Michael Kalloniatis和Charles Luu
1.介绍。
从最早的历史开始，人类一定想知道外部世界是如何通过自己的眼睛变得清晰可见的。他一定想过是什么力量使观察的眼睛看到一个物体。为什么世界看起来或亮或暗，为什么大自然有如此明亮的色彩?尽管早期人类不能理解光的物理概念，也不能理解感知是在大脑中发生的，但他一定知道眼睛是视觉器官，没有眼睛我们就是瞎子。因此，在印度、巴比伦、中国和埃及等古代文明的早期关注，当然是在视力衰退时试图恢复或改善视力，即使对其他方面知之甚少。希腊哲学家(希波克拉底、亚里士多德、柏拉图)提供了第一个已知的关于眼睛、它的功能、解剖学和治疗的理论。最初亚里士多德的观点是眼睛发出的光线照亮周围的世界。当天黑的时候，空气变得浑浊，所以光线无法穿透，但蜡烛可以燃烧掉空气中的不透明，让视觉穿透。同样奇怪的是，荷马时代的希腊人没有“蓝色”这个词。荷马将大海描述为“葡萄酒色”。
最后，亚里士多德提出视觉感觉是从眼睛传到大脑的心这在当时被认为是感觉和精神功能的中心。大脑被认为是一个冷却装置(荣格，1984)。这cardiocentric尽管盖伦(公元129-200年)有直接的实验证据，但感觉的本质一直延续到中世纪(如图1 16世纪的插图所示)。在罗马帝国工作的希腊科学家盖伦(Galen)证明，按压人类的心脏不会导致意识丧失或感觉丧失，但切断动物的脊髓会消除大脑刺激后的感觉反应。
图1。五感直接或通过位于头部前部的“共感”投射到心脏的亚里士多德概念。上面的面板显示了四个(盖伦和阿维森纳斯的)或五个(阿尔伯图斯·马格努斯的)脑区(荣格，1984)
希腊人的思想从公元前几个世纪开始就被阿拉伯世界的文字和图画所延续和保存，直到公元中世纪。因此，最早的眼睛图解之一来自一份古阿拉伯手稿(大约公元860年)，这可能是一份现在丢失的更古老的希腊插图的副本(图2，下面)(Polyak, 1957)。
图2。最早的阿拉伯人眼结构图(来自Polyak, 1957)
根据早期的观点，眼睛有一个中央晶状体，它起着光感受器的作用。此外，人们认为视神经是中空的，这是一种神秘的视觉精神有趣的是，大多数希腊解剖学家提出的普遍理论是，视网膜由于血管丰富，是一个营养器官而不是视觉器官，尽管希腊人盖伦的假设是正确的，正如我们现在所知道的，视网膜是大脑的一个移位的部分。直到公元12世纪，居住在西班牙的摩尔科学家阿威罗伊(Averroes)提出，视网膜而非晶状体才是视觉受体(荣格，1984)。直到盖伦之后的500年开普勒和其他人才扩展了这一原理。
我们对眼睛的了解一直持续到16世纪，显示出阿拉伯的影响(图3，左)。甚至连伟大的解剖学家和艺术家列奥纳多·达·芬奇(1452-1519)的眼睛解剖草图都是基于古老的不正确的阿拉伯绘画。列奥纳多确信图像是在眼睛中形成的，但他不知道是如何形成的，因为当时人们对生理光学还不了解。事实上，直到17世纪早期，一些鲜为人知的解剖学家和科学家，如Girolamo Fabrizzi d 'Aquapendente和Christopher Scheiner(图3，下图)才独立地绘制出了更多正确的眼睛图(Polyak, 1957)。这时，1583年，瑞士解剖学家普拉特提出，晶状体的作用是收集光线，而视网膜是光感受器。
图3。16和17世纪的眼睛结构图(来自Polyak, 1957)
同样，是早期的希腊物理学家(欧几里得、阿基米德和托勒密)提出了关于光的基本性质的假设:光沿直线传播，可以被抛光的平面和弯曲的镜子反射。希腊人和后来的罗马人很可能使用抛光玻璃作为早期放大镜。这些物品被保存在覆盖被摧毁的庞贝城(公元79年被毁)的熔岩中。然而，直到大约公元13世纪，几乎没有证据表明真正设计了眼镜。最早的眼镜矫正视力的描述之一(图4)是在德国Rothenburgh的一座教堂中发现的一幅男子画像，可追溯到1466年(Polyak, 1957)。
