Percepcja i parametry światła

W tym celu my, ludzie (ale też i inne stworzenia), wyposażeni zostaliśmy w narząd wzroku, dzięki któremu postrzegamy w 83% otaczającą nas rzeczywistość. Dla porównania, dzięki narządowi słuchu odbieramy tylko 11% wrażeń pochodzących od otaczającego nas świata.

Istotne znaczenie w naszym widzeniu świata odgrywa światło. Nawet mając sokoli wzrok, będąc w całkowicie zaciemnionym pokoju, czujemy się jak owo przysłowiowe dziecko we mgle (w takiej sytuacji ciężar obowiązków wynikających z rozeznania się w terenie przejmuje słuch, aczkolwiek daleko nam do tak znakomitej przestrzennej orientacji słuchowej, jaką posiadają nietoperze). W wymienionym przypadku za nasze tak duże uzależnienie od wzroku „dostaje się” narządowi dotyku, który bardzo boleśnie potrafi dać znać o swoim istnieniu, w sytuacji nagłej konfrontacji z jakimś meblem lub inną przeszkodą.

OKO LUDZKIE

W dużym skrócie i uproszczeniu możemy powiedzieć, że oko ludzkie przypomina budową aparat fotograficzny. Zasadniczą różnicą w stosunku to niego jest to, że w aparacie migawka OTWIERA się tylko na ułamek sekundy (czasem na kilka sekund), zaś w oku ludzkim migawka (powieka) ZAMYKA się na ułamek sekundy (czasem na kilka godzin). Natomiast zarówno jeden, jak i drugie ma soczewkę rzucającą pomniejszony, odwrócony obraz oddalonego przedmiotu (obiektu) na wrażliwą na światło tylną, wewnętrzną jego powierzchnię, zwaną w oku siatkówką, a w aparacie filmem (analog) lub matrycą (cyfrówka).

Oko ludzkie jest w przybliżeniu kulą o średnicy 25 milimetrów. Sześć mięśni pozwala oku poruszać się w każdą stronę. Oko chronione jest zewnętrzną powłoką, zwaną twardówką. Pomiędzy twardówką i siatkówką jest jeszcze inna powłoka, zwana naczyniówką, która zawiera liczne naczynia krwionośne, zaopatrujące oko w tlen i składniki odżywcze. Żeby w ogóle można było coś widzieć, twardówka z przodu jest przeźroczysta, zmieniając jednocześnie nazwę na rogówka. Za rogówką i zaraz bezpośrednio przed soczewką znajduje się w oku to, co od zawsze budziło natchnienie poetów i piewców (głównie kobiecej) urody – okrągła zasłona zwana tęczówką. Właśnie dlatego, że tęczówka może przybierać bardzo różne kolory, od jej barwy wzięły się kolory oczu.

W centrum oka znajduje się otwór nazwany źrenicą. Otwór działa jak przysłona w aparacie, kontrolując ilość wpadającego do oka światła. Dokonuje tego poprzez zróżnicowanie swojej średnicy, stając się małą w blasku dnia i szeroką w ciemności. Część oka między rogówką i soczewką jest wypełniona słonym płynem zwanym cieczą wodnistą. Pomiędzy soczewką i siatkówką oko wypełnione jest galaretowatą substancją zwaną ciałem szklistym, która utrzymuje właściwy kształt oka.

Inaczej też niż w aparacie fotograficznym wygląda nastawianie ostrości widzenia. Nie jest bowiem dokonywane przez zmianę odległości między soczewką a siatkówką, ale przez zmianę zdolności skupiającej soczewki.

ODCZYTYWANIE OBRAZÓW

Tak wygląda optyka oka, jednak póki co promienie świetlne przechodzą przez ową optykę i co dalej? Oglądany obraz, odpowiednio wyostrzony, zmniejszony i odwrócony „do góry nogami”, trafia wreszcie na siatkówkę, która jest odpowiedzialna za przetworzenie informacji optycznej na impulsy elektryczne (elektrochemiczne), zrozumiałe dla naszego mózgu. Do tego celu siatkówka wyposażona jest w ponad sto milionów światłoczułych końcówek nerwowych: pręcików i czopków.

Pręcików, które rozmieszczone są na całej siatkówce, poza żółtą plamką w centrum osi wzrokowej, jest około 120 milionów. Są one wysoce światłoczułe i głównie odpowiedzialne za wykrywanie kształtu i ruchu. Nie mogą one jednak rozróżniać kolorów.

