1. Световоспринимающая система глаза

Рассмотрение световоспринимающей части зрительной системы начинается со знакомства с основными элементами сетчатой оболочки глаза [1, 2]. На рис. 1.1 представлена упрощенная схема структуры сетчатки.

Рис. 1.1. Строение сетчатки

В верхнюю часть рисунка, которую часто называют мозговым слоем, входят нервное волокно (зрительный оптический канал), ганглиозные, амакринные (амакриновые), горизонтальные и биполярные клетки. По ганглиозным и биполярным клеткам осуществляется, так называемая, «вертикальная» передача информации по сетчатке навстречу поступающему потоку (на рис. 1.1 — падающий на глаз поток распространяется сверху вниз). Отметим, что по современным научным представлениям среди ганглиозных клеток есть те, которые отвечают за синхронизацию биологических ритмов. Эти клетки отправляют в мозг информацию о количестве и спектральном распределении поступающего излучения (если коротковолнового, точнее ультрафиолетового, фиолетового и синего излучения в падающем потоке мало, выделяется гормон усталости мелатонин, ответственный за сон; если много — гормон бодрости — кортизол). Амакриновые и горизонтальные клетки — отвечают за кодирование информации (борьба за уменьшения потока информации, которая передается в центральные участки коры головного мозга по нейронам и зрительному оптическому каналу). Преобразование сигналов при кодировании происходит сложением и вычитанием, т. е. преобразование является линейным процессом.

В нижней части рисунка (светочувствительный слой) расположены светочувствительные рецепторы [1–3]. Среди них, так называемые, палочки (приемники ночного зрения с веществом — родопсином) и три типа колбочек (приемники дневного зрения с веществом — иодопсином). При падении потока на рецепторы происходит фотохимическая реакция: родопсин и/или иодопсин разлагаются, образуя ионы. Когда последних скапливается достаточное количество, происходит «пробой» синапса (места перехода от одного нервного волокна — нейрона к другому) и информация распространяется дальше в виде нервного импульса (на рис. 1.1 — вертикально снизу вверх). Этот этап необходимо отметить, как нелинейный. В сетчатке содержатся около 120–130 миллионов палочек и около 7–10 миллионов колбочек. У колбочек обнаружены разные спектральные чувствительности (максимумы в желтой, зеленой и синей частях спектра, рис. 1.2).

Именно с них начинается первый этап спектрального анализа излучения и передачи первичной информации о цвете. Самый нижний элемент рисунка — пигментированный эпителий или кожный эпителий — предохранительная система с веществом — фусцином. С возрастанием потока эпителий разбухает и его коэффициент поглощения возрастает. Таков один из механизмов защиты зрительной системы от большого («лишнего») света.

Рис. 1.2. Относительные спектральные чувствительности К, З и С колбочек

2. Основные понятия колориметрии

На основании спектрофотометрических экспериментов было установлено, что в сетчатке имеются три типа колбочек с разными спектральными чувствительностями [2–4]. На рис. 2.1 представлена упрощенная схема преобразования информации в сетчатке по современным научным представлениям. На первом этапе кодирования в клетку Я поступают сигналы от всех трех типов колбочек, условно названных К, З и С. Эта клетка может быть названа «яркостной», так как благодаря ей в мозг поступает информация о яркости объекта или фона. Поэтому распределение реакции R от длины волны клетки Я соответствует V(λ) — относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения стандартного фотометрического наблюдателя МКО 1931 года. На этом же этапе информация от К и З колбочек поступает в клетку Ж, которая сыграет еще свою роль на втором этапе преобразования — когда на одну, так называемую, оппонентную клетку Ж-С поступают сигналы от Ж клетки и С колбочки, а на другую оппонентную К-З — от К и З колбочек. Когда в падающем на сетчатку световом потоке преобладает длинноволновая составляющая (желтая или красная часть света соответственно) реакция оппонентных клеток выражается повышением потенциала, если преобладает коротковолновая составляющая (синяя или зеленая соответственно) — уменьшением потенциала.

Рис. 2.1. Схема преобразования информации в сетчатке

Для описания реакций разных приемников дневного зрения используют понятия эффективных потоков [2]. Так эффективный поток для колбочек с максимумом спектральной чувствительности в длинноволновой части видимого спектра, условно называемых «красными» можно записать как:

, (2.1)

где — функция сложения [5] тождественная спектральной чувствительности «красных» колбочек.

Аналогично можно записать эффективные потоки для «зеленых» и «синих» (максимумы спектральной чувствительности в средневолновой и коротковолновой частях видимого спектра соответственно) колбочек:

, (2.2)

, (2.3)

где К⁰, З⁰, С⁰ — единичные значения уровней возбуждения К, З, С колбочек (для каждого типа колбочек имеет место своя мера и значит, своя эффективная система); _e() — спектральная плотность энергетического потока излучения; — функции сложения.

Общий световой поток или яркость в колориметрии принято записывать суммированием трех световых величин:

Ф = Ф_к + Ф_з + Ф_с или L = L_к + L_з + L_с. Подробнее:

(2.4)

,

(2.5)

L_e() — спектральная плотность энергетической яркости, _к, _з, _с — яркостные коэффициенты основных цветов.

Таким образом, д ля цветовых расчетов необходимы такие понятия как координаты цвета и яркостный коэффициент. Координаты цвета К, З, С определяются выражениями:

, (2.6)

характеризуют количество красной, зеленой и синей составляющих в произвольном цвете F.

Яркостный коэффициент β произвольного цвета F определяется как:

, (2.7)

где σ = К + З + С — называется модулем цвета.

Для монохроматического энергетического потока излучения _e() выражения (2.6) примут вид:

. (2.8)

Выражение (2.8) показывает физическое содержание удельных координат цвета: координаты цвета монохроматического излучения мощностью 1 Вт совпадают с удельными координатами цвета.

Для характеристики цветности, как двухмерной величины, достаточно двух координат цветности, например, к и з:

, (2.9)

третья координата, «с» выражается через координаты «к» и «з»:

с = 1 – к – з. (2.10)

Таким образом, цвет полностью определяется координатами цвета, например, К, З, С или координатами цветности (например, к, з) и яркостью L.

Учитывая известное фотометрическое соотношение, связывающее световые и энергетические величины [2]:

, (2.11)

из выражения (2.5) можно получить:

, (2.12)

где _к, _з, _с — яркостные коэффициенты, а по существу весовые коэффициенты, связывающие колориметрию и фотометрию, т.е. относительную спектральную световую эффективность и спектральные чувствительности колбочек.