Влияние света. Световая чувствительность

свет цвет физиология восприятие

Для создания безопасных условий труда требуется не только достаточная освещенность рабочих поверхностей, но и рациональное направление света, отсутствие резких теней и бликов, вызывающих слепящее действие.

Правильная освещенность и окраска оборудования, опасных мест дает возможность следить за ними более внимательно (станок, окрашенный в однотонный цвет), а предупреждающая окраска опасных мест позволит уменьшить травматизм. Кроме того подбор правильного сочетания цветов и их интенсивности сведет до минимума время адаптации глаз при переводе взгляда с детали на рабочую поверхность. Правильно подобранная окраска может влиять на настроение рабочих, а, следовательно, и на производительность труда. Таким образом, недооценка влияния освещения, выбора цвета и света приводят к преждевременному утомлению организма, накоплению ошибок, снижению производительности труда, увеличению брака и, как следствие, к травматизму. Некоторое пренебрежение к вопросам освещенности вызвано тем, что глаз человека имеет очень широкий диапазон приспособления: от 20 лк (в полнолуние) до 100000 лк.

Естественное освещение - это видимый спектр излучения электромагнитных волн солнечной энергии длиной 380 - 780 нм (1 нм = 10 -9 м). Видимый свет (белый) состоит из спектра цветов: фиолетовый (390 - 450 нм), синий (450 - 510 нм), зеленый (510 - 575 нм), желтый (575 - 620 нм), красный (620 - 750 нм). Излучение с длиной волны более 780 нм называется инфракрасным, а с длиной волны менее 390 нм - ультрафиолетовым.

Цвет и свет взаимосвязаны между собой. Цвета, наблюдаемые человеком, делятся на хроматические и ахроматические. Ахроматические цвета (белый, серый, черный) имеют разные коэффициенты отражения и, поэтому, основной их характеристикой является яркость. Хроматические цвета (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый) характеризуются, в основном, тоном, который определяется длиной волны и чистотой или насыщенностью (степень "разбавленности" основного цвета белым). Окраска оборудования, материалов и др. в чёрный цвет угнетает человека. При переноске стандартных ящиков белого и черного цвета все рабочие заявили, что чёрные ящики тяжелее. Чёрную нить на белом фоне видно в 2100 раз лучше, чем на черном, но при этом наблюдается резкий контраст (отношение яркостей). С увеличением яркости и освещения до известных пределов усиливается острота зрения и яркость, с которой глаз различает отдельные предметы, т.е. быстрота различения. Слишком большая яркость света отрицательно влияет на органы зрения, вызывая ослепление и резь в глазах. Приспособление глаз к изменению яркости называется тёмной и светлой адаптацией. При работе на станке тёмно-серого цвета (отражающего 5% света) и с блестящей деталью (отражающей 95% цвета) рабочий переводит взгляд со станка на деталь 1 раз в минуту, при этом на адаптацию глаза затрачивается примерно 5 секунд. За семичасовой рабочий день будет потеряно 35 минут. Если при тех же условиях работы изменить время адаптации до 1 секунды за счет правильного подбора контраста, потеря рабочего времени будет равна 7 минутам.

Неправильный подбор освещения влияет не только на потерю рабочего времени и утомление рабочих, но и увеличивает травматизм в период адаптации, когда рабочий не видит или плохо видит деталь, и выполняет рабочие операции автоматически. Подобные условия наблюдаются и при монтажных работах, работе крана и других видах работ в вечернее время при искусственном освещении. Поэтому отношение яркостей (сущность контраста) не должно быть большим.

В восприятии цветов человеком важную роль играет цветовой контраст, т.е. преувеличение действительной разницы между одновременными восприятиями. Одна французская торговая фирма заказала партию красной, фиолетовой и голубой ткани с черным узором. Когда заказ был выполнен, фирма отказалась его принять, т.к. на красной ткани вместо черного узора был зеленоватый; на голубой - оранжевый, на фиолетовой - желто-зеленоватый. Суд обратился к специалистам, и когда те закрыли ткань, то в прорезях на бумаге рисунок был черный.

В настоящее время установлено, что красный цвет возбуждает, но и быстро утомляет человека; зеленый полезен для человека; желтый вызывает тошноту и головокружение. Естественное освещение считается самым лучшим для здоровья человека.

Солнечный свет оказывает биологическое действие на организм, поэтому естественное освещение является гигиеничным. Замена естественного освещения искусственным допускается только тогда, когда по каким-либо причинам нельзя использовать (или невозможно использовать) естественное освещение рабочих мест.

Поэтому нормирование освещения производственных помещений и рабочих мест осуществляется на научной основе с учетом следующих основных требований:

• 1. Достаточная и равномерная освещенность рабочих мест и обрабатываемых деталей;
• 2. Отсутствие яркости, блеклости и слепящего действия в поле зрения рабочих;
• 3. Отсутствие резких теней и контрастов;
• 4. Оптимальная экономичность и безопасность осветительных систем.

Следовательно, для правильного светового режима необходимо учитывать весь комплекс гигиенических условий, т.е. количественную и качественную стороны освещения.

Для измерения освещенных рабочих мест и общей освещенности помещений используют люксметр типа Ю-116, Ю-117, универсальный люксметр - яркометр ТЭС 0693, фотометр типа 1105 фирмы "Брюль и Кэр". Принцип работы приборов основан на использовании фотоэлектрического эффекта - эмиссии электронов под действием света (рис 2.4.1).

При выполнении различных видов работ применяют естественное, искусственное и смешанное освещение, параметры которых регламентируются ГОСТ 12.1.013-78, СНиП ІІ-4-79 "Естественное и искусственное освещение", инструкцией по проектированию электрического освещения строительных площадок (СН 81-80). Все помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь естественное освещение.

Там, где невозможно осуществить естественное освещение или если оно не регламентируется СНиП П-4-79, применяется искусственное или смешанное освещение.

Оптическая часть спектра, состоящая из ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений, имеет диапазон волн от 0,01 до 340 мкм. Видимое излучение, воспринимаемое глазом, называется световым и имеет длину волн от 0,38 до 0,77 мкм, а мощность такого излучения - световым потоком (F). Единицей светового потока принят люмен. Это величина, равная 1/621 светового ватта. Люмен [лм] определяется как световой поток, который испускается полным излучателем (абсолютно черным телом) при температуре затвердения платины с площадью 530,5?10 -10 м 2 (световой поток от эталонного точечного источника в 1 канделу, расположенного в вершине телесного угла в 1 стерадиан). Стерадиан - это единичный телесный угол щ, который является частью среды радиусом 1 м и площадью сферической поверхности, основание которой равно 1 м 2 .

где щ - единичный телесный угол, 1 стер;

S - площадь сферической поверхности, 1 м 2 ;

R - радиус сферической поверхности, 1 м.

Пространственная плотность светового потока в данном направлении называется силой света (I). За единицу силы света принята кандела [кд].

где Й - сила света, кд;

F - световой поток, лм.

Величина светового потока, который приходится на единицу освещаемой поверхности, называется освещенностью (Е). Измеряется освещенность в люксах. Люкс - освещенность поверхности площадью 1м 2 равномерно распределенным световым потоком в 1 лм.

Видимость предметов зависит от части света, отраженного предметом, и характеризуется яркостью (В). Измеряется яркость в [кд/м 2 ].

где б - угол между нормалью к элементу поверхности S и направлением, для которого определяется яркость.

Яркость - светотехническая величина, на которую непосредственно реагирует глаз. Гигиенически приемлемым являются яркости до 5000 кд. Яркость в 30000 кд и выше является ослепляющей. К качественным показателям освещенности относятся фон и контрастность, видимость, показатель ослепленности и т.д.

Фон - это поверхность, которая примыкает к объекту (различие). Фон считается светлым при коэффициенте отражения с > 0,4; средним при с = 0,2-0,4; и темным при с < 0,2.

Контрастность характеризуется отношением яркостей рассматриваемого предмета и фона:

Контрастность освещения считается большой при > 0,5; средней при = 0,2-0,5; и малой при < 0,2.

Равномерность освещения характеризуется отношением минимальной освещенности к её максимальному значению в пределах всего помещения.

