Цветовая оптика в средней школе

109

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Педагогический Государственный Университет имени В. И. Ленина

Физический факультет

Дипломная работа

“ЦВЕТОВАЯ ОПТИКА В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ”

(Программа интегрированных факультативных курсов.)

Выполнена студентом V курса Голдиным А.В.

Руководители: доцент Сперантов В.В.

доцент Комолова Л.Ф. Ханчина И.В.

Овчинников О.Ю.

Консультант: Маленкова Л.И.

Москва 1996

Содержание

Введение

Глава I. Физические основы цветовой оптики

Глава II. Физиологические и психологические аспекты цветовой оптики

Глава III. Методика проведения курса “Цветовая оптика”

Заключение

Список литературы

Приложение

В процессе работы очень большую помощь советами и ценным руководством оказали Комолова Людмила Фёдоровна и Овчинников Олег Юрьевич.

Работа не была бы создана без содействия Сперантова Владимира Владимировича.

Всем руководителям приношу глубокую признательность от чистого сердца Голдин А. В.

Введение

Значимость оптики в жизни человека трудно переоценить. С помощью органов зрения мы получаем 90% информации, поступающей к нам посредством всех органов чувств. Становится ясно, что тренируя глаз, обучая детей смотреть и видеть, мы внесём наибольший вклад в их развитие. Подсчитано, что одна картина даёт столько информации, сколько не в состоянии уместить ни один книжный шкаф. Причина кроется как в многообразии оттенков, различаемых человеком, так и в точнейшем восприятии мелких деталей изображения (нормальным глазом). Ни один оптический прибор не в состоянии на сегодняшний день даже приблизительно обладать совокупностью всех способностей, которыми обладает глаз человека.

Например, по остроте зрения мы лишь немногим уступаем орлу в лучшей области его видения. А отдельные индивиды многократно превышают этот предел. И это до сих пор не нашло объяснения. При этом поле зрения у человека огромно. Чувствительность же падает к периферии не очень сильно , особенно при соответствующей тренировке. Время фиксации быстро протекающих процессов менее 0,002 секунд. Далеко не все датчики способны зарегистрировать такие процессы. Диапазон яркостной чувствительности глаза охватывает 16 порядков. Не существует ни одного прибора с такими широкими пределами подстройки. Глаза также дают возможность человеку ориентироваться в пространстве. Во-первых, ни одно животное неспособно получить и обработать такое количество информации. Во-вторых, объёмное восприятие предмета, характерное для приматов, простирается на 40-60 метров, а в особых условиях до 1000 метров. Способность к глубинному зрению позволяет различать расстояние 2-5 см вдоль луча зрения для предметов, находящихся на расстоянии 10 м от наблюдателя. В процессе эволюции человек приспособился распознавать ядовитые, безвредные и полезные растения и животных. Ведь некоторые из них годились в пищу или для создания вещей, необходимых для существования человека. Количество различаемых оттенков огромно! Это значит, что практически любой яд (даже новейший, синтезированный искусственно) мы можем распознать в продукте по едва уловимому изменению оттенка. Остальные яды, которые невозможно распознать с помощью глаз, мы можем распознать с помощью других органов чувств. Таким образом, отравленное яблоко будет выглядеть несколько не так как полезное. Поэтому в сказке Пушкина царевна могла бы и не отравиться яблоком, рассмотрев его внимательно. Если бы с раннего детства мы были бы приучены всегда относиться со вниманием к продуктам, гораздо меньше было бы несчастных случаев. В современном, отравленном насквозь мире, эта проблема снова становится актуальной.

Эти и некоторые другие подобные данные были получены лабораториями мира в течение 35 последних лет. Они разрозненны и не систематизированы. Данная работа носит компилятивный характер, преследуя цель объединения этих знаний. С другой стороны, во время изучения литературы были обнаружены пробелы в некоторых вопросах. В связи с этим разработан и поставлен ряд экспериментов, свидетельствующих об ограниченности наших представлений относительно возможностей зрения человека.

В учебном курсе явно не хватает материала по рассматриваемой теме. Однако, введение в школьную практику нового курса встречает на своём пути значительные трудности. В курсе физики средней школы, занимающейся по наиболее распространённой сейчас программе Бутикова и Быкова, оптике отведено 5% учебного времени. При этом непосредственно возможностям глаза и механизмам восприятия не отводится ни одного урока! Эти темы затрагиваются лишь мимоходом с привлечением скудных и устаревших сведений. Следует отметить также, что и о других органах чувств мы получаем весьма скудные и сухие сведения (преимущественно из уроков биологии) без какого бы то ни было рассмотрения физических явлений.