Czopków, które skoncentrowane są w żółtej plamce i dość rzadko występują w pozostałej części siatkówki, jest około 6 milionów. Są one mniej wrażliwe na światło, ale mają zdolność rozróżniania kolorów. Umożliwiają one nam również postrzeganie drobnych szczegółów.

Rozkład pręcików i czopków w siatkówce oka

Nerw wzrokowy łączy siatkówkę z mózgiem, dokładniej z korą wzrokową. W miejscach gdzie nerw wzrokowy wchodzi do oka, nie występują ani pręciki, ani czopki, a miejsce to nazywa się ślepą plamką. Część mózgu, która jest odpowiedzialna za percepcję wizualną, jest umiejscowiona na powierzchni po obu stronach szczeliny, która oddziela obie półkule mózgu w okolicach potylicznych kory mózgowej.

MÓZG

Nie będziemy wdawać się wnikliwie w sam proces przetwarzania elektrochemicznego, który wytwarza prąd przepływający nerwem wzrokowym do mózgu. Albowiem to on (mózg, nie prąd) de facto jest odpowiedzialny za to, co tak naprawdę widzimy (podobnie jak to jest percepcją dźwięków). W mózgu, przez odpowiednie ośrodki, obraz z siatkówki jest rejestrowany, przetwarzany i interpretowany. Każde włókno nerwowe tworzy połączenia pomiędzy jego końcem na siatkówce i szczegółowo zdefiniowanym miejscem w płatach potylicznych kory mózgowej. Z tego powodu możliwe jest przyporządkowanie określonej powierzchni siatkówki do punktów kory wzrokowej.

CZUŁOŚĆ

Pomimo wielu niedoskonałości i ograniczeń oko ludzkie jest bardzo precyzyjnym i czułym przyrządem, charakteryzującym się dużą rozdzielczością. W kwestii widzenia barwnego, przy dobrym oświetleniu człowiek jest w stanie rozróżnić 100.000 odcieni kolorów (aczkolwiek mężczyzna podobno tylko trzy ☺), natomiast jeśli chodzi o zakres czułości, to mieści się on pomiędzy 0,000.001 cd/m2 a 100.000 cd/m2. Zakres widzianych częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, czyli tzw. zakres światła widzialnego, przyjmuje się pomiędzy 380 nm a 780 nm. Użyłem sformułowania „przyjmuje się”, gdyż każdy człowiek posiada indywidualne cechy i zakresy postrzegania światła, a ponadto granice te są trudne do określenia, ponieważ widoczność w tych regionach granicznych może być mierzona tylko w środowisku laboratoryjnym, przy bardzo dużych natężeniach.

Krzywe czułości elementów światłoczułych. Rod – krzywa czułości pręcików, kolory
niebieski, zielony i czerwony odpowiadają czopkom rozpoznającym barwę niebieską,
zieloną i czerwoną

Natomiast teoretyczne granice wynoszą 309 nm przy ultrafiolecie i 1.400 nm na podczerwonej stronie spektrum, a to dlatego, że system optyczny oka staje się nieprzezroczysty dla fal o długościach zlokalizowanych poza tymi granicami. Teoria percepcji wzrokowej rozróżnia trzy stany widzenia: fotopowe (dzienne), skotopowe (nocne) i mezopowe (zmierzchowe). Widzenie dzienne określa stan „pracy” nie tylko przy świetle dziennym, ale w każdych warunkach dostatecznego oświetlenia oglądanych obiektów. W tych warunkach obraz jest uzyskiwany w postaci ostrej w obszarze żółtej plamki. Jest ona jednak tak mała, że przykładowo w całości zostaje przykryta obrazem księżyca w pełni. Aby więc widzieć w szerokim kącie, obraz jest niejako skanowany przez oko, tak jak to można zaobserwować u osoby czytającej gazetę. Na obrzeżach wzroku patrzenie dwuoczne bez obracania głowy nie daje szczegółowego obrazu, ale pozwala na postrzeganie ogólne. Zanika też postrzeganie kolorów, ale za to zwiększa się wyczulenie oka na zmiany w obrazie – dlatego żołnierze sił specjalnych, szukający np. ukrytych snajperów, są szkoleni, aby nie patrzeć w obszar poszukiwań na wprost, ale kątem oka.

Przy bardzo niskich poziomach oświetlenia (mniej niż 0,035 cd/m2) czopki nie funkcjonują. Widzenie w takich warunkach, zwane widzeniem nocnym lub skotopowym, realizowane jest wyłącznie poprzez pręciki, co sprawia, że obraz widziany jest w małej rozdzielczości i bez kolorów.