Естественное освещение

Естественное освещение является наиболее приемлемым человеку, поэтому помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь в основном естественное освещение. Естественное освещение осуществляется через оконные, дверные проемы, через фонари, прозрачные кровли. Поэтому оно подразделяется на (рис.2.4.2):

• а) верхнее освещение - через световые фонари, прозрачные кровли;
• б) боковое освещение - через окна;
• в) комбинированное освещение - через окна и фонари, и т.д.

Критерием естественной освещенности является коэффициент естественной освещенности (КЕО или Е Н), который представляет отношение естественной освещенности светом неба в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения Е вн к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого небосвода Е нар, и выражается в процентах:

Нормирование КЕО проводится согласно с требованиями СНиП ЙЙ-4-79 "Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования".

Согласно СНиП ЙЙ-4-79 при одностороннем боковом освещении критерием оценки является минимальное значение КЕО в точке, расположенной в 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов, на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности или пола. Под характерным разрезом помещения понимается поперечный разрез помещения, плоскость которого перпендикулярна к плоскости остекления световых проемов. В характерный разрез помещения должны попадать участки с наибольшим количеством рабочих мест. За условную рабочую поверхность принимается горизонтальная поверхность, расположенная на высоте 0,8 м от пола. При двустороннем боковом освещении критерием оценки является минимальное значение KЕO в середине помещения, в точке на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (пола).

При верхнем, боковом и комбинированном освещении нормируется среднее значение КЕО (табл. 2.4.1.).

Все параметры освещения определяются разрядом зрительной работы. Разряд зрительной работы при расстоянии от объекта различия до глаз работающего более 0,5 м определяется отношением минимального размера объекта различия (d) к расстоянию от этого объекта до глаз работающего (l). Под объектом различия понимается рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, которые требуется различать в процессе работ. Всего установлено восемь разрядов зрительной работы (табл. 2.4.1).

Нормированное значение KЕO (Е н) принимается в зависимости от разряда зрительной работы, особенностей светового климата и солнечного климата.

Для зданий располагаемых в Й, II, ЙV и V поясах светового климата стран СНГ, в зависимости от вида освещения, боковое или верхнее нормированное значение КЕО (Е н б, Е н в) определяется по формуле:

где m-коэффициент светового климата; с-коэффициент солнечности климата.

Значение Е н III находится по таблице 2.4.1; коэффициент светового климата (m) - по таблице 2.4.2; коэффициент солнечности климата (С) - по таблице 2.4.3. Неравномерность естественного освещения производственных и общественных зданий с верхним или с верхним и боковым освещением основных помещений для детей и подростков при боковом освещении не должна превышать 3:l.

Неравномерность естественного освещения не нормируется для помещений с боковым освещением при выполнении работ VЙЙ, VIII разрядов при верхнем и комбинированном освещении, для вспомогательных и общественных зданий ЙЙЙ и IV групп (п.1.2 СНиП ЙЙ-4-79). При проектировании зданий в ЙЙЙ и V климатических районах, где выполняются работы I - IV разрядов, необходимо предусматривать солнцезащитные устройства. При естественной освещенности помещений большое значение имеет уход за окнами и фонарями. Грязные стекла задерживают до 50% всего света. Поэтому должна производиться регулярная чистка стекол и побелка помещений. С незначительным выделением пыли чистки стекол производится через шесть месяцев, побелка - один раз в три года; в пыльных - четыре раза в год чистка и один раз в год побелка.

При проектировании зданий одной из важных задач является правильный расчет площади световых проемов при естественном освещении.

Если площадь световых проемов будет меньше требуемой, то это приведет к снижению освещенности и, как следствие, к снижению производительности труда, повышенной утомляемости работающих, заболеваниям и появлению травматизма.

Таблица 2.4.1. Нормирование коэффициента естественного освещения

Таблица 2.4.2. Значение коэффициента светового климата, m

Таблица 2.4.3. Значение коэффициента солнечности климата, с

Рис. 2.4.3

Для исправления допущенной ошибки необходимо дополнительно вводить искусственное освещение, что вызовет постоянные дополнительные расходы. Если площадь световых проемов будет больше, то потребуется постоянные дополнительные расходы на отопление зданий. Поэтому СНиП II-4-79 запрещает для отапливаемых зданий предусматривать площадь световых проемов больше, чем требуется по настоящим нормам (рис. 2.4.5). Установленные размеры световых проемов допускается изменять на +5, -10%.

Площадь световых проемов в свету рассчитывают

При боковом освещении, м 2:

• (2.4.8)
• - при верхнем освещении, м 2:

где - нормированное значение КЕО;

S 0 и S ф - площадь окон и фонарей;

S п - площадь пола;

з 0 и з ф - световые характеристики окна и фонаря (ориентировочно приняты для окон 8,0 - 15,0, для фонарей 3,0 - 5,0).

Световая характеристика окон (з о) оценивается по таблице 26 с учетом характеристики помещения, а световая характеристика фонаря или светового проема (з ф) - по таблицам 31 и 32 приложения 5 СНиП ЙЙ-4-79 с учетом характеристик помещения и фонарей.

Коэффициенты, учитывающие затенение окон противостоящими зданиями (К зд), тип фонаря (К ф) определяются по таблице 3 СНиП II-4-79; К з - коэффициент запаса принимается по таблице 5.

При боковом освещении до проведения работ необходимо оценить отношение ширины (глубины) помещений (В) к расстоянию от уровня условной рабочей поверхности до верхнего края окна (h 1).

Общий коэффициент (рис.2.4.3.) светопропускания (ф 0), зависит от коэффициентов светопропускания материала (ф 1), коэффициентов, учитывающих потери света в переплетах светопроема (ф 2), потери света в несущих конструкциях (ф 3), потери света в солнцезащитных устройствах (ф 4), потери света в защитной сетке, устанавливаемой под фонарями (ф 5 =0,9). Значения коэффициентов приведены в СНиП II-4-79 приложения 5 таблицы 28, 29.

Коэффициенты, которые учитывают повышение КЕО от отражения света (r 1 и r 2) находят по таблицам 30 и 33 приложения 5 СНиП ЙЙ-4-79 с учётом коэффициента отражения (с ср) и характеристик помещения.

Чтобы правильно рассчитать площадь световых проемов (в свету) при боковом (S 0) или верхнем (S ф) освещении, необходимо знать не только параметры проектируемого помещения, но и виды работ, для которых проектируется здание, в каком световом климате Украины или СНГ строится объект, взаимное расположение объектов.

Благодаря зрительному аппарату (глазу) и мозгу человек способен различать и воспринимать цвета окружающего его мира. Довольно нелегко сделать анализ эмоционального воздействия цвета, по сравнению с физиологическими процессами, появляющимися в результате световосприятия. Однако большое количество людей предпочитает определённые цвета и полагает, что цвет оказывает непосредственное воздействие на настроение. Трудно объяснить то, что многие люди находят сложным жить и работать в помещениях, где цветовое оформление кажется неудачным. Как известно, все цвета разделяют на тяжелые и лёгкие, сильные и слабые, успокаивающие и возбуждающие.

Строение человеческого глаза

Опытами ученых сегодня доказано, что у многих людей существует похожее мнение относительно условного веса цветов. Например, по их мнению, красный является самым тяжёлым, за ним следует оранжевый, потом синий и зелёный, затем - жёлтый и белый.

Строение человеческого глаза достаточно сложное:

склера;
сосудистая оболочка;
зрительный нерв;
сетчатка;
стекловидное тело;
ресничный поясок;
хрусталик;
передняя камера глаза, наполненная жидкостью;
зрачок;
радужная оболочка;
роговица.

Когда человек наблюдает объект, то отраженный свет сначала попадает на его роговицу, затем проходит через переднюю камеру, и отверстие в радужной оболочке (зрачок). Свет попадает на сетчатку глаза, но прежде он проходит через хрусталик, который может изменять свою кривизну, и стекловидное тело, где появляется уменьшенное зеркально-шарообразное изображение видимого объекта.
Для того, чтобы полосы на французском флаге казались одинаковой ширины на судах их делают в пропорции 33:30:37

На сетчатке глаза расположены два вида светочувствительных клеток (фоторецепторов), которые при освещении изменяют все световые сигналы. Они также называются колбочками и палочками.

