Способ определения относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека

Изобретение относится к области светотехники и касается способа определения относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека. Способ включает в себя измерение на визуальном колориметре в выбранной колориметрической системе RGB интенсивности трех основных монохроматических цветов с последующим уравниванием их с единичными интенсивностями монохроматических излучений белого цвета Е во всем диапазоне видимого участка спектра. По полученным интенсивностям для основных цветов и выбранной длины волны 0,555 мкм, для которой спектральную световую эффективность принимают равной 1, решают систему уравнений относительно спектральной световой эффективности основных цветов R, G, В. По полученным значениям определяют относительную спектральную световую эффективность органа зрения человека во всем диапазоне видимого участка спектра. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 ил.

 

Техническое решение относится к светотехнике и может быть использовано в светотехнических и колориметрических измерениях.

Основные способы определения относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека при дневном зрении основаны на гетерохромной фотометрии. В гетерохромной фотометрии устанавливается максимальное сходство светлот (яркостей) сравниваемых излучений разного цвета на визуальных фотометрах. Установить равенство (неразличимость) сравниваемых излучений различных цветов принципиально невозможно. Практические трудности гетерохромной фотометрии породили большое количество различных методов (более 10), причем каждый из них привносит с собой новое определение гетерохромной "равной яркости" [Федоров Н.Т. Современное состояние колориметрии. - М.; Л.: Государственное технико-теоретическое издательство, 1933. - 192 с. (см. с. 47-48)].

В настоящее время используются в основном три способа определения относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека: постоянного поля сравнения; малых ступеней и мельканий [Мешков В. В., Матвеев А. Б. Основы светотехники: учебное пособие для вузов. В 2-х ч. Ч. 2. Физиологическая оптика и колориметрия. - М.: Энергостомиздат, 1989. - 432 с. (см. с. 53-55)]. Эти способы имеют большие погрешности, доходящие на краях видимого участка спектра до 100% и более [Гуревич М.М. Цвет и его измерение. - М.; Л.: Изд. АНСССР, 1950. - 268 с. (см. с. 43)]. Особенно погрешности велики в области коротких длин волн. По мнению автора, эти погрешности вызваны как гетерохромными методами, так и исключением при измерениях всеми возможными способами влияния сенсоров ночного зрения (палочек), так как по укоренившимся представлениям палочки не участвуют в цветовом зрении. Однако исследования целого ряда видных ученых показали, что палочки участвуют в цветовом зрении [см., например, с. 191-195 в монографии: Джадд. Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. - М.: Мир, 1978 или см. с. 470-480 в монографии Артюшин Л. Ф. Основы воспроизведения цвета в фотографии, кино и полиграфии. - М.: Искусство, 1970 или см. с. 149 Хартридж Г. Современные успехи физиологии зрения. - М.: ИЛ, 1952]. Поэтому, несмотря на то, что относительная спектральная световая эффективность для дневного зрения V(λ) определяется значениями, допущенными МКО в 1924 г. к применению в международном масштабе и принятыми Международным комитетом мер и весов в 1933 г. [таблица 1, стр. 59 в Международном светотехническом словаре. - М.: Изд. Русский язык, 1979], поиски лучших способов определения чувствительности дневного зрения продолжаются.

Среди новых способов определения относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека известен так называемый колориметрический способ [Yves Le Grand, Spectral Luminosity, Hb. Sensory Physiology (D. Jameson and L. M. Hurvich, eds.), vol. 7, part 4. - Berlin: Springer-Verlag, 1972 (см. pp 413-432)]. Этот способ выбран за прототип.В основе способа лежит закон аддитивности яркостей, сформулированный Экснером и Эбнеем [Болдырев Н. Г. Теоретическая фотометрия. - Л.: Издание Ленинградского института охраны труда ВЦСПС, 1938. - 74 с. (см. с. 13)]. Суть его в том, что если мы имеем удельные координаты , , колориметрической системы RGB, то относительная спектральная световая эффективность V(k) выражается по закону Экснера-Эбнея как:

где L_R, L_G, L_B - яркостные коэффициенты.

Все значения V(λ) нормированы относительно максимальной световой эффективности. В соответствии со способом удельные координаты , , измеряли на визуальном колориметре по равенству (неразличимости) цветов полей сравнения. Это равенство можно установить очень точно, добиваясь исчезновения границы между полями колориметра, на которых расположены сравниваемые цвета. Для вычисления яркостных коэффициентов L_R, L_G, L_B на том же визуальном колориметре измеряли интенсивность основных цветов L_R, L_G, L_B, которые уравнивали с интенсивностью I_E равноэнергетического белого цвета Е. Далее на визуальном фотометре, гетерохромным методом измеряли относительные спектральные световые эффективности монохроматических основных цветов V(R), V(G), V(B) и вычисляли яркостные коэффициенты по соотношениям:

L_R=I_RV(R), L_G=I_GV(G), L_B=I_BV(B).

