Читать книгу Люминесценция - Валентина Уточникова - Страница 10

За восприятие цвета у нас отвечает два типа светочувствительных клеток – фоторецепторов: высоко чувствительные палочки, отвечающие за черно-белое, ночное зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное, дневное зрение. В отличие от большинства животных, у которых существует два типа колбочек, чувствительных к синему и красному цвету, у приматов из-за перехода к дневному образу жизни в результате мутации появился третий тип колбочек, чувствительных к зеленому цвету. Нормализованные спектры светочувствительности этих трех типов колбочек показаны на Рис. 1а. При этом интересно, что максимум кривой чувствительности палочек смещен относительно максимума кривой суммарной чувствительности колбочек в синюю область (Рис. 1б) – именно поэтому в темноте лучше видны синие предметы.

а) б)

Рис. 1 а) Спектры чувствительности колбочек (С – синий, З – зеленый, К – красный) и б) кривая чувствительности палочек (фиолетовая кривая) и кривая суммарной чувствительности колбочек (синяя кривая)

Наличие трех типов фоторецепторов приводит к трехкомпонентой системе человеческого зрения, причем, поскольку кривые их чувствительности перекрываются,

6

свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета. Это явление называется метамерией. Еще одним важным свойством человеческого зрения является время сбора информации, которое у разных животных различно. У человека оно составляет 20 мс, что должно быть учтено при создании дисплеев, картинка на которых для появления эффекта непрерывного изображения должна сменяться не реже одного раза каждые 20 мс.

Рис. 2 Распределение палочек (сплошная линия) и колбочек (пунктирная линия)

Осталось отметить, что распределение нейроэпителиальных клеток в сетчатке неравномерно (Рис. 2). Колбочки сосредоточены в окрестности оптической оси в центральной ямке. Центральная ямка – это узкая область сетчатки, около 1,5 мм в диаметре, в которой расположено примерно 100000—150000 колбочек, поэтому максимальное разрешение достигается именно в этой узкой области. В отличие от колбочек, палочки практически отсутствуют в непосредственной близости от центральной ямки и распределены в широкой области сетчатки. Поскольку в темноте за зрение отвечают палочки, а не колбочки, звезды ночью более четко видны, если слегка сощурить глаза. Кроме того, поскольку в той части сетчатки, где проходит зрительный нерв, светочувствительные клетки отсутствуют, эта часть не может воспринимать свет и называется слепым пятном. Слепое пятно находится под углом 15º от оптической оси и составляет около 5º в ширину.

Формирование цвета

Вернемся к системе формирования цвета человеческим глазом. Есть два способа формирования цвета: аддитивный, при котором происходит сложение цветов непосредственно излучающих объектов, и субстрактивный, при котором происходит вычитание определенных цветов из отраженного белого света. Субстрактивная система формирования цвета используется, например, при работе красных стоп-сигналов в старых автомобилях: красное стекло, за которым находится лампочка – источник белого света,

7

является фильтром, который поглощает остальную часть спектра, пропуская только красный свет. Так же работают и жидкокристаллические мониторы: перед источником непрерывного спектра находится матрица жидкокристаллических фильтров, которые поглощают свет различных длин волн в зависимости от подаваемого напряжения. Формирование света с помощью аддитивной системы используется, например, в светодиодных лампах, которые будут более подробно обсуждены в следующем разделе. В таких лампах восприятие белого света обеспечивается смешением синего цвета от люминесценции полупроводникового кристалла и желтого цвета от люминесценции порошкового люминофора широкого спектра.

Математически это можно описать с помощью цветовой модели, основной функцией которой является количественное сравнение различных цветов. В основу этой модели легло определение трех – по числу типов колбочек – функций цветового соответствия, с помощью которых путем умножения на них спектра источника света можно получить трехкомпонентный вектор, описывающий детектируемый глазом цвет. В колориметрии данные функции принято называть функциями цветового соответствия (англ. color matching functions) (Рис. 3а). Эти функции были экспериментально определены на основе проведенных в конце 1920-х – начале 1930-х годов Дэвидом Райтом и Джоном Гилдом экспериментов.

а) б)

Рис. 3 а) Функции цветового соответствия Стандартного колориметрического наблюдателя, определённые комитетом CIE в 1931 году на диапазоне длин волн от 380 до 780 нм (с 5 нм интервалом) и б)

Чтобы определить компоненты вектора детектируемого света, спектр источника (S (λ)) следует по очереди умножить на каждую из функций цветового соответствия (,,) с последующей нормировкой:

8

Полученные значения определяют координаты цветового вектора в трехмерном пространстве, однако удобнее задавать значение цвета через светолоту Y и две координаты x и y, определенные следующим образом:

x = X/ (X + Y + Z), y = Y/ (X + Y + Z)

Цвет, соответствующий координатам x и y, определяется с использованием хроматической диаграммы (Рис. 3б). Огибающей фигуры, представленной на рисунке, является шкала длин волн видимого света. Таким образом, каждой точке, лежащей на огибающей, соответствует монохроматический источник с определенной длиной волны. С использованием этой диаграммы аддитивная система формирования цвета выглядит следующим образом. Свет, испущенный двумя монохроматическими источниками с длинами волн λ1 и λ2 с интенсивностями I1 и I2, будет воспринят глазом как цвет, координаты которого расположены в точке, разделяющей отрезок, соединяющий точки λ1 и λ2, в соотношении I1:I2.

Важно отметить, что определение кривых для этой модели условно, поскольку при ее построении был изначально заложен субъективный момент. Полученные данные основаны на опросе некоторого количества реципиентов, которых просили, в том числе, определить, имеют ли два источника света одинаковую яркость, даже если эти источники абсолютно разного цвета. Несмотря на это, такая модель является чрезвычайно полезной и широко используется.

Цветовая температура

Еще одной важной характеристикой белого света является цветовая температура. Чтобы понять, что это такое, рассмотрим первый источник освещения – тепловое излучение. К нему можно отнести и солнечный свет, и горение костра, и свет, излучаемый лампой накаливания. Известно, что интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела зависит от температуры и определяется законом Планка: