Спектральная чувствительность

СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Установить связь между энергетическими и свето­выми величинами можно, только изучив спектральную чувствительность глаза. Из всего спектра электромагнитных излучений глаз воспринимает как свет лишь небольшую область, примерно одну октаву, от 380 до 760 нм. Но и в этом узком интервале чувстви­тельность к разным длинам волн весьма различна. Как же ее измерить?

Для наглядности представим сначала грубую схему возможного, эксперимента. Рядом поставлены два белых экрана. На один из них направляется излучение монохроматического источника с длиной волны , мощностью Ро, а на другой — излучение с длиной волны , мощность которого варьируют до тex пор, пока не установят равенство яркостей обоих экранов; пусть это случится при мощности P. Яркости равны, визуальный эффект одинаков, а мощности различны. Ясно, что чувствительность V() тем боль­ше, чем меньше затрачиваемая мощность. Отсюда

Получив такие выражения для многих излучений, с длинами волн , , ..., L и т. д., нашли ту длину волны, для которой чувствительность максимальна, и эту чувствительность приняли за единицу. Остальные чувствительности выразили в этих единицах и получили для каждой длины волны величину, которая обозначается V() и называется относительной спектральной  световой  эффективностью.  Фактически  измерение V()- весьма  сложная  задача,  так  как очень трудно уравнивать яркости двух полей разного цвета. Тут применялось в основном два метода: метод малых ступеней и метод мигающего фотометра. По первому методу каждый раз сравнивались излучения, мало отличающиеся  по длине волны и, следо­вательно, по цвету. Недостаток этого метода в том, что  при  переходе  от одного цвета к другому через большое  число  ступеней  ошибка  может  накапливаться.

При втором методе излучения с длинами волн подавались на экран попеременно с частотой смены v. Оказалось, что глаз при некоторой частоте сливает ощущение цвета в один промежуточный цвет, но если яркости различны, ощущает мелькание яр­кости этого цвета. На этом уровне частоты и доби­ваются выравнивания яркостей, т. е. исчезновения мельканий.

Вторая трудность заключалась в больших индиви­дуальных отличиях в чувствительности. Пришлось проводить много измерений с разными испытуемыми и усреднять их результаты. На основе анализа ряда исследований Международная комиссия по осве­щению (МКО) утвердила значения относительной спектральной световой эффективности для стан­дартного фотометрического наблюдателя.

1.  График  относительной  спектральной  световой  эффек­тивности:  V(k)—для дневного, V'(k)—для ночного зрения

Теперь переход от мощности к световому потоку для монохроматического излучения с длиной волны , в узком интервале длин волн можно провести по формуле

dФ =        (1)

где  Р- спектральная  плотность  мощности  излуче­ния;

  (2)

а Km — максимальная спектральная световая эффек­тивность, т. е. световой поток, создаваемый одним ваттом  излучения  с  длиной  волны,  для  которой V()=1

  Значению  V()=1  соответствует  = 555.нм1. Экспериментально найдено, что K= 683 лм/Вт.

  Для  определения  светового  потока  Ф  сложного излучения  нужно  взять  интеграл  от  выражения (1):

Ф = d  (3)

Теоретически следовало бы написать пределы интегрирования от = 0 до = со. Интеграл всегда сходится, так как вне узкого предела между = 380 нм и = 760 нм практически V() равно нулю. Мы нигде не будем писать пределов интегри­рования, подразумевая, что интеграл берется в пределах видимой области спектра.

От светового потока легко перейти к силе света, яркости, освещенности, т. е. связать и другие световые единицы  с  энергетическими  по  формулам  (1)-— (3).

Установление связи между мощностью излучения Р и световым потоком Ф позволило дать новое опре­деление единице силы света канделе. В 1977 году Международный комитет мер и весов принял, что 1 Вт излучения частоты 540-1012 Гц ( = 555 нм), обладающего наибольшей световой эффективностью, эквивалентен 683 лм светового потока. В 1979 г. на 16-й Генеральной конференции по мерам и весам принята такая формулировка: «Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускаю­щего монохроматическое излучение частоты 540 * 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет  1/683  (Вт/ср)» 

Остается сказать, что V(),о которой мы до сих пор говорили, характеризует дневное, фотопическое зрение, когда работают только колбочки. Чувстви­тельность палочек иная. Она характеризует ночное, скотопическое зрение, для которого максимум эф­фективности приходится на V'() = 507 нм. На рис. 1 кривая для скотопического зрения проведена штрихами и обозначена V'(A), а кривая для фотопического зрения V() сплошная линия. При некото­рых средних яркостях работают и колбочки и па­лочки, чему соответствуют промежуточные значения эффективности.