О разделе

Этот раздел содержит статьи, посвященные феноменам или версиям, которые так или иначе могут быть интересны или полезны исследователям необъясненного.
Статьи разделены по категориям:
Информационные. Содержат полезную для исследователей информацию из различных областей знаний.
Аналитические. Включают аналитику накопленной информации о версиях или феноменах, а также описания результатов проведенных экспериментов.
Технические. Аккумулируют информацию о технических решениях, которые могут найти применение в сфере изучения необъясненных фактов.
Методики. Содержат описания методик, применяемых участниками группы при расследовании фактов и исследовании феноменов.
Медиа. Содержат информацию об отражении феноменов в индустрии развлечений: фильмах, мультфильмах, играх и т.п.
Известные заблуждения. Разоблачения известных необъясненных фактов, собранные в том числе из сторонних источников.

Тип статьи:

Информационные

Особенности восприятия человека. Зрение

Человек не может видеть в полной темноте. Для того, чтобы человек увидел предмет, необходимо, чтобы свет отразился от предмета и попал на сетчатку глаза. Источники света могут быть естественные (огонь, Солнце) и искусственные (различные лампы). Но что представляет собой свет?

Согласно современным научным представлениям, свет представляет собой электромагнитные волны определенного (достаточно высокого) диапазона частот. Эта теория берет свое начало от Гюйгенса и подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга). При этом в природе света в полной мере проявляется карпускулярно-волновой дуализм , что во многом определяет его свойства: при распространении свет ведет себя как волна, при излучении или поглощении – как частица (фотон). Таким образом, световые эффекты, происходящие при распространении света (интерференция , дифракция и т.п.), описываются уравнениями Максвелла , а эффекты, проявляющиеся при его поглощении и излучении (фотоэффект , эффект Комптона) – уравнениями квантовой теории поля .

Упрощенно, глаз человека представляет собой радиоприемник, способный принимать электромагнитные волны определенного (оптического) диапазона частот. Первичными источниками этих волн являются тела, их излучающие (солнце, лампы и т.п.), вторичными – тела, отражающие волны первичных источников. Свет от источников попадает в глаз и делает их видимыми человеку. Таким образом, если тело является прозрачным для волн видимого диапазона частот (воздух, вода, стекло и т.п.), то оно не может быть зарегистрировано глазом. При этом глаз, как и любой другой радиоприемник, «настроен» на определенный диапазон радиочастот (в случае глаза это диапазон от 400 до 790 терагерц), и не воспринимает волны, имеющие более высокие (ультрафиолетовые) или низкие (инфракрасные) частоты. Эта «настройка» проявляется во всем строении глаза – начиная от хрусталика и стекловидного тела, прозрачных именно в этом диапазоне частот, и заканчивая величиной фоторецепторов, которые в данной аналогии подобны антеннам радиоприемников и имеют размеры, обеспечивающие максимально эффективный прием радиоволн именно этого диапазона.

Все это в совокупности определяет диапазон частот, в котором видит человек. Он называется диапазоном видимого излучения.

Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими частотами также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

Белый свет, разделённый призмой на цвета спектра

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:

Чем человек видит

Благодаря зрению мы получаем 90% информации об окружающем мире, поэтому глаз - один из важнейших органов чувств.
Глаз можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача - "передать" правильное изображение зрительному нерву.

Строение глаза человека

Роговица - прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Входит в оптическую систему глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза - склерой.

Передняя камера глаза - это пространство между роговицей и радужкой. Она заполнена внутриглазной жидкостью.

Радужка - по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры зрачка меняются. Она входит в сосудистую оболочку глаза. Радужка отвечает за цвет глаз (если он голубой - значит, в ней мало пигментных клеток, если карий - много). Выполняет ту же функцию, что диафрагма в фотоаппарате, регулируя светопоток.

Зрачок - отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок.

Хрусталик - "естественная линза" глаза. Он прозрачен, эластичен - может менять свою форму, почти мгновенно "наводя фокус", за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза. Прозрачность хрусталика глаза человека превосходна - пропускается большая часть света с длинами волн между 450 и 1400 нм. Свет с длиной волны выше720 нм не воспринимается. Хрусталик глаза человека почти бесцветен при рождении, но приобретает желтоватый цвет с возрастом. Это предохраняет сетчатку глаза от воздействия ультрафиолетовых лучей.

Стекловидное тело - гелеобразная прозрачная субстанция, расположенная в заднем отделе глаза. Стекловидное тело поддерживает форму глазного яблока, участвует во внутриглазном обмене веществ. Входит в оптическую систему глаза.

Сетчатка - состоит из фоторецепторов (они чувствительны к свету) и нервных клеток. Клетки-рецепторы, расположенные в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной ткани, т.е. фотохимическая реакция.

Склера - непрозрачная внешняя оболочка глазного яблока, переходящая в передней части глазного яблока в прозрачную роговицу. К склере крепятся 6 глазодвигательных мышц. В ней находится небольшое количество нервных окончаний и сосудов.

Сосудистая оболочка - выстилает задний отдел склеры, к ней прилегает сетчатка, с которой она тесно связана. Сосудистая оболочка ответственна за кровоснабжение внутриглазных структур. При заболеваниях сетчатки очень часто вовлекается в патологический процесс. В сосудистой оболочке нет нервных окончаний, поэтому при ее заболевании не возникают боли, обычно сигнализирующие о каких-либо неполадках.

Зрительный нерв - при помощи зрительного нерва сигналы от нервных окончаний передаются в головной мозг.

Человек не рождается с уже развитым органом зрения: в первые месяцы жизни происходит формирование мозга и зрения, и примерно к 9 месяцам они способны почти моментально обрабатывать поступающую зрительную информацию. Для того чтобы видеть, необходим свет.

Световая чувствительность человеческого глаза

Способность глаза воспринимать свет и распознавать различной степени его яркости называется светоощущением, а способность приспосабливаться к разной яркости освещения - адаптацией глаза; световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя.
Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации. Её определяют под действием светового потока в телесном угле 50° при длине волны 500 нм (максимум чувствительности глаза). В этих условиях пороговая энергия света около 10−9 эрг/с, что эквивалентно потоку нескольких квантов оптического диапазона в секунду через зрачок.
Вклад зрачка в регулировку чувствительности глаза крайне незначителен. Весь диапазон яркостей, которые наш зрительный механизм способен воспринять, огромен: от 10−6 кд м² для глаза, полностью адаптированного к темноте, до 106 кд м² для глаза, полностью адаптированного к свету Механизм такого широкого диапазона чувствительности кроется в разложении и восстановлении фоточувствительных пигментов в фоторецепторах сетчатки - колбочках и палочках.
В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение.

Нормализованные графики светочувствительности колбочек человеческого глаза S, M, L. Пунктиром показана сумеречная, «чёрно-белая» восприимчивость палочек.

В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра. Распределение типов колбочек в сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом. Соответствие типов колбочек трём «основным» цветам обеспечивает распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что способствует явлению метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета.

