Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Расчет визуального восприятия яркости пространства предметов — актуальная тема в области светотехники. Примерами практических задач, которые решаются с учетом закономерностей визуальной фотометрии, являются исследование скорости реакций человека в условиях меняющейся освещенности, определение оптимального уровня искусственного освещения общественных и производственных территорий, фасадов зданий, автотрасс, расчет осветительных систем транспортных средств. Актуальность темы подтверждается значительным числом публикаций (см., например, [1–3]).
Расчет уровня визуального восприятия излучения основан на стандартах и рекомендациях Международной комиссии по освещению (МКО). Визуальная яркость источника света зависит не только от количества испускаемого им излучения, но также от спектрального состава этого излучения и функции зрительного отклика наблюдателя. Поскольку зрительная реакция человека варьируется в зависимости от уровня освещенности и от человека к человеку, точная фотометрия требует определения репрезентативных стандартных наблюдателей. Стандарт МКО [4] представляет современную систему физической фотометрии, принятой за основу для измерения света и официально принятую Международным комитетом мер и весов. Физическая фотометрия МКО определяет процедуры количественной оценки оптического излучения с точки зрения функций видности двух стандартных наблюдателей. Первый, характеризующийся функцией V(λ), представляет фотопическое (дневное) зрение при яркости пространства предметов свыше 5 кд/м2, а второй, характеризующийся функцией V'(λ), — скотопическое (ночное) зрение при яркости менее 5·10–3 кд/м2. В сочетании с базовой фотометрической единицей СИ, канделой, эти функции составляют систему, позволяющую определять значения фотометрических величин для всех типов источников света независимо от спектрального состава излучения. Для фотопического и скотопического наблюдателей яркость описывается через соответствующие функции световой эффективности:
фотопическая яркость
(1)
скотопическая яркость
(2)
Lλmax — максимальное значение спектральной плотности энергетической яркости, φ(λ) — нормированная функция спектральной плотности потока излучения. Световая эффективность излучения для фотопического наблюдателя
Для скотопического наблюдателя
Диапазон яркости от 5·10–3 до 5 кд/м2 определен как мезопический (сумеречный) [5]. В этом диапазоне световая эффективность излучения представляется в виде линейной комбинации функций и :
Параметр m описывает соотношение фотопической и скотопической реакций и зависит от яркости пространства предметов:
где постоянные a = 0,7670, b = 0,3334. Мезопический уровень яркости рассчитывается по формуле
где n = 0, 1, 2, … — номер итерационного шага, ,; V'(λ0) = 683/1700.
Визуальное восприятие света традиционно объясняется работой двух типов фоторецепторов, находящихся в сетчатке глаза: колбочек и палочек. Приведенные выше методики расчета основаны на предположении, что колбочки (три вида: S-, L- и M-рецепторы) отвечают за фотопическое зрение и цветовые ощущения, палочки, не являясь цветочувствительными, — за скотопическое, а в мезопическом диапазоне на излучение реагируют оба типа рецепторов. Однако это выполняется лишь частично в той или иной степени в зависимости от интенсивности и спектрального состава видимого излучения. В 1963 году было опубликовано сообщение [6] о несовпадении значений яркости пространства предметов, получаемых расчетным путем и экспериментально. В работе [7] указано, что рекомендации МКО нуждаются во введении особых ограничений, и приведена оценка уровня яркости пространства предметов, при которой можно ожидать полного «отключения» палочек в формировании зрительных ощущений, — примерно 30000 кд/м2. Это чрезвычайно высокое значение, выходящее за пределы естественных условий наблюдения, превышающее безопасный для глаз уровень. В 2003 году появилось сообщение [8] о наличии неизвестных ранее светочувствительных элементов в сетчатке человеческого глаза. Они получили обозначение ipRGC (Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells — Внутренние фоточувствительные ганглиозные клетки сетчатки), или pRGC (Photosensitive retinal ganglion cells — Фоточувствительные ганглиозные клетки сетчатки), или mRGC (Melanopsin-containing retinal ganglion cells — Меланопсиносодержащие ганглиозные клетки сетчатки). Фотопигмент этих клеток, меланопсин, реагирует главным образом на «синюю» часть видимого света с максимумом чувствительности около 480 нм. В 2007 году было установлено, что ipRGC связаны с формированием визуальных образов в зрительном центре мозга человека [9].
Развитие представлений о механизмах зрительного восприятия обуславливает изменения и дополнения, которые МКО вносит в рекомендуемые методики физической фотометрии. В 1988 году МКО утвердила модифицированную функцию световой эффективности Vm(λ) [10], которая отличается от функции V(λ) в диапазоне длин волн 380...460 нм (см. рисунок).
ipRGC также представлены в официальных документах МКО [см., например, 11]. Эти документы содержат количественное описание функций спектральной чувствительности глаза и значения показателей для описания способности оптического излучения стимулировать пять типов фоторецепторов, которые могут вносить вклад через ipRGC в опосредованные сетчаткой зрительные эффекты света. Стандарт [11] представлен в статусе проекта, допускающего изменения и дополнения, до настоящего времени в окончательном виде не опубликован. Как сказано в его преамбуле, стандарт не дает полной информации для конкретных применений освещения или для количественного прогнозирования визуальных реакций на свет, не предназначен для колориметрического контекста, а также не касается вопросов здоровья и относится только к фоторецепции сетчатки. Исследования в этой области продолжаются до настоящего времени (см., например, [12].
Таким образом, для точного описания эффектов дневного зрения только фотопической функции видности V(λ) недостаточно, необходим также учет скотопической составляющей. Это может быть реализовано двумя разными методиками. Первая — расчет по (1) с модифицированной функцией световой эффективности Vm(λ) вместо V(λ). МКО предлагает применять такой расчет для нахождения реакции фотопического наблюдателя на излучение с заметной «синей» составляющей, но конкретные рекомендации для этого варианта не сформулированы. Поэтому эффективность такой замены необходимо исследовать в конкретных задачах с учетом спектров наблюдаемых излучений. Вторая методика основана на определении отношения IS/IP‒ значений соответствующих интегралов в выражениях (2) и (1). Известна оценочная формула, аппроксимирующая экспериментально измеренную зависимость уровня визуального ощущения яркости LVISP как функцию этого отношения [13]:
Учет скотопической составляющей позволяет устранить проблему, которая состоит в изменении уровня видимой яркости «белого» излучения при изменении его цветовой температуры при сохранении постоянным значения LP, рассчитанного по (1). Следует иметь в виду, что V(λ), V'(λ) и Vm(λ) – это функции наблюдателей МКО с малым угловым полем (2°). Известна функция V10(λ) для фотопического наблюдателя МКО с угловым полем 10°. Но функции V'(λ) и Vm(λ) для углового поля 10° не утверждены. Кроме того, продолжаются исследования ipRGC. Поэтому в перспективе следует ожидать развития расчетных методик физической фотометрии, основные исходные положения которых сформулированы в стандарте МКО [11] на основе фундаментальных характеристик зрения.
