Спектральная чувствительность глаза

Глаз чувствителен к свету в диапазоне длин волн от 380 до 760 нм, причем максимум световой чувствительности глаза смещается по спектру в зависимости от уровня освещенности, что объясняется наличием колбочкового и палочкового аппаратов глаза. При дневном (фотопическом – от rpeч. photas – свет + ops – глаз) зрении с участием только колбочек максимум световой чувствительности соответствует λ = 555 нм, при ночном (скотопическом – от греч. skotos – темнота + ops – глаз) зрении с участием только палочек максимум чувствительности смещается в коротковолновую область: λ = 507 нм. В длинноволновой части спектра палочки обладают меньшей относительной чувствительностью, чем колбочки. Этим объясняется явление Пуркинье: при сумеречном освещении синие и зеленые предметы кажутся более светлыми, чем красные и желтые.

Чувствительность глаза к излучению различных длин волн характеризуется функцией видности V(λ) – относительной спектральной световой эффективностью излучения. Эта величина нормирована: за единицу принята чувствительность V(λ) при длине волны λ, соответствующей максимальной чувствительности глаза. Значения относительной спектральной световой эффективности излучения стандартизованы Международной комиссией по освещению (МКО) [20] как для фотопического зрения (яркость около 100 кд/м²), так и для скотопического (яркость менее 10^-4кд/м²) зрения. При промежуточных значениях яркости адаптации в зрительном процессе участвуют и палочки, и колбочки (мезопическое – от греч. mesos – средний, промежуточный + ops – глаз/зрение).

На рис.21 представлены кривые спектральной чувствительности глаза для дневного (кривая 1) и ночного (кривая 2) зрения, а в табл.7 приведены значения функций видности для дневного и ночного зрения. Итак, глаз воспринимает из всего оптического диапазона волн только очень узкий участок (~ 0,4 мкм). Зададимся вопросом: чем же определился выбор этого участка спектра? Ответ найдем в замечательной книге С.И.Вавилова [3]. Вспомним, что солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, практически ограничивается длиной волны около 290 нм, более коротковолновое излучение задерживается слоем озона в атмосфере. Биологически существование глаза, приспособленного к восприятию лучей с длинами волн короче 290 нм, было бы, разумеется, бесцельным. Но есть и другая причина, заставляющая глаз не только не приспосабливаться к восприятию ультрафиолетовых лучей, но, наоборот, защищаться от них. Лучи с короткими длинами волн в большинстве случаев разрушают органические вещества и могут убивать живые организмы. На этом основано действие так называемых бактерицидных ртутных ламп в кварцевых трубках или в специальном стекле, пропускающем ультрафиолетовое излучение. Это излучение дезинфицирует помещения больниц, склады продуктов, водопроводную воду и т.д. Оно же вызывает искусственный загар, но может и ослепить глаз, если глаз в течение долгого времени подвергался его воздействию.

Рис. 21 – Кривые спектральной чувствительности глаза: 1 – при яркости 100 кд/м²; 2 – при яркости 10 – 4 кд/м²

Сетчатка человеческого глаза, как это доказано, обладает довольно большой чувствительностью к излучению с длинами волн менее 400 нм, но, оказывается, это излучение почти не доходит до сетчатки вследствие того, что хрусталик глаза чрезвычайно сильно их поглощает. Хрусталик не только формирует изображение на сетчатке, но и служит предохранительным светофильтром для нее от коротковолнового излучения. Заметно задерживая синие и фиолетовые лучи, хрусталик вместе с тем способствует и уменьшению хроматической аберрации в глазу. Приведенные причины биологически вполне объясняют практическое прекращение видимости излучения со стороны коротких волн.

Перейдем к другой границе видимости со стороны длинных волн. Почему глаз перестает видеть в области инфракрасных лучей? Здесь также можно указать две очень существенные причины. Представим себе, что глаз стал бы чувствителен к инфракрасным лучам в такой же степени, как и к зеленым. Для человека произошло бы нечто трудно вообразимое. Температура человеческого тела, в частности и полости глаза – 37°, при этом максимум собственного излучения человеческого тела соответствует длине волны 9 – 10 мкм, а энергия, излучаемая с одного квадратного сантиметра поверхности в секунду, равна примерно 0,05 Дж. Внутренние стенки глаза, разумеется, также излучают эту энергию; внутренность глаза светится инфракрасным светом. При этом внутри глазной полости поверхность столько же поглощает, сколько излучает. Общая внутренняя поверхность глаза около 17 см². Умножив 0,05 на 17, получим 0,85 Дж, т.е. общую энергию внутреннего собственного излучения, поглощаемую глазом. Представим себе теперь на мгновение, что невидимый инфракрасный свет стал видимым так же, как зеленый. Одна «зеленая свеча» (в настоящее время сила света измеряется в канделах) излучает на один квадратный сантиметр с расстояния в один метр около 1,5·107 Дж в секунду; следовательно, 0,85 Дж равносильны 5 млн. свечей. Глаз внутри засветился бы миллионами свечей. По сравнению с этим внутренним излучением потухло бы Солнце и все окружающее. Человек видел бы только внутренность своего глаз и ничего больше, а это равносильно слепоте [3].

Форма кривой видности глаза имеет большое значение, например, для оптимального проектирования осветительной аппаратуры. Зададимся вопросом: какова должна быть температура абсолютно черного тела, при которой доля энергии видимого излучения будет максимальной? Расчеты [3] показывают, что энергия видимого излучения абсолютно черного тела с различной температурой – 2000, 4000, 6000, 8000, 1200 К – составляет соответственно следующую часть от полной энергии излучения: 0,017; 0,318; 0,497; 0,477; 0,186. Следовательно, наивыгоднейшей температурой будет 6000 К, при которой половина всей энергии приходится на видимое излучение. Это обстоятельство свидетельствует о том, что спектральная чувствительность глаза в процессе эволюции сформировалась под влиянием солнечного излучения.