Равномерное раздражение всех трёх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета.

За цветовое зрение человека отвечают гены, кодирующие светочувствительные белки опсины. По мнению сторонников трёхкомпонентной теории, наличие трёх разных белков, реагирующих на разные длины волн, является достаточным для цветового восприятия.

У большинства млекопитающих таких генов только два, поэтому они имеют черно-белое зрение.

Чувствительный к красному свету опсин кодируется у человека геном OPN1LW.
Другие опсины человека кодируют гены OPN1MW, OPN1MW2 и OPN1SW, первые два из них кодируют белки, чувствительные к свету со средними длинами волны, а третий отвечает за опсин, чувствительный к коротковолновой части спектра.

Поле зрения

Поле зрения - пространство, одновременно воспринимаемое глазом при неподвижном взоре и фиксированном положении головы. Оно имеет определенные границы, соответствующие переходу оптически деятельной части сетчатки в оптически слепую.
Поле зрения искусственно ограничивается выступающими частями лица - спинкой носа, верхним краем глазницы. Кроме того, его границы зависят от положения глазного яблока в глазнице. Кроме этого, в каждом глазу здорового человека существует область сетчатки, не чувствительная к свету, которая называется слепым пятном. Нервные волокна от рецепторов к слепому пятну идут поверх сетчатки и собираются в зрительный нерв, который проходит сквозь сетчатку на другую её сторону. Таким образом, в этом месте отсутствуют световые рецепторы.

На этом конфокальном микроснимке диск зрительного нерва показан черным, клетки, выстилающие кровеносные сосуды - красным, а содержимое сосудов - зеленым. Клетки сетчатки отобразились синими пятнами.

Слепые пятна в двух глазах находятся в разных местах (симметрично). Этот факт, а так же то, что мозг корректирует воспринимаемое изображение, объясняет почему при нормальном использовании обоих глаз они незаметны.

Чтобы наблюдать у себя слепое пятно, закройте правый глаз и левым глазом посмотрите на правый крестик, который обведён кружочком. Держите лицо и монитор вертикально. Не сводя взгляда с правого крестика, приближайте (или отдаляйте) лицо от монитора и одновременно следите за левым крестиком (не переводя на него взгляд). В определённый момент он исчезнет.

Этим способом можно также оценить приблизительный угловой размер слепого пятна.

Прием для обнаружения слепого пятна

Выделяют также парацентральные отделы поля зрения. В зависимости от участия в зрении одного или обоих глаз, различают монокулярное и бинокулярное поле зрения. В клинической практике обычно исследуют монокулярное поле зрения.

Бинокулярное и Стереоскопическое зрение

Зрительный анализатор человека в нормальных условиях обеспечивает бинокулярное зрение, то есть зрение двумя глазами с единым зрительным восприятием. Основным рефлекторным механизмом бинокулярного зрения является рефлекс слияния изображения - фузионный рефлекс (фузия), возникающий при одновременном раздражении функционально неодинаковых нервных элементов сетчатки обоих глаз. Вследствие этого возникает физиологическое двоение предметов, находящихся ближе или дальше фиксируемой точки (бинокулярная фокусировка). Физиологичное двоение (фокус) помогает оценивать удалённость предмета от глаз и создает ощущение рельефности, или стереоскопичности, зрения.

При зрении одним глазом восприятие глубины (рельефной удалённости) осуществляется гл. обр. благодаря вторичным вспомогательным признакам удаленности (видимая величина предмета, линейная и воздушная перспективы, загораживание одних предметов другими, аккомодация глаза и т. д..).

Проводящие пути зрительного анализатора
1 - Левая половина зрительного поля, 2 - Правая половина зрительного поля, 3 - Глаз, 4 - Сетчатка, 5 - Зрительные нервы, 6 - Глазодвигательный нерв, 7 - Хиазма, 8 - Зрительный тракт, 9 - Латеральное коленчатое тело, 10 - Верхние бугры четверохолмия, 11 - Неспецифический зрительный путь, 12 - Зрительная кора головного мозга.

Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, хиазму, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим. Все эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему.

Изменение зрения с возрастом

Элементы сетчатки начинают формироваться на 6–10 неделе внутриутробного развития, окончательное морфологическое созревание происходит к 10–12 годам. В процессе развития организма существенно меняются цветоощущения ребенка. У новорожденного в сетчатке функционируют только палочки, обеспечивающие черно-белое зрение. Количество колбочек невелико и они еще не зрелы. Распознавание цветов в раннем возрасте зависит от яркости, а не от спектральной характеристики цвета. По мере созревания колбочек дети сначала различают желтый, потом зеленый, а затем красный цвета (уже с 3 месяцев удавалось выработать условные рефлексы на эти цвета). Полноценно колбочки начинают функционировать к концу 3 года жизни. В школьном возрасте различительная цветовая чувствительность глаза повышается. Максимального развития ощущение цвета достигает к 30 годам и затем постепенно снижается.

У новорожденного диаметр глазного яблока составляет 16 мм, а его масса – 3,0 г. Рост глазного яблока продолжается после рождения. Интенсивнее всего оно растет первые 5 лет жизни, менее интенсивно – до 9-12 лет. У новорожденных форма глазного яблока более шаровидная, чем у взрослых, в результате в 90 % случаев у них отмечается дальнозоркая рефракция.

Зрачок у новорожденных узкий. Из-за преобладания тонуса симпатических нервов, иннервирующих мышцы радужной оболочки, в 6–8 лет зрачки становятся широкими, что увеличивает риск солнечных ожогов сетчатки. В 8–10 лет зрачок сужается. В 12–13 лет быстрота и интенсивность зрачковой реакции на свет становятся такими же, как у взрослого человека.

У новорожденных и детей дошкольного возраста хрусталик более выпуклый и более эластичный, чем у взрослого, его преломляющая способность выше. Это позволяет ребенку четко видеть предмет на меньшем расстоянии от глаза, чем взрослому. И если у младенца он прозрачный и бесцветный, то у взрослого человека хрусталик имеет легкий желтоватый оттенок, интенсивность которого с возрастом может усиливаться. Это не отражается на остроте зрения, но может повлиять на восприятие синего и фиолетового цветов.

Сенсорные и моторные функции зрения развиваются одновременно. В первые дни после рождения движения глаз несинхронны, при неподвижности одного глаза можно наблюдать движение другого. Способность фиксировать взглядом предмет формируется в возрасте от 5 дней до 3–5 месяцев.

Реакция на форму предмета отмечается уже у 5-месячного ребенка. У дошкольников первую реакцию вызывает форма предмета, затем его размеры и уже в последнюю очередь – цвет.
Острота зрения с возрастом повышается, улучшается и стереоскопическое зрение. Стереоскопическое зрение к 17–22 годам достигает своего оптимального уровня, причем с 6 лет у девочек острота стереоскопического зрения выше, чем у мальчиков. Поле зрения интенсивно увеличивается. К 7 годам его размер составляет приблизительно 80 % от размера поля зрения взрослого.

