內層電子外層電子外層電子原子核原子核12光的強弱的度量：光度學光的強弱的度量：光度學說明功率和波長都是影響亮度感覺的因素

13、。說明功率和波長都是影響亮度感覺的因素。1314光照度光照度（）單位面積（每平方米）接收面接收面的照明的照明程度程度光通量光通量（流明（流明lm）反映一束光反映一束光引起光亮感引起光亮感覺的能力，覺的能力，可以描述光可以描述光源、接收面源、接收面指定方向（球面度）發(fā)光強度發(fā)光強度(坎德拉坎德拉cd)單位面積（每平方米）亮度亮度(cd/m2)1550lx1000lx1000020000lx0.lx教室陰天陽光直射夜間滿月1615億億500萬萬50002500陽光白熾燈滿月蠟燭17人的眼睛是一人的眼睛是一個平均直徑約個平均直徑約為為20mm的球的球體體18 白色、堅固的鞏膜，保護眼球 脈絡膜，黑色

14、不透光，營養(yǎng)眼球 視網膜，含有許多對光線敏感的細胞，能感受光的刺激 后房，玻璃體，透明膠狀物質 晶狀體，透明，有彈性，像雙凸透鏡，能折射光線 角膜，無色透明 虹膜，有色素，可以調節(jié)瞳孔大小 前房，充滿透明淡鹽溶液19光學過程化學過程神經處理過程 客觀景物（發(fā)光體或者散射體）發(fā)出的光束，攜帶光能量進入左右眼睛并同時作用在視網膜上引起視感覺。光刺激在視網膜上經神經處理產生的神經沖動（電流脈沖）沿視神經纖維傳到大腦皮層，產生視知覺。20人眼21( )P( )P( )P( )K( )P( )K22相對視敏度曲線（光譜響應曲線）相對視敏度曲線（光譜響應曲線）明亮環(huán)境下，明亮環(huán)境下，對黃綠光視敏對黃綠光視

15、敏度的歸一化曲度的歸一化曲線線2324 源 于 視 網源 于 視 網膜 內 錐 狀 細膜 內 錐 狀 細胞 和 柱 狀 細胞 和 柱 狀 細胞 的 不 同 工胞 的 不 同 工作特點作特點25明視覺與暗視覺的視敏度曲線明視覺與暗視覺的視敏度曲線 白白天天不不懂懂夜夜的的黑黑晚晚上上看看花花花花不不同同26min/BB常數minB 說明人眼的亮度說明人眼的亮度感覺不僅與物體自感覺不僅與物體自身亮度有關，還與身亮度有關，還與周圍環(huán)境亮度有關。周圍環(huán)境亮度有關。 一般地，背景一般地，背景越亮，越不易分辨。越亮，越不易分辨。27不同亮度下的路燈感覺不一樣不同亮度下的路燈感覺不一樣28晴朗的白天（晴朗的

16、白天（10000cd/mm2），），人眼可分辨的亮度范圍為人眼可分辨的亮度范圍為20020000 cd/mm2 ，200 cd/mm2以以下就感覺黑；而在夜間（下就感覺黑；而在夜間（30 cd/mm2 ），可分辨的亮度范圍），可分辨的亮度范圍為為1200 cd/mm2 ，100 cd/mm2的亮度就感覺很亮。的亮度就感覺很亮。29實際感受亮度是實際感受亮度是以適應亮度為中以適應亮度為中心的一部分心的一部分（1000:110:1） 指人眼所能感覺到的亮指人眼所能感覺到的亮度范圍，可以從千分之幾度范圍，可以從千分之幾到幾百萬到幾百萬cd/mm2。30這 種 感 覺這 種 感 覺很有用！很有用！31

17、P15：分辨率：分辨率1，0.03mm是分辨極限是分辨極限32光照度光照度相對對比度相對對比度色色 彩彩3334與視覺惰性緊密聯(lián)系的還有臨界閃爍臨界閃爍頻率頻率，它是指剛好不引起閃爍感覺的最低頻率。如果光脈沖頻率不高，會使人眼產生一明一暗的閃爍感覺，長期觀看容易疲勞。35 36我是色盲我是色盲37彩色彩色非彩色非彩色顏色3839亮度：亮度：色調：色調：指指顏色的類顏色的類別，與光別，與光的波長有的波長有關。改變關。改變光的波譜光的波譜成分，光成分，光的色調會的色調會發(fā)生變化。發(fā)生變化。色飽和度：色飽和度： 指色調深淺的程度指色調深淺的程度(純度純度)，對物體，對物體而言，色飽和度與物體的反射光譜選擇性有關。而言，色飽和度與物體的反射光譜選擇性有關。4041指自然界中常見的大部分彩色都可由三種相互獨立的基色按照一定比例混合得到。421931年，國際照明委員會年，國際照明委員會（CIE）規(guī)定水銀光譜中）規(guī)定水銀光譜中 R 700nm； G546.1nm； B 435.8nm為紅、綠、藍為紅、綠、藍基色光。當紅、綠、藍三束基色光。當紅、綠、藍三束光