Их существует около 7 млн, и они распределены по всей поверхности сетчатки, за исключением слепого пятна и имеют малую светочувствительность. Кроме того, колбочки подразделяются на три вида, это чувствительные к красному свету, зелёному и синему, соответственно реагирующие лишь на синюю, зелёную и красную часть видимых оттенков. Если же передаются остальные цвета, например жёлтый, то возбуждаются два рецептора (красно- и зелёночувствительный). При таком значительном возбуждении всех трёх рецепторов появляется ощущение белого, а при слабом возбуждении напротив - серого цвета. Если возбуждения трёх рецепторов отсутствуют, то возникает ощущение чёрного цвета.

Можно привести также следующий пример. Поверхность объекта, имеющего красный цвет, при интенсивном освещении белым светом, поглощает синие и зелёные лучи, и отражает красные, а также зелёные. Именно благодаря разнообразию возможностей смешения световых лучей различных длин спектра, появляется такое многообразие цветовых тонов, из которых глаз отличает примерно 2 млн. Вот так колбочки обеспечивают глаз человека восприятием цвета.

На чёрном фоне цвета кажутся интенсивнее, по сравнению со светлым.

Палочки наоборот, имеют намного большую чувствительность, чем колбочки, а также чувствительны к синезелёной части видимого спектра. В сетчатке глаза расположено около 130 млн. палочек, которые в основном не передают цвета, а работают при небольших освещённостях, выступая аппаратом сумеречного зрения.

Цвет способен изменять представление человека о настоящих размерах предметов, а те цвета, которые кажутся тяжёлыми, заметно уменьшают такие размеры. Например, французский флаг, состоящий из трёх цветов, включает синюю, красную, белую вертикальные полосы одинаковой ширины. В свою очередь, на морских судах соотношение таких полос меняют в пропорции 33:30:37 для того, чтобы на большом расстоянии они казались равнозначными.

Огромное значение на усиление или ослабление восприятия глазом контрастных цветов имеют такие параметры как расстояние и освещение. Таким образом, чем больше расстояние между глазом человека и контрастной парой цветов, тем наименее активно они кажутся нам. Фон, на котором находится предмет определённого цвета, также воздействует на усиление и ослабление контрастов. То есть на чёрном фоне они кажутся интенсивнее, по сравнению с любым светлым.

Мы обычно не задумываемся о том, что есть свет. А между тем именно эти волны несут в себе большое количество энергии, которая используется нашим организмом. Нехватка света в нашей жизни не может не отразиться отрицательно для нашего организма. Не даром сейчас становится всё более популярным лечение, основанное на воздействие этих электромагнитных излучений (цветотерапия, хромотерапия, ауро-сома, цветовая диета, графохромотерапия и многое другое).

Что такое свет и цвет?

Свет - это электромагнитное излучение с длиной волны от 440 до 700 нм. Человеческий глаз воспринимает часть солнечного света и охватывает излучение с длиной волны от 0,38 до 0,78 микрон.

Световой спектр состоит из лучей очень насыщенного цвета. Свет распространяется со скоростью 186 000 миль в секунду (300 млн. километров в секунду).

Цвет - основной признак, по которому различаются лучи света, то есть это отдельные участки световой шкалы. Восприятие цвета формируется в результате того, что глаз, получив раздражение от электромагнитных колебаний, передаёт его в высшие отделы головного мозга человека. Цветовые ощущения имеют двойственную природу: они отражают свойства, с одной стороны, внешнего мира, а с другой - нашей нервной системы.

Минимальные значения соответствуют синей части спектра, а максимальные - красной части спектра. Зелёный цвет - находится в самой середине этой шкалы. В цифровом выражении цвета можно определить следующим образом:
красный - 0,78-9,63 микрон;
оранжевый - 0,63-0,6 микрон;
жёлтый - 0,6-0,57 микрон;
зелёный - 0,57-0,49; микрон
голубой - 0,49-0,46 микрон;
синий - 0,46-0,43 микрон;
фиолетовый - 0,43-0,38 микрон.

Белый свет - это сумма всех волн видимого спектра.

За пределами этого диапазона находятся ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) световые волны, их человек зрительно уже не воспринимает, хотя они оказывают очень сильное воздействие на организм.

Характеристики цвета

Насыщенность - это интенсивность цвета.
Яркость - это количество световых лучей, отражённых поверхностью данного цвета.
Яркость определяется освещением, то есть количеством отражённого светового потока.
Для цветов характерно свойство перемешиваться между собой и тем самым давать новые оттенки.

На усиление или ослабление восприятия человеком контрастных цветов влияют расстояние и освещение. Чем больше расстояние между контрастной парой цветов и глазом, тем менее активно они выглядят и наоборот. Окружающий фон так же влияет на усиление или ослабление контрастов: на чёрном фоне они сильнее, чем на любом светлом.

Все цвета делятся на следующие группы

Первичные цвета: красный, жёлтый и синий.
Вторичные цвета, которые образовываются посредством соединения между собой первичных цветов: красный + жёлтый = Оранжевый, жёлтый + синий = зелёный. Красный + синий = фиолетовый. Красный + жёлтый + синий = коричневый.
Третичные цвета - это те цвета, которые были получены посредством смешения вторичных цветов: оранжевый + зелёный = жёлто-коричневый. Оранжевый + фиолетовый = красно-коричневый. Зелёный + фиолетовый = сине-коричневый.

Польза цвета и света

Чтобы восстановить здоровье, нужно передать в организм соответствующую информацию. Эта информация закодирована в цветовых волнах. Одной из главных причин большого числа, так называемых, болезней цивилизации - гипертонии, высокого уровня холестерина, депрессии, остеопороза, диабета и т. д. может быть назван недостаток естественного света.

Меняя длину световых волн, можно передавать клеткам именно ту информацию, которая необходима для восстановления их жизнедеятельности. Цветотерапия и направлена на то, чтобы организм получил не хватающую ему цветовую энергию.

Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, как свет проникает в тело человека и воздействует на него.

Действуя на радужку глаза, цвет возбуждает определённые рецепторы. Те, кто хоть однажды проходил диагностику по радужной оболочке глаза, знает, что по ней можно «прочитать» болезнь любого из органов. Оно и понятно, ведь «радужка» рефлекторно связана со всеми внутренними органами и, разумеется, с мозгом. Отсюда нетрудно догадаться, что тот или иной цвет, действуя на радужную оболочку глаза, тем самым рефлекторно воздействует и на жизнедеятельность органов нашего тела.

Возможно, свет проникает через сетчатку глаза и стимулирует гипофиз, который в свою очередь стимулирует тот или иной орган. Но тогда не понятно, почему полезен такой метод как цветопунктура отдельных секторов человеческого тела.

Вероятно, наше тело способно чувствовать эти излучения с помощью рецепторов кожного покрова. Это подтверждает наука радионика - согласно этому учению вибрации света вызывают вибрации в нашем организме. Свет вибрирует во время движения, наше тело начинает вибрировать во время энергетического излучения. Это движение можно увидеть на фотографиях Кирлиана, с помощью которых можно запечатлеть ауру.

Возможно, эти вибрации начинают воздействовать на мозг, стимулируя его и заставляя вырабатывать гормоны. В последствии эти гормоны попадают в кровь и начинают воздействовать на внутренние органы человека.

Так как все цвета различны по своей структуре, то не трудно догадаться, что и воздействие каждого отдельного цвета будет различным. Цвета разделяют на сильные и слабые, успокаивающие и возбуждающие, даже на тяжёлые и легкие. Красный был признан самым тяжёлым, за ним шли равные по весу цвета: оранжевый, синий и зелёный, затем - жёлтый и последним - белый.

Общее влияние цвета на физическое и психическое состояние человека

На протяжении многих столетий у людей по всему миру складывалась определённая ассоциация определённым цветом. Например, римляне и египтяне соотносили чёрный цвет с печалью и скорбью, белый цвет - с чистотой, однако в Китае и Японии белый цвет - символ скорби, а вот у населения Южной Африки цветом печали был красный, в Бирме напротив, печаль ассоциировалась с жёлтым, а в Иране - с синим.

Влияние цвета на человека достаточно индивидуально, и зависит также от определённого опыта, например от метода подбора цвета определённых торжеств или же повседневной работы.