После 40 лет наблюдается падение уровня периферического зрения, то есть происходит сужение поля зрения и ухудшение бокового обзора.
Примерно после 50 лет сокращается выработка слезной жидкости, поэтому глаза увлажняются хуже, чем в более молодом возрасте. Чрезмерная сухость может выражаться в покраснении глаз, рези, слезотечении под действием ветра или яркого света. Это может не зависеть от обычных факторов (частые напряжения глаз или загрязненность воздуха).

С возрастом человеческий глаз начинает воспринимать окружающее более тускло, с понижением контрастности и яркости. Также может ухудшиться способность распознавать цветовые оттенки, особенно близкие в цветовой гамме. Это напрямую связано с сокращением количества клеток сетчатой оболочки, воспринимающих оттенки цвета, контрастность, яркость.

Некоторые возрастные нарушения зрения обусловлены пресбиопией, которая проявляется нечеткостью, размытостью картинки при попытке рассмотреть предметы, расположенные близко от глаз. Возможность фокусировки зрения на небольших предметах требует аккомодацию около 20 диоптрий (фокусировка на объекте в 50 мм от наблюдателя) у детей, до 10 диоптрий в возрасте 25 лет (100 мм) и уровни от 0,5 до 1 диоптрии в возрасте 60 лет (возможность фокусировки на предмете в 1-2 метрах). Считается, что это связано с ослаблением мышц, которые регулируют зрачок, при этом так же ухудшается реакция зрачков на попадающий в глаз световой поток. Поэтому возникают трудности с чтением при тусклом свете и увеличивается время адаптации при перепадах освещенности.

Так же с возрастом начинает быстрее возникать зрительное утомление и даже головные боли.

Восприятие цвета

Психология восприятия цвета - способность человека воспринимать, идентифицировать и называть цвета.

Ощущение цвета зависит от комплекса физиологических, психологических и культурно-социальных факторов. Первоначально исследования восприятия цвета проводились в рамках цветоведения; позже к проблеме подключились этнографы, социологи и психологи.

Зрительные рецепторы по праву считаются «частью мозга, вынесенной на поверхность тела». Неосознаваемая обработка и коррекция зрительного восприятия обеспечивает «правильность» зрения, и она же является причиной «ошибок» при оценке цвета в определенных условиях. Так, устранение «фоновой» засветки глаза (например, при разглядывании удаленных предметов через узкую трубку) существенно меняет восприятие цвета этих предметов.

Одновременное рассматривание одних и тех же несамосветящихся предметов или источников света несколькими наблюдателями с нормальным цветовым зрением, в одинаковых условиях рассматривания, позволяет установить однозначное соответствие между спектральным составом сравниваемых излучений и вызываемыми ими цветовыми ощущениями. На этом основаны цветовые измерения (колориметрия). Такое соответствие однозначно, но не взаимно-однозначно: одинаковые цветовые ощущения могут вызывать потоки излучений различного спектрального состава (метамерия).

Определений цвета, как физической величины, существует много. Но даже в лучших из них с колориметрической точки зрения часто опускается упоминание о том, что указанная (не взаимная) однозначность достигается лишь в стандартизованных условиях наблюдения, освещения и т. д., не учитывается изменение восприятия цвета при изменении интенсивности излучения того же спектрального состава (явление Бецольда - Брюкке), не принимается во внимание т. н. цветовая адаптация глаза и др. Поэтому многообразие цветовых ощущений, возникающих при реальных условиях освещения, вариациях угловых размеров сравниваемых по цвету элементов, их фиксации на разных участках сетчатки, разных психофизиологических состояниях наблюдателя и т. д., всегда богаче колориметрического цветового многообразия.

Например, в колориметрии одинаково определяются некоторые цвета (такие, как оранжевый или жёлтый), которые в повседневной жизни воспринимаются (в зависимости от светлоты) как бурый, «каштановый», коричневый, «шоколадный», «оливковый» и т. д. В одной из лучших попыток определения понятия Цвет, принадлежащей Эрвину Шрёдингеру, трудности снимаются простым отсутствием указаний на зависимость цветовых ощущений от многочисленных конкретных условий наблюдения. По Шредингеру, Цвет есть свойство спектрального состава излучений, общее всем излучениям, визуально не различимым для человека.

В силу природы глаза, свет, вызывающий ощущение одного и того же цвета (например белого), то есть одну и ту же степень возбуждения трёх зрительных рецепторов, может иметь разный спектральный состав. Человек в большинстве случаев не замечает данного эффекта, как бы «домысливая» цвет. Это происходит потому, что хотя цветовая температура разного освещения может совпадать, спектры отражённого одним и тем же пигментом естественного и искусственного света могут существенно отличаться и вызывать разное цветовое ощущение.

Человеческий глаз воспринимает множество различных оттенков, однако есть «запрещенные» цвета, недоступные для него. В качестве примера можно привести цвет, играющий и желтыми, и синими тонами одновременно. Так происходит потому, что восприятие цвета в глазе человека, как и многое другое в нашем организме, построено на принципе оппонентности. Сетчатка глаза имеет особые нейроны-оппоненты: некоторые из них активизируются, когда мы видим красный цвет, и они же подавляются зеленым цветом. То же самое происходит и с парой желтый-синий. Таким образом, цвета в парах красный-зеленый и синий-желтый оказывают противоположное воздействие на одни и те же нейроны. Когда источник излучает оба цвета из пары, их воздействие на нейрон компенсируется, и человек не может увидеть ни один из этих цветов. Мало того, человек не только не способен увидеть эти цвета в нормальных обстоятельствах, но и представить их.

Увидеть такие цвета можно только в рамках научного эксперимента. Например, ученые Хьюитт Крэйн и Томас Пьянтанида из Стенфордского института в Калифорнии создали специальные зрительные модели, в которых чередовались полосы «спорящих» оттенков, быстро сменяющих друг друга. Эти изображения, зафиксированные специальным прибором на уровне глаз человека, показывались десяткам добровольцев. После эксперимента люди утверждали, что в определенный момент границы между оттенками исчезали, сливаясь в один цвет, с которым раньше им никогда не приходилось сталкиваться.

Различия зрения человека и животных. Метамерия в фотографии

Человеческое зрение является трёхстимульным анализатором, то есть спектральные характеристики цвета выражаются всего в трех значениях. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, цвета воспринимаются как одинаковые.

В животном мире существуют четырёх- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, поэтому цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными. В частности, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминесценции компонентов их мочи.
Похожая ситуация складывается и с системами регистрации изображений, как цифровыми, так и аналоговыми. Хотя в большинстве своём они являются трёхстимульными (три слоя эмульсии фотоплёнки, три типа ячеек матрицы цифрового фотоаппарата или сканера), их метамерия отлична от метамерии человеческого зрения. Поэтому цвета, воспринимаемые глазом как одинаковые, на фотографии могут получаться разными, и наоборот.

Источники

О. А. Антонова, Возрастная анатомия и физиология, Изд.: Высшее образование, 2006 г.