В 7 -- 8 классах имеют место лабораторные работы 11 и 12 в год соответственно. Но опыт показывает, что этого количества катастрофически не хватает.

Существует программа Синякова и Мякишева в которой изучению оптики отводится 11% учебного времени (83 часа). В результате там есть лишь 1 час для изучения человеческого глаза. Но при 6 обязательных и 6 дополнительных часах в неделю этот час теряется, да и об эффективном введении в существующую программу дополнительных часов не может быть и речи.

Есть и такие программы в которых оптику вообще не планируется изучать. В связи с такой расстановкой часов, на факультативный курс не может быть выделено методически необходимое время.

Пока не решён этот вопрос, дети идут в жизнь, не умея пользоваться великолепными инструментами познания, данными нам щедрой природой. Это ведёт, в первую очередь, к небрежному отношению к собственным органам чувств (поэтому с каждым днём чаще встречаются люди с очками, слуховыми аппаратами и т. д.), во-вторых, неумение смотреть, слушать и пользоваться другими органами чувств в полную силу существенно обедняет информационный поток, получаемый человеком. В связи с этим появляются течения и моды, выставляющие на показ патологию (чёрные очки, например, неопрятность хиппи и панков) и жестоко высмеивающие по закону улицы здоровых. По данным болгарского учёного Тодора Дичева Россия находится у критической черты, которая определяется количеством людей, имеющих отягощённую наследственность. Если их число превысит 14%, то число больных будет нарастать лавинообразно. По данным мировых учёных, такая ситуация вызвана технократическим кризисом.

Эта работа призвана восполнить существующий недостаток воспитания и образования. Предлагаемый курс -- это комплекс навыков и умений, способствующий наиболее полному использованию возможностей зрительного анализатора. Кроме того, настоящий курс представляет собой самостоятельную часть глобальной программы, помогающей человеку повысить свой эмоциональный духовный и интеллектуальный уровень путём возвращения к природной сущности человека как члена экологической системы Земли. Восстановление связей с природой укрепит шансы человека выжить в новом, технократическом кризисе, характерном для конца ХХ века.

Во всём мире наметился спад интереса к естественнонаучному образованию. Причина кроется в усугубляющейся обособленности каждого человека, в ослаблении объединяющих сил. Именно из-за этого образуются молодёжные группировки и течения, декларирующие независимость и индивидуальность, подогреваемые к тому же в средствах массовой информации призывом “Каждый сам за себя”. Естественные дисциплины, которые приносили и приносят благосостояние обществу в целом путём технического прогресса, сейчас, на пороге технократического кризиса, оказываются не у дел. Они способствуют развитию культурного, образованного человека в не меньшей степени, чем литература, история, искусство. Повысить интерес к этим предметам можно, уделив больше внимания знакомству и изучению на этих предметах способностей человека, его индивидуальных возможностей, показать, что статистический подход к описанию людей, да и любых других живых существ ограниченно правомочен, а кроме того повышению интересов ребят будет способствовать введение интегрирующих курсов и программ. Именно такой программой является “Цветовая оптика”, которая включает в себя физику, химию, биологию, медицину, физиологию, биофизику. психофизику, элементы парапсихологии.

Цветовая оптика имеет преимущество перед другими дисциплинами в наглядности, обилии экспериментов, в том числе доступных даже маленьким детям.

В пользу цветовой оптики говорят выразительность, красочность как демонстрационных, так и лабораторных экспериментов.

Изучение цветовой оптики способствует поиску гармонии в жизни, гармоничных отношений между людьми путём поддерживания психологически правильных цветовых сочетаний в одежде, интерьере, как в быту, так и на работе, на улицах -- словом везде вокруг нас.

Заслуги цветовой оптики тем сильнее, что вызывают немедленный результат в улучшении зрения, общего самочувствия, настроения и общего психологического состояния учеников. Однако, максимального эффекта эти положительные качества достигают через год -- полтора.

Красота, фееричный каскад эмоций, связанный с познанием и самопознанием будут формировать у ребёнка положительные эмоции, которые, вступая в положительную обратную связь, качнут маятник интереса в механизмах интеллекта, воли к достижению целей, твёрдости духа, стремления к внутренней чистоте, моральному совершенству. Таким образом, курс “Цветовая оптика” является развивающим и в духовном смысле этого слова.

При положительных эмоциях не будет проблем со здоровьем. Ведь в основном болезни имеют психогенную природу.

