Зрительное восприятие светового излучения

Общие сведения

Напомним , что основное различие между палочками и колбочками состоит в том, что все палочки по своей спектральной чувствительности однотипны, в то время как колбочки делятся на три группы. Колбочки каждой из трех групп имеют наибольшие чувстви­тельности в длинно-, средне- и коротковолновой зонах спектра (рис. 2.4). При действии света преимущественно на колбочки одного типа возникает ощущение опре­деленного цвета. Для колбочек, имеющих наибольшие чувстви­тельности в длинно-, средне- и коротковолновой зонах спектра, это ощущения соответственно красного, зеленого и синего света. Поэтому совокупности колбочек каждого типа называются крас­но-, зелено- и синечувствительными приемниками, или кратко КЗС-приемниками. Относительные спектральные чувствительно­сти КЗС-приемников обычно обозначаются: к_λ, з_λ, с_λ,а соответствующие кривые, показанные на рис. 2.4, называются кривыми основных возбуждений. Красный, зеленый и синий цвета, ощущения кото­рых могут возникнуть при действии света на каждый из этих приемников в отдельности, называют основными физиологиче­скими цветами. При одновременном действии излучения на два или все три КЗС-приемника возникают ощущения других цветов.

Рис.2.4. Кривые спектральной чувствительности КЗС-приемников глаза – кривые основных возбуждений

Отсюда понятно, что цвет излучения зависит от его спектрального состава. Одна­ко эта связь не является непосредственной. Вполне определенно о цвете можно судить только по величинам трех основных воз­буждений. Поэтому связь между спектральным составом излу­чения и его цветом устанавливается путем пересчета спектраль­ного состава в величины трех основных возбуждений. Такая связь имеет свои особенности. Например, многие очень различ­ные по спектральному составу излучения имеют одинаковые ве­личины трех основных возбуждений. Это значит, что различные по спектральным составам излучения могут иметь одинаковые цвета. Но если цвета различны, то излучения обязательно имеют разные спектральные составы.

Чтобы понять эти особенности цветового зрения, рассмотрим наиболее характерные соотношения между спектральными со­ставами и их цветами.

Цвета однородных излучений представляют наибольший ин­терес, так как все многообразие излучений – это всевозможные комбинации однородных излучений. Природные излучения в большинстве своем имеют сложные спектральные составы. Цвета однородных излучений можно наблюдать при разложении излучений в спектр. Поэтому их часто называют цветами спектра, или спек­тральными цветами.

Спектральные цвета.В сплошном спектре постепенному из­менению длины волны соответствует непрерывное изменение цвета. Однако деление спектра на участки по цветам обычно до­вольно грубое. Это объясняется не только бедностью словес­ного описания цветов, но и тем, что на некоторых участках спектра изменение цвета с изменением длины волны незначи­тельно.

Одно из делений спектра на цветовые участки приведено в таблице 2.1. Выделение именно этих участков объясняется тем, что на их границах происходят наиболее заметные изменения цветов.

Таблица 2.1. Деление спектра на цветовые участки.

Длины волн, определяющие границы участков λ, нм	Цвета однородных излучений, преобладающие на данном участке
400…450	Фиолетовые
450…480	Синие
480…510	Голубые
510…550	Зеленые
550…575	Желто-зеленые
575…585	Желтые
585…620	Оранжевые
620…700	Красные

Наиболее заметные измене­ния цветов в спектре объясня­ются характером изменения спектральных чувствительностей КЗС-приемников. Переход фиолетовых цветов в синие при длине волны 450 нмсвязан срезким падением чувствитель­ности С-приемника и заметным возрастанием чувствительностей 3- и К-приемников, кото­рые наблюдаются с увеличени­ем длины волны после 450 нм.С увеличением длины волны от 480 нмпреобладающими становятся чувствительности двух приемников – С и 3. По­этому здесь заметен переход синих цветов в голубые. Примерно после 500 нмчувствитель­ность 3-приемника начинает преобладать над двумя другими. Голубые цвета постепенно переходят в зеленые, различные от­тенки которых от зелено-голубых до желто-зеленых занимают сравнительно большой участок спектра. После 550 нмчувстви­тельность 3-приемника заметно падает, а чувствительность К-приемника приближается к своему максимуму. Зеленые цвета переходят в желто-зеленые. При 570 нмчувствительности 3- и К-приемников уравниваются – цвета становятся желтыми. Затем чувствительность К-приемника начинает постепенно уменьшать­ся. Но у 3-приемника она падает значительно быстрее и после длины волны 585 нмчувствительность К-приемника становится преобладающей. Желтые цвета начинают переходить в оранже­вые. Особенно заметным преобладание чувствительности К-при­емника становится после 620 нм. Здесь оранжевые цвета переходят в красные, и эта цветность сохраняется до конца спектра.

