Относительная спектральная чувствительность глаза.

Чувствительность глаза к излучениям различных длин волн не­одинакова. Свойство глаза по-разному оценивать одинаковую лучис­тую энергию или мощность различных длин волн видимого спектра называется спектральной чувствительностью. Причём при этом учитывается восприятие света всеми рецепторами глаза одновременно, без разделения на палочки и три разновидности колбочек.

Особенность нашего зрения такова, что при равной мощности излучения всех длин волн видимого спектра мы лучше всего воспринимаем желто-зеленый цвет, т.е. излучение с длиной волны, равной 555 нм. Поэтому чувстви­тельность глаза на этой длине волны принимается за единицу, а для остальных длин волн светового излучения она будет меньше единицы (при одинаковой мощности излучения).

Способы измерения спектральной чувствительности глаза достаточно сложны. Начиная с середины ХIX ве­ка исследованиям спектральной чувствительности глаза было посвящено большое число работ. В результате проведенных работ установлено, что у разных наблюдателей спект­ральная чувствительность глаз заметно различается, поэтому необходимо ввести усредненную оценку восприятия видимого спектра глазом человека. Такая усредненная кривая спектральной чувствительности светоадаптированного глаза (рис. 3.2, кривая 1) была определена при поле зрения, рав­ном 2°, что соответствует угловому размеру центрального углубле­ния желтого пятна сетчатки. Усредненная кривая спектральной чув­ствительности глаза, принятая Международным соглашением еще в 1924 г., используется и сейчас при всех расчетах светового воздействия сложного по составу излучения.

Рис. 1.3.2 – Относительная спектральная чувствительность глаза

Спектральная чувствительность палочкового зрения (рис.1.3.2, кривая 2 – глаз адаптирован к ночным яркостям) характеризует работу глаза при столь малом количестве света, что его не хватает даже для частичного возбуждения колбочек. Кривая относительной спектраль­ной чувствительности глаза имеет максимум на длине волны в 507 нм.

Следует отметить, что относительная спектральная чувствительность глаза тождественна таким понятиям, как спектральная эффективность глаза и кри­вая видности глаза.

Для глаза, адаптированного к дневным яркостям (кривая 1), на длинах волн 510 нм и 610 нм характерно двукратное снижение чув­ствительности. Если же глаз адаптирован к ночным яркостям (кри­вая 2), то снижение чувствительности в два раза наблюдается на длинах волн 455 нм и 550 нм. В табл.1.3.1. приведены усредненные значения спект­ральной чувствительности глаза в условиях дневной V(l ) и ночной V¢(l ) адаптации (кривые 1 и 2 соответственно).

Максимумы на кривых 1 и 2, равные единице, относи­тельны. Дело в том, что палочковый аппарат ночного зрения человека намного чувствительнее, и для восприятия предельно малого светового сигнала (например, едва видимой точки на темном фоне) палочкам необходима примерно в пятьсот раз меньшая мощность, чем колбочкам. При этом палочки, действующие при периферическом (бо­ковом), зрении, не позволяют определить цвета точки, в то время как колбочки, фиксирующие точку при прямом зрении, дают возмож­ность увидеть и ее цвет.

На спектральную чувствительность глаза оказывает влияние резкое изменение уровня освещенности, которое в естественных условиях можно наблюдать после захода и перед восходом Солнца. Например, во время захода Солнца происходит постепенное изменение аппарата зрения от колбочкового, которое описывается кривой 1, до палочкового, характеризующегося кривой 2, кривая спектральной чувствительности смещается в сторону коротких длин волн, а ее максимум – с 555 нм до 507 нм.

Таблица 1.3.1. Относительная спектральная чувствительность глаза

Длина волны l,нм	V(l )	V¢ (l )	Длина волны l,нм	V(l )	V¢ (l)
	0,00004	0,0000589		0,870	0,1212
	0,00012	0,002209		0,757	0,0685
	0,0004	0,00929		0,631	0,03315
	0,0012	0,03489		0,503	0,01593
	0,0040	0,0966		0,381	0,00737
	0,0116	0,1998		0,265	0,003335
	0,023	0,3281		0,175	0,001497
	0,038	0,455		0,107	0,000677
	0,060	0,567		0,061	0,0003129
	0,091	0,676		0,032	0,0001480
	0,139	0,793		0,017	0,0000715
	0,208	0,904		0,0082	0,0000353
	0,323	0,982		0,0041	0,0000178
	0,503	0,997		0,0021	0,00000914
	0,710	0.935		0,00105	0,000005092
	0,862	0,811		0,00052	0,000002546
	0,954	0,650		0,00025	0,000001379
	0,995	0,481		0,00012	0,000000760
	1,000	0,4015		0,00006	0,000000428
	0,995	0,3288		0,00003	0,000000241
	0,952	0,2076		0,000015	0,000000139

