Кривая видности

Кривая видности — это графическая зависимость спектральной чувствительности человеческого глаза к монохроматическому излучению различной длины волны при определённых условиях освещения. Она описывает, насколько эффективно глаз воспринимает свет с разной длиной волны, и является фундаментальной характеристикой фотометрической системы, связывающей физическую величину (энергетическую светимость) с субъективно воспринимаемой (световым потоком). Кривая видности стандартизирована Международной комиссией по освещению (МКО, CIE) и используется во всех областях, связанных с измерением и проектированием освещения, цветовоспроизведением и визуализацией.

История

Первые попытки количественно описать чувствительность глаза к разным цветам предпринимались в XIX веке. В 1855 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц, развивая теорию Юнга, предположил, что глаз имеет три типа рецепторов, чувствительных к разным участкам спектра. Однако экспериментальные измерения спектральной чувствительности стали возможны только после разработки фотометрии.

В 1924 году МКО приняла первую стандартную кривую видности для дневного (фотопического) зрения, основанную на данных, полученных в ходе экспериментов с участием наблюдателей. Эта кривая, обозначаемая как \( V(\lambda) \), была получена методом гетерохроматической фликкер-фотометрии, который позволяет сравнивать яркость излучений разного цвета, минимизируя влияние цветовых различий. В 1951 году МКО стандартизировала кривую видности для ночного (скотопического) зрения, обозначаемую как \( V'(\lambda) \), с максимумом, смещённым в коротковолновую область (сине-зелёный свет).

В 1978 году, на основе новых данных, МКО ввела поправки к кривой \( V(\lambda) \) для младших наблюдателей (до 30 лет), но основная форма кривой остаётся неизменной. В 2015 году МКО выпустила новую рекомендацию CIE 170-2:2015, которая уточняет кривые видности на основе физиологических данных о колбочках и палочках сетчатки, но для практических целей по-прежнему широко используется классическая кривая 1924 года.

Типы зрения и соответствующие кривые

Человеческий глаз функционирует в широком диапазоне яркостей, и его спектральная чувствительность меняется в зависимости от уровня освещения. Выделяют три основных типа зрения, каждому из которых соответствует своя кривая видности.

Фотопическое зрение (дневное)

Фотопическое зрение активно при ярком освещении (более 10 кд/м², например, дневной свет, хорошо освещённое помещение). Оно обеспечивается колбочками — фоторецепторами, ответственными за цветовое зрение. Кривая видности для фотопического зрения, \( V(\lambda) \), имеет максимум на длине волны 555 нм (зелёный цвет). Это означает, что при равной энергетической мощности излучение с длиной волны 555 нм будет восприниматься как самое яркое. Кривая асимметрична: она круто спадает в сторону коротких волн (фиолетовый, синий) и более полого — в сторону длинных (красный). Чувствительность к крайним участкам спектра (менее 400 нм и более 700 нм) резко падает.

Скотопическое зрение (ночное)

Скотопическое зрение действует при очень низких уровнях освещения (менее 0,001 кд/м², например, в безлунную ночь). Оно обеспечивается палочками — фоторецепторами, обладающими высокой чувствительностью, но не способными различать цвета. Кривая видности для скотопического зрения, \( V'(\lambda) \), смещена в сторону более коротких волн по сравнению с фотопической. Её максимум приходится на длину волны 507 нм (сине-зелёный цвет). Это явление называется эффектом Пуркинье: в сумерках синие и зелёные объекты кажутся ярче, чем красные, хотя при дневном свете соотношение обратное.

Месопическое зрение (сумеречное)

Месопическое зрение — это промежуточное состояние, которое наблюдается при уровнях освещения от 0,001 до 10 кд/м² (сумерки, тусклое искусственное освещение). В этом режиме работают и колбочки, и палочки, и их вклад в восприятие яркости меняется в зависимости от конкретного уровня освещённости. Единой стандартизированной кривой видности для месопического зрения не существует, так как она зависит от спектрального состава света и адаптации глаза. МКО разработала несколько моделей для расчёта месопической яркости, но они являются более сложными и менее распространёнными, чем фотопическая и скотопическая кривые.

Физиологическая основа

Форма кривой видности определяется спектральной чувствительностью фоторецепторов сетчатки. У человека имеется три типа колбочек, каждый из которых содержит светочувствительный пигмент (опсин), поглощающий свет в определённом диапазоне длин волн:

• L-колбочки (длинноволновые, «красные») — максимум чувствительности около 560–570 нм.
• M-колбочки (средневолновые, «зелёные») — максимум чувствительности около 530–540 нм.
• S-колбочки (коротковолновые, «синие») — максимум чувствительности около 420–440 нм.