Закон Вебера-Фехнера

В середине 19 века немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер ставил опыты для того, чтобы найти зависимость между величинами раздражения и ощущения. В частности, он определял ощущения тяжести, вы­зываемые различными грузами. В 1851 г. Вебер открыл закон, общий для всех органов чувств: данная величина раздражения (вес, яркость света, сила звука и др.) является мерой замечае­мости его изменения. Поясним это сначала на примере с грузами. Допустим мы поднимаем груз Рвесом 200 г(вес является данной величиной раздражения). Потом, постепенно увеличивая вес груза и каждый раз поднимая его, мы обнаруживаем, что груз стал заметно тяжелее, когда вес его достиг 250 г,т.е. пороговая разность веса ∆Р_пор при уровне 200 гсоставляет 50 г. Относительное увеличение веса, которое показывает, на какую долю от первоначального веса он увеличился, равно: ∆Р_пор/P = (250–200)/200 = 0,25, т.е. груз весом 200 гдолжен увеличить­ся на 0,25 долю своей первоначальной величины, или на 25%, чтобы мы чувственно обнаружили это увеличение, как увеличе­ние тяжести.

Возьмем другой вес, например, 10 кг. По закону Вебера те­перь этот вес (данная величина раздражения) должен служить мерой замечаемости его изменения. Иными словами, увеличение тяжести будет обнаружено, когда вес увеличится на определен­ную долю исходной величины. В соответствии с законом Вебера эта величина уже установлена нами в предыдущем опыте и составляет 0,25, или 25%. Это значит, что, постепенно увеличивая груз, начиная с 10 кг и каждый раз поднимая его, мы чувственно обнаружим увеличение тяжести, когда вес достигнет 12,5 кг(∆Р_пор = 2,5 кг).

Таким образом, мерой чувственно воспринимаемых различий является не величина ∆Р_пор, которая все время изменяется в за­висимости от уровня исходной величины, а относительная поро­говая величина ∆Р_пор/P,которая постоянна.

Поскольку закон Вебера применим ко всем органам чувств, он применим и к зрению, где величиной раздражения является яркость В. Величина ∆В_пор/В называется относительным порогом ярко­стей. Она показывает, на какую долю заданной величины яр­кости Внадо изменить ее, чтобы при этом произошло едва за­метное изменение светлоты. Относительный порог яркостей удобно выражать в процентах. Допустим, что ∆В_пор/B = 0,02, или 2%. Это значит, что для едва заметного различия яркости ее исходную величину надо изменить на 2%. Например, яркость 1 нитнадо изменить на 0,02 нит, а яркость 100 нит – на 2 нит.

Немецкий физик и врач Густав Фехнер в 1858 г. вывел математическую формулу зави­симости изменения ощущения яркости (именно его называют светлотой) от изменения величины яркости:

,

где ∆S – изменение ощущения;

∆lgB – изменение логарифма раздражения;

k– коэффициент пропорциональности, показывающий како­во соотношение между изменениями яркости, выражен­ными в величинах lgB,и соответствующими изменения­ми ощущения, выраженными в порогах светлоты.

Из формулы следует, что одинаковые изменения лога­рифмов яркостей вызывают одинаковые изменения светлоты. Это и есть формулировка закона Вебера-Фехнера примени­тельно к зрительному восприятию яркостей. Часто этот закон приводят в общей для всех органов чувств формулировке:изме­нение ощущения прямо пропорционально изменению логарифма раздражения.