Лысова Н. Ф. Возрастная анатомия, физиология и школьная гигиена. Учеб. пособие / Н. Ф. Лысова, Р. И. Айзман, Я. Л. Завьялова, В.

Погодина А.Б., Газимов А.Х., Основы геронтологии и гериатрии. Учеб. Пособие, Ростов-на-Дону, Изд. Феникс, 2007 – 253 с.

Оптическое излучение , свет в широком смысле слова, электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от 1 нм до 1 мм. К оптическому излучению, помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения, относятсяинфракрасное излучениеиультрафиолетовое излучение. Скорость распространения оптического излучения в вакууме (скорость света) - около 3·108 м/сек. В любой другой среде эта скорость меньше

Различные виды оптического излучения классифицируют по следующим признакам: природа возникновения (тепловое излучение, люминесцентное излучение); степень однородности спектрального состава (монохроматическое, немонохроматическое,); степень упорядоченности ориентации электрического имагнитноговекторов (естественное, поляризованное линейно, по кругу, эллиптически); степень рассеянияпотока излучения(направленное, диффузное, смешанное) и т.д. Падающий на поверхность какого-либо тела поток оптического излучения частично отражается, частично проходит через тело и частично поглощается в нём. Поглощённая часть энергии излучения преобразуется главным образом в тепло, повышая температуру тела. Однако возможны и другие виды преобразования энергии

Лучистый поток , Лучистый поток, или поток излучения, характеризует мощность излучения, определяемую отношением лучистой энергии, переносимой излучением в данном направлении, ко времени переноса. Лучистый поток измеряется в люменах(лм)

Лучистые потоки, возникающие под действием солнечной радиации, приходят на поверхности зданий непосредственно в виде прямых солнечных лучей, в виде лучей, рассеянных атмосферой и облаками, а также в виде потоков, отраженных от поверхностей расположенных рядом зданий, земли и различных предметов.

Особенности восприятия света человеком.

Глаз способен оценивать общее количество доходящего до него света и распределение его по различным направлениям. Иными словами, глаз представляет собой нетолько орган светоощущения, но и оптический анализатор окружающего мира.

Человеческому глазу присущи дефекты и ограничения, свойственные всякой оптической системе. Однако широкие пределы чувствительности глаза, его способность приспосабливаться к различным условиям распределения яркости в поле зрения позволяют оценивать глаз как наиболее совершенный орган чувств. Способность глаза реагировать как на весьма слабые, так и на интенсивные раздражители объясняется наличием в сетчатке глаза двоякого рода элементов – колбочек и палочек, воспринимающих световые раздражения.

Яркость-гл.фактор. цвет-особенность зрительного восприятия позволяющая распознавать цветовые излучения.

Колбочки-яркость,цветность.

Палочки-ощущение яркости или малой интенсивности освящения.

Световой поток. Сила света. Освещенность.

Световой поток - физическая величина, характеризующая«количество» световой энергиив соответствующемпотоке излучения. Иными словами, этомощностьтакогоизлучения, котороедоступно для восприятия нормальным человеческим глазом.

Сила света, - кандела(кд) - для оценки светового действия источника в каком-либо определенном направлении пользуются понятием силы света. Сила света, исходящего от точечного источника и распространияющегося внутри телесного угла, содержащего заданное направление, вычисляется по формуле

I = Φ/Ω. (Кд-канделы)Где Φ – световой поток, лм; Ω – пространственный угол

Освещенность (Е) представляет собой плотность светового потока, т.е отношение светового потока Φ, падающего на элемент поверхности, содержащей данную точку, к площади этого элемента А(Е = Φ/А). Единица освещенности – люкс(лк); 1 лк равен освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на поверхности площадью 1 м2. Об освещенности, равной 1 лк, можно судить по следующим примерам: освещенность горизонтальной поверхности при лунном освещении составляет 0,2 лк; в белые петербургские ночи – 2-3 лк. Освещенность, создаваемая точечным излучателем с заданным распределением силы света, определяется по формуле: ЕМ = I.cosα/d2

Совершенно исключительное значение в жизни человека имеет орган зрения, позволяющий четко и полно знать обо всех предметах, окружающих организм. Через мы получаем 90 % всей поступающей в мозг информации. Не случайно так огромна роль зрения в нашем труде.

Глаз часто уподобляют фотоаппарату. Действительно, здесь есть немалое внешнее сходство. Глаз также состоит, во-первых, из объектива, т. е. серии преломляющих линз, которые собирают световые лучи в одну точку и позволяют поместить изображение огромных предметов на небольших участках сетчатки. Во-вторых, глаз снабжен собственно светочувствительной - специальными веществами, способными химически изменяться под действием света и тем самым посылать сигналы в мозг. Вещества эти помещаются в особым образом устроенных сетчатки, называемых по их форме палочками и колбочками. Колбочки расположены лишь в центре сетчатки и обусловливают цветное зрение. Световые колебания разной частоты, т. е. разной длины волны, по-разному влияют на вещества колбочек, отчего и происходит восприятие различных цветов. Палочки рассеяны по всей сетчатке и чувствительны только к белому свету, но зато в гораздо большей степени, чем колбочки к отдельным цветам спектра. Поэтому в сумерках, когда восприятие цветов уже отсутствует, мы все еще различаем очертания предметов, но лишь, так сказать, в черно-белом изображении. Все они кажутся одинаково серыми. Веществом, распадающимся в палочках под действием света и тем посылающим сигналы в мозг, является так называемый зрительный пурпур, . Его составной частью природа сделала витамин А. Поэтому-то ночное зрение и страдает без данного витамина. Распадаясь на свету, родопсин в темноте восстанавливается. Чем больше его имеется в восстановленном состоянии, тем глаз чувствительнее к свету. Поэтому, побыв в темноте некоторое время, мы благодаря восстановлению значительной части родопсина начинаем различать предметы, ранее абсолютно неразличимые. Подобное приспособление глаза к условиям освещенности также относится к явлениям адаптации. После часа пребывания в темноте адаптация повышает светочувствительность глаза в 200 тысяч раз. А часто ли мы задумываемся об этом чудесном свойстве своего глаза! Добавим еще, что электрический сигнал, возникающий при распаде родопсина в палочках, соединенные с ними нервные клетки сетчатки усиливают в миллион раз, только тогда получается энергия, способная Дать нервный импульс, который устремляется в мозг.

Если взять кролика и, продержав его 3-4 часа в темноте (чтобы восстановить весь зрительный пурпур), показать ему на миг освещенный предмет, а затем, вновь в темноте, удалить глаз и подействовать на него квасцами, приостанавливающими дальнейший распад родопсина, можно на такой сетчатке увидеть изображение показанного предмета. Там, где подействовал свет и пурпур распался, сетчатка будет бледной, в остальных местах - розовой. Понятно, что если кролик успеет посмотреть на несколько предметов, опыт не удастся.

