1873

5.3. Дневное и ночное зрение. Эффекты световосприятия

При малых уровнях освещенности сетчатки (малой яркости объектов и фона) ответственными за наше зрение являются палочки. При малых уровнях яркости (В<< 0,01 кд/м2) концентрация молекул родопсина в палочках максимальна. Чувствительность глаза тоже максимальна и соответствует способности увидеть свечу на расстоянии 4–5 км (в пределе – 8–10 км) при достаточной прозрачности атмосферы. При этом особенно важно, что палочки соединены к нервному волокну группами, и поэтому формируемый электрический импульс достаточен для возникновения зрительного ощущения. Колбочки при этом в формировании зрительного ощущения не участвуют. Мы имеем палочковое, так называемое ночное зрение.

Увеличение яркости > 0,1 кд/м2, особенно > 10 кд/м2, приводит к резкому снижению концентрации молекул родопсина. Палочки «выцветают». Процесс регенерации родопсина не успевает за процессом распада. В палочках практически не формируются электрические импульсы. Зато в колбочках образуются уже достаточные для зрительного ощущения заряды, а скорость восстановления иодопсина значительно выше, т.е. в колбочках все время имеются молекулы светочувствительного вещества, достаточные для зрительного ощущения. Мы имеем в этом случае колбочковое, так называемое дневное зрение.

Таким образом, наш зрительный аппарат способен действовать как в условиях малых, так и больших, а также промежуточных яркостей. При малых яркостях (В < 0,01 кд/м2) работают в основном палочки; при больших (В > 10 кд/м2) – колбочки, в промежуточной области работают одновременно палочки и колбочки. Различия в механизмах ночного (сумеречного) и дневного зрения проявляются в ряде интересных эффектов.

1. Световая и темновая адаптации глаза. Адаптацией называется приспособление глаза к данным условиям освещения. При попадании в темное помещение после яркого света мы первое время ничего не видим. Но потом постепенно начинаем различать предметы и свободно ориентироваться в пространстве. Что происходит? При ярком свете палочки не работают, весь родопсин распался. В темноте перестают работать колбочки (недостаточна амплитуда электрических сигналов), а в палочках еще не успел восстановиться родопсин. Темновая адаптация длится все время, пока не восстановился родопсин (довольно долго, до 1 часа). При переходе из темноты на яркий свет мы тоже практически не видим, даже испытываем болевое ощущение. Почему? Зрачок при переходе из темноты еще расширен, внутренний механизм защиты от чрезмерной освещенности (с помощью пигментного эпителия) не работает, поэтому в первый момент на ярком свету происходит почти полное «выгорание» и палочек, и колбочек. Через несколько мгновений зрачок сужается, пигментные клетки подходят к кол-

122

бочкам и иодопсин в них восстанавливается. Мы начинаем видеть. Световая адаптация происходит быстрее, так как скорость рекомбинации иодопсина выше, чем родопсина.

2.Различие в разрешающей способности дневного и ночного зрения. Ночью предметы кажутся нам более размытыми, чем днем. Мы не видим многие детали не потому, что недостаточно света, а потому, что колбочковый аппарат способен разрешать детали в сотни раз более мелкие, чем палочковый; выше его разрешающая способность. Наиболее ценной с точки зрения остроты зрения является желтое пятно особенно центральная ямка, где максимальна концентрация колбочек. Большая острота у колбочкового аппарата хотя бы потому, что колбочка – более точечный приемник света, ибо она, как правило, одна соединена с нервным волокном и формирует сигнал в одиночку. А палочки соединены вместе сотнями и суммарный приемник получается большой. На такой приемник попадают лучи света от достаточно удаленных точек предмета, и разрешение деталей становится невозможным.

3.Эффект Пуркинье. Спектральная чувствительность глаза неодинакова. Об этом упоминалось в предыдущих главах. Наиболее сильное воздействие на глаз оказывает излучение с λmax = 555 нм, соответствующее желтозеленому цвету. Чешский ученый Я. Пуркинье установил: кривая спектральной чувствительности глаза при уменьшении уровня яркости объектов наблюдения несколько смещается в сторону синей границы спектра

(см. рис. 5.4). Ночью λmax = 510 нм.

