Спектральная чувствительность зрения

Описание

Скотопическое зрение.
Абсолютная сенсорная чувствительность определяется как величина, обратная абсолютному порогу. Порогом называется наименьшая величина стимульной энергии, вызывающая специфическую ответную реакцию сенсорной системы. Поэтому данную величину стимула часто обозначают термином нижний абсолютный порог, в отличие от верхнего абсолютного порога, как наименьшего стимула, вызывающего неспецифическую (обычно болевую) реакцию сенсорной системы.


Функция спектральной чувствительности глаза существенно меняется в зависимости от условий адаптации глаза. Если испытуемый находится длительное время (40—50 мин) в полной темноте (полная темновая адаптация), чувствительность становится, максимальной для излучений в области 505 нм и затем симметрично понижается к концам спектра до 400 нм, с одной стороны, и 620 нм — с другой.

После этого понижение чувствительности становится асимметричным. В коротковолновой области кривая круто падает, а в длинноволновой — снижается более полого. Эта функция называется скотопической кривой видности спектра. Иногда говорят, что она характеризует наше ночное зрение (рис. 2.4.1).

Специальный интерес представляет вопрос об абсолютном значении энергии излучения, которое мы можем увидеть при максимально благоприятных условиях. Для точечного источника излучения длиной волны 505 нм при диаметре зрачка, равном 8 мм, человек может увидеть свет с вероятностью 0,5, если освещенность площади зрачка равна 1,4х10^-15 Вт/см2.

То, что человек при этом видит, можно представить, если посмотреть ночью на очень маленькую, еле заметную звезду. На вопрос, какого она цвета, неизменно последует ответ: «белая» или «бесцветная».

Ощущение бесцветного света будет одинаковым, какой бы спектральный состав излучения ни был. Поэтому восприятие слабых стимулов называется ахроматическим.

Если в процессе измерения чувствительности испытуемому постоянно предъявлять световой стимул (адаптирующий глаз к свету) и постепенно увеличивать освещенность адаптирующего поля, то чувствительность глаза будет постепенно снижаться. В этом случае количество световой энергии, необходимое для достижения порога, будет увеличиваться.

Увеличение порогового значения стимула и уменьшение чувствительности в этом случае не означает, что новый пороговый стимул будет по своей ахроматичности таким же или более слабым, чем прежний. Наоборот, ахроматическое ощущение усиливается по абсолютной величине. И если сравнить между собой эти два пороговых стимула, то стимул с большей энергией воспринимается более ярким или более светлым. Это качество интенсивности ахроматического ощущения называется субъективной яркостью, или светлотой.

Термин «светлота» очень часто используется для характеристики отражательных свойств поверхности, в этом случае им характеризуют качество ахроматического ощущения, которое мы обычно называем белым, серым или черным.

В то же время этот термин широко используется для характеристики апертурных цветов и источников излучения, в этом случае им характеризуют качество ахроматического ощущения, которое называется ярким или тусклым. Поскольку наше основное внимание направлено на апертурные цвета, то термин «светлота» мы используем как синоним для яркости (соответственно темный — тусклый).

Конечно, более естественно было бы пользоваться просто словом яркость, как это принято в англоязычной терминологии (brightness), но в связи с широким распространением в физической и технической литературе термина «яркость» как характеристики источника излучения использование этого слова в его собственном значении приводит часто к путанице. Поэтому в психофизической литературе на русском языке при использовании слова «яркость» как термина добавляют прилагательное «субъективная» или «воспринимаемая», что, по существу, является тавтологией.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Для выделения других вариантов использования слова «яркость» пользуются прилагательными «фотометрическая», «энергетическая» и т. п. Мы будем пользоваться словом «яркость» в тех случаях, когда его смысл ясен из контекста, во всех других случаях к слову «яркость» будут добавляться прилагательные.

Фотопическое зрение.
Функция спектральной чувствительности при увеличении световой адаптации начинает меняться. Максимум функции смещается по спектру в длинноволновом направлении, и вся функция становится более симметричной. При величине адаптирующего стимула 10^-6 эрг/с-см2, т. е. на три порядка большем, чем абсолютный пороговый стимул, сдвиг максимума достигает длины волны 555 нм, и дальнейшее увеличение адаптирующего стимула не меняет функции спектральной чувствительности.

