Хорошее освещение должно удовлетворять многим требованиям, которые можно разделить на количественные и качественные. Количественные определяются уровнем необходимой освещенности, качественные — спектральным составом света и распределением его в пространстве.

До сих пор мы говорили о способности глаза воспринимать световые воздействия, каждое из которых определяется одной скалярной величиной, прежде всего яркостью. Шкала яркостей располагается вдоль одной линии, яркостный контраст тоже одномерен. Однако в природе постоянно встречаются предметы одинаковой яркости, а тем не менее глаз хорошо отличает их друг от друга. Они отличаются по качеству отраженного от них света, по его спектральному составу, например зеленый лист и красная роза. Таким образом, кроме количественных характеристик света глаз воспринимает и различает его качественные характеристики. Объясняется это тем, что аппарат дневного зрения (колбочковый) имеет три приемника света с различной селективной чувствительностью. Условно их называют красным, зеленым и синим. Благодаря наличию этих селективных приемников глаз способен ощущать не только яркость, но и цветность предмета. Цветность в свою очередь тоже сложное понятие. Красная роза может быть насыщенно красной, а может быть и розовой, т. е. бледно-красной. Слово «красный» приближенно определяет то, что в науке о цветовых измерениях — колориметрии — называют цветовым тоном излучения, а уточнение «бледно» характеризует малую насыщенность или, если применить колориметрический термин, малую чистоту цвета. Итак, цвет можно определить тремя величинами: яркостью L, цветовым тоном ?, чистотой цвета р. Монохроматическое излучение любой области спектра обладает чистотой р, равной единице. Примесь белого понижает р, и для белого цвета р = 0. Но пока нам важно одно: цвет полностью может быть определен тремя числами.

В свете, излучаемом различными источниками или отражаемом предметами, содержится ценнейшая информация об обстановке, в которой мы находимся. Но использовать эту информацию можно только с помощью того или иного зрительного устройства, в частности (и это очень важная частность) с помощью глаза.

Зрение человека обычно характеризуют несколькими функциями, прежде всего тремя: световой чувствительностью, контрастной чувствительностью и остротой зрения. Чаще, впрочем, приводят обратные величины (иногда и не оговаривая этого): пороговую яркость, пороговый контраст, предельный угол разрешения.

В гл. 2 упоминалось о том, что острота зрения соответствует дифракционной формуле, т. е. зрение полностью использует возможности, предоставляемые ему волновой природой света. Однако известно, что острота зрения уменьшается с падением яркости наблюдаемой картины и становится значительно ниже предела, обусловленного дифракционной формулой, в которую яркость вообще не входит.

С инерцией зрения принято связывать обширный и неточно очерченный круг явлений, называемых стробоскопическими. Общее у них одно: все они связаны с прерывистым наблюдением. Способы, которыми оно достигается, очень разнообразны, и результаты весьма различны: кажущееся движение неподвижных объектов (кино), видимость нескольких объектов вместо одного (стробоскопический эффект безынерционных ламп), видимая неподвижность движущихся тел.

При заточке на точильном круге стального инструмента из него вырывается веер искр — яркие полосы длиной 30—60 см. Это раскаленные крупинки наждака и стали, быстро пролетающие в воздухе. Но видим мы не движущуюся крупинку, а всю ее траекторию одновременно: когда крупинка остывает и погасает в конце своего пути, глаз еще сохраняет впечатление от ее яркости в момент вылета. Здесь наглядно проявляется инерционность зрительной системы или, короче, инерция зрения.

Оптическая система каждого глаза создает на сетчатке картину, соответствующую проекции объектов внешнего мира на сферическую поверхность дна глаза. Различия в яркости объектов и их деталей передаются в виде различий в освещенности разных мест изображения. В другом глазе получается картина, похожая на первую, но не совпадающая с ней из-за того, что другой глаз находится на некотором расстоянии от первого. В паре изображений содержится информация о величине, форме и взаимном расположении предметов по всем трем координатам пространства. Эту информацию нужно передать в мозг и рационально обработать.

Глаз — это широкоугольная оптическая система, т. е. система с большим полем зрения. Поле зрения глаза исследуют с помощью приборов, называемых периметрами.

Адаптацией называется перестройка зрительной системы для наилучшего приспособления к данному уровню яркости. Глазу приходится работать при яркостях, меняющихся в чрезвычайно широком диапазоне, примерно от 104 до 10-6 кд/м2, т. е. в пределах десяти порядков. При изменении уровня яркости поля зрения автоматически включается целый ряд механизмов, которые и обеспечивают адаптационную перестройку зрения. Если уровень яркости длительное время существенно не меняется, состояние адаптации приходит в соответствие с этим уровнем. В таких случаях можно говорить уже не о процессе адаптации, а о состоянии: адаптации глаза к такой-то яркости L.

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.

Фоторецепция, т. е. восприятие света и переработка его энергии в другие виды энергии — химическую и электрическую, происходит в сетчатке.

Уже более ста лет тому назад было установлено, что в сетчатке имеются два вида фоторецепторов — палочки и колбочки (рис. 16). Палочки очень чувствительны к свету, но не различают цветов. Цветовое зрение обеспечивают колбочки. Строение сетчатки чрезвычайно сложно. Обычно в ней различают десять слоев, схематически изображенных на рис. 17.