Вернемся теперь к первому отделу глаза - линзам, собирающим световые лучи в узкий пучок с фокусом на сетчатке. Главной линзой является хрусталик. Когда мы смотрим на далекий предмет, от которого идут почти параллельные лучи, хрусталик становится более плоским. От ближнего предмета идут расходящиеся лучи, которые надо преломить в большей степени, чтобы дать фокус в той же точке. Поэтому при рассматривании близкого предмета хрусталик становится более выпуклым. Эти изменения хрусталика называются аккомодацией. Ими управляют высшие отделы мозга. У некоторых людей хрусталик преломляет слишком сильно и фокус возникает не на сетчатке, а перед ней. Когда дело касается близких предметов, которые и требуют сильного преломления идущих от них лучей, это не мешает зрению. Далекие же предметы кажутся расплывчатыми, ибо их изображение на сетчатке оказывается не в фокусе. Такие люди получили название близоруких. Они уменьшают излишнюю выпуклость своего хрусталика за счет двояковогнутых линз - очков.

Существует и обратное состояние. Дело в том, что с возрастом хрусталик теряет способность аккомодировать, т. е. становится при необходимости более выпуклым. Для близоруких, у которых он и без того является слишком выпуклым, это не имеет значения: они остаются близорукими всю жизнь. При нормальном же зрении с возрастом понижается способность видеть вблизи мелкие предметы. В таких случаях говорят о дальнозоркости и исправляют ее очками с двояковыпуклыми линзами. Понятно, что вдаль эти люди видят не лучше, чем. в молодости, но, во всяком случае, ненамного хуже. Лишь в этом смысле их можно назвать дальнозоркими.

3-11-2012, 22:21

Описание

Основы фотометрии

Основное свойство рецепторов сетчатки - световая чувствительность, т. е. способность, поглощая свет, инициировать первую ступень сложного зрительного процесса. Чувствительность фоторецепторов к свету чрезвычайно велика: рецептор способен генерировать импульс возбуждения при поглощении всего нескольких, быть может только двух, фотонов. Но вероятность того, что фотон будет поглощен светочувствительным веществом рецептора, в сильной степени зависит от энергии фотона, т. е. от частоты или длины волны излучения. Зависимость вероятности поглощения фотона от длины его волны лежит в основе световой фотометрии, обуславливая способ пересчета энергетических величин в световые, прежде всего мощности излучения Р (Вт) в световой поток Ф (лм). Первые фотометрические измерения, еще в XVIII в. проводились при достаточной освещенности, когда хорошо различаются цвета, т. е. когда работают колбочки. Поэтому основные фотометрические величины были установлены для дневного, колбочкового зрения. В основу была положена единица силы света - свеча. Сначала это была просто свеча типа восковой или стеариновой, потом старались обусловить материал и диаметр свечи, затем воспроизводили эталон в виде пламенной лампы с определенными конструкционными ее параметрами (свеча Гефнера). В двадцатом веке световые эталоны были созданы в виде ламп накаливании. Во второй половине нашего столетия в основу эталона силы света было положено излучение черного тела при температуре затвердевания платины. Сила света одного квадратного сантиметра черного тела при температуре 2042 К принята равной 60 свечам или по современной терминологии 60 канделам (60 кд). Устройство первичного светового эталона достаточно сложно.

В целях его лучшей сохранности и упрощения поверочных испытаний создают вторичные и рабочие световые эталоны . Их изготовляют из специально отобранных и отожженных ламп накаливания. Прямым сравнением с первичным эталоном определяют световые характеристики вторичных эталонов, по которым поверяют рабочие эталоны. В практике лабораторных фотометрических измерений пользуются образцовыми светоизмерительными лампами, которые время от времени сравнивают с рабочими эталонами, хранящимися в метрологических учреждениях. Схема сравнения с первичным эталоном изображена на рис. 19.

Рис. 19. Сравнение силы света лампы накаливании с эталоном

Кварцевый сосуд 2 засыпан окисью тория 1, в которую погружен тигель 4 с трубкой 5 из плавленой окиси тория. Тигель наполнен химически чистой платиной 3, поддерживаемой при температуре 2042 К. Излучение выходит из печи через смотровое окно 6 и с помощью призмы 7 и объектива 8 через диафрагму 9 направляется на пластинку 10, которая освещается с другой стороны вторичным эталоном в виде лампы накаливания 11. Свет, рассеянный обеими сторонами пластинки, направляется в фотометрический кубик 12. Смотря на него в окуляр, наблюдатель видит картину, изображенную на рис. 20.

Рис. 20. Распределение яркости, создаваемое фотометрическим кубиком

Поля, обозначенные буквой 3, освещены светом первичного эталона, а буквой Л - лампы накаливания. Передвигая лампу 11, наблюдатель на некотором расстоянии l между пластинкой 10 и лампой 11 добивается одинаковой яркости полей. Яркости обеих сторон пластинки пропорциональны их освещенностям, а так как материал и обработка обеих сторон пластинки одинаковы, коэффициенты пропорциональности между яркостью и освещенностью в обоих случаях равны. Поэтому можно написать уравнение

где Jэ и Jл - сила света первичного и вторичного эталонов; коэффициент а учитывает преобразование пучка света от первичного эталона объективом 8 и потери в призме 7 и объективе 5; ?с - коэффициент пропускания системы двух призм фотометра, сквозь которые свет проходит после рассеяния на пластинке 10.

Таким образом, можно найти силу вторичного эталона

Следует обратить внимание на то, что хотя здесь измеряется сила света, непосредственно в фотометре уравниваются яркости двух полей. Силу света получают уже путем расчета. Это обстоятельство характерно для всей визуальной фотометрии: глаз может сравнивать только яркости и при измерениях работает как нуль-прибор. Равенство яркостей в хороших условиях мы можем устанавливать с большой точностью, с погрешностью меньшей одного процента. Но попытки определить, во сколько раз одна яркость превосходит другую, приводят к очень большим ошибкам.

Положив в основу световых величин силу света и установив ее единицу - канделу , мы можем дальше строить всю систему фотометрических световых величин и единиц. Единица светового потока - люмен. Равномерный точечный источник с силой света 1 кд излучает в телесном угле 1 ср световой поток 1 лм. Между силой света J и потоком Ф источника в этом случае существует соотношение

Освещенность измеряется потоком, приходящимся на единицу площади:

Единица освещенности - люкс (лк), равный одному люмену, приходящемуся на квадратный метр, лм/м2.

Яркость светящейся поверхности в направлении нормали к ней измеряется отношением силы света этой поверхности к ее площади.

