2.2. Глаз как воспроизводящая система

Глаз — часть живого организма. Механизмы зрения еще во многом неясны. Здесь мы может описать только некоторую модель глаза, иллюстрирующую его основные оптические свойства.

Свойства зрительной системы как воспроизводящей изоб­ражение характеризуются ее чувствительностью, постоянст­вом чувствительности, инерционностью.

 

2.2.1. Световая и спектральная чувствительность глаза

Общие сведения о чувствительности глаза. Под чувстви­тельностью системы или приемника излучения подразуме­вается их свойство реагировать на излучение. Мера этого свойства, т. е. количественное выражение чувствительности, связана с реакцией приемника на поглощенную световую энергию. Количественно чувствительность выражается как величина, обратная мощности излучения, вызывающей опре­деленную реакцию. Например, чувствительность фотоэле­мента определяют как величину, обратную потоку излуче­ния, вызывающему появление фототока. Чувствительность фотопленки есть величина, обратная экспозиции, дающей оп­ределенное почернение.

Следовательно, в общем случае чувствительность глаза S определяется как:

(2.1)

где Р_э — мощность излучения, вызывающая заранее обус­ловленный зрительный эффект.

Чувствительность, рассчитанная по формуле (2.1), на­зывается абсолютной. В некоторых случаях бывает достаточным выразить чувствительность глаза долей наи­большего значения абсолютной. Эта доля называется отно­сительной чувствительностью. Указан­ной долей измеряют значения спектральной чувствительно­сти (см. с. 15).

Реакции зрительной системы на излучения могут быть разными. В соответствии с этим различают несколько „типов чувствительности глаза: световую, спектральную, контраст­ную, чувствительность к цветовому тону, к насыщенности.

Остановимся на световой и спектральной чувствительно­сти, а остальные типы рассмотрим позднее, после введения понятия о порогах цветоразличения.

Световая чувствительность. Способность глаза реагиро­вать на возможно малый поток излучения называется све­товой чувствительностью. Она измеряется как величина, обратная пороговой яркости. Пороговой называется та наименьшая яркость объекта, например све­тового пятна, при которой оно может быть обнаружено с до­статочной вероятностью на абсолютно черном фоне (т. е. В_фона = 0). Вероятность обнаружения зависит не только от яркости объекта, но и от угла зрения, под которым он рассматривается, или, как говорят, от его углового размера. С возрастанием углового размера растет число рецепторов, на которые проецируется пятно. Практически, однако, с уве­личением угла зрения более чем на 50° чувствительность глаза перестает изменяться.

В соответствии с этим световая чувствительность S_п опре­деляется как величина, обратная пороговой яркости S_п, при условии, что угол зрения а α ≥50°:

(2.2)

Световая чувствительность очень велика. Так, поданным Н. И. Пинегина, для отдельных наблюдателей минимум энергии, необходимый для появления зрительного эффекта, составляет 3—4 кванта. Это значит, что в благоприятных условиях палочковая световая чувствительность глаза близ­ка к предельной, физически мыслимой.

Колбочковая световая чувствительность, обеспечиваю­щая цветовые ощущения, намного ниже «ахроматической», палочковой. По Н. И. Пинегину, для возбуждения колбоч-кового зрения необходимо, чтобы на одну колбочку в сред­нем упало не менее 100 квантов.

Спектральная чувствительность. Монохроматические из­лучения действуют на глаз по-разному. Его реакция макси­мальна на среднюю часть спектра. Чувствительность к мо­нохроматическим излучениям, определяемая как относи­тельная, называется спектральной.

Реакция глаза, выражающаяся в возникновении светово­го ощущения, зависит, во-первых, от потока излучения Ф_λ, упавшего на сетчатку, а во-вторых,— от той доли потока, которая воздействует на рецепторы. Эта доля есть спектраль­ная чувствительность к_λ. Иногда для обозначения того же понятия применяется термин спектральная эф­фективность излучения. Произведение к_λФ_λ, определяет характеристику потока излучения, связанную с уровнем его светового действия и называемую свето­вым потоком F_λ

(2.3)

Следовательно, абсолютное значение спектральной чув­ствительности определяется отношением

(2.3,а)

Глаз имеет наибольшую спектральную чувствительность к излучению λ = 555 нм, относительно которой определи ются все другие значения этой величины.

Прл световых измерениях значение к_λ, в формуле (2. 3 принято заменять произведением к₅₅₅ • υ_λ где υ_λ — отно­сительное значение спектральной чувствительности, назы­ваемое относительной спектральной световой эффективностью излучения ( в и д н о с т ь ю): υ_λ= к_λ : к_555.

Отсюда абсолютная спектральная чувствительность к_λ, = к₅₅₅ • υ_λ

Рис. 2.4. Схема простейше­го фотометра

Рис. 2.5. Кривые относи­тельной спектральной свето­вой эффективности:

а — дневное зрение; б — суме­речное зрение

Принцип измерения относительной спектральной чувст­вительности показан на рис. 2.4. На одну половину фото­метрического поля направляют излучение длиной волны 555 нм и известной мощности Ф₅₅₅, на другую — излуче­ние, спектральная чувствительность к которому измеряется, и имеющее мощность Ф_λ. С помощью светорегулирующих устройств (на рисунке для простоты — оптический клин) светлоты обеих половин фотометрического поля уравнива­ют. Это значит, что падающие на них световые потоки F_λ и F₅₅₅ становятся равными. Но тогда к_λФ_λ = к₅₅₅ Ф₅₅₅ и, следовательно,

Однако погрешности результатов сравнения разноокра-шенных половин фотометрического поля велики. Чтобы по­высить надежность измерений, используют разные методы. Остановимся на одном из них—способе мелькания (мига­ния). Он основан на том, что при импульсном освещении

глаз различает изменение светлоты быстрее, чем изменение цветности. Иначе — при очень короткой вспышке ощуща­ется ее интенсивность, но еще не воспринимается цветность, которая станет заметной только при увеличении продолжи­тельности вспышки.

При измерениях по способу мелькания обе половины фо­тометрического поля освещаются мигающим светом. Частота миганий подбирается так, чтобы еще не различались цветно­сти, но уже различались светлоты. При мощностях обоих излучений, подобранных должным образом, глаз видит мелькающие поля одинаковой светлоты.

Определив значения относительной спектральной свето­вой эффективности, можно построить кривую υ_λ = f(λ), необходимую для перехода от лучистого потока к световому и обратно (рис. 2.5). Значения υ_λ, стандартизованы (ГОСТ 11093—64).

Спектральная чувствительность палочкового и колбоч-кового аппарата различна. Из рис. 2.5 видно, что кривая от­носительной спектральной световой эффективности дневно­го зрения смещена относительно кривой сумеречного зре­ния.