图4。一幅早期的画，画的是一个戴眼镜的人。1466年的肖像(来自Polyak, 1957)
约翰内斯·开普勒(1571-1630)Dioptrice建立了透光原理，这对于理解图像在眼睛中是如何形成的至关重要。他知道角膜和晶状体收集和折射光线，图像被“画”在视网膜上，作为许多像点的集合。开普勒还能解释老花和近视。开普勒的确是光学科学之父(Polyak, 1957)。随后，许多伟大的科学家，包括勒内·德·卡特斯(1596-1650)(图5)和艾萨克·牛顿爵士(1642-1727)，通过他们的工作，把光学和眼透光学的研究建立在坚实的科学基础上，我们所有关于眼睛功能和视觉图像是如何形成的现代知识都源于此。
图5。Kirscher(1646)(左)和Des Cartes(1677)(右)(Polyak, 1957)视网膜图像的形成示意图
由于数学公式和17世纪早期提出的其他测量技术的发展，对我们如何看的感性研究成为可能。其中包括牛顿对光谱的伟大发现，这是色觉研究的基础(荣格，1984)。这门学科被称为心理物理学[心理=知觉，物理学=刺激的物理性质]，是探索知觉的一门必要学科。在接下来的章节中，我们概述了当今在视觉科学、验光和眼科学中可能会遇到的常见的心理物理学程序和方法。
2.测量光的
光可以用两个单位来测量和指定:辐射单位和光度单位。我们认为“光”是一种可见的电磁辐射。它是波长在380 nm(蓝光)和750nm(红光)之间的电磁光谱的一部分(图6)。电磁辐射是由一个叫做量子或光子的小能量包发出的。
图6。电磁辐射的可见光谱
在真空中，光子的传播速度是3 × 108米/秒。速度、频率(光子每秒的周期/振动)和波长由这个方程联系起来。
式1:c =问
其中c为真空中光速(如m/s)，n频率的单位是赫兹(例如每秒转数)和l是波长(例如以米为单位)。参见图7了解这种关系。重要的是要注意，频率与波长成反比，因为光速是固定的。
图7。光的速度、频率和波长特性
光在真空中的速度(c)比在任何其他介质中的速度(V米)．因此，任何给定介质的折射率(n米)，定义为两个速度之比。此外，对于任何给定的频率，真空中的波长(λc)和在介质中的波长(λ米)表示折射率。
方程2:n米＝c/V米=λc/λ米
光子的能量和频率可以用爱因斯坦方程联系起来。
方程3:E＝hν
在哪里E是能量的焦耳单位，h是普朗克常数(6.624 x 10-34年ν是频率，单位为赫兹(光子的周期/秒)。能量单位是焦耳(J)。
因为频率与波长成反比
方程4:ν = c/λ
其中λ是波长，单位为米，ν是频率，单位为赫兹(光子的周期/秒)。
以上两个方程可以组合得到。
方程5:E＝hc/λ
或方程6:E＝高压米/λ米
这个基本方程在把光的能量和波长联系起来时很重要。因为能量和波长成反比，这意味着波长短的光子有更高的能量。此外，重要的是要记住，当光从一种介质传递到另一种介质时，只有光子能量和频率是守恒的。
另一个重要的术语是权力。功率被定义为做功的速率，也就是说，在给定时间内输出的功或能量的数量。瓦(W)是国际单位制的功率单位。1瓦等于1焦耳每秒。
辐射线测定
有两套平行的测量光的装置。一种是基于光对人类观察者的心理物理影响，另一种是基于物理辐射测量设备的检测。这两个单位可以互换，但有时很难。光源光能的测量可以用辐射计量单位来指定。辐射单位规定了光中辐射能量的大小。放射性计量概念和SI单位见表1。
表1。辐射计量的概念和单位