Кроме того, данная работа нацеливает на физиологически правильное и бережное отношение к своему организму. В связи с вышесказанным я избираю тему своей дипломной работы “Цветовая оптика в средней школе. Программа факультативных курсов.”

Цель дипломной работы: исследовать возможности зрительного анализатора; изучить проблемы внедрения в школьную практику предлагаемого факультативного курса в школе.

Глава 1. Физические основы цветовой оптики

1.1 Глаз -- орган зрения человека, позвоночных и многих беспозвоночных животных. У человека и позвоночных животных парный орган; состоит собственно из глаза (глазного яблока), соединённого зрительным нервом с мозгом и вспомогательного аппарата (глазодвигательные мышцы, веки. а у наземных позвоночных и слёзных желёз).

Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) лучи света входят в глазки, преломляясь поверхности глазного яблока, в роговице, хрусталике и стекловидном теле, сходятся на сетчатке, давая на ней изображение видимого предмета. В глазу, имеющем дальнозоркость или близорукость, изображение на сетчатке оказывается размытым.

Как видно из краткой справки, глаза в животном мире встречаются очень часто, даже у простейших имеются светочувствительные пятна. Это подчёркивает исключительную важность глаз в жизнедеятельности организмов. И чем выше стоит организм на ступени эволюции, тем более сложный у него орган зрения. Поэтому, не смотря на различные приспособления природы для различных условий проживания, человеческий глаз, как самый высокоорганизованный, выдерживает конкуренцию с глазом любого другого живого существа.

Но не смотря на доступность для наблюдений, о нашем глазе мы имеем весьма неполные и противоречивые сведения.

Например, в таблице 1 приведены характеристики Гульстранда, процитированные Ландсбергом.

Таблица 1. Характеристики глаза данные Ландсбергом.

Параметры глаза	Значения
Преломляющая сила в диоптриях	58,48
Длина глаза, мм	22
Радиус приведения преломляющей поверхности, мм	5,7
Показатель преломления среды	1,33
Радиус кривизны сетчатки, мм	9,7

В то же время Луизов, цитируя того же Гульстранда приводит следующие значения: (Таблица 2).

Вышеприведённая таблица даёт общее представление об общеупотребительных параметров глаза, но оптики предпочитают пользоваться таблицей 2. Так как изображение в глазу получается внутри среды отличной от воздуха, то переднее и заднее фокусное расстояния не равны между собой (17,1 и 22,8 мм).

Длина глаза 24 мм

Показатели преломления

роговица 1, 376

водянистая влага и стекловидное тело 1,336

хрусталик 1,386

эквивалентное ядро хрусталика 1,406

Таблица 2. Параметры схематического глаза по Гульстранду.

Параметры глаза, зависящие от аккомодации	При покое аккомодации	При максимальной аккомодации
Преломляющая сила хрусталика, дптр	19, 11	33,06
Преломляющая сила всего глаза, дптр	58,64	70,57
Местоположение первой главной точки, мм	1,348	1,772
Местоположение второй главной точки, мм	1,602	2,086
Местоположение переднего фокуса, мм	- 15,707	- 12,397
Местоположение заднего фокуса, мм	24,386	21,016
Местоположение первой узловой точки, мм	7,078	6,533
Местоположение второй узловой точки, мм	7,332	6,847
Переднее фокусное расстояние, мм	- 17,055	- 14,169
Заднее фокусное расстояние, мм	22,785	18,930

1.2 Однако можно оценить, используя длину глаза и линейные размеры клеток, разрешающую способность глаза. Она должна быть приблизительно в 7 раз выше и составлять 0,156 .

Основная характеристика оптической системы, дающей изображение , -- ее разрешающая сила. Для определения разрешающей силы человеческого глаза в любом глазном кабинете глазном кабинете применяют таблицу Синцова или, как её называют по другому, миру. На ней изображены кольца, имеющие разрывы справа, слева, снизу, или сверху. Как показано на рисунке (Рис. 1), разрыв имеет форму квадрата.

Если d-----самый минимальный угол, под которым испытуемый в состоянии увидеть разрыв , то--d-----называется предельным углом разрешения и справедливо следующее соотношение:

V=1/d (1)

где V - разрешающая способность глаза испытуемого.

На неё оказывают влияние различные аберрации зрения. Различают сферическую, хроматическую, кому, астигматизм. Вид изображений, полученных при этих аберрациях показан на рисунке 2 и рисунке 1 приложения.

