视觉航标理论基础(光度学)课件.ppt
视觉航标理论基础,第一章 光度学基本知识,在可见光范围内，每个波长物理能量相同的光谱对人的视觉器官刺激的灵敏程度是不同的，即物理能量相同、波长不同，则人的视觉器官感受到光的强度不同。,第一章 光度学基本知识,一、物理名词1、光通量 光通量指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。,第一章 光度学基本知识,一、物理名词1、光通量,第一章 光度学基本知识,一、物理名词2、光强 是发光强度的简称。表示光源在单位立体角内光通量的多少。,第一章 光度学基本知识,一、物理名词2、光强,第一章 光度学基本知识,一、物理名词3、亮度 是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度用符号L表示，亮度的单位是坎德拉/平方米。,第一章 光度学基本知识,第一章 光度学基本知识,一、物理名词 4、照度 指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，表示单位为勒克() ，即 2 。 1 勒克斯等于 1 流明()的光通量均匀分布于 1m2 面积上的光照度。照度是以垂直面所接受的光通量为标准，若倾斜照射则照度下降。,第一章 光度学基本知识,第一章 光度学基本知识,二、的光通量与照度和光强的关系,第二章 航标光学,2.1阈值概念 在航标领域，依据某种信息识别出视觉航标存在的最低界限，称为阈值。视觉航标中常用的有照度阈值和对比度阈值。,第二章 航标光学,2.1.1照度阈值 照度阈值是观察者在给定照度的背景下能觉察到点光源时,该光源在眼睛处产生的最小照度值。在照度阈值中，又分非彩色阈值和彩色阈值。,第二章 航标光学,对比度术语定义是指觉察到目标与不一致的背景之间亮度差的能力，是基本的视觉要求。对比度用下列方程表示：,式中 L0背景的亮（2）； 目标的亮度（2）,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.3 光的衰减 从理论，真空中传播的由直线光源（激光）发出的光是不会衰减的。 但一个光源，是向着四面八方发射光波，而每一刻产生的光子数一定，因此越远每一单位面积上的光子数就越少。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.5视觉航标的可见性视觉航标的可见性受下列一个或者多个因素影响：a.观察距离；b.地球曲率；c.大气折射；d.大气透射率（气象能见度）；e.标志的海拔高度；,第二章 航标光学,f.观察者视觉感应；g.观察者眼高；h.观察条件（日间或者夜间）；i.标志的形状、尺寸、颜色和反射能力（包括任何逆向反射材料的性能）；g.对比度（背景灯光）；k.标志有无灯器；m.如果有灯，灯光的强度和闪光持续时间。,第二章 航标光学,2.6观察因素 对航海者来说，视觉航标无论在白天或夜间都受到气象和地理环境的综合影响，产生各种观察因素。,第二章 航标光学,2.6.1气象能见度 气象能见度（V）定义为：日间，水平方向，适当尺寸的黑色目标能被看见和识别的最大距离；或者，夜间，当总照度达到正常日间水平时，适当尺寸的黑色目标能被看见的最大距离。它通常以千米或者海里表示。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.6.2大气透射率 大气透射率（T）定义为：一光源的光沿海平面通过大气中规定的距离后，所保留的比率。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.6.3大气折射 大气折射现象是由于从地球表面至最上层大气密度的递减引起。这就造成光线经过大气斜向辐射至地面时被折射（或者弯曲）。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.6.5视距 视距是目标与背景的对比度被大气降至观察者的对比度阈值时的最大距离。也就是航标灯的光能达到的最远距离。