В зависимости от времени воздействия на человека, либо количества занимаемой цветом площади, он вызывает положительные или отрицательные эмоции, и влияет на его психику. Глаз человека способен распознавать 1,5 миллиона цветов и оттенков, а цвета воспринимаются даже кожей, воздействуют и на людей, лишённых зрения. В процессе исследований, проведённых учёными в Вене, имели место испытания с завязанными глазами. Людей ввели в комнату с красными стенами, после чего их пульс увеличился, затем их поместили в помещение с жёлтыми стенами, причём пульс резко нормализовался, а в комнате с синими стенами, он заметно понизился. Кроме того, заметное воздействие на цветовосприятии и снижении цветовой чувствительности оказывает возраст и пол человека. До 20-25 восприятие возрастает, а после 25 уменьшается по отношению к определённым оттенкам.

Исследования, имевшие место в американских университетах доказали, что основные цвета, преобладающие в детской комнате, могут воздействовать на изменение давления у детей, снижать или повышать их агрессивность, причем у зрячих и незрячих. Можно сделать соответствующий вывод, что цвета могут оказывать негативное и позитивное воздействие на человека.

Восприятие цветов и оттенков можно сравнить с музыкантом, настраивающим свой инструмент. Все оттенки способны вызывать в душе человека неуловимые отклики и настроения, поэтому он и ищет резонанс колебаний цветовых волн с внутренними отголосками своей души.

Ученые разных стран мира утверждают, что красный цвет помогает вырабатыванию красных телец в печени, а также помогает скорейшему выведению ядов из организма человека. Полагают, что красный цвет способен уничтожать различные вирусы и значительно снижает воспаления в организме. Зачастую в специальной литературе встречается мысль о том, что любому органу человека присущи вибрации определённых цветов. Разноцветную окраску внутренностей человека можно встретить на древних китайских рисунках, иллюстрирующих методы восточной медицины.

Кроме того, цвета не только влияют на настроение и психическое состояние человека, но и приводят к некоторым физиологическим отклонениям в организме. Например, в помещении с красными или оранжевыми обоями заметно учащается пульс и повышается температура. В процессе окраски помещений выбор цвета обычно предполагает очень неожиданный эффект. Нам известен такой случай, когда хозяин ресторана, хотевший улучшить аппетит у посетителей, приказал покрасить стены в красный цвет. После чего аппетит гостей улучшился, однако чрезвычайно увеличилось количество разбитой посуды и число драк и происшествий.

Известно также, что цветом можно вылечить даже многие серьезные заболевания. К примеру, во многих банях и саунах благодаря определенному оборудованию существует возможность принимать целебные цветовые ванны.

Чтобы видеть, нам нужен свет. Это положение может показаться слишком очевидным, чтобы заслуживать упоминания, однако оно не всегда было столь банальным. Платон думал, что зрительное восприятие существует не потому, что свет проникает в глаз, а потому, что частицы, исходящие из глаз, обволакивают окружающие предметы. Трудно представить себе теперь, почему Платон не попытался разрешить проблему с помощью простых экспериментов. Хотя для философов вопрос о том, каким образом мы видим, всегда был излюбленной темой размышлений и теоретических построений, только за последнее столетие эта проблема стала предметом систематических исследований; это довольно странно, поскольку все научные наблюдения зависят от показаний человеческих органов чувств и главным образом от зрения.

В течение последних 300 лет существовали две соперничавшие теории относительно природы света. Исаак Ньютон (1642-1727) считал, что свет - это поток частиц, в то время как Христиан Гюйгенс (1629-1695) утверждал, что свет представляет собой, по всей видимости, колебание небольших эластичных сферических образований, соприкасающихся друг с другом и перемещающихся во всепроникающей среде - эфире. Любое возмущение этой среды, как он считал, будет распространяться во всех направлениях в виде волны, а эта волна и есть свет.

Полемика относительно природы света - одна из наиболее впечатляющих и интересных в истории науки. Основным вопросом на ранних стадиях дискуссии был вопрос о том, распространяется ли свет с определенной скоростью или он достигает цели мгновенно. Ответ на этот вопрос был получен совершенно неожиданно датским астрономом Рёмером (1644-1710). Он изучал затмение четырех ярких спутников, вращающихся вокруг Юпитера, и обнаружил, что периоды между затмениями нерегулярны и зависят от расстояния между Юпитером и Землей.

В 1675 г. он пришел к заключению, что этот факт определяется временем, которое требуется, чтобы свет, исходящий от спутников Юпитера, достиг глаза экспериментатора; время возрастает с увеличением расстояния вследствие ограниченной скорости света. Действительно, расстояние от Земли до Юпитера равно примерно 299 274000 км - это в два раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца; наибольшая временная разница, которую он наблюдал, равнялась 16 мин. 36 сек. -на этот отрезок времени раньше или позже, чем полагалось по расчету, начиналось затмение спутников. На основании несколько ошибочной оценки расстояния до Солнца он подсчитал, что скорость света равна 308 928 км/сек. Современные знания о диаметре земной орбиты позволяют нам уточнить эту величину и считать ее равной 299 274 км/сек, или Зх10 10 см/сек. Скорость света, таким образом, на небольших расстояниях от Земли измеряется очень точно, и теперь мы рассматриваем ее как одну из основных констант Вселенной.

Вследствие ограниченной скорости света и определенной задержки нервных импульсов, поступающих я мозг, мы всегда видим прошлое. Наше восприятие Солнца запаздывает на 8 мин.; всем известно, что наиболее отдаленный из видимых невооруженным глазом объектов - туманность Андромеды уже больше не существует и то, что мы видим, происходило за миллион лет до появления человека на Земле.

Скорость света, равная Зх10 10 см/сек, строго сохраняется только в полном вакууме. Когда свет проходит через стекло или воду или какую-нибудь другую пропускающую свет среду, его скорость уменьшается в соответствии с показателем преломления света (приблизительно в соответствии с плотностью этой среды). Это замедление скорости света исключительно важно, так как именно благодаря этому свойству света призма преломляет свет, а линзы создают изображение. Закон преломления (отклонение луча света в зависимости от изменения показателя преломления) был впервые установлен Снеллиусом, профессором математики, в Лейдене в 1621 году. Снеллиус умер в возрасте 35 лет, оставив свои работы неопубликованными. Декарт сформулировал Закон преломления одиннадцать лет спустя. Закон преломления гласит:

«При переходе света из среды А в среду В отношение синуса угла падения к синусу угла преломления света является константою».

Мы можем видеть, как это происходит, из простой диаграммы (рис. 2, 3): если АВ - луч, проходящий через плотную среду в вакуум (или воздух), то он появится в воздухе под углом i по линии BD.

Закон гласит, что sin i/sin r является постоянной величиной. Эта константа и есть индекс рефракции, или показатель преломления, обозначенный v.

Ньютон думал, что частицы света (корпускулы) притягиваются к поверхности плотной среды, Гюйгенс полагал, что преломление возникает вследствие того, что скорость света уменьшается в плотной среде. Эти предположения были высказаны задолго до того, как французский физик Фуко доказал прямыми измерениями, что скорость света в плотной среде действительно уменьшается. Некоторое время считали, что корпускулярная теория света Ньютона совершенно ошибочна и что свет - это только ряды волн, проходящих через среду, эфир; однако начало нынешнего столетия ознаменовалось важным доказательством того, что волновая теория света не объясняет всех световых явлений. Теперь считается, что свет - это и частицы и волны.

Свет состоит из единиц энергии - квантов. Они соединяют в себе свойства и частиц и волн. Коротковолновый свет содержит большее количество волн в каждом пучке, чем длинноволновый. Этот факт находит свое отражение в правиле, согласно которому энергия одного кванта является функцией частоты, иначе говоря, E = hv, где Е - это энергия в эрг/ сек; h - небольшая постоянная величина (константа Планка), а υ частота излучения.

Когда свет преломляется призмой, каждая частота отклоняется под несколько иным углом, так что из призмы пучок света выходит в виде веера лучей, окрашенных во все цвета спектра. Ньютон открыл, что белый свет состоит из всех цветов спектра, разложив солнечный луч на спектр и затем обнаружив, что он может вновь смешать цвета и получить белый свет, если пропускать спектр через вторую сходную призму, установленную в обратном положении.

Ньютон обозначил семь цветов своего спектра следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Никто в действительности не видит синий цвет в чистом виде, еще более сомнителен оранжевый. Подобное деление спектра на цвета объясняется тем, что Ньютон любил число 7, и он добавил оранжевый и синий, чтобы получить магическую цифру!