所有的光测量都来自辐射通量。随后，从方向和表面定义了辐射单位，所有的光度单位都是利用光致发光效率函数或暗致发光效率函数从辐射单位推导出来的。
能量产生光子的方式主要有两种:白炽和发光。它们分别对应于热机制和非热机制。在白炽状态下，光子从热搅动的电子中释放出来。这种辐射的光子频率相对较宽，且不受物质的影响，其光谱只与温度有关。发光涉及原子、分子或晶体中的电子激发。光子的发射来自于电子从一个激发壳移动到另一个激发壳时所释放的能量。光子发射的频率具有物质的模式特征。
可以在气体放电管中实现光子的发光产生。这些管子中含有钠、汞或氖等气体蒸汽。在这些管中，电子从一个电极加速到另一个电极。这些高速电子轰击气体原子，引起电子的位移。当电子回到正常状态时，这种激发能以光子的形式发射出去。氖气和水银源常用于光学。
荧光是发光的另一个例子。在荧光管中，电子与汞原子发生碰撞，产生紫外光量子。紫外线量子的部分能量被管上的磷涂层吸收，随后释放出可见光光谱中的光量子。
钨丝灯是白炽灯的一个例子。钨的光谱发射类似于黑体。黑体在理论上是一个完美的散热器。随着能量的增加，光谱发射发生变化。色温是一个术语，当散热器的颜色与黑体在一定温度下的颜色相同时(以开尔文为单位)。例如，温度为2700K的黑体与钨的颜色相似，因此，钨的色温为2700K。
光度法
光度法是光对视觉影响的测量和说明。眼睛可以看作是具有选择性光谱响应的辐射能探测器。在光照良好的环境中，它对约555纳米(黄绿光)的光最敏感，对远红光和蓝光相对不敏感。描述人眼对不同波长的反应的函数称为相对发光效率函数。
光源光的测量可以用光度单位来指定。光度单位考虑到辐射能的数量和眼睛对辐射波长的敏感度。换句话说，光度量指定辐射能唤起视觉反应的能力。光度概念和SI单位见表2。
所有的光测量都是由辐射通量换算成光通量。与辐射单位一样，后续光度单位也根据方向和表面定义(图8)。
表2。光度的概念和单位
在临床实践中，通常检查患者的视野。视野分析仪的背景(碗)亮度如下:1)汉弗莱自动视野分析仪，10 cd/m2．2)戈德曼视场分析仪，4 cd/m23) Medmont全自动视野分析仪，4 cd/m2．从这些值，视网膜照度可以计算。此外，从表3(下)我们可以看到，视野分析的亮度将患者置于中观光水平之上。
图8。说明通量、强度、照度和亮度的光度量。通过5毫米的瞳孔直径和150 cd/m2的图表亮度，视网膜照度达到2945 trolands
V(λ) vs '(λ)是用来描述人眼对不同波长的反应的相对发光效率函数。所使用的值是国际照明委员会(CIE)为标准观察者定义的值，分别于1924年(光视)和1951年(暗视)采用。因此，光通量的光度量由下式给出(光斑条件下为式7，暗斑条件下为式8)。
式7:F = K米Fe(λ) V(λ) d λ
和式8:F年代= K '米Fe(λ) V'(λ) d λ
Fe(λ)是相应的辐射量(在这种情况下辐射通量)，V(λ)是发光效率常数(在光敏条件下等于683 lm/W，在暗敏条件下等于1700 lm/W)， Km是发光效率常数。公式8概括了暗截通量(F年代)，从那里可以获得其他的scotopic单位，如scotopic troland。惯例规定，除非另有说明，所有单位都是光质量。
坎德拉是发光强度的单位。在给定的方向上，它被定义为发出频率为540 × 10的单色辐射能的源12赫兹，它的辐射强度是1/683瓦在那个方向上。
流明(光通量单位)是在一个单位立体角(一个立体角)内，由具有一个坎德拉的均匀发光强度的点源发出的光通量。因此，流明可以定义为单色辐射能的光通量为1/683瓦，频率为540 × 10的光通量12赫兹(在空气中转换为555纳米)。蜡烛在555纳米处的定义对于暗晶系和光晶系是相同的。
