Czułość względna oka ludzkiego

Światło stanowi tylko bardzo małą część całkowitego spektrum promieniowania elektromagnetycznego. W rzeczywistości może ono być zdefiniowane jako ta część spektrum promieniowania, która może być
„widziana”. Górne i dolne granice spektrum widzialnego są jednak trudne do określenia, ponieważ widoczność w tych regionach granicznych może być mierzona tylko w środowisku laboratoryjnym przy bardzo dużych natężeniach*. Dla praktycznych warunków widzenia przyjmowany jest zwykle zakres pomiędzy 380 nm i 780 nm.

Widzenie fotopowe (dzienne)

Podział w pręcikach i czopkach tłumaczy wiele z charakterystycznych właściwości ludzkiego oka. W normalnych warunkach widzenia (jest wystarczająco dużo światła), obraz oglądanego obiektu jest uzyskiwany w postaci ostrej w obszarze żółtej plamki, który jest tak mały, że zostaje zakryty obrazem księżyca w pełni. Większe obrazy są „skanowane” poprzez stałe ruchy oczu. Jest to dokładnie widoczne gdy obserwuje się osobę czytającą książkę. Punkt skupienia wzroku jest jasno postrzegany w pełnych barwach poprzez czopki żółtej plamki. Obrzeże wzroku , pokrywające kąt większy od 200o, podczas patrzenia obydwoma oczami i bez obracania głowy, nie daje szczegółowego obrazu, ale pozwala na postrzeganie ogólne. Idąc w kierunku obrzeża obrazu, postrzeganie kolorów zanika z powodu braku czopków. Ten stan wzroku, który występuje zawsze gdy jest wystarczające światło, nazywa się widzeniem fotopowym.

Widzenie skotopowe (nocne)

Przy bardzo niskich poziomach oświetlenia (mniej niż 0,035 cd/m2)**, czopki nie funkcjonują. Widzenie jest wtedy realizowane wyłącznie poprzez pręciki co powoduje obraz o małej rozdzielczości i bez kolorów. Z tego powodu powiedzenie: „W ciemnościach wszystkie koty są szare” ma tu sens dosłowny. Choć jest w takich okolicznościach trudno skupić wzrok na jakimś obiekcie, ruch jest jednak względnie łatwo wykrywalny. Ta sytuacja nazywana jest widzeniem skotopowym.

Widzenie mezopowe (zmierzchowe)

Pomiędzy widzeniem fotopowym i widzeniem skotopowym istnieje stan przejściowy (pomiędzy 0,035 i 3,5 cd/m2), gdzie czopki częściowo jeszcze działają. Sytuacja ta nazywana jest widzeniem mezopowym.

Zmiana czułość oka wraz z długością fali

W zakresie widzialnym widma elektromagnetycznego, czułość oka waha się znaczne przy różnych długościach fal dla tej samej wartości energii. Na przykład, w warunkach widzenia fotopowego, oko jest około dwadzieścia pięc razy czulsze na światło o długości fali równej 555 nm (żółty), niż dla długości fali równej 670 nm (głęboka czerwień) lub 450 nm (fioletowo-niebieski). Szczytowa czułość dla widzenia skotopowego jest około 50 nm bliższa niebieskiego końca spektrum, niż maksymalna czułość dla widzenia fotopowego.

Krzywa czułości względnej oka

Krzywa czułości względnej oka była wielokrotnie szacowana w warunkach widzenia fotopowego, jak również w warunkach widzenia skotopowego i okazała się zadziwiająco zbieżna dla różnych badanych osób. Już w roku 1924, ‘Commission International de l’Eclairage’ (CIE) ustanowiła standardową krzywą czułości względnej oka dla warunków widzenia fotopowego, bazując na badaniach sześciu ekip naukowych, które przebadały łącznie około 250 ludzi. W 1951 roku zdefiniowano podobną krzywą dla widzenia skotopowego oka. Krzywe te podają względne wrażliwości widzenia fotopowego (V) lub wrażliwości widzenia skotopowego (V’) jako funkcję długości fali (λ), przez co są ogólnie nazywane krzywymi V (λ) lub V'(λ) (Rys. 3). Wrażliwości szczytowe dla widzenia fotopowego i skotopowego zostały ustalone na poziomach kolejno 555 nm i 507 nm.

Krzywa czułości względnej oka ma kluczowe znaczenie w technologii oświetleń, ponieważ tworzy łącznik pomiędzy radiometrycznymi i fotometrycznymi wielkościami fizycznymi i ich jednostkami.

Ponieważ każdy człowiek jest inny, to poszczególne osoby posiadają odmienny poziom wrażliwości nie tylko na kolor światła, ale również na jego intensywność. Sposób odbierania światła przez każdego człowieka jest zbliżony w charakterze do przedstawionego wykresu na rys. 3.

* Teoretycznie, granice te są na poziomie 309 nm przy ultrafiolecie i 1400 nm na podczerwonej stronie spektrum, ponieważ system optyczny oka staje się nieprzezroczysty dla fal o długościach zlokalizowanych poza tymi granicami.

** Dla porównania, widok w blasku księżyca, w pełni, ma luminancję na poziomie około 0,01cd/m2.

Krzywe czułości względnej czopków i pręcików. Ilustrują różnice w czułości bezwzględnej

Rys. 1. Krzywe czułości względnej czopków i pręcików. Ilustrują różnice w czułości bezwzględnej

Przybliżone krzywe czułości względnej trzech receptorów barw w czopkach

Rys. 2. Przybliżone krzywe czułości względnej trzech receptorów barw w czopkach. Obecnie wiadomo, że istnieją tak naprawdę trzy rodzaje czopków z pigmentami czułymi odpowiednio na czerwoną, niebieską i zieloną cześć widzialną widma

Krzywa czułości względnej oka ludzkiego dla widzenia fotopowego i skotopowego według CIE

Rys. 3. Krzywa czułości względnej oka ludzkiego dla widzenia fotopowego V(λ) i skotopowego V’ (λ) według CIE

Materiały źródłowe:
[1] Correspondence Course Lighting Application „Vision”, Philips Lighting B.V.,1985
[2] materiały prezentacyjne Philips Lighting