Теперь мы знаем то, чего не знал Ньютон, а именно, что каждый спектральный цвет, или оттенок, является светом определенной частоты. Мы знаем также, что так называемое электромагнитное излучение, по существу, ничем не отличается от светового. Физическое различие между радиоволнами, инфракрасным светом, видимым светом, ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами состоит в их частоте. Только очень узкий диапазон этих частот возбуждает глаз и дает изображение и ощущение цвета. Диаграмма (рис. 2, 5) показывает, как узка эта полоса в физической картине волн. Взгляните на этот рисунок, ведь мы почти слепы!

Если нам известна скорость света и его частота, то легко подсчитать длину волны, однако в действительности частоту света трудно измерить непосредственно. Легче измерить длину световых волн, чем их частоту, хотя это не относится к низкочастотным радиоволнам. Длина световой волны измеряется путем расщепления света не с помощью призмы, а с помощью специальной решетки из тонких тщательно начерченных по определенным правилам линий, в результате чего также возникают цвета спектра. (Это можно видеть, если держать диск светового поляризатора наклонно, под тупым углом к источнику света: тогда отражение будет состоять из ярких цветов.) Если даны расстояния между линиями, нанесенными по определенному образцу и составляющими решетку, и угол, благодаря которому возникает пучок света данного цвета, то длина волны может быть определена очень точно. Подобным путем можно установить, что голубой свет имеет длину волны приблизительно 1/100 000 см, в то время как длина волны красного света равна 1/175 000 см. Длина световой волны важна для установления границ разрешающей способности оптических инструментов.

Мы не можем невооруженным глазом видеть один квант света, тем не менее рецепторы сетчатки настолько чувствительны, что они могут стимулироваться одним квантом света. Однако, чтобы получить ощущение вспышки света, необходимо несколько (от пяти до восьми) квантов света. Отдельные рецепторы сетчатки настолько чувствительны, насколько это вообще возможно для какого-либо детектора света, поскольку квант - это наименьшее количество лучистой энергии, которое вообще может существовать. К сожалению, прозрачные проводящие среды глаза далеки от совершенства и скрадывают возможности сетчатки воспринимать свет. Только около 10% света, поступающего в глаз, достигают рецепторов, остальное теряется вследствие поглощения и расщепления внутри глаза прежде, чем свет достигнет сетчатки. Несмотря на эти потери, оказывается возможным при идеальных условиях видеть одну свечу на расстоянии 27 353 м.

Идея квантовой природы света имеет важное значение для понимания зрительного восприятия; эта идея вдохновила на ряд изящных экспериментов, направленных на выяснение физических свойств света и его восприятия глазом и мозгом. Первый эксперимент, посвященный изучению квантовой природы света, был проведен тремя физиологами - Гехтом, Шлером и Пиренном в 1942 г. Их работа является сейчас классической. Предполагая, что глаз должен обладать почти или целиком такой же чувствительностью, как это теоретически возможно, они задумали очень остроумный эксперимент, чтобы выяснить, сколько квантов света должно быть воспринято рецепторами, чтобы мы увидели вспышку света. Доказательство основывалось на использовании распределения Пуассона. Оно описывает ожидаемое распределение попаданий в цель. Идея состоит в том, что по крайней мере частично изменения чувствительности глаза во времени связаны не с состоянием самого глаза или нервной системы, а с колебаниями энергии слабого светового источника. Вообразите беспорядочный поток пуль, они не будут попадать в цель с постоянной скоростью, скорость будет варьировать, сходным образом наблюдаются колебания и в количестве квантов света, которые достигают глаза. Данная вспышка может содержать малое или большое число квантов света, и вероятность обнаружить ее будет тем выше, чем больше она превышает среднее число квантов во вспышке. Для яркого света этот эффект несуществен, однако, поскольку глаз чувствителен и к нескольким квантам, колебания энергии света важно учитывать при минимальных величинах этой энергии, необходимых для возникновения ощущения.

Представление о квантовой природе света важно также и для понимания способности глаза выделять тонкие детали. Одна из причин, почему мы можем читать при свете луны только крупный газетный шрифт, состоит в том, что количество квантов, попадающих на сетчатку, недостаточно, чтобы создать полный образ за тот короткий промежуток времени, который требуется глазу, чтобы интегрировать энергию, - это число порядка одной десятой секунды. В действительности это еще не все, что может быть сказано по этому поводу; чисто физический фактор, обусловленный квантовой природой света, способствует появлению хорошо известного зрительного феномена - ухудшению остроты зрения при тусклом свете. До последнего времени это явление трактовалось исключительно как свойство глаза. В самом деле часто довольно трудно установить, следует ли относить тот или иной зрительный феномен к области психологии, физиологии или физики.

Как возникают изображения? Проще всего изображение может быть получено с помощью булавочного отверстия. Рисунок показывает, как это делается. Луч от части предмета х может достигнуть только одной части экрана у - той части, которая расположена на прямой линии, проходящей через булавочное отверстие. Каждая часть предмета освещает соответствующую часть экрана, так что на экране создается перевернутое изображение предмета. Полученное с помощью булавочного отверстия изображение будет довольно тусклым, потому что для четкого изображения нужно еще меньшее отверстие (хотя, если отверстие слишком мало, изображение будет расплывчатым, поскольку нарушается волновая структура света).

Линза фактически представляет собой пару призм. Они направляют поток света от каждой точки объекта к соответствующей точке экрана, давая, таким образом, яркое изображение. В отличие от булавочного отверстия, линзы хорошо работают только тогда, когда соответствующим образом подобраны и правильно установлены. Хрусталик может быть неправильно настроен и не соответствовать глазу, в котором он находится. Хрусталик может фокусировать изображение спереди или сзади сетчатки, вместо того чтобы фокусировать его на самой сетчатке, что приводит к появлению близорукости или дальнозоркости. Поверхность хрусталика может быть недостаточно сферической и вызывать искажение или нарушение четкости изображения. Роговица может быть неправильной формы или иметь изъяны (возможно, вследствие повреждения металлической стружкой на производстве или песчинкой при вождении машины без предохранительных очков). Эти оптические дефекты могут быть скомпенсированы с помощью искусственных линз - очков. Очки исправляют дефекты аккомодации, изменяя силу хрусталика; они корригируют астигматизм, добавляя несферический компонент. Обычные очки не могут исправить дефекты поверхности роговицы, однако, новые роговичные линзы, установленные на самом глазу, образуют новую поверхность роговицы.

Очки удлиняют нашу активную жизнь. С их помощью мы можем читать и выполнять сложную работу в старости. До их изобретения работники умственного и физического труда становились беспомощными вследствие недостатков зрения, хотя они были еще сильны разумом.

Используемая литература: Р. Л. Грегори
Глаз и мозг. Психология зрительного восприятия: Л.Р. Грегори
под ред. Э. Пчелкина, С. Елинсон.-м. 1970 г.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Глаз человека, при всем своем совершенстве, улавливает лишь небольшую часть всего спектрального диапазона электромагнитного излучения. Простыми словами, восприятие светового потока человеком не велико. Например, чувствительность человеческого глаза значительно снижается при коротких световых волнах синего цвета. Всего существует 7 цветов диапазона, пример тому - радуга после дождя. Это явление показывает полный спектр электромагнитного излучения, воспринимаемого человеком. Где самые длинные волны находятся в диапазоне красного цвета, а короткие - фиолетово-синего.

Растения - значительно чувствительней. Для правильного роста и развития требуется значительно более широкий спектр, чем может воспринимать человеческое зрение. Для примера, наиболее оптимальное восприятие светового потока у людей происходит в диапазоне 380-780 нм. Чувствительность представителей флоры определяется более широким спектром.

Проблема сезонности

Важный момент: если для человека в большинстве случаев смена сезонов в отношении количества световой энергии проходит почти незамеченной, то для растений это губительно. Постоянный световой поток возможен лишь в экваториальных частях земного шара, где нет резкой смены сезонов. Для нашей климатической зоны характерны резкие перепады температур, но главное - это количество солнечного света.