Функция с таким максимумом называется фотопической кривой видности спектра, она характеризует наше дневное зрение, (рис. 2.4.1). Функции с максимумами чувствительности, расположенные между этими крайними положениями, называются мезопическими, они характеризуют сумеречное зрение.

Феномен Пуркинье. Сдвиг максимума чувствительности в коротковолновую область спектра при переходе от дневного зрения к ночному, т. е. при понижении интенсивности излучения, называется эффектом Пуркинье, по имени чешского ученого, впервые описавшего этот феномен в 1825 г. Он объясняется существованием в сетчатке человека двух типов рецепторов: палочек и колбочек, содержащих разные фотопигменты. Однако для нас сейчас важна психологическая характеристика этого феномена.

Часто при описании эффекта Пуркинье как сенсорного феномена указывают, что красные и синие цвета, одинаковые по светлоте при фотопическом уровне зрения, при скотопическом зрении кажутся неодинаковыми, а именно синие воспринимаются более светлыми, чем красные. Такое описание верно с точки зрения результата, но не совсем корректно с терминологической точки зрения. На самом деле не синие и красные цвета, а коротковолновые и длинноволновые излучения, одинаковые по светлоте на фотопическом уровне, будут восприниматься разными по светлоте при их ослаблении до скотопического уровня.

Ахроматический диапазон (феномен Парди). Дело заключается в том, что достижение порога фотопического зрения не означает, что началось видение цвета. Это ахроматический порог.

Цветовое зрение начинается при интенсивности излучения, превышающей фотопические пороги. Между фотопическим порогом и цветовым порогом существует диапазон светлоты, который можна называть фотопическим ахроматическим диапазоном, в отличие от скотопического ахроматического диапазона, который определяется как диапазон между скотопическим и фотопическим порогами. Величина фотопического ахроматического диапазона для излучений с разной длиной волны была измерена Парди. Его измерения, проведенные с тщательным контролем всех вторичных факторов, выявили, что только в крайнем длинноволновом участке спектра нет никакого ахроматического диапазона, здесь самый слабый стимул сразу же воспринимается как красный, а не бесцветный. Во всех остальных областях спектра между фотопическим порогом и цветовым порогом есть разница. Наибольшая она в области 560—580 нм и 530—540 нм. В коротковолновой области этот диапазон несколько меньше (рис. 2.4.2).

Инвариантность функции спектральной чувствительности.
Функция абсолютной спектральной чувствительности представляет нам такие значения интенсивности монохроматических стимулов разной длины волны, которые необходимы для достижения одного и того же — порогового — уровня ощущения яркости, или светлоты. Зададимся вопросом: а нельзя ли определить значения интенсивности этих же стимулов, необходимые для достижения надпорогового уровня одинаковой светлоты?

Экспериментальные исследования этой проблемы позволили ответить на данный вопрос утвердительно, надпороговые функции равной субъективной яркости были построены и оказались точно такими же, как и пороговые функции спектральной чувствительности. Сохранение формы функций спектральной чувствительности при изменении уровня яркости означает, что спектральная чувствительность инвариантна относительно умножения на константу (действительное положительное число). Если два разных спектральных стимула подравнять по яркости, а затем с помощью одинаковых нейтральных фильтров оба стимула уменьшить по яркости, например вдвое, они по-прежнему останутся равными, хотя оба будут более темными, чем раньше. Это свойство называется инвариантностью спектральной чувствительности, его можно выразить следующей формулой:

где а и b — два излучения различного спектрального состава и разной яркости, а k — действительное положительное число.


Методы измерения спектральной чувствительности.
Построение надпороговых функций равной яркости производилось тремя различными методами: прямого гетерохроматического подравнивания, последовательного сдвига по спектру и фликкер-фотометрии.