Освещенный белый экран, обладающий равномерно-диффузным отражением с коэффициентом отражения р, приобретает яркость, которую можно подсчитать по формуле

Спектральная чувствительность

В быту мы оцениваем силу света источника по его мощности. Мы знаем, что стоваттная лампочка дает больше света, чем двадцатипятиваттная. Но оценка силы света по мощности возможна только для источников одного типа. Электроплитка с открытой спиралью тоже светит. Но каждый знает, что шестисотваттная плитка светит гораздо хуже, чем двадцатипятиваттная лампочка. Из-за низкой температуры плитки почти всю энергию она излучает в инфракрасной области и только немного - в длинноволновом диапазоне видимых лучей. И все же можно сказать, что световой поток источника пропорционален его мощности , но коэффициент пропорциональности зависит от спектрального состава излучения. Чтобы внести ясность в соотношение между световым потоком и мощностью, нужно обратиться сначала к монохроматическим излучениям, т. е. к излучениям, длины волн которых заключены в узком интервале d?. Тогда мы сможем написать формулу

где dФ - световой поток, приходящийся на узкую спектральную область d?; Р? - спектральная плотность мощности, т. е. dP/d?; Кm - максимальная спектральная световая эффективность, равная 683 лм/Вт; V(?) -относительная спектральная световая эффективность излучения для дневного зрения. Эту безразмерную величину часто называют устарелым, но лаконичным и удобным названием - относительная вндность. Эта величина характеризует чувствительность глаза к свету различных длин волн. Каждой длине волны? соответствует одно значение V(?). Наглядное представление о функции V(?) может дать такая процедура ее определения.

Рядом поставлены два белых экрана, площади которых равны. На первый экран посылают излучение мощностью 1 Вт с длиной волны?1 = 555 нм (желто-зеленый свет), а на второй - другое излучение, скажем зеленое, с длиной волны?2 = 500 нм. Если его мощность будет тоже 1 Вт, мы увидим, что второй экран много темнее первого. Чтобы уравнять яркости, мощность второго излучения придется увеличить до 3 Вт. Значит, чувствительность глаза к излучению?2 составляет одну треть чувствительности к излучению?1 Приняв чувствительность к?1 = 555 нм (она максимальна) за единицу, получим, что чувствительность к свету с длиной волны?2 = 500 нм равна 1/3 (точное значение V(?) =0,323). Таким же образом мы можем найти V(?) для всех других длин волн и получить зависимость К(Х) в виде таблицы или графика. Можно найти и значение коэффициента Кm. Мощность излучения, лежащего в узком интервале длин волн АХ, выразим в виде

а соответствующий световой поток будет

Послав этот поток на экран площадью Аа, обладающий свойствами, обеспечивающими выполнение равенства (31), получим его яркость, воспользовавшись формулами (29), (31) и (34):

Если теперь непосредственно измерить L, то в формуле (35) будут известны все величины, кроме Кm, откуда

В действительности определение V(?) и Кm - весьма сложная задача, во-первых, в силу необходимости производить гетерохромное фотометрирование, т. е. уравнивать по яркости поля разного цвета, а во вторых, из-за индивидуальных различий в спектральной чувствительности.

На основе анализа экспериментальных работ Международная комиссия по освещению утвердила значения относительной спектральной эффективности для стандартного фотометрического наблюдателя МКО. На базе этих значений построена основная система фотометрирования . На основе утвержденных МКО значений V(?) построена кривая, изображенная на рис. 21 (сплошная линия).

Рис. 21. График функции V (?)

Подведем некоторые итоги.

Свет, как всякий материальный объект, обладает массой и энергией. Поэтому фотометрию можно строить как учение об энергии света, кладя в основу мощность излучения . Такая фотометрия действительно существует, и ею рассматриваются чисто энергетические величины: энергетическая сила света, мощность или поток излучения, энергетическая освещенность, энергетическая яркость. Для измерений в области энергетической фотометрии лучше всего подходят неселективные приемники, прежде всего тепловые, обращающие в тепловую энергию излучения любой длины волны. Но для такой важной отрасли науки и практической деятельности, как светотехника, чисто энергетическая фотометрия неудобна. Для светотехника важно учитывать воздействие света на селективный приемник - глаз человека. Так, еще раньше энергетической фотометрии появилась ее частная отрасль - визуальная фотометрия с системой световых единиц - световой поток, освещенность, яркость.

Световой поток - это мощность излучения, оцениваемая по ее действию на глаз. Следует еще добавить - на глаз, адаптированный к высоким уровням яркости, когда приемником света служат колбочки (дневное зрение). Можно подумать, что в световые величины вводится элемент субъективности. Оценка по действию на глаз... На чей глаз? Однако после регламентации значений функции относительной видности субъективность исчезает.

Световой поток (а следовательно, и все другие световые величины) становится объективной физической величиной, определяемой формулой (32) и стандартизованными значениями V(?) и Кm. Чтобы от спектрального потока в интервале длин волн перейти к потоку Ф, следует проинтегрировать (32) в пределах от нуля до бесконечности.

Интеграл всегда сходится, так как вне сравнительно узкой области видимого спектра V(?) =0. Практически вполне достаточно брать интеграл в пределах от 380 до 760 нм.

Если бы фотометрия строилась не исторически, а логически, формулы ее можно было бы упростить. Первоначальная независимость визуальной фотометрии от энергетики вызвала необходимость введения коэффициента Кm, который позднее пришлось определять экспериментально. Можно было бы положить Кm = 1, это упростило бы соотношения между энергетическими и световыми величинами.

Эффект Пуркинье

При значительном понижении уровня яркости, с наступлением ночи восприятие света переходит к палочкам, спектральная чувствительность которых сильно отличается от чувствительности колбочек. На связанное с таким различием явление более полутораста лет тому назад обратил внимание чешский ученый, доктор и профессор медицины Ян Пуркинье. Эффект Пуркинье заключается в том, что в сумерках предметы красного цвета становятся темнее синих, а зеленые становятся синеватыми, так как теряют желтую составляющую их цвета. Ночью, когда цвета уже совсем не различаются, алая роза кажется темнее василька.

Уже сам Пуркинье дал в общих чертах правильное объяснение открытому им явлению. Гельмгольц получил уже некоторые количественные результаты, характеризующие смещение максимума спектральной чувствительности в сторону более коротких волн при понижении яркости.

Хотя изучению явлений, связанных с эффектом Пуркинье, посвящено довольно много работ (хороший обзор их дан в книге А. А. Волькенштейна), долгое время казалось, что они представляют интерес только для физиологов. Считалось, что активная деятельность человека при малых яркостях составляет по времени примерно сотую часть всей работы человека. Однако Бертлинг справедливо заметил, что хотя чаще всего работает светлоадаптированный глаз, те более редкие случаи, когда приходится полагаться на ночное или сумеречное зрение, бывают наиболее критическими, так что ошибка в расчете освещения может иметь роковые последствия. В тридцатых годах нашего столетия возникли новые задачи освещения наружных пространств газосветными лампами, в связи с чем стала очевидной необходимость уточнения светотехнических расчетов в области малых освещенностей. В начале столетия к увеличению экономичности ламп накаливания был один основной путь - увеличение температуры нити ламп . Это было выгодно для светлоадаптированного глаза и тем более для темноадаптированного. Появление газосветных и люминесцентных ламп разорвало термодинамическую связь между температурой и спектром излучения. Получили распространение, например, натриевые лампы, отличающиеся большой световой отдачей. Однако, в силу эффекта Пуркинье это их преимущество теряет силу при освещенностях в доли люкса. Еще Бертлинг сравнил экономичность нескольких ламп при высокой и низкой освещенности, в частности натриевой и ртутной ламп, световая отдача которых при высокой освещенности составляла соответственно 51 и 33 лм/Вт. Оказалось, что при низкой освещенности натриевая лампа даст в 6 раз меньше света на ватт потребляемой мощности, чем ртутная

Изучению работы зрения при низких освещенностях и связанных с этим фотометрических и светотехнических вопросов посвятили свои работы многие ученые, как советские, так и зарубежные. Назовем имена хотя бы некоторых из них: С. О. Майзель, А. А. Гершуи, Н. И. Пинегин, В. Г. Самсонова, С. Г. Юров, А. А. Волькенштейн, Боума, Стайлс, Кроуфорд, Уолд.

