視覺航標(biāo)理論基礎(chǔ)(光度學(xué))課件

視覺航標(biāo)理論基礎(chǔ)

第一章光度學(xué)基本知識

在可見光范圍內(nèi)，每個波長物理能量相同的光譜對人的視覺器官刺激的靈敏程度是不同的，即物理能量相同、波長不同，則人的視覺器官感受到光的強(qiáng)度不同。第一章光度學(xué)基本知識一、物理名詞1、光通量光通量指人眼所能感覺到的輻射功率，它等于單位時間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。由于人眼對不同波長光的相對視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時，其光通量并不相等。第一章光度學(xué)基本知識一、物理名詞1、光通量

第一章光度學(xué)基本知識一、物理名詞2、光強(qiáng)是發(fā)光強(qiáng)度的簡稱。表示光源在單位立體角內(nèi)光通量的多少。第一章光度學(xué)基本知識一、物理名詞2、光強(qiáng)

第一章光度學(xué)基本知識一、物理名詞3、亮度是指發(fā)光體（反光體）表面發(fā)光（反光）強(qiáng)弱的物理量。人眼從一個方向觀察光源，在這個方向上的光強(qiáng)與人眼所“見到”的光源面積之比，定義為該光源單位的亮度，即單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度。亮度用符號L表示，亮度的單位是坎德拉/平方米。第一章光度學(xué)基本知識

第一章光度學(xué)基本知識一、物理名詞4、照度指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示，表示單位為勒克(Lux,lx)，即lm/m2。1勒克斯等于1流明(lumen,lm)的光通量均勻分布于1m2面積上的光照度。照度是以垂直面所接受的光通量為標(biāo)準(zhǔn)，若傾斜照射則照度下降。第一章光度學(xué)基本知識第一章光度學(xué)基本知識二、LED的光通量與照度和光強(qiáng)的關(guān)系

第二章航標(biāo)光學(xué)2.1閾值概念

在航標(biāo)領(lǐng)域，依據(jù)某種信息識別出視覺航標(biāo)存在的最低界限，稱為閾值。視覺航標(biāo)中常用的有照度閾值和對比度閾值。

第二章航標(biāo)光學(xué)2.1.1照度閾值照度閾值是觀察者在給定照度的背景下能覺察到點(diǎn)光源時,該光源在眼睛處產(chǎn)生的最小照度值。在照度閾值中，又分非彩色閾值和彩色閾值。第二章航標(biāo)光學(xué)對比度術(shù)語定義是指覺察到目標(biāo)與不一致的背景之間亮度差的能力，是基本的視覺要求。對比度用下列方程表示：

式中L0—背景的亮（cd/m2）；LB—目標(biāo)的亮度（cd/m2）

第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.3光的衰減從理論，真空中傳播的由直線光源（激光）發(fā)出的光是不會衰減的。但一個光源，是向著四面八方發(fā)射光波，而每一刻產(chǎn)生的光子數(shù)一定，因此越遠(yuǎn)每一單位面積上的光子數(shù)就越少。第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.5視覺航標(biāo)的可見性視覺航標(biāo)的可見性受下列一個或者多個因素影響：a.觀察距離；b.地球曲率；c.大氣折射；d.大氣透射率（氣象能見度）；e.標(biāo)志的海拔高度；第二章航標(biāo)光學(xué)f.觀察者視覺感應(yīng)；g.觀察者眼高；h.觀察條件（日間或者夜間）；i.標(biāo)志的形狀、尺寸、顏色和反射能力（包括任何逆向反射材料的性能）；g.對比度（背景燈光）；k.標(biāo)志有無燈器；m.如果有燈，燈光的強(qiáng)度和閃光持續(xù)時間。第二章航標(biāo)光學(xué)2.6觀察因素

對航海者來說，視覺航標(biāo)無論在白天或夜間都受到氣象和地理環(huán)境的綜合影響，產(chǎn)生各種觀察因素。第二章航標(biāo)光學(xué)2.6.1氣象能見度