因此，两个函数的峰值会有所不同，如图9所示。在暗斑条件下刺激眼睛所需的光量要比光斑条件下少得多(图9)。绝对灵敏度的差异反映在不同的常数K上米和K '米分别为光致和暗致发光效能值。
图9。光谱发光效率的暗点和光点曲线(非归一化值)
图10显示了规范化的数据，其中最大值设置为1以进行比较。因此，曲线峰值在同一水平。要在单位处取最大值，常数K米和K '米分别对应于光效曲线和暗效曲线的峰。这些常数被用来与实际的光效K(λ)和实际的闪光点光效K'(λ)联系起来。K(λ) V(λ)和K之间的关系米下面给出。
K(λ)= K米V(λ)和K'(λ) = K'米V”(λ)
图10。由CIE指定的相对光谱发光效率的闪点和光点曲线(归一化值)
视觉系统beplay体育公司对大范围的亮度都很敏感。表3说明了这个范围。最上面一行显示了从检测所需的最低亮度到可能对视觉系统造成损害的亮度。beplay体育公司第二行通过指示白纸在星光到阳光照射下的亮度，将亮度与熟悉的观看条件联系起来。最后，底部一行将物理刺激与各种视觉功能联系起来。当患者被要求阅读图表来测量他们的视力时，如图3所示，他们的视觉系统在低光范围内运行。beplay体育公司
表3。视觉系统的动态范围beplay体育公司
在报告光度量时，应始终使用国际标准单位(表4)。有关一些常见(和不太常见)非SI的换算因子，请参阅单位和换算表(表4)。要转换为SI单位，请将非SI单位乘以转换因子。最好的光测量单位来源是网站上的光测量手册http://www.intl-light.com．
表4:SI单位和非SI单位及换算因子
一种方便的视网膜照度测量是基于视丘的单位。1 cd/m的扩展光源产生1 troland (Td)的视网膜照度2透过1毫米的瞳孔看到的2．因此，trolands的视网膜照度E由式9给出。
式9:E = LA
L是以cd/m为单位的亮度2A为瞳孔面积，单位为mm2．因此，troland的单位是cd/m2功能2．如果使用scotopic单位，亮度定义为scotopic cd/m2，被称为scotopic troland。
平方反比定律
照度(E)与发光强度(我)，并与距离(d)之间的表面和源。角θ是入射角。
方程10:E＝我/d2．cosθ
记住，所有光测量定律的经验法则都是，辐射来自于一个点源。为了实际目的，当与光源的距离大于其直径的五倍时，就认为光源是点源。
亮度和照度计算
当光落在一个表面上时，来自这个表面的亮度与它的反射率和入射角成正比。
方程11:l＝呃/π·cosθ
在哪里l为表面亮度(cd/m2)，E是照度(lux)，r是反射率，θ是光通量的入射角。
过滤器
中性密度滤光片用于降低透光率。透过率用下列公式计算。
方程12:T＝l/lo
在哪里l光源的亮度在没有滤镜的情况下是Lo是光源与滤光片的亮度。滤光片的光密度由式13给出。
方程13:D=日志10T
在哪里T透光率。
根据比尔定律，溶液的光密度为:
方程14:D＝一个el
在哪里一个是溶液的浓度，单位是每升克分子，e摩尔消光系数和l是以厘米为单位的路径长度。方程13和14可以等价地将比尔定律与透光率联系起来。
在视野测量中，从最大可用光的衰减用分贝(dB)值表示。例如，在Humphrey视野分析仪中，光的亮度可以在5.1 log单位范围内调制(即51dB，其中0.1 log单位的衰减= 1dB)。最大光斑为3183 cd/m2，用51dB滤光片衰减后，亮度为0.025 cd/m2．
3.心理物理测量