Таким образом для вычисления V(λ) по соотношению (1) получали все необходимые параметры: , , и L_R, L_G, L_B во всем диапазоне видимого участка спектра электромагнитного излучения. Полученную характеристику V(λ) нормировали по максимальному значению.

Достоинством способа - прототипа по сравнению с широко применяемыми способами постоянного поля сравнения, малых ступеней или мельканий является его более высокая оперативность за счет использования только трех гетерохромных операций по измерению V(R), V(G), V(B) вместо 76, если в видимом диапазоне от 380 нм до 760 нм измерять V(λ) через 5 нм. Однако эти три гетерохромные операции снижают точность определения яркостных коэффициентов L_R, L_G, L_B и, следовательно, уменьшают точность вычисления относительной спектральной световой эффективности V(λ) по соотношению (1) во всем диапазоне видимого участка спектра света.

Заявленное решение направлено на достижение технического результата в виде существенного повышения точности определения относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека за счет полного исключения из измерений гетерохромных операций и учета функционирования палочек в дневном зрении.

Способ основан на соотношении:

где V(R), V(G), V(B) - относительные спектральные световые эффективности монохроматических основных цветов, а I_R(λ), I_G(λ), I_B(λ) - интенсивности трех основных цветов R, G, В, полученные на визуальном колориметре, уравнивающие монохроматические излучения I(λ) энергетического белого цвета Е.

Для определения V(R), V(G), V(B) в отличие от способа-прототипа не используют гетерохромную фотометрию, а решают систему линейных уравнений для длины волны λ=0,555 мкм, для которой спектральную световую эффективность принимают равной 1, как в стандартизованной V(λ) МКО в 1924 г.

Здесь I(R), I(G), I(B) - интенсивности основных цветов на длинах волн λ_R, λ_G, λ_B основных цветов, ε_R, ε_G, ε_B, ε(0,555) - волновые числа основных цветов и монохроматического цвета с длиной волны λ=0,555 мкм, ε²(0,555)- их квадраты.

Систему линейных уравнений (3) позволяет записать предложенная автором квантовая модель цветового зрения [Мазуров А.И., Раевская К.А. Квантовая модель низшей метрики цвета. Материалы VIII российско-баварской конференции по биомедицинской инженерии 29-31 мая 2012. - СПб.: Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012. - 10-13; см. также патент РФ №2679193, опубл. 06.02.2019; патент РФ №2684900, опубл. 16.04.2019].

Первое уравнение в системе (3) в соответствии с законом Экснера-Эбнея уравнивает в сравниваемых полях визуального колориметра яркости , второе - уравнивает энергии , а третье - дисперсии энергий D(E) эффективно-поглощенных в сетчатке глаза фотонов.

Из системы уравнений (3) определяются V(R), V(G) и V(B), не используя гетерохромную фотометрию, как это сделано в прототипе.

Таким образом, имеются все необходимые данные для определения по соотношению (2) относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека V(λ) во всем диапазоне длин волн видимого света без применения операций гетерохромной фотометрии.

По предлагаемому способу определена относительная спектральная световая эффективность органа зрения человека, исходя из данных колориметрической системы RGB, стандартизированной МКО в 1931 г. с основными монохромными цветами

λ_R=0,7000 мкм, λ_G=0,5461 мкм и λ_B=0,4358 мкм.

В стандартизованной системе RGB удельные координаты определялись с привлечением относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения V_CT(λ) допущенной МКО в 1924 г. к применению в международном масштабе. Поэтому для вычисления I_R(λ), I_G(λ), I_B(λ) использовались соотношения:

Здесь L_R, L_G, L_B - яркостные коэффициенты стандартизированной системы RGB (L_R=1, L_G=4,5907, L_B=0,061), a V_CT(R), V_CT(G), V_CT(B) -стандартизированная спектральная световая эффективность на длинах волн λ_R, λ_G, λ_B [V_CT(R)=0,0041, V_CT(G)=0,9843, V_CT(B)=0,0178].

Если в соотношение (2) подставить формулы (4), то получим

где

- постоянные величины.

Таким образом, определенная относительная спектральная световая эффективность также соответствует закону Экснера-Эбнея и отличается от стандартизованной МКО только яркостными коэффициентами.

Результаты определения V(λ) вместе с стандартизованной спектральной световой эффективностью поясняются фигурами 1, 2, на которых изображены:

Фиг. 1 - относительные спектральные световые эффективности органа зрения человека, нормированные относительно длины волны λ=0,555 мкм (V(0,555)=1)

1 - стандартизированная МКО,

2 - полученная заявляемым способом.

Фиг. 2 - те же спектральные световые эффективности, приведенные к единице по максимальной чувствительности.