В результате Международной комиссией но освещению была стандартизована относительная спектральная световая эффективность излучения для ночного зрения V"(?), кривая которой проведена на рис. 21 штриховой линией. Максимум V"(? приходится на длину волны 507 нм.

Международный светотехнический словарь рекомендует считать дневным (фотопическим) зрением работу глаза, адаптированного к уровням яркости по меньшей мере в несколько кд/м2, а ночным (скотопическим) - работу глаза, адаптированного к яркостям, меньшим нескольких сотых кд/м2.

Эквивалентная яркость

При фотопическом зрении работают только колбочки, при скотопическом - только палочки. Однако остается еще несколько порядков значений яркости, при которой в зрительном процессе участвуют и колбочки, и палочки. Это область сумеречного (мезопического) зрения . Пришлось исследовать функции видности и в промежуточной зоне. В табл. 4

Таблица 4. Относительная спектральная световая эффективность излучения V(?) в зависимости от яркости адаптации

приведены восемь функций видности в интервале яркости 10_5 кд/м2 -до 100 кд/м2.

После того как была обнаружена зависимость спектральной чувствительности от яркости, Л. А. Гершун предложил для ее учета кроме стандартной (фотопической) яркости ввести новую величину - эквивалентную яркость Lеq. Эта величина официально принята МКО, термин 45-10-085

Яркость, выраженную через световой поток, в определение которого входит функция V(?) [формула (36)], называют фотопической или стандартной . Эквивалентную яркость поверхности, освещенной излучением любого спектрального состава, условились измерять, визуально уравнивая ее с яркостью белой поверхности, освещенной излучением черного тела при температуре затвердевания платины (2042 К). Назовем такое излучение эталонным. Создаваемая эталонным излучением стандартная яркость при любых ее уровнях считается численно равной эквивалентной яркости. Для излучения любой иной цветовой температуры это равенство стандартной и эквивалентной яркостей нарушается при низких уровнях освещения, где вступает в силу эффект Пуркинье. Поясним сказанное примером.

Пусть одно поле фотометра - назовем его первым - освещено эталонным излучением, причем освещенность его можно изменять в любое число раз, сохраняя неизменным спектральный состав света. Осветим второе поле лампой накаливания с температурой нити 2800 К и установим на обоих полях фотометра яркость 100 кд/м2. Уменьшим теперь освещенность обоих полей в 100 000 раз. Стандартная яркость их станет 10-3 кд/м2. Но мы ясно увидим, что второе поле светлее первого. Чтобы сделать поля равиосветлыми, стандартную яркость первого поля придется увеличить примерно до 1,4 X 10-3 кд/м2. Это и будет эквивалентной яркостью второго поля, стандартная яркость которого равна 10_3 кд/м2. Разница объясняется тем. что излучение более высокой цветовой температуры, спектр которого сдвинут в сторону коротких волн, меньше проигрывает в светлоте при переходе к палочковому приемнику, максимум чувствительности которого сдвинут в ту же сторону.

Фотометр для измерения эквивалентных яркостей должен иметь большое поле зрения (не меньше 25°) и большой выходной зрачок (не меньше 7,5 мм в диаметре). Поля сравнения лучше делать концентрическими: внутреннее 14°, внешнее до 25-30°. Измерения проводят при установившемся состоянии адаптации.

Система эквивалентных яркостей находит применение в научных исследованиях функций зрения при малоярких цветных полях и в практической светотехнике, например при установлении весьма низких норм цветного (красного) освещения в цехах, производящих или обрабатывающих светочувствительные материалы.

Методы вычисления эквивалентной яркости приведены в книге Волькенштейна. Если источник света можно достаточно точно характеризовать цветовой температурой Тц, применима приближенная формула, предложенная Кинни

Пороговая яркость

Абсолютная световая чувствительность глаза характеризуется пороговой яркостью Ln. Чем меньше Ln, тем больше световая чувствительность Sc.

Чему же равна пороговая яркость ? Несмотря на многочисленные исследования, ответить на этот вопрос не так легко. Во-первых, из-за того, что Ln сильно зависит от условий наблюдения, например от площади тестового поля. Во-вторых, из-за того, что четкие представления об эквивалентной яркости вошли в фотометрию сравнительно недавно и при использовании литературных данных не всегда известно, какую яркость имел в виду автор. А если и ясно, что речь идет о стандартной яркости, редко имеется достаточно данных, чтобы пересчитать ее в эквивалентную. Однако порядок величины L, указать можно. Кнппп для поля диаметром 2°, излучающего свет с длиной волны?. = 555 нм. получил Leq = 5,1 10-6 кд/м2 (стандартная яркость L = 2,1 X 10-6 кд/м2). По данным Луриа для темноадаптированного глаза при больших размерах тестового пятна (от 8 до 100° в диаметре) пороговое значение эквивалентной яркости Leq лежит в пределах от 0,3 10_6 до 0,7 10_6 кд/м2.

Можно согласиться с В. В. Мешковым и принять, что пороговая яркость равна одной миллионной кд/м2. Часто фон с яркостью L = 10_6 кд/м2 считают совершенно темным, полагая, что дальнейшее уменьшение яркости не влияет на функции зрения: даже яркость, на порядок большая, т. е. 10-5 кд/м2, обеспечивает скотопическое зрение, которому соответствует функция V(?).

При определении пороговой яркости в глаз входит довольно большой световой поток соответственно большой площади тестового поля. Уменьшение поля приводит к уменьшению воспринимаемого потока. Поэтому минимальный световой поток, еще способный вызывать ощущение света, следует определять по наблюдению точечных источников. Если же требуется определить минимальную порцию световой энергии, воспринимаемой зрением, нужно ограничить длительность воздействия света на сетчатку, т. е. наблюдать короткие вспышки точечного источника.

Какой источник считается точечным ? Типичный точечный источник - звезда. Диаметры звезд измеряются малыми долями секунды. Однако вследствие дифракции и аберраций на сетчатке звезда изображается пятном с диаметром, не меньшим одной угловой минуты. Поэтому точечным можно считать любой источник, угловой диаметр которого не превышает минуты.