В методе прямого гетерохроматического подравнивания (matching) испытуемый уравнивает по светлоте два (эталонный и сравниваемый) монохроматических излучения, предъявляемых последовательно или параллельно. Подравнивая к эталону различные монохроматические излучения, определяют те значения интенсивности стимулов, которые делают их равными по светлоте эталону. В качестве эталона можно брать любой монохроматический стимул надпороговой яркости.

Метод последовательного сдвига по спектру (step-by-step) отличается от метода гетерохроматического подравнивания тем, что сравнение производится только между соседними по спектру излучениями. Начиная с одного конца спектра, первый стимул сравнивают со вторым, второй — с третьим, третий — с четвертым и т. д., пока не дойдут до другого конца спектра.

В методе фликкер-фотометрии используется эффект слияния двух мелькающих вспышек при определенных пространственных, временных и яркостных соотношениях. Когда в качестве меняющихся стимулов используют два разных монохроматических излучения, то возникают следующие зрительные эффекты. При низкой частоте смены стимулов они видятся как две разные по яркости и цвету вспышки.

При увеличении частоты происходит цветовая фузия, стимулы кажутся одного смешанного цвета, но мелькания все еще видны. Если в этой ситуации интенсивность одного из стимулов менять, то мелькание начинает пропадать вплоть до полного слияния. Однако полное слияние получается очень редко, поэтому испытуемый должен установить минимальный уровень мелькания. При этом предполагается достижение равенства стимулов по светлоте.

Из всех этих методов наиболее воспроизводимые данные дает фликкер-фотометрия. Но проблема заключается в том, что мелькающий свет визуально очень сильно отличается от немелькающего и минимизация мелькания может быть связана вовсе не со светлотой, а с какой-нибудь другой сенсорной характеристикой стимуляции. Если бы в качестве критерия можно было использовать полное слияние мельканий, когда воспринимается постоянный свет, то эта трудность была бы устранена, но полное слияние мельканий получить трудно, а в отдельных случаях оно получается для самых разных соотношений яркостей стимулов, поэтому стимулы приходится выравнивать еще при мелькающем свете.

Наиболее близкие к фликкер-фотометрии по воспроизводимости данные дает метод последовательного сдвига, тогда как прямое сравнение двух разных хроматических стимулов значительно отличается результатами. Дополнительные трудности: в сравнении результатов, получаемых разными методами, вносят индивидуальные различия, а также условия наблюдения и стимуляции, которые могут перекрывать разницу, зависящую от самого метода.

Закон Эбни и феномен Гельмгольца—Кольрауша.
Функция спектральной чувствительности позволяет сравнить яркости отдельных монохроматических излучений. А как сравнить яркости излучений, имеющих сложный спектральный состав? Оказывается, что в большинстве случаев ощущение яркости такого сложного излучения будет равно арифметической сумме яркостей ее монохроматических составляющих.

В общем случае это означает, что ахроматические ощущения (яркости или светлоты) разных цветов будут суммироваться, если эти излучения совместить вместе. Если взять три спектральных цвета «а», «b» и «с», выравнять их визуально по яркости, а затем первые два из них уменьшить по яркости по сравнению с третьим вдвое, то с помощью таких стимулов, учитывая выражение (2.4.1), эффект суммации гетерохроматических яркостей можно выразить простой формулой

Это свойство яркостной аддитивности нашего зрения получило» название закона Эбни (Аbny). Однако более детальные исследования аддитивности гетерохроматических яркостей выявили, что закон Эбни выполняется далеко не для всех излучений, а главным образом для широкополосных. Для узкополосных излучений выражение (2.4.2) может принимать как форму

и тогда этот эффект называется субаддитивностью, так и форму

и тогда этот эффект называется супераддитивностью гетерохроматических яркостей.

Чем уже спектральная характеристика излучения, тем больше неаддитивность. Наибольшая неаддитивность проявляется у монохроматических излучений. А среди монохроматических неаддитивность больше для краев спектра, чем в середине. Этот феномен назвали эффектом Гельмгольца—Кольрауша, поскольку Гельмхольц первый связал его с насыщенностью цвета, а Кольрауш доказал это экспериментальными измерениями.