Изменение спектральной чувствительности глаза обусловливает ряд специфических явлений, к которым относится, в пер­вую очередь, эффект Пуркинье, названный по имени чешского ученого Пуркинье (1787-I869 гг.), открывшего это явление в 1823 г. Сущность эффекта заключается в том, что

красная и синяя поверхности, которые днем кажутся примерно одинаково светлыми (в качестве примера обычно ссылаются на красный мак и голубой василек), ночью воспринимаются по-разному: синяя – намного светлее красной, а красная – совершенно черной.

Кривая относительной спектральной чувствительности глаза яв­ляется одной из основных характеристик светотехники, ее используют во всех определениях, световых и цветовых расчетах и определениях.

Световой поток

Световой поток F является одной из основных световых величин, представляет собой тот же лучистый поток, но оценивается по световому ощущению, которое он производит на глаз человека. Т.е. световой поток - это величина, образуемая от лучисто­го потока путем умножения на коэффициенты спектральной чувстви­тельности глаза по каждой из длин волн видимого спектра.

Если энeргия излучается только на одной из длин волн l , то све­товой поток этого монохроматического излучения будет равен:

F_l=F_el∙V(l). (1.3.1)

При таком представлении световой поток измеряется в ваттах, как и лучистый. Чтобы различать эти потоки, для обозначения свето­вого потока добавляется слово "световой", т.е. получается световой ватт. Правда, такая размерность светового потока практически не используется, посколь­ку система СИ рекомендует в качестве единиц светового потока люмены (от лат. lumen – свет).

Международным комитетом мер и весов в 1977 г. было принято, что в фотометрии лучистый поток 1 Вт на длине волны в l = 555 нм (частота излучения – 540×1012Гц), обла­дающего наибольшей световой эффективностью, эквивалентен световому потоку 683 л­м. Почему коэффициент для пересчета световых ватт в люмены равняется 683, будет рассказано ниже при рассмотрении понятия силы света. С учетом этого коэффициента формула для расчета светового потока (в люменах) для монохроматического излучения примет вид:

F = 683 Fe_l×V(l). (1.3.2)

Для определения светового потока во всем диапазоне видимых излучений (380…780 нм) необходимо просуммировать все световые потоки монохроматических составляющих:

F = 683S Fe_l×V(l). (1.3.3)

Таким образом, чтобы получить световой поток, излучаемый на любой дли­не волны видимого спектра, необходимо умножить 683 лм/Вт на соответствующий коэффициент отно­сительной спектральной чувствительности (см. рис.1.3.2 и табл.1.3.1) и на значение лучистого потока на этой длине волны.

Например, световой поток натриевой лампы состоит из излучений на 589 нм и 589,6 нм. Из данных, приведенных в табл. 1.3.1, следует, что при лучистом потоке (мощности лампы), равном 10 Вт: V(589 нм) = 0,77; V(589,6 нм) = 0,765, световой поток составит:

F = 683×5× 0,77 + 683×5× 0,765 = 5242,025 лм. (1.3.4)

Значения световых потоков для некоторых источников света приведены в табл. 1.3.2.

Таблица 1.3.2. Световые потоки некоторых источников света

Источник света	Световой поток, лм
Лампа накаливания 220 В, 100 Вт
Лампа накаливания 220 В, 1000 Вт	17 000
Лампа накаливания 110 В, 10000 Вт	295 000
Дуговая лампа (сила тока – 150 А)	400 000
Поток, падающий на один квадратный метр поверхности Земли в ясный солнечный день	100 000

В качестве эталона одного люмена принят световой поток, излучае­мый с поверхности абсолютно черного тела площадью 0,5305 кв. мм при температуре затвердевания пла­тины, равной 2046К. Государственный эталон, соответсвующий международным соглашениям, был разработан профессором П.М Тиходеевым. Он представляет собой двойной сосуд из оксида тория, заполненный платиной. Выходное отверстие сосуда формирует трубка из оксида тория, погруженная в платину. При расплавлении платины (под воздействием индукционных то­ков) отверстие трубки светится, как абсолютно черное тело. Подробно абсолютно черное тело рассматривается далее, в главе ІІ.

3.3.Сила света

Сила света источника характеризует пространст­венную плотность светового потока, т.е. сила света в данном направ­лении равна отношению светового потока F к телесному углу w. Для изотропного источника, создающего равномерное излуче­ние, сила света составит:

I=F/w,(1.3.5)

a для точечного излучателя: I = F/12,56, (1.3.6)