Растения, которые выводятся в искусственных условиях, тем более нуждаются в широком спектре световой энергии. Современная наука уже давно нашла выход в данной ситуации. Теперь фермерам, селекционерам, аграриям предлагаются светодиодные светильники типа PlantaLux-45 . Это специальное оборудование, способствующее росту и развитию представителей флоры. Световой поток фитосветильников такого типа как раз находится в требуемом для растений широком спектре. Их хорошо использовать в качестве досветки для некоторых видов овощей, фруктов, зелени, цветов. Главными преимуществами

3-11-2012, 22:21

Описание

Основы фотометрии

Основное свойство рецепторов сетчатки - световая чувствительность, т. е. способность, поглощая свет, инициировать первую ступень сложного зрительного процесса. Чувствительность фоторецепторов к свету чрезвычайно велика: рецептор способен генерировать импульс возбуждения при поглощении всего нескольких, быть может только двух, фотонов. Но вероятность того, что фотон будет поглощен светочувствительным веществом рецептора, в сильной степени зависит от энергии фотона, т. е. от частоты или длины волны излучения. Зависимость вероятности поглощения фотона от длины его волны лежит в основе световой фотометрии, обуславливая способ пересчета энергетических величин в световые, прежде всего мощности излучения Р (Вт) в световой поток Ф (лм). Первые фотометрические измерения, еще в XVIII в. проводились при достаточной освещенности, когда хорошо различаются цвета, т. е. когда работают колбочки. Поэтому основные фотометрические величины были установлены для дневного, колбочкового зрения. В основу была положена единица силы света - свеча. Сначала это была просто свеча типа восковой или стеариновой, потом старались обусловить материал и диаметр свечи, затем воспроизводили эталон в виде пламенной лампы с определенными конструкционными ее параметрами (свеча Гефнера). В двадцатом веке световые эталоны были созданы в виде ламп накаливании. Во второй половине нашего столетия в основу эталона силы света было положено излучение черного тела при температуре затвердевания платины. Сила света одного квадратного сантиметра черного тела при температуре 2042 К принята равной 60 свечам или по современной терминологии 60 канделам (60 кд). Устройство первичного светового эталона достаточно сложно.

В целях его лучшей сохранности и упрощения поверочных испытаний создают вторичные и рабочие световые эталоны . Их изготовляют из специально отобранных и отожженных ламп накаливания. Прямым сравнением с первичным эталоном определяют световые характеристики вторичных эталонов, по которым поверяют рабочие эталоны. В практике лабораторных фотометрических измерений пользуются образцовыми светоизмерительными лампами, которые время от времени сравнивают с рабочими эталонами, хранящимися в метрологических учреждениях. Схема сравнения с первичным эталоном изображена на рис. 19.

Рис. 19. Сравнение силы света лампы накаливании с эталоном

Кварцевый сосуд 2 засыпан окисью тория 1, в которую погружен тигель 4 с трубкой 5 из плавленой окиси тория. Тигель наполнен химически чистой платиной 3, поддерживаемой при температуре 2042 К. Излучение выходит из печи через смотровое окно 6 и с помощью призмы 7 и объектива 8 через диафрагму 9 направляется на пластинку 10, которая освещается с другой стороны вторичным эталоном в виде лампы накаливания 11. Свет, рассеянный обеими сторонами пластинки, направляется в фотометрический кубик 12. Смотря на него в окуляр, наблюдатель видит картину, изображенную на рис. 20.

Рис. 20. Распределение яркости, создаваемое фотометрическим кубиком

Поля, обозначенные буквой 3, освещены светом первичного эталона, а буквой Л - лампы накаливания. Передвигая лампу 11, наблюдатель на некотором расстоянии l между пластинкой 10 и лампой 11 добивается одинаковой яркости полей. Яркости обеих сторон пластинки пропорциональны их освещенностям, а так как материал и обработка обеих сторон пластинки одинаковы, коэффициенты пропорциональности между яркостью и освещенностью в обоих случаях равны. Поэтому можно написать уравнение

где Jэ и Jл - сила света первичного и вторичного эталонов; коэффициент а учитывает преобразование пучка света от первичного эталона объективом 8 и потери в призме 7 и объективе 5; ?с - коэффициент пропускания системы двух призм фотометра, сквозь которые свет проходит после рассеяния на пластинке 10.

Таким образом, можно найти силу вторичного эталона

Следует обратить внимание на то, что хотя здесь измеряется сила света, непосредственно в фотометре уравниваются яркости двух полей. Силу света получают уже путем расчета. Это обстоятельство характерно для всей визуальной фотометрии: глаз может сравнивать только яркости и при измерениях работает как нуль-прибор. Равенство яркостей в хороших условиях мы можем устанавливать с большой точностью, с погрешностью меньшей одного процента. Но попытки определить, во сколько раз одна яркость превосходит другую, приводят к очень большим ошибкам.

Положив в основу световых величин силу света и установив ее единицу - канделу , мы можем дальше строить всю систему фотометрических световых величин и единиц. Единица светового потока - люмен. Равномерный точечный источник с силой света 1 кд излучает в телесном угле 1 ср световой поток 1 лм. Между силой света J и потоком Ф источника в этом случае существует соотношение

Освещенность измеряется потоком, приходящимся на единицу площади:

Единица освещенности - люкс (лк), равный одному люмену, приходящемуся на квадратный метр, лм/м2.

Яркость светящейся поверхности в направлении нормали к ней измеряется отношением силы света этой поверхности к ее площади.

Освещенный белый экран, обладающий равномерно-диффузным отражением с коэффициентом отражения р, приобретает яркость, которую можно подсчитать по формуле

Спектральная чувствительность

В быту мы оцениваем силу света источника по его мощности. Мы знаем, что стоваттная лампочка дает больше света, чем двадцатипятиваттная. Но оценка силы света по мощности возможна только для источников одного типа. Электроплитка с открытой спиралью тоже светит. Но каждый знает, что шестисотваттная плитка светит гораздо хуже, чем двадцатипятиваттная лампочка. Из-за низкой температуры плитки почти всю энергию она излучает в инфракрасной области и только немного - в длинноволновом диапазоне видимых лучей. И все же можно сказать, что световой поток источника пропорционален его мощности , но коэффициент пропорциональности зависит от спектрального состава излучения. Чтобы внести ясность в соотношение между световым потоком и мощностью, нужно обратиться сначала к монохроматическим излучениям, т. е. к излучениям, длины волн которых заключены в узком интервале d?. Тогда мы сможем написать формулу

где dФ - световой поток, приходящийся на узкую спектральную область d?; Р? - спектральная плотность мощности, т. е. dP/d?; Кm - максимальная спектральная световая эффективность, равная 683 лм/Вт; V(?) -относительная спектральная световая эффективность излучения для дневного зрения. Эту безразмерную величину часто называют устарелым, но лаконичным и удобным названием - относительная вндность. Эта величина характеризует чувствительность глаза к свету различных длин волн. Каждой длине волны? соответствует одно значение V(?). Наглядное представление о функции V(?) может дать такая процедура ее определения.

Рядом поставлены два белых экрана, площади которых равны. На первый экран посылают излучение мощностью 1 Вт с длиной волны?1 = 555 нм (желто-зеленый свет), а на второй - другое излучение, скажем зеленое, с длиной волны?2 = 500 нм. Если его мощность будет тоже 1 Вт, мы увидим, что второй экран много темнее первого. Чтобы уравнять яркости, мощность второго излучения придется увеличить до 3 Вт. Значит, чувствительность глаза к излучению?2 составляет одну треть чувствительности к излучению?1 Приняв чувствительность к?1 = 555 нм (она максимальна) за единицу, получим, что чувствительность к свету с длиной волны?2 = 500 нм равна 1/3 (точное значение V(?) =0,323). Таким же образом мы можем найти V(?) для всех других длин волн и получить зависимость К(Х) в виде таблицы или графика. Можно найти и значение коэффициента Кm. Мощность излучения, лежащего в узком интервале длин волн АХ, выразим в виде

а соответствующий световой поток будет

Послав этот поток на экран площадью Аа, обладающий свойствами, обеспечивающими выполнение равенства (31), получим его яркость, воспользовавшись формулами (29), (31) и (34):

Если теперь непосредственно измерить L, то в формуле (35) будут известны все величины, кроме Кm, откуда

В действительности определение V(?) и Кm - весьма сложная задача, во-первых, в силу необходимости производить гетерохромное фотометрирование, т. е. уравнивать по яркости поля разного цвета, а во вторых, из-за индивидуальных различий в спектральной чувствительности.