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.6.6地理视距 地理视距是在理想能见度条件下，指它仅受地球曲率、大气折射、观察者眼高、目标或者灯光的海拔高度等因素的限制时，目标或者光源能被看到的最大距离。表中的值可用下式得出: 2.08,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.7白天特性2.7.1标志颜色 视觉标志几乎全部加上颜色，这有两个目的。一是提高这一标志在白天的吸引力、能见度，使航海者容易辨别位置，例如在岬角、孤岛上面的白色大型灯塔等，即使从远方也十分显眼。二是为传送航海信息而在视觉标志上加上颜色。,第二章 航标光学,2.7白天特性,第二章 航标光学,2.7白天特性2.7.2日间发光 一些管理当局已经在重要港口和水道建立了日间导标灯，以便获得比用日标牌更一致的性能。国际航标协会已经于1974年4月出版了关于供船舶白昼导航用的海上信号灯日间标称灯光射程定义的建议。,第二章 航标光学,2.7白天特性2.7.3日标视距 用作视觉航标的日标，最理想的是要在尽可能远的地方可以看到和识别出来，为此，希望这些日标尽可能大些。 还有，形状、颜色和设置的位置应适合。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.8夜间的特性 视觉航标在夜间通过标志灯光强度（灯光射程）和灯光节奏、颜色等特性，为航海者提供助航服务。,第二章 航标光学,2.8.1有效光强 一个以定光射到观测者眼睛上能达到照度阈值的光源，若以短持续时间作短暂闪光，则不能被感觉到而需要高得多的照度才能看到。 观测者刚好能看到闪光时的射程，可用一称之为闪光“有效光强”的参数术语来描述。,第二章 航标光学,2.8.1.1闪光有效光强的概念 如果一闪光在某种条件下刚好被观测到，而光强为的定光在相同距离、相同大气状况下也刚好被观测到，那么，我们就说闪光具有有效光强。当计算任何给定大气状况下的灯光射程时，必须使用该有效光强。,第二章 航标光学,2.8.1.2有效光强的计算推荐计算有效光强的公式： = 式中a：视觉时间常数，由遮蔽或明灭光学系统产生的闪光时，夜间取0.2秒，白天取0.1秒；由旋转光学系统产生的闪光时，夜间取0.3秒，白天取0.15秒。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.8.1.3灯光通过色罩、灯罩后有效光强的计算 灯光灯罩（如灯壳玻璃、塑料罩壳）时，灯光将会衰减，其衰减后的有效光强可进行以下计算获得： c 式中：衰减后的有效光强 b：色罩的透色比，一般红色和绿色罩取0.2，黄色罩取0.6，通过色罩的灯光颜色，其色坐标应在规定的色度区内 c：灯罩的透射比，一般玻璃取0.85，塑料取0.9,第二章 航标光学,第二章 航标光学,2.8.2.1灯光射程 灯光射程是观察者眼睛能够看见给定灯光信号的最大距离，它由当时的气象能见度决定。灯光射程不考虑海拔高度、观察者眼高或者地球曲率。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,灯光射程主要受四个因素制约：a.航标灯的发光强度b.大气透射率c.观察者眼中光照度的阈值d.航标灯的背景情况,第二章 航标光学,3、暗适应和明适应 您是否有过这样的经历？从明亮的地方进入已经开演的电影院或音乐厅时，会突然感觉眼前一片漆黑，根本看不清座位在哪儿。不过，过一会儿，就能渐渐看清座位了。我们的眼睛逐渐适应黑暗的现象，叫作“暗适应” 。反之，从黑暗处突然进入明亮的地方，我们会感觉眼前一片白茫茫，什么都看不到。不过，过一会儿，等眼睛适应了环境，就又能看清东西了。这种现象就叫作“明适应”。,第二章 航标光学,暗适应,第二章 航标光学,明适应,第二章 航标光学,4、朴金野现象 在不同光亮的环境中，人眼对不同光波的感受性发生变化的现象。如在明视觉条件下，人眼对波长550560纳米的光最敏感，但在暗视觉条件下，人眼对500510纳米的光最敏感。