Эффект Гельмгольца—Кольрауша объясняет одну из причин расхождения данных фликкер-фотометрии и прямого сравнения яркостей разных монохроматических излучений. Еще более важным является то, что феномен Гельмгольца—Кольрауша показывает, что ахроматичность ощущения не исчерпывается таким качеством, как яркость (или светлота), характеризующим субъективную интенсивность излучения, но включает в себя еще одно качество, которое как-то связывает его с ощущением хроматичности. Далее мы будем подробно рассматривать эту вторую ахроматическую составляющую цветового зрения, а сейчас отметим прикладную важность рассмотренных данных.

Относительная спектральная чувствительность.
Исследования зависимости ощущения яркости излучения от его спектрального состава проводились очень интенсивно в конце XIX и начале XX в. С одной стороны, это объяснялось быстрым распространением основных идей психофизики, но с другой стороны, развитие техники и технологии, осветительных устройств и приборов, фотографии, кино и многих других отраслей промышленности настоятельно требовало знания световой характеристики зрения.

Нужна была модель зрения, которая позволила бы рассчитывать ощущение яркости, производимое данным излучением, не обращаясь каждый раз к довольно сложным методам визуального измерения световых ощущений. Это привело специалистов из разных областей науки и техники, связанных с излучением и светом, к соглашению, что если зафиксировать условия наблюдения, то функция спектральной чувствительности после усреднения по большому числу испытуемых и нормирования по максимуму может служить в качестве стандартной нормы для яркостной характеристики излучения. Дакая функция будет называться функцией относительной чувствительности зрения (рис. 2.4.3).

Поскольку для практических целей очень важна простота измерительной структуры, остановились на функции спектральной чувствительности, построенной методом фликкер-фотометрии, как обладающей свойством яркостной аддитивности для гетерохроматических излучений.

В 1924 г. функция относительной спектральной чувствительности вместе с законом Эбни была положена в основу международного стандарта для спецификации субъективной яркости спектрального излучения, так называемого фотометрического Стандартного Наблюдателя МКО-24. Функция спектральной чувствительности позволяла определить значение субъективной яркости каждого монохроматического излучения в отдельности, а закон Эбни позволял по этим отдельным яркостям определить яркость излучения, имеющего сложный спектральный состав, путем простого сложения яркостей отдельных монохроматических составляющих.


Рассчитанная таким методом яркость получила название фотометрической яркости, ей соответствует в английском языке термин «luminance». В отечественной литературе наиболее часто для обозначения фотометрической яркости применяется термин «яркость». Поэтому и в переводе с английского обычно «luminance» переводят как «яркость».

Мы уже знаем, что два излучения с разным спектральным составом и одинаковой фотометрической яркостью в общем случае не будут восприниматься одинаково яркими. Но с практической точки зрения эта разница не существенна, потому что наши ощущения зависят от такого большого числа неспецифических факторов (таких, как удаленность, угол зрения, адаптация, индивидуальные различия и т. д.), что влиянием такого фактора, как эффект Гельмгольца—Кольрауша на практике можно пренебречь.

Убедительным подтверждением служит использование фотометрической спецификации яркостей излучений в науке и технике.
В то же время в научных исследованиях зрения, где неспецифические влияния на ощущение строго контролируются, необходимо отличать фотометрическую яркость от светлоты (или субъективной яркости).

Поэтому в зрительных экспериментах стимулы обычно выравниваются по светлоте отдельно для каждого испытуемого, а фотометрическими измерениями пользуются для спецификации аргументов психофизических функций, т. е. для обозначения стимулов. Своей простотой и доступностью фотометрическая спецификация цветовых стимулов дает исследователю большие удобства по сравнению со спектрорадиометрическими и спектрофотометрическими измерениями.

Таким образом, цветовые стимулы можно характеризовать в единицах энергии, фотометрической яркости и светлоты. В соответствии с этими единицами в зрительных экспериментах монохроматические излучения можно выравнять в зависимости от задачи по энергии (равноэнергетический (equal energy) спектр), по фотометрической яркости (equal luminance) — равнояркий спектр, и по светлоте (равносветлый спектр — equal brightness).