Stan przejściowy pomiędzy widzeniem fotopowym a skotopowym (pomiędzy 0,035 i 3,5 cd/m2), nazywamy widzeniem mezopowym. W tej sytuacji częściowo pracują zarówno czopki, jak i pręciki, a obraz jest kompromisem pomiędzy uzyskiwanym w widzeniu dziennym a nocnym.

BARWY

Jak już wspomniałem, zakres światła widzialnego dla człowieka mieści się średnio od 380 nm do 780 nm. Jednak również czułość naszego oka nie jest stała dla wszystkich długości fal, przy jednakowej wartości energii. Na przykład, w warunkach widzenia dziennego oko jest około dwadzieścia pięć 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).

Aby usystematyzować te zależności, 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. 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). Wrażliwości szczytowe dla widzenia fotopowego i skotopowego zostały ustalone na poziomach kolejno 555 nm i 507 nm.

Krzywe czułości względnej oka
ludzkiego dla widzenia fotopowego V(λ)
i skotopowego V’(λ) według CIE

ŚWIATŁO

Wiemy już, jak wygląda nasze postrzeganie (percepcja) światła – czyli znamy już „odbiornik”. Teraz parę zdań o „nadajniku”, czyli o samym świetle.

Podstawowymi wielkościami oświetleniowymi są:
– strumień świetlny Φ, wyrażany w lumenach [lm],
– światłość I, wyrażana w kandelach [cd],
– natężenie oświetlenia E, wyrażane w luksach [lx],
– luminancja L, wyrażana w kandelach na metr kwadratowy [cd/m2].

Spójrzmy na schematyczny rysunek powyżej. Strumień świetlny jest całkowitą mocą światła emitowaną przez źródło światła (lampę). Światłość określa ilość światła wysyłaną w konkretnym kierunku. Przy pomocy światłości tworzy się krzywe rozsyłu oprawy oświetleniowej. Natężenie oświetlenia jest z kolei tą ilością światła, która wysłana ze źródła dociera do powierzchni pracy. To światło, które odbije się od powierzchni i dotrze do oka obserwatora nazywamy luminancją. Ogólnie luminancja jest ilością światła wysyłaną z określonej powierzchni. Luminancję posiada wszystko, co widzimy. Również źródło światła ma luminancję, gdyż światło wysyłane jest zawsze z konkretnej powierzchni, czasami bardzo małej. Różnica jest tylko taka, że jest to duża luminancja, która razi oczy, i mówimy wtedy o zjawisku zwanym olśnieniem.

Jak widać, dwa pierwsze parametry związane są ze źródłem światła, kolejny z samym światłem, a ostatni, de facto, z odbiorcą światła.

STRUMIEŃ ŚWIETLNY

Parametrem określającym całkowitą moc światła emitowanego z danego źródła jest strumień świetlny. Wielkość tą wyprowadza się ze strumienia energetycznego (moc wysyłana, przenoszona lub przejmowana w postaci promieniowania, tzw. moc promienista) na podstawie stopnia jego oddziaływania na oko obserwatora normalnego. Dodać należy, że strumień świetlny jest to tylko część promieniowania optycznego emitowanego przez źródło światła, którą widzi oko ludzkie w jednostce czasu. Na przykład żarówka emituje oprócz promieniowania widzialnego, widocznego dla oka, dużą ilość promieniowania podczerwonego, czyli cieplnego. Podobnie jest z żarówką halogenową, która oprócz promieniowania widzialnego emituje zarówno promieniowanie podczerwone, jak i nadfioletowe – oba niewidoczne dla naszego oka.

W odniesieniu do źródeł światła strumień świetlny oznaczany może być symbolem Φżr. Natomiast moc światła wysyłanego przez oprawę określa strumień świetlny oprawy Φopr. Skoro poruszyliśmy temat oprawy, wiadomo bowiem, że rzadko kiedy stosujemy „gołe”, wszechkierunkowe źródła światła, wspomnieć należy o parametrze zwanym

SPRAWNOŚĆ OPRAWY

Parametr ten określa jaka część strumienia świetlnego źródła światła, po przetworzeniu, jest wysyłana przez oprawę i jest to stosunek strumienia świetlnego oprawy do strumienia świetlnego źródła światła. Wróćmy jednak do parametrów źródła.

ŚWIATŁOŚĆ

Jest to gęstość kątowa strumienia świetlnego źródła światła w danym kierunku. Określa nam ona więc ilość światła wychodzącego ze źródła światła lub oprawy w ściśle określonym kierunku. Aby przedstawić, jaki rozsył światła ma dane źródło bądź oprawa, dokonywane są pomiary światłości w różnych kierunkach. Po przeliczeniu uzyskanych wyników na wartości, jakie uzyskałoby się przy zastosowaniu źródeł światła o łącznym strumieniu 1.000 lm, tworzona jest krzywa światłości oprawy. Przeliczenie na 1.000 lm umożliwia porównanie krzywych światłości tworzonych dla opraw z różnymi źródłami światła.