Рис. 2

Например, при диаметре зрачка 4 мм сферическая аберрация?D достигает 1 дптр, равно, как и хроматическая аберрация. Для оптических приборов это большая величина. Поэтому Гельмгольц оценивал глаз, как плохой оптический прибор. Однако, для оценки не столько важна абсолютная величина, сколько относительная. Абсолютная сила глаза равна 58,64 дптр, тогда D/D=0,017, что является хорошим свидетельством добротности глаза.

Хроматическая аберрация глаза снижается также за счёт того, что глаз хуже видит красные и фиолетовые лучи, что характеризует кривая видности, изображённая на рисунке 5.

Глаз обладает сферической аберрацией в очень малой степени, поскольку поверхность хрусталика не сферическая, а более сложной формы.

При нормальном зрении аберрации практически исправлены. Например, при яркости L=17 кд/м² диаметр зрачка d=3,63 мм и угловой предел разрешения глаза -- 0,64 полностью совпадает с дифракционным пределом.

Разрешающая сила глаза растёт вместе с увеличением зрачка, иначе его увеличение было бы бессмысленным. На остроту зрения, а вместе с тем предельный угол влияет освещённость. (Смотри в 1.3 таблицу 4). Так, если n --число фотонов, а n -- флюктуационное отклонение, то для среднеквадратичной флуктуации получаем возрастание при низких освещённостях.

n/n=n/n=1/n (2)

Для разрешающей силы получим формулу с учётом флюктуации.

1/=0,003dKPJL (3)

P -- процент фотонов активного поглощения.

J---- время инерции (время в течении которого глаз суммирует световые сигналы).

d -- диаметр зрачка глаза.

K -- контраст в процентах.

При этом диаметр зрачка зависит от освещённости следующим образом.

d=5 -- 3th(0,4 lgL) (4)

Подставив в (2), можно получить общую формулу, но (5) точнее описывает остроту зрения.

=0,45+0,64L^{-- 0,42} (5)

Введём в эту формулу контраст

=0,45+0,64L^{-- 0,42}

К^2/3 (6)

По определению контраст равен

К=L--L₁

L (7)

Если объект темнее фона, то контраст считается положительным, если светлее -- отрицательным. В случае, когда объект светящийся, запись может выглядеть следующим образом:

К=--8; (--8)^2/3=4,

поэтому может быть виден объект даже под углом 0,12. При большей яркости > 17 кд/м² доходит до цифр дифракционного предела. При дальнейшем увеличении яркости она вначале превышает этот предел за тем вновь снижается. (Смотри в 1.3 таблицу 4). Лазарев объясняет факт увеличения остроты зрения выше дифракционного предела тем, что наши глаза не находятся в покое, а постоянно совершают микродвижения.

1.3 Глаз ребенка может одновременно узнавать и отождествлять лишь предметы проецирующийся на жёлтое пятно. Оно имеет угловые размеры 1 - 1,5 градуса - это приблизительно 1 -- 2 буквы печатного текста. Но среднее слово в русском языке -- 5,2 знака, что составляет 3 градуса. Таким образом человек приспосабливается под окружающие условия, однако возможности приспособления гораздо шире. Человек может расширить активное поле зрения от слова до строки, а впоследствии и до страницы. Страница печатного текста занимает уже 30-40 градусов -- различие в 30 раз по сравнению с диаметром желтого пятна! Если же сравнивать по площади страницу и пятно --- отличие в 900-1000 раз ! Вместе с площадью возрастает как количество, так и скорость получения информации. К сожалению, методикой быстрого и сверхбыстрого чтения по системе Андреева владеют немногие.

Поле зрения человека несколько изменяется в течении жизни, поэтому мы будем использовать некоторые усреднённые значения. Так по вертикали оно составляет 123 градуса. На рисунке 3 показана зависимость остроты зрения от угла в вертикальной плоскости между главной оптической осью глаза и направлением на предмет. Главной оптической осью глаза называют воображаемую прямую, соединяющую центр хрусталика и центр жёлтого пятна (области наилучшего видения).

Рис. 3

По горизонтали поле зрения охватывает 190 градусов! В этом легко убедится, если проделать опыт. На вытянутых руках держать натянутую нитку, постепенно разводя руки в стороны. Через некоторое время нитка коснётся переносицы, между тем обе руки ещё будут видны краем глаза. Можно проделать ещё и следующий опыт: встать лицом к стене, коснувшись одновременно лбом и носом; будут видны одновременно и правая и левая часть стены, если только глаз смотрит прямо перед собой, но кроме этого можно полностью увидеть людей, стоящих у стены на расстоянии 3 м от смотрящего и описать во что они одеты.