氣象能見度（V）定義為：日間，水平方向，適當(dāng)尺寸的黑色目標(biāo)能被看見和識別的最大距離；或者，夜間，當(dāng)總照度達(dá)到正常日間水平時，適當(dāng)尺寸的黑色目標(biāo)能被看見的最大距離。它通常以千米或者海里表示。第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.6.2大氣透射率大氣透射率（T）定義為：一光源的光沿海平面通過大氣中規(guī)定的距離后，所保留的比率。第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.6.3大氣折射大氣折射現(xiàn)象是由于從地球表面至最上層大氣密度的遞減引起。這就造成光線經(jīng)過大氣斜向輻射至地面時被折射（或者彎曲）。第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.6.5視距視距是目標(biāo)與背景的對比度被大氣降至觀察者的對比度閾值時的最大距離。也就是航標(biāo)燈的光能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.6.6地理視距地理視距是在理想能見度條件下，指它僅受地球曲率、大氣折射、觀察者眼高、目標(biāo)或者燈光的海拔高度等因素的限制時，目標(biāo)或者光源能被看到的最大距離。表中的值可用下式得出:Rg=2.08第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.7白天特性2.7.1標(biāo)志顏色視覺標(biāo)志幾乎全部加上顏色，這有兩個目的。一是提高這一標(biāo)志在白天的吸引力、能見度，使航海者容易辨別位置，例如在岬角、孤島上面的白色大型燈塔等，即使從遠(yuǎn)方也十分顯眼。二是為傳送航海信息而在視覺標(biāo)志上加上顏色。第二章航標(biāo)光學(xué)2.7白天特性第二章航標(biāo)光學(xué)2.7白天特性2.7.2日間發(fā)光一些管理當(dāng)局已經(jīng)在重要港口和水道建立了日間導(dǎo)標(biāo)燈，以便獲得比用日標(biāo)牌更一致的性能。國際航標(biāo)協(xié)會已經(jīng)于1974年4月出版了關(guān)于供船舶白晝導(dǎo)航用的海上信號燈日間標(biāo)稱燈光射程定義的建議。第二章航標(biāo)光學(xué)2.7白天特性2.7.3日標(biāo)視距用作視覺航標(biāo)的日標(biāo)，最理想的是要在盡可能遠(yuǎn)的地方可以看到和識別出來，為此，希望這些日標(biāo)盡可能大些。還有，形狀、顏色和設(shè)置的位置應(yīng)適合。第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.8夜間的特性

視覺航標(biāo)在夜間通過標(biāo)志燈光強(qiáng)度（燈光射程）和燈光節(jié)奏、顏色等特性，為航海者提供助航服務(wù)。第二章航標(biāo)光學(xué)2.8.1有效光強(qiáng)一個以定光射到觀測者眼睛上能達(dá)到照度閾值的光源，若以短持續(xù)時間作短暫閃光，則不能被感覺到而需要高得多的照度才能看到。觀測者剛好能看到閃光時的射程，可用一稱之為閃光“有效光強(qiáng)”的參數(shù)術(shù)語來描述。第二章航標(biāo)光學(xué)2.8.1.1閃光有效光強(qiáng)的概念如果一閃光在某種條件下剛好被觀測到，而光強(qiáng)為Ie的定光在相同距離、相同大氣狀況下也剛好被觀測到，那么，我們就說閃光具有有效光強(qiáng)Ie。當(dāng)計(jì)算任何給定大氣狀況下的燈光射程時，必須使用該有效光強(qiáng)。第二章航標(biāo)光學(xué)2.8.1.2有效光強(qiáng)的計(jì)算IALA推薦計(jì)算有效光強(qiáng)的公式：