在确定阈值时，包括视野分析在内的心理物理方法和程序是有用的。对于一个完美的观察者来说，阈值就是刺激可以被检测到或者不能被检测到的点。人类并不是完美的观察者，通常阈值是根据概率定义的:例如，呈现的点有一半会被检测到，而另一半不会。在特定的心理物理学技术下，阈值可以被认为是50%的刺激被检测到的点。阈值变异性很可能取决于神经噪声。视觉心理物理学的一个方面是关于噪声的，被称为信号检测理论，但这不在这里讨论。
视觉反应的测量可以通过几种方法来实现。这些方法包括:1)调节法，2)极限法，3)阶梯法(修正的极限法)和4)持续刺激法。
的调整的方法包括要求受试者从看不见增加刺激强度，直到刚好能看到刺激，或者降低刺激强度，直到刺激刚刚消失。这种方法也有习惯化和预期的错误(这两个错误将在下面讨论)，但对于获得可以用更复杂的技术进行研究的阈值估计是有用的。参见图11。
图11。用极限法确定阈值。A =上升极限，D =下降极限，Y =可见刺激，N =不可见刺激
的方法的限制包括提供一个远高于阈值的刺激，并逐步降低刺激强度，直到受试者无法检测到刺激(阈值)。这叫做递减极限。上升极限是指刺激最初出现时远低于阈值，然后刺激强度增加以达到阈值。升限和降限用于估计阈值。阈值被认为是由几个升限和降限估计的阈值点的平均值(图11)。
上升和下降极限是一种快速确定阈值的方法，然而，像调整方法一样，会出现两种误差;习惯化错误和预期错误。当受试者形成对刺激做出反应的习惯时，习惯化的错误就发生了。例如，在上升极限中，被试可能每次看到刺激超过阈值三步就会做出反应，从而给出一个错误的阈值点。当受试者在达到阈值之前过早地报告看到刺激时，预期错误就发生了。明确的指示、演示和练习可以减少习惯化的错误。通过改变每次试验的启动强度，可以将预期误差降到最低。
极限法的一种变体是阶梯法这涉及到审判中的升限和降限。刺激强度逐渐增加(上升极限)，直到受试者报告看到刺激。在这一点上，强度值被记录下来，然后刺激强度逐渐降低(下降极限)，直到受试者报告没有看到刺激。阈值被认为是这些反转点的平均值。参见图12所示。使用这种方法的阈值估计也容易出现上面提到的错误，因此，使用多个同时楼梯来最小化这种错误。
图12。楼梯的方法。Y = Yes，刺激物可以被看到，N = No，刺激物不能被看到
的恒定刺激法包括一系列刺激的重复出现。50%的阈值位于这个范围内。其他的心理物理技术被用来估计阈值和确定刺激强度被用于呈现。这些刺激是随机出现的。检测的百分比是作为刺激强度的函数确定的。一些高强度点总是被检测到，而其他低强度点永远不会被检测到。检测率与刺激强度的比值如图13所示。这个图形被称为心理测量函数，看起来像一个S形曲线，有时被称为o形曲线。阈值定义为检测到50%刺激的值。因此，下面数据的阈值为23.5。
图13。是-否范式的心理测量函数
通过要求受试者承诺一个答案，心理物理程序被用来最小化获得阈值的可变性。
的是非过程涉及到主体对信号存在与否的判断。刺激物出现时，被试者必须作出是或否的反应。正确的响应范围从0%到100%，如图13所示。
的被迫的选择过程包括强迫被试者从多个选项中做出选择，其中一个选项包含刺激。二选一被迫选择(2AFC)是指受试者在两种选择中进行选择。从4个备选方案和6个备选方案中进行选择分别称为4AFC和6AFC。不同刺激强度的正确率可以用来构造一个心理测量函数来确定阈值。由于2AFC已经有50%的正确反应的机会，通常认为阈值为75%(见图14)。
图14。2AFC的心理测量功能。阈值设置在75%可见的水平
对于4AFC，阈值被认为是62.5%的水平，因为这是25%和100%之间的一半。ogive从25%开始，因为在4AFC中已经有25%的机会得到正确的回答，如图15所示。
图15。4AFC的心理测量功能。阈值为62.5%