Причина того, что человек может видеть лучи, пришедшие перпендикулярно к оптической оси глаза и даже несколько сзади проистекает из-за разности в коэффициентах преломления глаза и воздуха. Эти лучи среда глаза преломляет таким образом, что они проходят через зрачок, как показано на рисунке 4.

Рис. 4

Таким образом, поле зрения человека определяется за редким исключением апертурой глаза, как оптического прибора, а она очень велика. Поэтому ограничением углового восприятия человеческого глаза будут служить выступающие части лица. При этом видимость по направлениям вверх и к носу для каждого глаза уменьшается, а вниз и в сторону от носа -- увеличивается.

Подробно поле зрения измерялось Ивановым и Михайловой. Исследованию подвергалась группа здоровых лиц обоего пола, состоявшая из 273 человек. По возрасту группа была разделена на 3 подгруппы:

I -- от 18 до 25 лет,

II -- от26 до 50 лет,

III -- от 51 и старше.

Данные для параметров правого глаза приведены в таблицах 3 а, б, в, г, д, е.

Таблица № 3, а. “Средние величины угла свободы и поля зрения у мужчин.”

	0	45	90	135	180	225	270	315
Угол свободы	61,66	59,04	65,82	88,34	119,26	97,10	82,72	49,58
Поле зрения	57,10	54,39	51,62	65,30	89,84	89,56	65,40	49,52



Рис. 5

“Характеристика изменения поля зрения с возрастом” На рисунке показано поле зрения усреднённого мужчины из третьей группы (светло-серый цвет) и мужчины из первой группы Область, ограниченная тёмно-серым). С возрастом поле зрения сужается.

Таблица № 3, б “Средние значения величины угла свободы и поля зрения первой подгруппы у женщин.”

	0	45	90	135	180	225	270	315
Угол свободы	64,98	64,32	68,45	93,12	119,43	93,65	81,03	51,10
Поле зрения	58,78	56,55	52,40	62,55	89,25	89,05	64,50	50,56

Таблица № 3, в “Средние значения величины угла свободы и поля зрения второй подгруппы у мужчин.”

	0	45	90	135	180	225	270	315
Угол свободы	62,82	57,94	62,96	87,96	120,68	97,30	83,60	49,98
Поле зрения	57,24	55,20	50,54	62,48	87,34	87,58	64,14	48,40

Таблица № 3, г “Средние значения величины угла свободы и поля зрения второй подгруппы у женщин.”

	0	45	90	135	180	225	270	315
Угол свободы	67,18	64,92	69,20	91,38	121,08	93,60	80,64	50,16
Поле зрения	57,34	56,50	51,88	64,06	87,52	86,56	63,46	49,06

Рис. 6 “Характеристика поля угла свободы для мужчин и женщин во второй подгруппе.” На рисунке светло-серым показано поле угла свободы для женщин, чёрным -- для мужчин, а тёмно-серым для мужчин и женщин.

Таблица № 3, д “Средние значения величины угла свободы и поля зрения третьей подгруппы у мужчин.

	0	45	90	135	180	225	270	315
Угол свободы	65,68	60,63	64,90	91,30	119,98	97,95	83,13	51,05
Поле зрения	56,70	54,05	49,35	61,48	83,58	85,80	62,28	48,18

Таблица № 3, е. “Средние значения величины угла свободы и поля зрения третьей подгруппы у женщин.

	0	45	90	135	180	225	270	315
Угол свободы	70,79	68,40	74,93	93,58	122,00	92,58	81,95	51,44
Поле зрения	56,91	54,23	49,06	60,40	82,37	83,42	60,12	48,02

Как видно из таблиц, поле зрения отличается от угла свободы глаза, поскольку современный человек не приучен смотреть “во все глаза”. Это недостаток воспитания и образования. Поле зрения является изменяющимся фактором и зависит от натренированности лица. Из таблиц также видно, что у женщин поле зрения вверх и к носу шире, а вниз и от носа уже, чем у мужчин, что связано с особенностями строения черепа мужчин и женщин. К старости в связи с потерей тканями лица влаги, поле зрения в среднем увеличивается, особенно вверх и к носу. Исключение составляет направления на 225 и 270.

Данные нагляднее представить в графическом виде (смотри рис. 5, 6, 7).

Рис. 7 “Характеристика поля зрения и угла свободы для молодого мужчины”.

На рисунке светло-серым обозначено поле угла свободы, а тёмно-серым -- поле зрения.