Кривая видности \( V(\lambda) \) является результатом суммирования сигналов от L- и M-колбочек, которые вносят наибольший вклад в восприятие яркости. S-колбочки вносят пренебрежимо малый вклад в яркостную составляющую, что объясняет низкую чувствительность глаза к синему свету. Палочки, работающие в скотопическом режиме, содержат пигмент родопсин, максимум поглощения которого приходится на 498 нм, что и определяет форму кривой \( V'(\lambda) \).

Применение

Кривая видности является краеугольным камнем фотометрии — науки об измерении света, воспринимаемого глазом. На её основе определяются все основные фотометрические величины:

• Световой поток (люмен, лм) — мощность излучения, взвешенная по кривой видности.
• Сила света (кандела, кд) — световой поток в единице телесного угла.
• Освещённость (люкс, лк) — световой поток, падающий на единицу площади.
• Яркость (кд/м²) — сила света, излучаемая с единицы площади поверхности.

Без кривой видности невозможно было бы сравнивать, например, яркость красного и синего светодиодов, так как их энергетическая мощность может быть одинаковой, но субъективное восприятие яркости будет разным.

Кривая видности используется в следующих областях:

• Светотехника: проектирование осветительных приборов (ламп, светильников, светодиодов) с заданными световыми характеристиками. Эффективность источника света (световая отдача, лм/Вт) рассчитывается с учётом \( V(\lambda) \).
• Дисплеи и мониторы: калибровка яркости и цветопередачи экранов. Системы управления цветом (CMS) используют кривые видности для преобразования цветовых координат в яркостные.
• Фотография и видео: определение экспозиции, работа с цветовыми профилями (например, sRGB, Adobe RGB). Значение яркости в пикселях изображения (L* в цветовом пространстве Lab) рассчитывается на основе кривой видности.
• Оптика и спектроскопия: измерение спектральной чувствительности приборов, работающих в видимом диапазоне.
• Медицина: диагностика нарушений цветового зрения (дальтонизм) и оценка светочувствительности сетчатки.

Критика и ограничения

Классическая кривая видности \( V(\lambda) \) 1924 года имеет ряд недостатков. Она была получена на основе данных от наблюдателей, которые не всегда были репрезентативны для всей популяции. В частности, она занижает чувствительность глаза в коротковолновой (синей) области спектра. Это привело к тому, что при расчёте светового потока от источников с большим количеством синего излучения (например, некоторые светодиоды) получаются заниженные значения. В 1978 году МКО ввела поправку, но для многих практических задач используется именно старая кривая.

Кроме того, кривая видности не учитывает индивидуальные различия между людьми (возраст, пол, генетические особенности). У пожилых людей хрусталик глаза желтеет, что снижает чувствительность к синему свету, и их кривая видности смещается в длинноволновую область. Также кривая не описывает месопическое зрение, которое является наиболее распространённым в условиях искусственного освещения.

Интересные факты

• Максимум фотопической кривой видности (555 нм) совпадает с длиной волны, на которой излучают зелёные светодиоды и лазеры. Это делает их наиболее эффективными для создания яркого света при минимальном энергопотреблении.
• Эффект Пуркинье, связанный со смещением кривой видности в сумерках, объясняет, почему синие цветы кажутся ярче красных на закате.
• Кривая видности используется для определения единицы измерения силы света — канделы. Одна кандела — это сила света, излучаемого источником монохроматического излучения частотой 540×10¹² Гц (что соответствует длине волны 555 нм) в определённом направлении с энергетической силой света 1/683 Вт/ср.

Источники

1. CIE 1924. Commission Internationale de l'Éclairage. Proceedings, 1924.
2. CIE 1951. Commission Internationale de l'Éclairage. Proceedings, 1951.
3. CIE 1978. Light as a True Visual Quantity: Principles of Measurement. CIE Publication No. 41.
4. CIE 170-2:2015. Fundamental Chromaticity Diagram with Physiological Axes – Part 2: Spectral Luminous Efficiency Functions and Chromaticity Diagrams.
5. Wyszecki, G., & Stiles, W. S. (1982). Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae (2nd ed.). John Wiley & Sons.
6. Hunt, R. W. G. (2004). The Reproduction of Colour (6th ed.). John Wiley & Sons.