2. Особенности зрительного восприятия. Переход к световым величинам. Световой поток
В предыдущем разделе мы отметили, что распространяющееся в пространстве электромагнитное поле переносит энергию. Для количественного описания этого процесса мысленно представим, что на пути волны расположена некоторая площадка. Пусть за время )t, через площадку протечёт энергия )W, отношение )W/)t, по своей природе, является мощностью энергетического потока через выделенную площадку. Для краткости её называют энергетическим потоком и обозначают Фэ. Понятно, что энергия W измеряется в обычных физических единицах, например джоулях, а энергетический поток, соответственно, в ваттах. Иногда вместо термина энергетический поток используют название лучистый поток, что то же самое. Заметим, что энергетическим потоком обладает любое электромагнитное поле: и радиоволны, и гамма излучение, и все остальные. Но для светотехники представляет интерес только то излучение, которое может восприниматься глазом человека, волны в иных спектральных диапазонах освещения не создают, и, следовательно, переносимая ими энергия в данном случае нас не интересует.
В связи с этим целесообразно от энергетических величин перейти к иным, учитывающим только ту часть излучения, которую воспринимает глаз. Для этого кратко рассмотрим особенности зрительного восприятия человека.
Рис.2.1. Схема устройства глаза человека
Устройство глаза очень напоминает конструкцию цифрового фотоаппарата. У глаза есть объектив, его роль выполняют роговая оболочка и хрусталик. Есть диафрагма, способная изменять свой диаметр, подстраиваясь под уровень освещения - это радужная оболочка. Есть фоточувствительная матрица - сетчатка глаза, представляющая собой слой специальных нервных клеток (так называемых палочек и колбочек), содержащих пигмент родопсин (палочки) или иодопсин (колбочки), разлагающийся под воздействием света. Наконец часть нашего мозга принимает и обрабатывает информацию об изображении, формируемом хрусталиком на сетчатке, то есть выполняет функцию процессора. Интересно, что колбочки, расположенные ближе к центру сетчатки, способны различать цвета (за счёт того, что существует три разновидности иодопсина, обладающих повышенной чувствительностью к красному, зелёному и синему цветам, о чем мы подробнее поговорим несколько позже). Колбочки менее чувствительны и отвечают за дневное зрение. Всего их немногим более 7 миллионов, так что наша цветочувствительная матрица не так уж и велика, всего 7 мегапикселей, немного по современным фотографическим меркам. Зато палочек, более чувствительных (но не различающих цвет), у нас 130 миллионов. Пока 130 мегапикселей не имеет ни одна профессиональная фотокамера. Палочки расположены преимущественно на периферии поля зрения глаза и более чувствительны к слабому свету. Соответственно они обеспечивают сумеречное и периферийное зрение.
Рис.2.2. Кривая относительной видности излучения Поглощаемый светочувствительными клетками глаза свет вызывает разложение молекул пигмента. Эта фотохимическая реакция приводит к возникновению электрических импульсов на выходе клеток сетчатки. Чем больше мощность поглощаемого света, тем выше частота электрических импульсов в нервных окончаниях. Но свет разной длины волны, при одном и том же энергетическом потоке через зрачок глаза, вызывает различные зрительные ощущения (различные частоты импульсов в зрительных нервах). Другими словами, чувствительность глаза к свету зависит от длины волны этого света. Если рассматривать дневное зрение (определяемое в основном колбочками), то наибольшая реакция будет на свет с длиной волны 8=0,554 мкм (желто-зелёное излучение). При увеличении или уменьшении длины волны чувствительность глаза падает, стремясь к нулю в длинноволновой части при 8=0,77 мкм, и в коротковолновой при 8=0,38 мкм. Кривую зависимости чувствительности глаза от длины волны излучения в относительных единицах V(8), принято называть кривой относительной видности излучения. Такая кривая для дневного зрения показана на Рис.2.2. Для сумеречного зрения спектральная кривая чувствительности имеет схожую форму, но сдвинута примерно на 0,05 мкм в коротковолновую область.
По соглашению, принятому в 1924 г. международной осветительной комиссией, основной считается функция относительной видности дневного зрения. Именно она положена в основу построения системы световых величин и единиц измерения.
Рис.2.3. К определению понятия светового потока
Переход от энергетических параметров излучения к световым рассмотрим на примере лампы накаливания, спектр которой показан красной пунктирной линией на Рис.2.3. Мы его уже видели в предыдущем разделе (Рис.1.4.). Здесь же сплошной синей линией показана кривая видности глаза. Как видим, излучение лампы занимает значительно более широкий диапазон длин волн, нежели зона, воспринимаемая человеческим зрением. Сплошной красной линией показано произведение спектральной энергетической плотности излучения лампы на кривую относительной видности глаза, фактически это спектр излучения, который эффективно воспринимается зрительной системой человека. Если посчитать площадь под этой кривой и поделить на площадь под кривой описывающей энергетический спектр лампы, то мы получим коэффициент использования излучения лампы kи. Аналогичным образом определяется кооэффициент использования для любого иного источника света.
Световым потоком, по определению, называется мощность излучения, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит. Из изложенного выше можно видеть, что световой поток Ф соотносится с энергетическим потоком Фэ в соответствии с формулой:
Ф = К*kи*Фэ,где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерения.
Световой поток принято измерять в люменах (лм или lm). Если энергетический поток выражен в ваттах (вт), то в этом случае коэффициент пропорциональноси К=283 лм/вт. Фактически это величина соотношения люмена и ватта для монохроматического излучения с длиной волны 8=0,554 мкм (для которого V(8)=1).
Световой поток - основная фотометрическая величина, через которую определяются все остальные. С другой стороны полный световой поток - важнейший параметр, указываемый для большинства видов источников света. Ещё раз отметим, что это мощность света, излучаемая лампой по всем направлениям с учетом спектральной чувствительности глаза.
Продолжение следует.