Ie=

式中a：視覺時間常數(shù)，由遮蔽或明滅光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的閃光時，夜間取0.2秒，白天取0.1秒；由旋轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的閃光時，夜間取0.3秒，白天取0.15秒。第二章航標(biāo)光學(xué)第二章航標(biāo)光學(xué)2.8.1.3燈光通過色罩、燈罩后有效光強(qiáng)的計(jì)算燈光燈罩（如燈殼玻璃、塑料罩殼）時，燈光將會衰減，其衰減后的有效光強(qiáng)可進(jìn)行以下計(jì)算獲得：=b×c×Ie式中If：衰減后的有效光強(qiáng)b：色罩的透色比，一般紅色和綠色罩取0.2，黃色罩取0.6，通過色罩的燈光顏色，其色坐標(biāo)應(yīng)在規(guī)定的色度區(qū)內(nèi)c：燈罩的透射比，一般玻璃取0.85，塑料取0.9

第二章航標(biāo)光學(xué)

第二章航標(biāo)光學(xué)2.8.2.1燈光射程

燈光射程是觀察者眼睛能夠看見給定燈光信號的最大距離，它由當(dāng)時的氣象能見度決定。燈光射程不考慮海拔高度、觀察者眼高或者地球曲率。

第二章航標(biāo)光學(xué)

第二章航標(biāo)光學(xué)燈光射程主要受四個因素制約：a.航標(biāo)燈的發(fā)光強(qiáng)度b.大氣透射率c.觀察者眼中光照度的閾值d.航標(biāo)燈的背景情況

第二章航標(biāo)光學(xué)3、暗適應(yīng)和明適應(yīng)您是否有過這樣的經(jīng)歷？從明亮的地方進(jìn)入已經(jīng)開演的電影院或音樂廳時，會突然感覺眼前一片漆黑，根本看不清座位在哪兒。

不過，過一會兒，就能漸漸看清座位了。我們的眼睛逐漸適應(yīng)黑暗的現(xiàn)象，叫作“暗適應(yīng)”。反之，從黑暗處突然進(jìn)入明亮的地方，我們會感覺眼前一片白茫茫，什么都看不到。不過，過一會兒，等眼睛適應(yīng)了環(huán)境，就又能看清東西了。這種現(xiàn)象就叫作“明適應(yīng)”。

第二章航標(biāo)光學(xué)

暗適應(yīng)第二章航標(biāo)光學(xué)

明適應(yīng)第二章航標(biāo)光學(xué)4、樸金野現(xiàn)象

在不同光亮的環(huán)境中，人眼對不同光波的感受性發(fā)生變化的現(xiàn)象。如在明視覺條件下，人眼對波長550～560納米的光最敏感，但在暗視覺條件下，人眼對500～510納米的光最敏感。這種現(xiàn)象最早由捷克斯洛伐克學(xué)者樸金野發(fā)現(xiàn)。

第二章航標(biāo)光學(xué)

第二章航標(biāo)光學(xué)

第二章航標(biāo)光學(xué)5、眩目

由于過剩的亮度或過剩的對比度產(chǎn)生的不舒適感或視覺下降的視覺感。視線中心30°范圍內(nèi)被稱作眩目帶。這個范圍內(nèi)射入到人眼內(nèi)光線使人感到特別晃眼，使人感到不舒服和疲勞感。

第二章航標(biāo)光學(xué)以下情況會產(chǎn)生眩目現(xiàn)象：在視野區(qū)內(nèi)有高亮度光源在視野區(qū)內(nèi)亮度對比度太強(qiáng)在視野區(qū)內(nèi)有比眼睛所能適應(yīng)的亮度水平高的光存在

第二章航標(biāo)光學(xué)

第二章航標(biāo)光學(xué)7、燈光識別方法1）單一燈光的識別方法用眼睛識別物體或光源的時候，最重要的因素是亮度對比。在對象和背景的亮度都是相同的情況下，能夠識別對象的最小對比叫做對比的識別閾限。