Przykładowy wykres światłości w dwóch
płaszczyznach

Oprócz krzywej światłości wykorzystuje się czasem parametr zwany kątem rozwarcia wiązki β. Jest to kąt w płaszczyźnie przechodzącej przez oś wiązki, w zakresie którego światłość spada do określonej wartości procentowej swojej maksymalnej wartości, np. do 50% Imax.

 

Kolejnym parametrem stosowanym w technice świetlnej jest

NATĘŻENIE OŚWIETLENIA

Jest to gęstość powierzchniowa strumienia świetlnego, padającego na daną płaszczyznę, czyli jest to stosunek strumienia świetlnego padającego na płaszczyznę do jej pola powierzchni. Inaczej mówiąc, natężenie oświetlenia jest to ilość światła padająca na powierzchnię, liczona w konkretnym punkcie. Natomiast

LUMINANCJA

Jest to fizyczna miara jaskrawości. Zależy ona od natężenia oświetlenia na obserwowanym obiekcie, właściwości odbiciowych powierzchni obiektu (barwa, stopień chropowatości) oraz od jego pola pozornej powierzchni świecącej. Pozorna powierzchnia świecąca jest to wielkość postrzeganej przez obserwatora powierzchni płaszczyzny świecącej, uzależniona od kierunku jej obserwacji. Pozorna powierzchnia świecąca jest to zarówno płaszczyzna świecąca w sposób bezpośredni – oprawa oświetleniowa – jak i płaszczyzna świecąca w sposób pośredni, np. ściana, przez odbicie światła.

Oko ludzkie widzi powierzchnię, na którą pada światło. Odbija się ono od powierzchni i trafia do oka obserwatora. Tak więc powierzchnia wysyłająca światło ma określoną luminancję, którą widzi człowiek. Nie można też zapomnieć o bardzo istotnym parametrze, związanym ze źródłem światła, który wpływa na barwę światła i oddawanie barw oświetlonych powierzchni lub przedmiotów. Mowa tu o

TEMPERATURZE BARWOWEJ ŚWIATŁA

którą podaje się w kelwinach (K). Zgodnie z definicją temperatura barwowa jest to temperatura ciała doskonale czarnego, w której wysyła ono promieniowanie tej samej chromatyczności, co promieniowanie rozpatrywane. Innymi słowy, jest to obiektywna miara wrażenia barwy danego źródła światła. Źródła, które emitują białą barwę światła, można podzielić, w zależności od ich temperatury barwowej, na trzy grupy: ciepłobiała (ciepła), neutralna (chłodno- biała) i dzienna (zimna). Temperatura barwowa równa 3.300 K odpowiada ciepłobiałej barwie światła. W przedziale 3.300-5.000 K mieści się neutralna barwa światła, natomiast wartość wyższa od 5.000 K odpowiada dziennej barwie światła. I tak, przykładowo, wschód i zachód słońca charakteryzuje się temperaturą barwową ok. 1.600 K, 1.800 K to temperatura barwowa świeczki, 2.800 K – żarówki, 3.200 K – światła żarowego, barwa czystego, granatowego nieba to 20.000 K, zaś błyskawicy – od 28.000 do 30.000 K.

Światło ciepłe wpływa uspokajająco i relaksująco. Przy tym właśnie świetle dobrze odpoczywamy i im cieplejsze światło, tym większe wrażenie ciepła i spokoju. Światło białe, czy też chłodno-białe, jest bardziej stymulujące i daje lepsze warunki do intensywnej pracy. Z temperaturą barwową, a konkretnie z oddawaniem barw wiąże się inny parametr

WSKAŹNIK ODDAWANIA BARW

Jest on miarą stopnia zgodności wrażenia barwy przedmiotu oświetlonego danym źródłem światła z wrażeniem barwy tego samego przedmiotu oświetlonego odniesieniowym źródłem światła w określonych warunkach. Maksymalna możliwa wartość tego wskaźnika wynosi 100. Przyjmuje się ją dla światła dziennego i większości źródeł żarowych. Wartości zbliżone do 100 charakteryzują najlepsze właściwości oddawania barw. Im większe jest wymaganie dotyczące właściwego postrzegania barw, tym wskaźnik oddawania barw powinien być większy.

Jacek Sitarski