Практически эффект Пуркинье состоит в неодинаковом потемнении

123

разноцветных равноярких поверхностей при значительном уменьшении их яркости. Например, мы взяли красный и синий равнояркие в условиях дневного освещения образца и снизили в 10000 раз их освещение без изменения спектрального состава света. Синий образец станет казаться более ярким. Так, синий василек в сумерках кажется ярче красного мака, хотя при дневном освещении они казались нам равнояркими. Эффект объясняется неодинаковой спектральной чувствительностью палочек и колбочек. Более того, способность воспринимать цвет объектов у колбочек и палочек резко различна. Можно даже сказать, что лишь колбочки отвечают за цветное зрение. В условиях ночного зрения, при очень малом освещении мы вообще перестаем различать цвета предметов.

5.4. Механизм цветовосприятия, дальтонизм. Эффекты цветовосприятия

Основную информацию об освещенности сетчатки несет частота (а не амплитуда) следования импульсов тока, идущих от светочувствительной клетки к головному мозгу. Как же глаз различает цвет? Высказанная еще Ломоносовым гипотеза о наличии в сетчатке 3-х типов приемников, отвечающих каждый за свой цвет, оказалась верна. Человек различает цвета благодаря существованию в сетчатой оболочке 3-х типов колбочек: красноощущающих (К-рецепторы), зеленоощущающих (З-рецепторы) и синеощущающих (С-рецепторы). Максимумы цветовой чувствительности их приходятся на 0,59; 0,54 и 0,44 мкм. Согласно этой теории различие зрительных ощущений разноцветных излучений одинаковой яркости определяется различными соотношениями частот импульсов токов КЗСрецепторов. Т. е., если имеются одинаковые по яркости, но разные по цветности объекты, то, ощущая одинаковую яркость по равенству суммарных уровней сигналов от сетчатки к коре, мозг различает их по цвету за счет разного соотношения сигналов КЗС-рецепторов.

Одним из доказательств правильности этой теории является известный дефект нарушения цветового зрения – дальтонизм. Встречаются люди, которые не ощущают красного, зеленого или синего цвета. Они совсем подругому воспринимают цвета окружающих нас предметов. Это объяснятся отсутствием у этих людей соответствующего типа колбочек в сетчатке.

Краснослепые дальтоники (протаноны) отождествляют светло-красные цвета с темно-зелеными, красные цвета с λ>0,68 мкм не видят. Зеленослепые или дейтераноны отождествляют темно-красные с светло-зелеными цветами, голубые – с фиолетовыми. Синеслепые, или тританоны, путают желтые с зелеными, пурпурные и красные. Последние встречаются очень редко. Некоторые цвета дальтоники воспринимают как бесцветные.

Рассмотрим в заключение несколько эффектов цветовосприятия, связанных с рассмотренным выше механизмом цветного зрения:

124

1.Цветовая адаптация. При длительном воздействии какого-либо цвета на глаз чувствительность глаза к этому цвету снижается. Например, человек, длительно работающий с поверхностью красного цвета, перестает различать его тонкие оттенки. Поэтому, в частности, перемежают цвета тканей, вывешенных на продажу в магазине.

2.Одновременный цветовой контраст. Восприятие яркости цвета зависит от фона, на котором он рассматривается. Так, один и тот же оранжевый цвет на фоне красного выглядит светлым, а на фоне желтого – темным.

3.Последовательный цветовой контраст, послеобразы. Представим, что на белом листе нарисован хорошо освещенный красный круг. Зафиксируем на нем глаза в течение 8–10 секунд, а затем переведем взгляд на белую часть листа. Мы увидим кружок голубоватого цвета. Это последовательный образа, или послеобраз. Светочувствительные клетки имеют некоторое время запаздывание реакции. Поэтому мы несколько мгновений продолжаем видеть на белом листе кружок. Но поскольку красные рецепторы глаза утомлены (иодопсина в них мало), то цвет этого послеобраза формируется синими и зелеными колбочками и приобретает цвет, дополнительный к данному.

4.Постоянство восприятия цвета объекта. Один из психических эффектов цветовосприятия. Хорошо иллюстрируется следующим примером: мел мы воспринимаем белым и при обычном, и при ночном, и при цветном, например желтом, освещении. Здесь проявляется роль предметносмыслового содержания восприятия человека.

Приложения к главе 5

Приложение 5.1. Цветовая сигнализация

Современная сигнализация на всех видах транспорта осуществляется с помощью световых сигналов. Причем следует различать сигнализацию на транспорте (светофоры) и сигнальные огни на транспортных средствах. Цвета и тех, и других нормируются в ГОСТах в системе XYZ, расположением областей допустимого разброса цветности световых огней и сигналов на графике МКО.