Пока мы имеем дело с протяженными источниками, для глаза важна их яркость, которая в конечном счете определяет освещенность изображения источника на сетчатке Е". В самом деле, пусть источник имеет форму квадрата, сторона которого равна у. Глаз наблюдателя находится на нормали к плоскости квадрата, на расстоянии l от него. Силу света источника в направлении нормали найдем по формуле

где L - яркость в направлении нормали. Тогда освещенность Е на роговице глаза будет

а поток, достигший сетчатки

где?r - коэффициент пропускания глазных сред; d - диаметр зрачка глаза.

Поток Ф осветит на сетчатке площадь?" (площадь изображения источника), которая равна у"2. А так как у" по формуле (12) равен -?f, то

Освещенность на сетчатке получим, разделив Ф" на?" и приняв во внимание, что угловой размер объекта? = y/l:

Видим, что в формулу Е" не входит расстояние до светящейся поверхности. Объект (самосветящийся или получивший яркость L в результате рассеяния света других источников) кажется нам одинаково ярким на расстоянии и 2, и 5, и 20 м. Яркость протяженного объекта не зависит от его углового размера?.

Но положение меняется, если? становится меньше одной минуты. Здесь теряет смысл формула (42), ?" делается практически постоянной величиной и освещенность изображения точечного источника оказывается пропорциональной потоку Ф, который в свою очередь пропорционален освещенности Е на поверхности зрачка наблюдателя [формула (40)]. Подставив в формулу (40), в числитель силу света J по формуле (39), получим

Освещенность Е, создаваемая точечным источником на зрачке наблюдателя, называется блеском источника . Именно блеск, изменяясь обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, определяет видимость звезды. Минимальная освещенность на зрачке, при которой мы еще видим источник, называется пороговым блеском. Будем обозначать пороговый блеск для периферического зрения Еn, а для центрального Eц.

Литературные данные хотя и не вполне совпадают, но не расходятся по порядку величины. На основе иx анализа мы даем округленные значения порогового блеска в полной темноте, т. е. при яркости фона L = 10-6 кд/м2 или меньшей, при бинокулярном наблюдении: En = 2*10-9 лк; Eц = 2*10-8 лк.

Поскольку колбочки концентрируются в центральной части сетчатки, а палочки преобладают на периферии, Eц можно считать порогом колбочковой чувствительности , а Еn - палочковой. Случается, что человек, заметив далекий огонь периферическим зрением, поворачивает к нему глаза и теряет его. Астрономы даже говорят, что для того чтобы видеть слабую звезду, не надо на нее смотреть.

Квантовый порог чувствительности

Определим теперь минимальную световую энергию, которая может обусловить зрительное восприятие. Световая энергия Qv при ее постоянстве во времени выражается произведением светового потока Ф и времени его действия т:

Пороговое значение световой энергии получим по формуле

где Фn - пороговый поток, входящий в глаз при блеске En; ? - время инерции зрения, т. е. время, в течение которого глаз суммирует воздействие света. При темновой адаптации? = 0,2 с.

Для вычисления Фn положим, что диаметр зрачка d = 0,8 см = 8-10-3м, и умножим Еn на площадь зрачка?d2/4. Получим Фn = 10-13 лм и QVn = 2-10-14 лм*с. Тем же путем получим пороговый поток и пороговую световую энергию для центрального зрения: Фц = 10-12 лм и Qvц = 2-10-18 лм*с. Примерно такие же значения Qvn и Qvц мы получим, если будем исходить из данных работы, в которых непосредственно определялось произведение Ец? или Еn? при малых т.

Оценим энергию Qn и Qц, входящую в зрачок при пороговом восприятии соответственно периферическим и центральным зрением. Для перехода от световой величины Qv к энергетической Q умножим обе части формулы (33) на? и, учитывая, что??Ф = ?QV, а??Р = ?Q, получим

Будем производить вычисление для монохроматического света с длиной волны?, соответствующей максимуму спектральной эффективности, т. е. для периферии? = 507 нм, а для центрального зрения? = 555 нм. Тогда V(?) = 1 и мы сможем написать Q = Qv/Km. Отсюда Qn = 1,5*10-17Дж = 1,5-10-10 эрг; Qц = 1,5*10-16 Дж = 1,5*10-9 эрг.

Энергия фотона q = hc/?, где h - постоянная Планка, а с - скорость света. Разделив Qn и Qц на соответствующие значения q, получим числа фотонов, входящих в зрачок при пороговом восприятии света периферическим и центральным зрением, nп = 39 и nц = 424.

Пропускание глазных сред зависит от длины волны: для? = 507 нм тг = 0,б1; для? = 565 нм?r = 0,57. Значит, число фотонов, доходящих до сетчатки, n"п = 20; n"ц = 242. Только часть дошедших до сетчатки фотонов поглощается молекулами светочувствительного вещества, вызывая их возбуждение. Назовем такое поглощение активным поглощением и введем величину a1 - коэффициент активного поглощения монохроматического света, соответствующего максимуму спектральной световой эффективности. По данным Вавилова при темновой адаптации a1 = 0,22. Хехт дает несколько меньшее число, Роуз считает, что а, лежит в пределах от 0,1 до 0,2, т. е. a1n"п = 2/4. Итак, чтобы наблюдатель заметил световую вспышку, палочки его сетчатки должны активно поглотить от двух до четырех фотонов. Для колбочек а1 раз в десять меньше, чем для палочек. Но число активно поглощенных фотонов на пороге восприятия и для колбочек, по-видимому, лежит в тех же пределах.

Статья из книги: .

Глаз человека, при всем своем совершенстве, улавливает лишь небольшую часть всего спектрального диапазона электромагнитного излучения. Простыми словами, восприятие светового потока человеком не велико. Например, чувствительность человеческого глаза значительно снижается при коротких световых волнах синего цвета. Всего существует 7 цветов диапазона, пример тому - радуга после дождя. Это явление показывает полный спектр электромагнитного излучения, воспринимаемого человеком. Где самые длинные волны находятся в диапазоне красного цвета, а короткие - фиолетово-синего.

Растения - значительно чувствительней. Для правильного роста и развития требуется значительно более широкий спектр, чем может воспринимать человеческое зрение. Для примера, наиболее оптимальное восприятие светового потока у людей происходит в диапазоне 380-780 нм. Чувствительность представителей флоры определяется более широким спектром.

Проблема сезонности

Важный момент: если для человека в большинстве случаев смена сезонов в отношении количества световой энергии проходит почти незамеченной, то для растений это губительно. Постоянный световой поток возможен лишь в экваториальных частях земного шара, где нет резкой смены сезонов. Для нашей климатической зоны характерны резкие перепады температур, но главное - это количество солнечного света.

Растения, которые выводятся в искусственных условиях, тем более нуждаются в широком спектре световой энергии. Современная наука уже давно нашла выход в данной ситуации. Теперь фермерам, селекционерам, аграриям предлагаются светодиодные светильники типа PlantaLux-45 . Это специальное оборудование, способствующее росту и развитию представителей флоры. Световой поток фитосветильников такого типа как раз находится в требуемом для растений широком спектре. Их хорошо использовать в качестве досветки для некоторых видов овощей, фруктов, зелени, цветов. Главными преимуществами