3. Основы фотометрии.

Обсуждение вопросов биофизических процессов зрительного восприятия требует знания основных понятий, относящихся к измерению световых величин. Этот круг вопросов изучает фотометрия.

Одной из фотометрических величин является световой поток (Ф), который представляет энергию (dW) световой волны, проходящую в единицу времени через данную поверхность: . Световой поток измеряется в люменах (лм).

Освещённость поверхности – это отношение светового потока к площади этой поверхности: . Освещённость измеряется в люксах (лк).

Физиологическое действие света на человека в значительной степени зависит от освещённости. При малых освещённостях глаз с трудом различает мелкие предметы и быстро устаёт. При больших освещённостях свет оказывает вредное действие на сетчатку и возбуждающе действует на нервную систему. Поэтому установлены гигиенические нормы освещённости жилых и производственных помещений. Например, в аудитории (на уровне поверхности стола) освещённость должна быть 150 лк, в комнатах в общежитии – 50 лк и т.д.

Сила света источника (I) – это отношение светового потока к величине телесного угла, внутри которого этот поток распространяется:

, где Ω – телесный угол, измеряемый в стерадианах. Сила света измеряется канделами (кд). Это основная единица в системе СИ.

Яркость (L) – величина, численно равная отношению светового потока внутри телесного угла к величине этого угла и к площади излучающей площадки: , где α – угол между нормалью к поверхности и осью телесного угла. Так как , то .

Единицей измерения яркости является 1 Нит (нт)= . Яркость листа белой бумаги при чтении и письме должна быть не менее 10кд/м². Наименьшая яркость светящихся поверхностей, воспринимаемая глазом в темноте, называется порогом яркости для человеческого глаза и равна 1·10^-5 кд/м².

4. Чувствительность глаза к свету и цвету. Адаптация.

Свет, попадающий в глаз, фокусируется с помощью хрусталика на слой светочувствительных клеток сетчатки колбочек и палочек. Светочувствительные элементы сетчатки – колбочки расположены в жёлтом пятне. Палочки же располагаются по краям жёлтого пятна и по остальной поверхности сетчатой оболочки. Количество колбочек равно примерно 7 миллионам, а палочек примерно – 130 миллионам.

Палочки не различают цвета и отвечают за чёрно-белое или сумеречное зрение (ахроматическое). Только световое раздражение колбочек вызывает ощущение цвета и, благодаря наличию колбочек, осуществляется дневное зрение. Колбочки сосредоточены в центре сетчатки, потому что цветовое зрение осуществляется в условиях яркого освещения при суженном зрачке, пропускающем свет в основном на центральную часть сетчатки.

Чувствительность палочек значительно выше, чем колбочек, которые функционируют лишь при освещённостях выше 10^-2 лк, тогда как палочки реагируют на свет даже при освещённости до 10^-6 лк. В этом легко убедиться в сумерках, когда нам кажется, что все предметы теряют свою окраску.

Восприятие света, так же как и восприятие звука, подчиняется закону Вебера-Фехнера, согласно которому прирост силы светового ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивности двух сравниваемых световых потоков.

Светочувствительность глаза изменяется в широких пределах благодаря зрительной адаптации. Известно, что при входе в слабо освещённую комнату вначале человек не различает предметы и для их различия требуется определённое время, т.е. переход от дневного к сумеречному зрению требует определённого времени. Этот процесс называется адаптацией. Адаптация – это способность глаза приспосабливаться к различным яркостям. До полной адаптации иногда необходимо время 30-40 минут. Адаптация позволяет глазу нормально функционировать в диапазоне яркости 10^-5-10⁵ кд/м².

Исследования показали, что минимальное количество света, которое должно падать на поверхность глаза для создания светового ощущения, составляет от 60 до 150 фотонов жёлто-зелёного света. До сетчатки доходит ещё меньше фотонов. Около 50% поглощается хрусталиком, около 4% отражается от роговицы. Таким образом, на долю фоторецепторов остаётся всего несколько процентов от числа фотонов, падающих на роговицу. Исследования показали, что порог чувствительности глаза, адаптированного к темноте, для жёлто-зелёного света составляет всего 2-3 фотона. Фоторецепторы преобразуют световую энергию в электрическую с коэффициентом усиления 10⁵-10⁶. Такое большое усиление позволяет даже единичным фотонам создать нервный импульс и соответственно световое ощущение.

Таким образом, глаз является одним из чувствительнейших приборов.

Глаз человека реагирует на электромагнитные волны с длиной волны примерно от 400 до 780 нм. Причём даже в указанном интервале чувствительность глаза к различным длинам волн неодинакова. Чувствительность глаза для более длинных и более коротких волн резко снижается. Наибольшей чувствительностью глаз обладает к длине волны λ_max=555 нм, т.е. к зелёному цвету. Если взять несколько источников различного цвета, обладающих одинаковой мощностью, то они будут представлены глазу не одинаково яркими. Например, чтобы красный свет казался столь же ярким, как и зелёный, необходимо, чтобы его мощность превышала мощность зелёного в несколько раз. Поэтому, для характеристики спектральной чувствительности глаза вводят величину, которая равна отношению мощности излучения с длиной волны λ_max=555 нм к мощности излучения с длиной волны λ, вызывающей ощущение такой же яркости, как и излучение с длиной волны λ_max. Эта величина называется относительной спектральной световой эффективностью V_λ (иногда пользуются старым названием – относительная видность): . Значение функции V_λ для различных длин волн были определены путём усреднения результатов многочисленных измерений. Для зелёного цвета λ_max=555нм значение V_λ=1.

График зависимости V_λ от длины волны λ называется спектральной чувствительностью глаза.

П олучены кривые (рис.9) спектральной чувствительности в условиях дневного (2) зрения и сопоставлены с кривой чувствительности в условиях сумеречного зрения (1). При дневном зрении максимум чувствительности соответствует длине волны λ_max=555 нм, при сумеречном – длине волны 510 нм, т.е. кривая смещена относительно кривой дневного зрения в направлении более коротких длин волн и максимум находится в области синего цвета. Поэтому, при рассмотрении предмета сначала при сильном освещении, а затем при значительно более слабом, замечают смещение окраски предмета в синюю часть спектра.

Не следует, однако, думать, что глаз не чувствителен к излучениям, лежащим за пределами диапазона 400-780 нм. Человек может воспринимать излучение в ультрафиолетовой области до 300 нм и инфракрасной области до 950 нм, но чувствительность глаза к этим волнам в миллиард раз меньше, чем для λ_max=555 нм.

Хрусталик и стекловидное тело почти полностью поглощают ультрафиолет. Поэтому при удалении хрусталика (по поводу катаракты), чувствительность глаза к ультрафиолету значительно возрастает.

Максимум кривой видности дневного зрения соответствует максимуму солнечного излучения, прошедшего через атмосферу и попавшего на поверхность Земли. В этом проявляется целесообразность организации глаза как светочувствительного аппарата.