Но оказывается, что в глазе человека имеется интересная область -- слепое пятно. В повседненвой жизни мы не замечаем одного странного свойства нашего зрения -- не видеть одним глазом предмета, находящегося сбоку от глаза, хотя свет от предмета и попадает в глаз достигая сетчатки. Следовательно на сетчатке обоих глаз есть определённое место, на котором нет светочувствительных клеток. Оно располагается в месте входа зрительного нерва в глазное яблоко, недалеко от жёлтого пятна. Его-то мы и называем слепым пятном.

Можно определить, где оно находится. Для этого надо посмотреть одним глазом на крестик, а другим на кружок (левым -- на крестик, правым на кружок).

Затем поместить лист на расстоянии 30-35 см, подвигать его в разные стороны. в какой-то момент времени изображение кружка или крестика (противоположного тому элемента, на который вы смотрели) пропадёт. Это значит кружок или крестик совместился со слепым пятном. То же можно проделать и с другим глазом.

Рис. 7а

Однако наши глаза обладают не только колоссальной апертурой, но и большой разрешающей способностью. В совокупности этими качествами на сегодняшний день не обладает ни один оптический прибор. В радиодиапазоне такие приборы созданы, но зато линейные размеры сооружений в 50 000 больше, энергозатраты --- превышают 2000 000 раз !

Одной из характеристик, дающей наиболее точное представление о мощности такого прибора как глаз в сборе информации, является плотность пропускной способности. Она колеблется для биноклей от 350000 до 4500000 бит/(см² сек). Для глаза же эта величина --10⁸ бит/(см² сек).

У Ландсберга приведена таблица, иллюстрирующая зависимость предельного угла разрешения от освещённости.

Таблица № 4. Зависимость угла разрешения от освещённости.

Освещённость, лк.	Угол разрешения, мин.
0,0001	50
0,0005	30
0,001	17
0,005	11
0,01	9
0,05	4
0,1	3
0,5	2
1	1,5
5	1,2
10	0,9
100	0,8
500	0,7
1000	0.8

При дальнейшем увеличении освещённости угол разрешения начинает уменьшатся. Так при 10 000 лк он составляет 1,2 мин, при 25 000 ---3 минуты соответственно.

Максимальный угол разрешения равен 0,7 угловой минуты. 100%-ное зрение у человека принимается, если он различает два предмета расположенные на расстоянии 1 угловая минута.

Способность локализовать объекты в пространстве, воспринять их взаимное расположение и перемещение, а также оценить их положение по отношению к самому себе является одной из ведущих функций, обеспечивающих существование организма в окружающей среде.

Точность измерения положения движения глаз за счет глазодвигательной системы (мышечного чувства) -- около градуса. (Cornsweet, 1956 ; Гиппернрейтер, 1964 ).

Порог стереоскопического зрения ---10 в обычных условиях и 2-3 при благоприятных условиях.

1.4 Способность к аккомодации. Наилучшим расстоянием для рассматривания предмета нормальным глазом является 25 см. Но предметы находятся на самых разных расстояниях, поэтому и глаз должен приспосабливаться к видению предметов на самых различных расстояниях. Такая способность называется аккомодацией. Аккомодация достигается путём мышечного усилия, изменяющего кривизну хрусталика. Пределы расстояний, на которые возможна аккомодация, носят название дальней и ближней точек. Для нормального глаза дальняя точка, находится на бесконечности и фиксируется без усилий, а ближняя -- на расстоянии, зависящем от возраста ( от 10 см для двадцатилетних до 22 см к 40 годам --- данные Ландсберга). В более позднем возрасте пределы аккомодации сужаются ещё более. Это называется старческой дальнозоркостью.

Рис. 8

Близорукость приближает ближнюю точку, и она находится ближе, чем 25 см. Дальняя точка тоже приближается. Она находится на конечном расстоянии, иногда очень не большом. У дальнозорких же ближняя точка удаляется за отметку 25 см, в то время как дальняя лежит на отрицательном расстоянии, то есть дальнозоркий глаз может видеть даже сходящиеся пучки света.

Как оптический инструмент дальнозоркий или близорукий глаз обладал бы целым рядом недостатков --- сферическая аберрация, хроматическая аберрация, астигматизм наклонных пучков света. Но именно эти “недостатки” являются достоинствами. Без сферической аберрации мы не смогли бы распознавать смешанные и монохроматические цвета. Оказывается зрение человека способно и на это ( правда не очень точно и часто по прошествии довольно продолжительного времени до некоторой усталости глаз ) ! Не обладай глаз астигматизмом, мы бы не смогли естественным путём увеличивать пределы аккомодации ( по одной из осей изображения ).

2.1 Слово адаптация -- латинское и по-русски означает “приспо-собление”. Способностью видеть в столь разных условиях освещения мы обязаны особому свойству глаза -- световой адаптации.

