眼睛的光学特性
人眼视觉系统(Human Visual System,HVS)本身也是一套机理非常复杂的成像系统。
人眼视觉机理
人眼的视觉形成过程比较复杂,包含光学过程、化学过程和神经处理过程。眼睛如同一个自动变焦和自动改变光圈大小的照相机。从光学角度看,眼睛中3个最重要的部分是水晶体、瞳孔和视网膜,它们分别对应照相机中的镜头、光阑和底片。简单来说,眼睛通过调节水晶体的弯曲程度(屈光)来改变水晶体的焦距获得倒立缩小的实像。人眼对不同距离的物体均可成像,视度调节由水晶体完成。 根据水晶体聚焦中心和视网膜的距离与观测物体的距离比值,可以大致计算出实际物体在视网膜上的像尺寸。
例如：一个远在 100m 处,高15m的柱状物,当眼球前后距离为17mm 时,在视网膜上的尺寸为15×17/100=2.55mm。
人眼视觉特性
- 光谱响应特性
人眼在相同的亮度环境下,对不同波长的光感觉灵敏度不同。视敏度指在相同的亮 度感觉下,测出的各种波长光的辐射功率P(λ)。P(λ)越大,说明人眼对该波长的光 越不敏感;P(λ)越小,人眼对该波长的光越敏感。习惯上将P(λ)的倒数定义为视敏度V(λ)。如图所示,为明亮环境下人眼对黄绿光视敏度的归一化曲线。在图3-3中,横坐标为光波的波长λ,单位是 nm,纵坐标是经归一化处理后的相对视敏度V(λ)。可以看到,在等能量分布的光谱中,人眼感觉最暗的是红色,其次是蓝色和紫色,感觉最亮的是波长为555nm的黄绿色。
- 谱尔金效应
在不同亮度环境下,人眼的视敏度曲线会发生变化。在弱光条件下,视敏度曲线会向左移。谱尔金效应源于视网膜内锥细胞和柱细胞的不同感光特点。
- 韦伯定律
人眼对明暗的感觉具有相对性。人眼的亮度感觉不仅与物体的自身亮度有关,还与周 围环境的亮度有关。韦伯定律正是以公式总结出人眼明暗感觉的相对性。即,在均匀亮度背景下,韦伯-费赫涅尔系数为常数:ξ=ΔBmin/B =常数 ,ΔBmin———可见度阈值; B———背景亮度。
可见度阈值反映人眼可以觉察到的最小亮度差别。该值越小,表示人眼分辨景物细微差别的能力越强。韦伯-费赫涅尔系数通常在0.005~0.02范围内变化,当背景亮度很高或很低时,可达0.05。大多数景物或图像的背景亮度是复杂而不均匀的,背景的亮度随时间和空间的变化而变化,这种现象称为视觉掩盖效应。一般地,背景越亮,越不易分辨细节。
- 亮度感觉范围及适应性
人眼能感觉到的亮度范围很宽。但是,人眼并不能同时感受这么宽的亮度范围,实际的感受亮度只是以适应亮度为中心的一小部分,为1000∶1~10∶1。 人眼的亮度感觉还具有适应性。当人眼由亮环境进入很暗的环境时,需要经过3~5min的适应后才能看清物体,瞳孔自动增大,称为暗适应; 相反,人眼由暗环境进入亮环境时,瞳孔自动缩小,需要2~3min就可以恢复视觉,称为亮适应。
- 人眼的分辨率
人眼的分辨率指人眼对景物细节的分辨能力。一般将被观察物体上刚能分辨的最近邻两黑点或两白点的视角的倒数称为人眼的分辨率。 人眼的分辨率可以表 示为: 1/θ = 2πL/(360×60×d) 式中,L———人眼与画面之间的距离; d———能分辨的相邻两点之间的距离; θ———视场半角。
根据瑞利判断表达式： θ = 1.22λ/D 其中θ是角分辨率，λ是光波长，D是光学系统的口径。瞳孔是人眼的口径5-6mm，虹膜是光圈3-5mm，在人眼对波长555nm光最敏感，可估算人眼角分辨率。
- 人眼的视觉惰性与马赫效应
人眼的亮度感觉有一个短暂的过渡过程,当一定强度的光突然作用于视网膜时,不能在瞬间形成稳定的主观感觉,需要一定的时间。当光消失后,亮度感觉也不是立即消失,而是按指数函数规律逐渐减小,这种人眼亮度感觉的变化滞后于实际亮度变化的现象称为视觉惰性。视觉惰性源于视觉暂留特性,白天约为0.02s,晚上约为0.2s。
临界闪烁频率是与人眼视觉惰性紧密联系的概念,指刚好不引起闪烁感觉的最低频率。如果光脉冲频率不高,会使人眼产生一明一暗的闪烁感觉,长期观看容易疲劳。一般在电影播放中每秒放24幅固定的画面,电视系统每秒传送25~30幅图像,就可以使人眼感觉为连续活动的图像。
人眼对景物和图像上不同空间频率的成分具有不同灵敏度。实验表明,人眼对中频成 分的响应较高,对高、低频率成分的响应较低。所以,人眼在观察亮度的跃变时,会感觉边缘侧更亮,暗侧更暗,这种效应称为马赫效应。
- 人眼的视野
视野指头部不动,眼球转动时能观察到的空间范围。人眼的综合视野可以分解为水平视野和垂直视野。通常,正常人眼的最大视野范围为左右35°和上下40°,最佳视野范围约为左右15°和上下15°,最大固定视野范围约为左右90°和上下70°。头部活动时视野可以扩大,背景颜色会影响视野的大小。
除了以上视觉特性外,人眼对彩色的感觉能力比较复杂，请查看眼睛的颜色特性。
眼的远点
眼无调节力时,所能看清楚的最远点,叫眼的远点。
近视眼远点又称近视眼视网膜共轭焦点,即从近视眼的视网膜上一点反射出来的光线是集合光线,在眼前方某有限距离处聚焦,则该点就为近视眼的远点。近视度数愈大,远点距眼愈近。近视眼远点在眼球前方的距离等于矫正近视所需凹透镜的焦距
在远视眼视网膜上一点反射出来的光线为分散光线,不能在眼前聚焦,但该分散光线的反向延长线却可在视网膜之后聚焦,该聚焦点就为该远视眼的远点。远点在眼后距眼的距离等于矫正该远视眼所用凸透镜的焦距大小,远视度数越大,远点距眼球的距离越小。
远点距离与眼的屈光状态可用下面公式表示：R= 100/r
公式中 R—眼的屈光力（D），r—远点距离（cm）。
屈光度
以米值计算镜头焦距的倒数，用 dp 表示。凸透镜加 +（正）、凹透镜加 - （负）号。焦距为 1 米的凸透镜为 +1 屈光度；焦距为 0.5 米的凹透镜为 -2 屈光度。
屈光度 = 1/焦距（米）
放松的眼睛的光功率约为60屈光度（D）（即，其在空气中的焦距为16.7毫米）