Допуски цветов автомобильных огней приведены на цветовом графике рис. 5.5. Здесь приведены области четырех цветов основных автомобильных огней и 2-х сигнальных: белый 1, красный 4, селективный желтый 2, оранжевый 3, зеленый 6, синий 5.

Общепринятым для наземных транспортных средств является следующее разделение: для передних огней – белый, для задних – красный. Следовательно, задние габаритные огни, задние световозвращатели и сигналы торможения выполняются красного цвета. Для передних габаритных огней и фонарей заднего хода общепринятым является белый цвет, но допускает-

125

преимущественного проезда синего цвета.

На рис. 5.6 приведен цветовой график в системе XYZ, на котором нанесены области допустимого разброса цветности световых сигналов различных цветов, представляющих собой площади, ограниченные отрезками прямых линий и участками линий спектральных цветов. Указаны области для 5-ти цветов, применяемых в сигнализации на железнодорожном транспорте: красного, желтого, зеленого, синего и лунно-белого.

На городском транспорте используют 3 сигнальных цвета: красный – запрещающий, зеленый – разрешающий и желтый – предупреждающий. Почему же именно эти цвета выбраны для соответствующих целей? Для объяснения этого существует несколько групп объяснений.

С точки зрения психофизиологии восприятия цветов:

а) красный цвет увеличивает кровяное давление, действует возбуждающе, усиливает условные рефлексы, направленные на самозащиту;

б) желтый – тоже действует возбуждающе, но не столь эмоционально окрашен;

в) зеленый – уменьшает кровяное давление, способствует успокоению.

1.Наиболее важная группа причин – это разная чувствительность глаза

кэтим излучениям. Чувствительность человеческого глаза характеризуется 2-мя пороговыми величинами:

126

(кривая 2) порогов от длины волны наблюдаемого света. И хотя для боль-

3.Чувствительность глаза человека падает с возрастом. Меньше всего это сказывается на восприятии красного цвета.

4.Красный свет хорошо замечает периферическое зрение (когда лучи источника попадают на периферию сетчатки, где колбочек мало), а также обладает хорошей заметностью на фоне других огней и малой подверженностью мешающих объектов.

Приложение 5.2. Светодиоды в световой сигнализации

До начала 90-х годов об использовании светодиодов (см. 2.6) в качестве "светильников" и не задумывались: слишком ничтожной была величина светового потока – сотые доли люмена (0,025–0,05 лм). Но с появлением "суперярких" светодиодов ситуация кардинально изменилась. Инженерысветотехники американской фирмы "Хьюлетт Паккард" и японской "Ничиа Кемикал Индастриз", можно сказать, совершили революцию в оптоэлектронике, создав высокоэффективные и долговечные светодиоды красного, желтого, зеленого и синего цветов с осевой силой света более 1 канделы (раньше у нас эту единицу называли свеча). Они уже могли заменить лампу и вскоре были внедрены в производство.

Принцип работы здесь следующий: проходящий через кристалл электрический ток возбуждает излучение (свет) строго определенного спектра,

128

а линза фокусирует его в световой поток заданной геометрии. Поэтому КПД светодиода выше, чем у традиционных источников света. Скажем, лампы накаливания характеризуются светоотдачей широкополосного излучения 8–15 люмен на ватт потребляемой электрической мощности, однако после прохождения через цветное стекло светоотдача уменьшается почти на порядок. Светодиоды же, излучая 8 лм/Вт, никаких цветных фильтров и рассеивателей не требуют.

Еще одно их преимущество – высокая механическая прочность, большая, чем у ламп накаливания. Кроме того, традиционные источники света

– лампы накаливания и газоразрядные – служат в среднем 1–2 тыс. часов (в зависимости от режимов нагрузки), т. е. в 30 раз меньше, чем светодиоды (100 тыс. часов). Не стоит забывать и про их малые размеры: диаметр от 3 до 5 мм, высота цилиндрической части 10–15 мм. Такие значения дают возможность сделать фонари почти плоскими, что, в свою очередь, позволит увеличить внутренний объем багажника, не изменяя габарит автомобиля. Светодиоды могут крепиться не только к жесткой основе (стандартной печатной плате), но и к эластичной металлической ленте, что позволит дизайнерам создавать плоские сигнальные секции самой замысловатой формы. Практически везде, кроме фар головного света, светодиоды способны стать альтернативой лампам накаливания. В табл. 5.1 приведены характеристики светодиодов разных типов.