Сравнительный анализ полученной относительной спектральной световой эффективности органа зрения и стандартизованной МКО показал, что они существенно отличаются друг от друга.

Полученная спектральная характеристика, изображенная на фиг. 1, имеет большую чувствительность (световое ощущение) по сравнению со стандартизованной характеристикой, на что указывают площади под этими кривыми. Максимум полученной спектральной характеристики сдвинут по сравнению со стандартизованной характеристикой в сторону коротких длин волн.

Эти различия стандартизованной и полученной V(λ) можно объяснить результатами исследований целого ряда видных ученых, которые показали, что в цветовом зрении участвуют как колбочки, так и палочки [см., например, с. 191-195 в монографии: Джадд. Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. - М.: Мир, 1978 или см. с. 470-480 в монографии Артюшин Л. Ф. Основы воспроизведения цвета в фотографии, кино и полиграфии. - М.: Искусство, 1970 или см. с. 149 Хартридж Г. Современные успехи физиологии зрения. - М.: ИЛ, 1952].

Это же подтверждает модель цветового зрения, на базе которой разработан предлагаемый способ определения относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека. Полученная V(λ) позволяет предположить, что в цветовом зрении участвуют все разновидности колбочек ("красные", "зеленые" и "синие") и палочки. Орган зрения человека имеет одну обобщенную спектральную эффективность V(λ), которая складывается из спектральных характеристик всех сенсоров сетчатки, так как все сенсоры являются пропорциональными счетчиками фотонов. Два стимула с различным спектральным распределением энергии, но с одинаковыми координатами , , D(E) будут уравнены по цвету на визуальном колориметре. Как реакции колбочек, так и реакции палочек будут идеально уравнены (исчезновение разделительной линии двух полей колориметра) для обоих стимулов независимо от различия их спектральных составов и размеров сравниваемых полей. Только при очень низких яркостях (приблизительно менее 10^-4кд/м²) зрение человека становится бесцветным из-за чрезмерных флуктуационных шумов светового потока, не позволяющих различать сигналы , , D(E).

Полученная относительная спектральная световая эффективность органа зрения человека V(λ) отличается от стандартизованной МКО в 1924 г. спектральной световой эффективности другими яркостными коэффициентами, что позволяет записать связывающее их соотношение:

Однозначная связь относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека, полученной по предлагаемому способу, со стандартизованной V(λ) говорит о том, что в измерениях и расчетах можно использовать любую из этих характеристик и выбор зависит от поставленных задач. Однако по мнению автора, полученная характеристика относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека более правдоподобна по следующим причинам:

1. Многие из колориметристов полагают, что палочки, безусловно, участвуют в цветовом зрении. Полученная характеристика V(λ) подтверждает участие палочек в цветовом зрении.

2. Участие палочек в цветовом зрении, которых насчитывается около 120 млн., вместе с колбочками, которых около 9 млн., объясняет феномен бесполезной потери света (более 80%) в сетчатке. Свет при дневном зрении не теряется в пигментном эпителии сетчатки, а воспринимается сенсорами, что отражено в полученной характеристике V(λ). В дневном зрении участвуют как колбочки, так и палочки, и зрительная система человека имеет одну относительную спектральную световую эффективность V(λ).

3. Работа сетчатки как пропорционального счетчика фотонов исключает высокие требования к спектральным характеристикам всех классов сенсоров (палочки и колбочки), так как важна только суммарная характеристика V(λ).

4. Полученная характеристика V(λ) объясняет также тот факт, что в зрительной системе не обнаружена нейронная сеть, формирующая красный, зеленый и синий сигналы.

Способ определения относительной спектральной световой эффективности органа зрения человека, заключающийся в том, что на визуальном колориметре в выбранной колориметрической системе RGB измеряют интенсивности I_R(λ), I_G(λ), I_B(λ) трех основных монохроматических цветов с последующим уравниванием их с единичными интенсивностями I(λ) монохроматических излучений белого цвета Е во всем диапазоне видимого участка спектра; по полученным интенсивностям I_R(0,555), I_G(0,555), I_B(0,555) для основных цветов и выбранной длины волны λ=0,555 мкм, для которой спектральную световую эффективность принимают равной 1, решают систему уравнений:

относительно спектральной световой эффективности V_R, V_G, V_B основных цветов R, G, В, где

ε_R, ε_G, ε_B, ε(0,555) - волновые числа основных цветов и монохроматического цвета с длиной волны λ=0,555 мкм,

, , , ε²(0,555) - их квадраты,

и подставляя V_R, V_G, V_B в уравнение

V(λ)=I_R(λ)V_R+I_G(λ)V_G+I_B(λ)V_B,

определяют относительную спектральную световую эффективность органа зрения человека во всем диапазоне видимого участка спектра.