这种现象最早由捷克斯洛伐克学者朴金野发现。,第二章 航标光学,第二章 航标光学,第二章 航标光学,5、眩目 由于过剩的亮度或过剩的对比度产生的不舒适感或视觉下降的视觉感。 视线中心30范围内被称作眩目带。这个范围内射入到人眼内光线使人感到特别晃眼，使人感到不舒服和疲劳感。,第二章 航标光学,以下情况会产生眩目现象：在视野区内有高亮度光源在视野区内亮度对比度太强在视野区内有比眼睛所能适应的亮度水平高的光存在,第二章 航标光学,第二章 航标光学,7、灯光识别方法1）单一灯光的识别方法 用眼睛识别物体或光源的时候，最重要的因素是亮度对比。在对象和背景的亮度都是相同的情况下，能够识别对象的最小对比叫做对比的识别阈限。,第二章 航标光学,关于航标灯光的识别方法，分以下三种形式来研究：a.视角大，以面光源识别的情况；b.视角不大不小，在两者之间的情况；c.视角小，以点光源识别的情况。在a和b的情况下，航标灯光的亮度与背景亮度的对比，对比识别阈限越大，则越易于识别。在c的情况下，因为看到的光是点光源，所以，光强是识别的主要因素。,第二章 航标光学,2）有色灯光的识别方法因为航标灯既具有闪光的特性，同时又能通过光色给船舶航行以必要的信息，所以必须考虑以下几点：a.辨认性：是否能从必要的距离处看得清楚；b.识别性：能否从必要的距离处准确地识别光色；c.醒目性：在能够看见色光的范围内，光色是否显眼、引人注目，是否容易发现；d.可读性：标志上表示的内容是否容易读出、易懂（例如：潮位信号）,第二章 航标光学,3）明灭闪光的识别方法 因为明灭闪光的辨认性和醒目性较好，故在航标灯上均广泛利用了这一特性。现把看得足够明亮的连续光（定光）与光强相同的明灭光进行一下比较，可以感觉出明灭光是相当亮的。就是说，由于光的明灭，亮度放大了，因而容易看得清楚，再加上由于明灭产生的光的变化效果，提高了辨认性和醒目性。,第二章 航标光学,8、布朗德尔雷定律 航标上使用的灯光照度阀值为210-7 ，这是灯光一直亮着的状态下的值，如闪光，则值就将改变了。 若闪光时间太短，则原有光强的情况下就看不见了，为了辨认清楚，就得稍增大些光强。（旋转灯的转速不同，灯光射程也不同，闪光灯明的时间不同，射程也不同）。,第二章 航标光学,短时间的瞬间闪光对眼睛的刺激量要比连续光的少，即闪光比连续光的效果差些。 因为是闪光，故对眼睛的刺激效果减弱，把看上去的光强是减弱时的光强叫做通过闪光的有效光强。,第二章 航标光学,9、白炽灯的热惯性 在使用过程中，光通量输出随供电电压变化而急剧变化，但白炽灯却不致于猝然熄灭，这对保证其发光的连续性是有意义的。另一个特点：瞬时点燃，灯丝的加热需要一个过程，加热到输出90%光通量所需的时间只有0.070.38秒（40w500w）。而电流越大，热惯性越明显，有的灯丝从冷却至加热到90%光通量的时间达0.6秒。因此，使用这些灯泡时，应适当加长“明”的时间。,第二章 航标光学,第三章 旋转灯器闪光计算,旋转灯产生闪光的持续时间计算。 60/2N(为水平发散角，单位弧度； N为每分钟旋转的次数) d 11= （d为灯丝宽度，f焦距） f,第三章 旋转灯器闪光计算,以泰兰公司400灯为例，灯泡功率50w，6面透镜每分钟旋转1周。求闪光持续时间？,第三章 旋转灯器闪光计算,1.3解：查表得 水平发散角1.3，即= 2 360 1 601.32 =0.217秒 36021 查表验证。,第四章 航标透镜,菲涅尔透镜 菲涅尔（也译作菲涅耳）透镜，是由法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔（)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统灯塔透镜。,第三章 航标透镜,菲涅尔透镜,第三章 航标透镜,第三章 航标透镜,从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。,第三章 航标透镜,鼓形透镜和闪光透镜,菲涅尔透镜,第三章 航标透镜,大型菲涅尔透镜断面,第三章 航标透镜,棱镜、反射镜、大型牛眼透镜,再见！,