Однако стоимость одного светодиода приблизительно равна стоимости привычной автомобильной лампы накаливания. Учитывая, что в заднем фонаре, скажем, шестой модели ВАЗа четыре лампы, а светодиодов для такого же фонаря потребуется несколько десятков, это становится существенным недостатком.

Одним из первых сигнальных приборов, куда "вживили" светодиоды, стал дорожный светофор (рис. 5.8). И это помогло избавиться от существенного недостатка этого устройства. Известно, что закат и восход солнца способствуют возникновению "фантомного" эффекта, который вот уже не один десяток лет портит кровь водителям во всем мире. Суть его в следующем: солнечные лучи, падающие под прямым углом на стекло фонаря светофора, проходят через него, попадают на отражатель и создают впечатление, что все три сигнала включены одновременно. Что особенно опасно

– наибольший коэффициент отражения имеет зеленый свет. В такой ситуа-

129

ции его нередко принимают за действительный. Светофор на светодиодах этого недостатка лишен – он не имеет отражателей в сигнальных секциях. Вдобавок монтажную плату покрывают специальным составом, поглощающим солнечные лучи.

В новых светофорах практически исключена вероятность "мгновенно-

увеличивает срок службы его вспомогательного оборудования. По данным производителей, приборы окупят себя не более чем за 4–5 лет. Только в Москве за 1999 год было установлено больше тысячи светофоров нового поколения (см. рис. 5.8), десятки – на перекрестках Нижнего Новгорода, Волгограда, Тюмени, Перми.

Светодиоды уже широко используют в дополнительных стоп-сигналах (рис. 5.9) и повторителях, встроенных в спойлеры, в освещении приборной панели и т. д. Появились и «диодные» фары-искатели, существенно отличающиеся от обычных геометрией светового луча.

Рис. 5.9. Светодиодный повторитель сигнала "стоп"

Светодиоды нашли применение и при создании дорожных знаков и информационных щитов. "Установить и забыть" – так можно сформулировать основные требования к подобной продукции. Световые приборы на основе светодиодов полностью отвечают им. Оставалось только решить проблему

130

"цветовой палитры": для реализации многокрасочного изображения необходима громадная гамма светодиодов. Однако создание трех основных эффективных светодиодов – синего, зеленого и красного – позволило получать желаемый цвет путем "смешения" исходных.

Однако не сдаются и изготовители ламп. Статистика свидетельствует: вероятность наезда на автомобиль сзади значительно меньше при наличии дополнительных стоп-сигналов, кстати, в обязательном порядке устанавливаемых на автомобили во многих странах, например США. По мнению сотрудников фирм "Осрам" и "Хелла", для использования в стоп-сигналах также больше всего подходят газоразрядные лампы, только не ксеноновые, а неоновые – в них свет возникает при электрическом разряде в неоногелиевой смеси. Когда водитель нажмет на педаль тормоза, такая лампа загорается на 0,2 секунды раньше, чем обычная лампа накаливания. Эта, казалось бы, ничтожная разница при скорости 100 км/ч дает водителю едущего за вами автомобиля лишних 6 метров тормозной дистанции. Неоновые лампы "Люминон" от "Осрама" или "Неон" от "Хеллы" не требуют сложного преобразователя и предназначены исключительно для стопсигналов.

Приложение 5.3. Психофизиологическая роль цвета

Всякий отдельно взятый цвет или сочетание цветов может восприниматься человеком различно в зависимости от культурно-исторического контекста, от пространственного расположения цветового пятна, его формы и фактуры, от настроенности и культурного уровня зрителей и многих других факторов. Поэтому попытки составления жестких соответствий между цветом и эмоциональным состоянием нельзя признать плодотворными. Значение данной проблемы для художников прикладных специальностей достаточно ясно. Ведь любое произведение прикладного искусства или дизайна – стены зданий, декоративные ткани, предметы убранства, одежда, машины и орудия труда – создает цветовую среду, так или иначе формирующую душевное состояние человека, влияющую на строй его мыслей и уровень работоспособности.

Из всего комплекса вопросов, составляющих сложную проблему психологического воздействия цвета, особенно актуальны вопросы о физиологических реакциях человека на цвет и о цветовых ассоциациях. Изложим вкратце их суть.

Все спектральные цвета тем или иным образом влияют на функциональные системы человека.

Красный – возбуждающий, согревающий, активный, энергичный, проникающий, тепловой, активизирует все функции организма, используется для лечения ветряной оспы, скарлатины, кори и некоторых кожных заболеваний, на короткое время увеличивает мускульное напряжение, повышает

131