На основе анализа экспериментальных работ Международная комиссия по освещению утвердила значения относительной спектральной эффективности для стандартного фотометрического наблюдателя МКО. На базе этих значений построена основная система фотометрирования . На основе утвержденных МКО значений V(?) построена кривая, изображенная на рис. 21 (сплошная линия).

Рис. 21. График функции V (?)

Подведем некоторые итоги.

Свет, как всякий материальный объект, обладает массой и энергией. Поэтому фотометрию можно строить как учение об энергии света, кладя в основу мощность излучения . Такая фотометрия действительно существует, и ею рассматриваются чисто энергетические величины: энергетическая сила света, мощность или поток излучения, энергетическая освещенность, энергетическая яркость. Для измерений в области энергетической фотометрии лучше всего подходят неселективные приемники, прежде всего тепловые, обращающие в тепловую энергию излучения любой длины волны. Но для такой важной отрасли науки и практической деятельности, как светотехника, чисто энергетическая фотометрия неудобна. Для светотехника важно учитывать воздействие света на селективный приемник - глаз человека. Так, еще раньше энергетической фотометрии появилась ее частная отрасль - визуальная фотометрия с системой световых единиц - световой поток, освещенность, яркость.

Световой поток - это мощность излучения, оцениваемая по ее действию на глаз. Следует еще добавить - на глаз, адаптированный к высоким уровням яркости, когда приемником света служат колбочки (дневное зрение). Можно подумать, что в световые величины вводится элемент субъективности. Оценка по действию на глаз... На чей глаз? Однако после регламентации значений функции относительной видности субъективность исчезает.

Световой поток (а следовательно, и все другие световые величины) становится объективной физической величиной, определяемой формулой (32) и стандартизованными значениями V(?) и Кm. Чтобы от спектрального потока в интервале длин волн перейти к потоку Ф, следует проинтегрировать (32) в пределах от нуля до бесконечности.

Интеграл всегда сходится, так как вне сравнительно узкой области видимого спектра V(?) =0. Практически вполне достаточно брать интеграл в пределах от 380 до 760 нм.

Если бы фотометрия строилась не исторически, а логически, формулы ее можно было бы упростить. Первоначальная независимость визуальной фотометрии от энергетики вызвала необходимость введения коэффициента Кm, который позднее пришлось определять экспериментально. Можно было бы положить Кm = 1, это упростило бы соотношения между энергетическими и световыми величинами.

Эффект Пуркинье

При значительном понижении уровня яркости, с наступлением ночи восприятие света переходит к палочкам, спектральная чувствительность которых сильно отличается от чувствительности колбочек. На связанное с таким различием явление более полутораста лет тому назад обратил внимание чешский ученый, доктор и профессор медицины Ян Пуркинье. Эффект Пуркинье заключается в том, что в сумерках предметы красного цвета становятся темнее синих, а зеленые становятся синеватыми, так как теряют желтую составляющую их цвета. Ночью, когда цвета уже совсем не различаются, алая роза кажется темнее василька.

Уже сам Пуркинье дал в общих чертах правильное объяснение открытому им явлению. Гельмгольц получил уже некоторые количественные результаты, характеризующие смещение максимума спектральной чувствительности в сторону более коротких волн при понижении яркости.

Хотя изучению явлений, связанных с эффектом Пуркинье, посвящено довольно много работ (хороший обзор их дан в книге А. А. Волькенштейна), долгое время казалось, что они представляют интерес только для физиологов. Считалось, что активная деятельность человека при малых яркостях составляет по времени примерно сотую часть всей работы человека. Однако Бертлинг справедливо заметил, что хотя чаще всего работает светлоадаптированный глаз, те более редкие случаи, когда приходится полагаться на ночное или сумеречное зрение, бывают наиболее критическими, так что ошибка в расчете освещения может иметь роковые последствия. В тридцатых годах нашего столетия возникли новые задачи освещения наружных пространств газосветными лампами, в связи с чем стала очевидной необходимость уточнения светотехнических расчетов в области малых освещенностей. В начале столетия к увеличению экономичности ламп накаливания был один основной путь - увеличение температуры нити ламп . Это было выгодно для светлоадаптированного глаза и тем более для темноадаптированного. Появление газосветных и люминесцентных ламп разорвало термодинамическую связь между температурой и спектром излучения. Получили распространение, например, натриевые лампы, отличающиеся большой световой отдачей. Однако, в силу эффекта Пуркинье это их преимущество теряет силу при освещенностях в доли люкса. Еще Бертлинг сравнил экономичность нескольких ламп при высокой и низкой освещенности, в частности натриевой и ртутной ламп, световая отдача которых при высокой освещенности составляла соответственно 51 и 33 лм/Вт. Оказалось, что при низкой освещенности натриевая лампа даст в 6 раз меньше света на ватт потребляемой мощности, чем ртутная

Изучению работы зрения при низких освещенностях и связанных с этим фотометрических и светотехнических вопросов посвятили свои работы многие ученые, как советские, так и зарубежные. Назовем имена хотя бы некоторых из них: С. О. Майзель, А. А. Гершуи, Н. И. Пинегин, В. Г. Самсонова, С. Г. Юров, А. А. Волькенштейн, Боума, Стайлс, Кроуфорд, Уолд.

В результате Международной комиссией но освещению была стандартизована относительная спектральная световая эффективность излучения для ночного зрения V"(?), кривая которой проведена на рис. 21 штриховой линией. Максимум V"(? приходится на длину волны 507 нм.

Международный светотехнический словарь рекомендует считать дневным (фотопическим) зрением работу глаза, адаптированного к уровням яркости по меньшей мере в несколько кд/м2, а ночным (скотопическим) - работу глаза, адаптированного к яркостям, меньшим нескольких сотых кд/м2.

Эквивалентная яркость

При фотопическом зрении работают только колбочки, при скотопическом - только палочки. Однако остается еще несколько порядков значений яркости, при которой в зрительном процессе участвуют и колбочки, и палочки. Это область сумеречного (мезопического) зрения . Пришлось исследовать функции видности и в промежуточной зоне. В табл. 4

Таблица 4. Относительная спектральная световая эффективность излучения V(?) в зависимости от яркости адаптации

приведены восемь функций видности в интервале яркости 10_5 кд/м2 -до 100 кд/м2.

После того как была обнаружена зависимость спектральной чувствительности от яркости, Л. А. Гершун предложил для ее учета кроме стандартной (фотопической) яркости ввести новую величину - эквивалентную яркость Lеq. Эта величина официально принята МКО, термин 45-10-085

Яркость, выраженную через световой поток, в определение которого входит функция V(?) [формула (36)], называют фотопической или стандартной . Эквивалентную яркость поверхности, освещенной излучением любого спектрального состава, условились измерять, визуально уравнивая ее с яркостью белой поверхности, освещенной излучением черного тела при температуре затвердевания платины (2042 К). Назовем такое излучение эталонным. Создаваемая эталонным излучением стандартная яркость при любых ее уровнях считается численно равной эквивалентной яркости. Для излучения любой иной цветовой температуры это равенство стандартной и эквивалентной яркостей нарушается при низких уровнях освещения, где вступает в силу эффект Пуркинье. Поясним сказанное примером.

Пусть одно поле фотометра - назовем его первым - освещено эталонным излучением, причем освещенность его можно изменять в любое число раз, сохраняя неизменным спектральный состав света. Осветим второе поле лампой накаливания с температурой нити 2800 К и установим на обоих полях фотометра яркость 100 кд/м2. Уменьшим теперь освещенность обоих полей в 100 000 раз. Стандартная яркость их станет 10-3 кд/м2. Но мы ясно увидим, что второе поле светлее первого. Чтобы сделать поля равиосветлыми, стандартную яркость первого поля придется увеличить примерно до 1,4 X 10-3 кд/м2. Это и будет эквивалентной яркостью второго поля, стандартная яркость которого равна 10_3 кд/м2. Разница объясняется тем. что излучение более высокой цветовой температуры, спектр которого сдвинут в сторону коротких волн, меньше проигрывает в светлоте при переходе к палочковому приемнику, максимум чувствительности которого сдвинут в ту же сторону.

Фотометр для измерения эквивалентных яркостей должен иметь большое поле зрения (не меньше 25°) и большой выходной зрачок (не меньше 7,5 мм в диаметре). Поля сравнения лучше делать концентрическими: внутреннее 14°, внешнее до 25-30°. Измерения проводят при установившемся состоянии адаптации.