Оказывается, что пределы видения наших глаз удивительно широки. Яркость, при которой мы можем видеть может изменяться в 10 000 000 000 000 000 раз.

Кроме того, мы можем видеть и не ослепнуть при яркости в 100 000 Солнц.

Удивительно, как велики приспособления глаза! На закате и на восходе все предметы видны не хуже, чем днём, но яркость фона в этот момент меньше в 100 раз, чем днём. Однако мы особой разницы не ощущаем.

На столе при свете электрической лампочки мы прекрасно можем читать и различать мелкие предметы, однако освещённость на рабочем столе в 1000 раз меньшей, чем полуденная. Даже если ослабить освещение в 10 000 раз, и тогда можно будет читать, писать, рассматривать чертежи и карты, следить за стрелками часов и других приборов. И только ослабление света в 100 000 раз делает такую работу затруднительной или невозможной. однако и в этих условиях зрение продолжает нам служить, хотя и не очень эффективно. как при ярком свете. Даже в глухую дождливую осеннюю ночь кое- что всё-таки можно увидеть: на открытом месте во мраке намечаются контуры крупных предметов, линия горизонта, облака. Освещённость в этих условиях будет по крайней мере в 1 000 000 000 раз меньше солнечной. При этом наблюдается интересное явление: контуры предметов расплываются, колеблются, да и фон как бы создан из мелькающих пятен. Так начинает сказываться дискретная природа света -- на какую-то клетку сетчатки приходится больше фотонов, а на какую-то -- меньше. Частиц света уже недостаточно, чтобы разница в освещённости , создаваемая в разные моменты времени разным количеством частиц была незаметна, ведь относительная флуктуация числа частиц возрастает.

Адаптация к свету данной яркости является результатом различных изменений, происходящих в глазу при переходе с одного уровня яркости на другой. Одно из них, наиболее простое мы можем наблюдать непосредственно. Это -- так называемый зрачковый рефлекс.

Днём зрачок имеет диаметр 1-2 мм, в темноте он расширяется до 9 мм. Таким образом количество света , попадающего в глаз определяется площадью открытого зрачка, а она, как известно, пропорциональна квадрату диаметра. Поэтому зрачковой рефлекс позволяет ослабить освещение сетчатки, максимум в 100 раз. Более принята величина -- 25 раз. Зрачок -- живая диафрагма.

Другой механизм адаптации заключается в самом анатомическом строении ретины. Ретина состоит из светочувствительных элементов двух типов: из колбочек и из палочек. Из них колбочки обладают сравнительно невысокой чувствительностью к свету и потому работают только на ярком свету, например днём; они составляют аппарат дневного зрения. Палочки же на против Очень чувствительны к слабым лучам, поэтому их называют аппаратом сумеречного зрения. ( Смотри рисунки, приведённые в “Физиологических основах цветовой оптики”).

Таким образом, наш глаз составлен как бы из двух различных приспособлений. Пока свет слабый в нём действуют одни палочки, колбочки же остаются безучастны. Эта область наиболее полно характеризуется видением, при котором мы не различаем цвета. С увеличением яркости понемногу начинают включатся и колбочки, а роль палочек уменьшается. Область яркостей, при которой действуют одновременно и колбочки и палочки называется промежуточной. С переходом к большим яркостям зрение становится чисто дневным: весь зрительный пурпур в палочках обесцвечивается, и палочка выключается совсем, но зато действуют колбочки.

Переход с одного уровня адаптации на другой совершается не вдруг на перестройку глаза требуется время. Это известно каждому из повседневного опыта. Если, например, из темноты сразу выйти на яркий свет, то первые мгновения глаза слепит, человек испытывает неприятную резь, жмурится. Лишь по прошествии некоторого времени это проходит, и зрение осваивается с ярким светом. Впрочем, такая адаптация протекает быстро и завершается через 2-3 минуты.

Но перейдя из светлого помещения в тёмное человек долго ничего не различает. Здесь нет болезненных явлений, но для того, чтобы в условиях ночи хорошо видеть слабые звёзды и освещенные звёздным светом предметы необходимо пробыть в темноте около часа (по данным Шаронова) или 15 минут по иным данным. Однако опыт показывает, что и по прошествии часа зрение продолжает медленно увеличивать свою чувствительность.

