1Световое излучение и его восприятие зрительной системой

Характеристики светового излучения. К основным характеристика светового излучения относят: световой поток, силу света, освещенность, яркость.

Световой поток F – это мощность светового электромагнитного излучения, оцениваемая по воздействию на глаз человека. Единицей светового потока является люмен (лм). Между мощностью электромагнитного излучения Р, измеряемого в Ваттах (Вт), и световым потоком F (лм) установлена следующая связь на частоте ₀=555 нм [2]

F=683P

Распределение светового потока в пространстве, окружающем источник света, характеризуется силой света.

Сила света I – световой поток в пределах единицы телесного угла. Измеряется в канделах (кд). Кандел – световой поток в один (лм) в пределах телесного угла в один стереорадиан. (Телесный угол в один стереорадиан – это часть пространства, заключенная внутри замкнутой конической поверхности, вершина которой находится в центре шара, а основание вырезает из поверхности шара фигуру площадью R², где R – радиус шара).

Распределение светового потока по освещаемой поверхности характеризуется освещенностью.

Освещенность Е – световой поток, падающий на единицу площади освещаемой поверхности. Измеряется в люксах (лк). Люкс – световой поток в один (лм), падающий на площадь 1 м².

Характеристикой светящейся поверхности является яркость.

Яркость L - сила света, излучаемая единицей площади светящейся по­верхности в направлении, перпендикулярном этой излучающей площадке. Измеряется в кд/м². Яркость в 1 кд/м² создается площадкой в 1 м², излучающей световой поток, сила света которого равна одному кд. Если поверхность наклонена к направлению излучения, то полагают, что световой поток создается как бы площадкой, расположенной на плоскости перпендикулярной направлению излучения, площадь которой равна проекции реальной излучающей площадки на эту плоскость.

Основные параметры зрительной системы человека. Восприятие светового излучения осуществляется зрительной системой человека. Зрительная система состоит из органа зрения - глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга. Она может быть описана целым ря­дом параметров, характеризующих восприятие изображения человеком. К этим параметрам можно отнести: световую чувствительность глаза; зависимость чувствительности глаза от длины волны электромагнитного излучения; пространственный угол ясного зрения; разрешающую способность зрительной системы; критическую частоту мельканий источника света; относительный разностный порог раздражения; диапазон яркостей, воспринимаемых глазом; минимальное время распознавания образа объекта. Перечисленные параметры определяются следующим образом.

С ветовая чувствительность глаза ν – величина обратная яркости светового пятна, которая обнаруживается глазом на черном фоне [3,4]. Световая чувствительность глаза зависит от длины волны светового электромагнитного колебания. Диапазон длин волн электромагнитных колебаний, которые восприни­маются человеком как световое излучение, составляет 380760 нм. Внутри это­го диапазона воздействие электромагнитного излучения на глаз неодинаково и характеризуется кривой видности.

Кривая видности – это нормированная зависимость чувствительности глаза о т длины волны электромагнит-ного излучения  (рис. 1.1) [3]. Максимум кривой видности соответствует длине волны 555 нм.

Рис.1.1. Кривая видности

Пространственный угол яс-ного зрения – угол, из которого в глаз поступает основная зритель-ная информация. Размеры угла ясного зрения в горизонтальной плоскости составляют , а в вертикальной – . (В целом поле зрения человека достаточно велико и составляет порядка в верти­кальной и горизонтальной плоскостях [3]).

Разрешающая способность зрительной системы (острота зрения) - наименьшее угловое расстояние между двумя рядом расположенными светящимися точками, при котором наблюдатель видит эти точки раздельно. Для "стандартного" глаза разрешающая способность составляет [3].

Зрение человека инерционно. Это, в частности, проявляется в том, что при прекращении действия светового потока глаз как бы продолжает "видеть" источник, кажущаяся яркость которого быстро убывает. В силу инерционных свойств зрения периодическая последовательность световых импульсов может восприниматься как непрерывное излучение. Наименьшая частота повторения импульсных возбуждений глаза, при которой человек перестает замечать импульсный характер светового излучения и воспринимает его как непрерывное, называется критической частотой мельканий (f_кр). Критическая частота мельканий яркости источника зависит от средней яркости поля наблюдения, размеров мелькающего участка и т.д. Для яркостей ТВ экранов f_кр = 48 Гц [3].

Для распознавания образа объекта, увиденного человеком на экране (узнавания его), человеку требуется время. Минимальное время распознавания образа объекта составляет 4–10с [4].

Важнейшей характеристикой зрения является восприятие яркости. На практике приходится различать отдельные детали яркостью (L) на некотором фоне (L₀). При этом глаз замечает изменение яркости L = L-L₀, если величина отношения L/L₀ превышает определенную величину.

Относительным разностным порогом раздражения называется минимальная величина L/L₀, которая может быть зафиксирована глазом. Эта величина в общем случае зависит от яркости фона. Однако, для яркостей изображения на ТВ экране (от десятых долей до 10² кд/м²) ее можно считать постоянной и равной 0,05.

Диапазон яркостей, воспринимаемый человеческим глазом, чрезвычайно широк и составляет от 10^-5 кд/м² до 10⁴ кд/м² [4].