Система эквивалентных яркостей находит применение в научных исследованиях функций зрения при малоярких цветных полях и в практической светотехнике, например при установлении весьма низких норм цветного (красного) освещения в цехах, производящих или обрабатывающих светочувствительные материалы.

Методы вычисления эквивалентной яркости приведены в книге Волькенштейна. Если источник света можно достаточно точно характеризовать цветовой температурой Тц, применима приближенная формула, предложенная Кинни

Пороговая яркость

Абсолютная световая чувствительность глаза характеризуется пороговой яркостью Ln. Чем меньше Ln, тем больше световая чувствительность Sc.

Чему же равна пороговая яркость ? Несмотря на многочисленные исследования, ответить на этот вопрос не так легко. Во-первых, из-за того, что Ln сильно зависит от условий наблюдения, например от площади тестового поля. Во-вторых, из-за того, что четкие представления об эквивалентной яркости вошли в фотометрию сравнительно недавно и при использовании литературных данных не всегда известно, какую яркость имел в виду автор. А если и ясно, что речь идет о стандартной яркости, редко имеется достаточно данных, чтобы пересчитать ее в эквивалентную. Однако порядок величины L, указать можно. Кнппп для поля диаметром 2°, излучающего свет с длиной волны?. = 555 нм. получил Leq = 5,1 10-6 кд/м2 (стандартная яркость L = 2,1 X 10-6 кд/м2). По данным Луриа для темноадаптированного глаза при больших размерах тестового пятна (от 8 до 100° в диаметре) пороговое значение эквивалентной яркости Leq лежит в пределах от 0,3 10_6 до 0,7 10_6 кд/м2.

Можно согласиться с В. В. Мешковым и принять, что пороговая яркость равна одной миллионной кд/м2. Часто фон с яркостью L = 10_6 кд/м2 считают совершенно темным, полагая, что дальнейшее уменьшение яркости не влияет на функции зрения: даже яркость, на порядок большая, т. е. 10-5 кд/м2, обеспечивает скотопическое зрение, которому соответствует функция V(?).

При определении пороговой яркости в глаз входит довольно большой световой поток соответственно большой площади тестового поля. Уменьшение поля приводит к уменьшению воспринимаемого потока. Поэтому минимальный световой поток, еще способный вызывать ощущение света, следует определять по наблюдению точечных источников. Если же требуется определить минимальную порцию световой энергии, воспринимаемой зрением, нужно ограничить длительность воздействия света на сетчатку, т. е. наблюдать короткие вспышки точечного источника.

Какой источник считается точечным ? Типичный точечный источник - звезда. Диаметры звезд измеряются малыми долями секунды. Однако вследствие дифракции и аберраций на сетчатке звезда изображается пятном с диаметром, не меньшим одной угловой минуты. Поэтому точечным можно считать любой источник, угловой диаметр которого не превышает минуты.

Пока мы имеем дело с протяженными источниками, для глаза важна их яркость, которая в конечном счете определяет освещенность изображения источника на сетчатке Е". В самом деле, пусть источник имеет форму квадрата, сторона которого равна у. Глаз наблюдателя находится на нормали к плоскости квадрата, на расстоянии l от него. Силу света источника в направлении нормали найдем по формуле

где L - яркость в направлении нормали. Тогда освещенность Е на роговице глаза будет

а поток, достигший сетчатки

где?r - коэффициент пропускания глазных сред; d - диаметр зрачка глаза.

Поток Ф осветит на сетчатке площадь?" (площадь изображения источника), которая равна у"2. А так как у" по формуле (12) равен -?f, то

Освещенность на сетчатке получим, разделив Ф" на?" и приняв во внимание, что угловой размер объекта? = y/l:

Видим, что в формулу Е" не входит расстояние до светящейся поверхности. Объект (самосветящийся или получивший яркость L в результате рассеяния света других источников) кажется нам одинаково ярким на расстоянии и 2, и 5, и 20 м. Яркость протяженного объекта не зависит от его углового размера?.

Но положение меняется, если? становится меньше одной минуты. Здесь теряет смысл формула (42), ?" делается практически постоянной величиной и освещенность изображения точечного источника оказывается пропорциональной потоку Ф, который в свою очередь пропорционален освещенности Е на поверхности зрачка наблюдателя [формула (40)]. Подставив в формулу (40), в числитель силу света J по формуле (39), получим

Освещенность Е, создаваемая точечным источником на зрачке наблюдателя, называется блеском источника . Именно блеск, изменяясь обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, определяет видимость звезды. Минимальная освещенность на зрачке, при которой мы еще видим источник, называется пороговым блеском. Будем обозначать пороговый блеск для периферического зрения Еn, а для центрального Eц.

Литературные данные хотя и не вполне совпадают, но не расходятся по порядку величины. На основе иx анализа мы даем округленные значения порогового блеска в полной темноте, т. е. при яркости фона L = 10-6 кд/м2 или меньшей, при бинокулярном наблюдении: En = 2*10-9 лк; Eц = 2*10-8 лк.

Поскольку колбочки концентрируются в центральной части сетчатки, а палочки преобладают на периферии, Eц можно считать порогом колбочковой чувствительности , а Еn - палочковой. Случается, что человек, заметив далекий огонь периферическим зрением, поворачивает к нему глаза и теряет его. Астрономы даже говорят, что для того чтобы видеть слабую звезду, не надо на нее смотреть.

Квантовый порог чувствительности

Определим теперь минимальную световую энергию, которая может обусловить зрительное восприятие. Световая энергия Qv при ее постоянстве во времени выражается произведением светового потока Ф и времени его действия т:

Пороговое значение световой энергии получим по формуле

где Фn - пороговый поток, входящий в глаз при блеске En; ? - время инерции зрения, т. е. время, в течение которого глаз суммирует воздействие света. При темновой адаптации? = 0,2 с.

Для вычисления Фn положим, что диаметр зрачка d = 0,8 см = 8-10-3м, и умножим Еn на площадь зрачка?d2/4. Получим Фn = 10-13 лм и QVn = 2-10-14 лм*с. Тем же путем получим пороговый поток и пороговую световую энергию для центрального зрения: Фц = 10-12 лм и Qvц = 2-10-18 лм*с. Примерно такие же значения Qvn и Qvц мы получим, если будем исходить из данных работы, в которых непосредственно определялось произведение Ец? или Еn? при малых т.

Оценим энергию Qn и Qц, входящую в зрачок при пороговом восприятии соответственно периферическим и центральным зрением. Для перехода от световой величины Qv к энергетической Q умножим обе части формулы (33) на? и, учитывая, что??Ф = ?QV, а??Р = ?Q, получим

Будем производить вычисление для монохроматического света с длиной волны?, соответствующей максимуму спектральной эффективности, т. е. для периферии? = 507 нм, а для центрального зрения? = 555 нм. Тогда V(?) = 1 и мы сможем написать Q = Qv/Km. Отсюда Qn = 1,5*10-17Дж = 1,5-10-10 эрг; Qц = 1,5*10-16 Дж = 1,5*10-9 эрг.

Энергия фотона q = hc/?, где h - постоянная Планка, а с - скорость света. Разделив Qn и Qц на соответствующие значения q, получим числа фотонов, входящих в зрачок при пороговом восприятии света периферическим и центральным зрением, nп = 39 и nц = 424.

Пропускание глазных сред зависит от длины волны: для? = 507 нм тг = 0,б1; для? = 565 нм?r = 0,57. Значит, число фотонов, доходящих до сетчатки, n"п = 20; n"ц = 242. Только часть дошедших до сетчатки фотонов поглощается молекулами светочувствительного вещества, вызывая их возбуждение. Назовем такое поглощение активным поглощением и введем величину a1 - коэффициент активного поглощения монохроматического света, соответствующего максимуму спектральной световой эффективности. По данным Вавилова при темновой адаптации a1 = 0,22. Хехт дает несколько меньшее число, Роуз считает, что а, лежит в пределах от 0,1 до 0,2, т. е. a1n"п = 2/4. Итак, чтобы наблюдатель заметил световую вспышку, палочки его сетчатки должны активно поглотить от двух до четырех фотонов. Для колбочек а1 раз в десять меньше, чем для палочек. Но число активно поглощенных фотонов на пороге восприятия и для колбочек, по-видимому, лежит в тех же пределах.

Статья из книги: .