4.自适应心理物理方法
可适应的方法包括根据受试者之前的反应表现给出信号强迫选择跟踪使用了强制选择过程。当被试正确回应三次时，刺激强度降低一步。不正确的反应会导致刺激强度增加一步。在整个会话中，升序和降序步骤的大小保持不变。当刺激水平达到一个狭窄的范围时，这个过程就结束了。阈值被认为是稳定跟踪期间强度水平的平均值。
台阶的大小是一个重要因素。如果步骤太小，受试者可能无法辨别强度的差异。用小步骤达到阈值范围也将是耗时的。大的步骤可能完全错过阈值范围，从远高于阈值到远低于阈值。
序列检验(pest)的参数估计是为了解决步长和启动强度的问题。PEST技术以大步骤(强度变化大)开始，强度逐渐减半，直到确定阈值的最小指定步骤(见图16)。PEST实际上比这里解释的要复杂一些。
图16。使用PEST跟踪记录。Y = Yes，有刺激，N = No，没有刺激
最大似然方法．在强制选择跟踪和PEST中，刺激强度的后续变化依赖于被试之前的两到三次反应。在极大似然方法中，每次试验中所呈现的刺激强度是由受试者阈值的统计估计来确定的，该阈值基于从实验开始的所有反应。每次试验后，确定新的阈值估计值，并相应地调整刺激强度。阈值设定在刺激强度几乎没有变化的点。
最大似然方法的几个例子是QUEST(通过顺序测试的快速估计)、ZEST(顺序测试的快速估计)和SITA(瑞典交互式阈值算法——它是经过修改的ZEST)。这些方法需要关于阈值总体分布的先验信息，并用于构造概率分布函数(PDF)。先前的PDF是基于先前发表的数据，试点研究或实验者的期望。基于PDF，给出了最有可能成为受试者阈值的模式(QUEST)或均值(ZEST)刺激强度。然后使用贝叶斯的组合概率规则来构建一个新的PDF。下一个刺激强度呈现在新的水平，这是最有可能的阈值。在过程结束时，最终PDF的众数(QUEST)或均值(ZEST)被认为是受试者阈值的最佳估计。
参考文献
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Wyszecki G.和Stiles W.S.(1982)《色彩科学:概念和方法，定量数据和公式》，第2版。纽约:John Wiley and Sons, Inc。
作者
迈克尔Kalloniatis1958年出生于希腊雅典。他获得了墨尔本大学的视光学士学位和硕士学位。他在休斯顿大学视光学院获得博士学位，以研究猴子视觉系统中的颜色视觉处理。beplay体育公司博士后培训在休斯顿的德克萨斯大学继续，师从罗伯特·马克博士。正是在这一时期，他对视网膜神经化学产生了浓厚的兴趣，但他也保持着一个活跃的视觉心理物理学研究实验室，专注于色彩视觉和视觉适应。他曾在墨尔本大学视光与视觉科学系任教数年，后来移居新西兰，担任奥克兰大学视光与视觉科学系Robert G. Leitl视光教授。自2008年以来，Mike回到悉尼，澳大利亚的新南威尔士大学作为教员，现在是眼睛健康中心的主任，该中心是新南威尔士/ACT导盲犬和新南威尔士大学(UNSW)的一个倡议。电子邮件m.kalloniatis@unsw.edu.au
作者
查尔斯灾区1974年出生于越南参苴。他在墨尔本接受教育，并于1996年获得墨尔本大学的视光学位，随后在维多利亚视光学院进行临床住院治疗。在此期间，他完成了研究生培训，并获得了临床验光研究生文凭。他的专业领域包括低视力和隐形眼镜。在他担任验光师期间，他与Michael Kalloniatis博士合作，教授验光学生，并组装了“独眼”。Cyclopean Eye是一个基于网络的交互式单元，用于验光学本科生的视觉科学教学。他目前是墨尔本大学视光与视觉科学系的私人验光诊所和访问临床医生。