第二章航標(biāo)光學(xué)關(guān)于航標(biāo)燈光的識別方法，分以下三種形式來研究：a.視角大，以面光源識別的情況；b.視角不大不小，在兩者之間的情況；c.視角小，以點(diǎn)光源識別的情況。在a和b的情況下，航標(biāo)燈光的亮度與背景亮度的對比，對比識別閾限越大，則越易于識別。在c的情況下，因?yàn)榭吹降墓馐屈c(diǎn)光源，所以，光強(qiáng)是識別的主要因素。

第二章航標(biāo)光學(xué)2）有色燈光的識別方法因?yàn)楹綐?biāo)燈既具有閃光的特性，同時又能通過光色給船舶航行以必要的信息，所以必須考慮以下幾點(diǎn)：a.辨認(rèn)性：是否能從必要的距離處看得清楚；b.識別性：能否從必要的距離處準(zhǔn)確地識別光色；c.醒目性：在能夠看見色光的范圍內(nèi)，光色是否顯眼、引人注目，是否容易發(fā)現(xiàn)；d.可讀性：標(biāo)志上表示的內(nèi)容是否容易讀出、易懂（例如：潮位信號）

第二章航標(biāo)光學(xué)3）明滅閃光的識別方法因?yàn)槊鳒玳W光的辨認(rèn)性和醒目性較好，故在航標(biāo)燈上均廣泛利用了這一特性?，F(xiàn)把看得足夠明亮的連續(xù)光（定光）與光強(qiáng)相同的明滅光進(jìn)行一下比較，可以感覺出明滅光是相當(dāng)亮的。就是說，由于光的明滅，亮度放大了，因而容易看得清楚，再加上由于明滅產(chǎn)生的光的變化效果，提高了辨認(rèn)性和醒目性。

第二章航標(biāo)光學(xué)8、布朗德爾·雷定律航標(biāo)上使用的燈光照度閥值為2×10-7Lx，這是燈光一直亮著的狀態(tài)下的值，如閃光，則值就將改變了。若閃光時間太短，則原有光強(qiáng)的情況下就看不見了，為了辨認(rèn)清楚，就得稍增大些光強(qiáng)。（旋轉(zhuǎn)燈的轉(zhuǎn)速不同，燈光射程也不同，閃光燈明的時間不同，射程也不同）。第二章航標(biāo)光學(xué)短時間的瞬間閃光對眼睛的刺激量要比連續(xù)光的少，即閃光比連續(xù)光的效果差些。因?yàn)槭情W光，故對眼睛的刺激效果減弱，把看上去的光強(qiáng)是減弱時的光強(qiáng)叫做通過閃光的有效光強(qiáng)。第二章航標(biāo)光學(xué)9、白熾燈的熱慣性在使用過程中，光通量輸出隨供電電壓變化而急劇變化，但白熾燈卻不致于猝然熄滅，這對保證其發(fā)光的連續(xù)性是有意義的。另一個特點(diǎn)：瞬時點(diǎn)燃，燈絲的加熱需要一個過程，加熱到輸出90%光通量所需的時間只有0.07～0.38秒（40w～500w）。而電流越大，熱慣性越明顯，有的燈絲從冷卻至加熱到90%光通量的時間達(dá)0.6秒。因此，使用這些燈泡時，應(yīng)適當(dāng)加長“明”的時間。第二章航標(biāo)光學(xué)

第三章旋轉(zhuǎn)燈器閃光計(jì)算旋轉(zhuǎn)燈產(chǎn)生閃光的持續(xù)時間計(jì)算。t=60Φ/2πN(Φ為水平發(fā)散角，單位弧度；N為每分鐘旋轉(zhuǎn)的次數(shù))dtgΦ11=——（d為燈絲寬度，f焦距）f第三章旋轉(zhuǎn)燈器閃光計(jì)算以泰蘭公司TRB—400燈為例，燈泡功率50w，6面透鏡每分鐘旋轉(zhuǎn)1周。求閃光持續(xù)時間？第三章旋轉(zhuǎn)燈器閃光計(jì)算1.3°解