3.1 По Ландсбергу человеческий глаз чувствителен к длинам волн света от 400 до 760 нм. По Шаронову спектральная чувствительность нашего глаза -- от 380 до 800 нм. Существуют и другие мнения, так, например, по материалам Чуковой “красная граница” нашего зрения простирается до 3 мкм, да и то сравнивается при этой длине волны с мощностью излучения стенок глазницы. Это значит, если бы наш организм ничего бы не излучал, то красная граница возможно лежала дальше в длинноволновой области.

Подобные расхождения обусловлены тем, что наши глаза имеют неодинаковую чувствительность к различным длинам волн видимого излучения. Зависимость чувствительности человеческого глаза от длины волны видимого света характеризуется кривой видности.

Кривая видности имеет такой вид, как изображено на рисунке 7. Ниже даны цвета , соответствующие этим длинам волн. Из рисунка видно , что область максимальной чувствительности глаза приходится на промежуток 550-560 нм. Точное же значение принимается - 556 нм для дневной освещённости и 500 для сумеречного зрения, что соответствует a-линии поглощения родопсина --- зрительного пурпура, который отвечает за светочувствительность в темноте. Другие же максимумы поглощения родопсина соответствуют b-линия --- 350 нм, g-линия --- 278 нм. В известной степени это условность, интерполяция данных, полученных многократными измерениями чувствительности многих людей.



Рис. 9

Однако, пользоваться для точных вычислений графиком не всегда удобно, поэтому существует таблица № 5 “Зависимость видности ( vl--) от длины волны (--l )”.

l, нм.	Vl--	l, нм	vl	l, нм	vl	l, нм	vl
760	0,00006	660	0,061	560	0,995	460	0,060
750	0,00012	650	0,107	550	0,995	450	0,038
740	0,00025	640	0,175	540	0,954	440	0,023
730	0.00052	630	0,265	530	0,862	430	0,0116
720	0,00105	620	0,381	520	0,710	420	0,0040
710	0,0021	610	0,503	510	0,503	410	0,0012
700	0,0041	600	0,631	500	0,323	400	0,0004
690	0,0082	590	0,757	490	0,208
680	0,017	580	0,870	480	0,139
670	0,032	570	0,952	470	0,091

Эта таблица даёт сведения лишь для чистых спектральных цветов, да и то не для всех. Но такие цвета в жизни редко встречаются ( а жаль! ), поэтому надо пользоваться и такими цветами. Смешанные цвета раздражают глаз. Из-за сферической аберрации лучи расположенные, по краям спектра не точно фокусируются на сетчатку. В различный момент времени глаз может выбрать для себя любой из диапазона видимый свет, но тогда теряют фокусировку другие. Именно поиском области лучшего видения и характерной формой кривой видности, мы обязаны концентрацией во времени фокусировок в зелёной области.

Самое главное в цветовой оптике --- каким покажется нам тот или иной предмет при том или ином освещении. а также, когда и при каких условиях два предмета покажутся нам одинаковыми.

Пусть у нас есть четыре проекционных фонаря, снабжённых фильтрами. Их яркость может непрерывно меняться в широких пределах: первый фонарь имеет красный фильтр и отбрасывает на экран красное пятно, второй -- зелёный фильтр и даёт зелёное пятно, третий -- синий фильтр, и наконец, четвёртый образует белый круг с чёрным пятном посередине. Включим красный и зелёный фонари, чтобы пятна частично перекрывались, тогда область перерывающихся пятен вызовет ощущение нового света не красновато-зелёного, а жёлтого. Изменяя пропорцию красного и зелёного, можно пройти все оттенки оранжевого, жёлтого, зелёного (тёплых) и так далее. Установив на экране определённый жёлтый цвет, можно получить точно такой же цвет, смешивая другие компоненты, например используя жёлтый фильтр и смешав затем жёлтый фильтр и смешав затем жёлтый свет с лучом белого цвета. Другими словами, одни и те же цвета можно создавать несколькими способами, смешивая свет от разных фильтров.

Тогда для любого цвета мы можем написать уравнение, подтверждающее создание этого цвета, смещением полной группы цветов в определённых пропорциях. Полной группой цветов называют триаду -- красный, жёлто-зелёный, сине-фиолетовый, X - произвольный цвет

X =alкр--+blж-з--+glс-ф

Как уже отмечалось ранее, таким способом мы можем создать и белый свет, тогда a=_,31;--b=_,58;--g=_,11--В этом опыте за белый мы принимаем солнечный. Если же подобрав таким образом белый свет от трёх фонарей, сравним с фонарём без светофильтра, то цвет от него окажется желтовато-розовым. Однако, несколько перенастроив систему мы сможем добиться и этого цвета.

Полученные цветовые отличия объясняются тем. что “белый” солнечный характеризуется температурой 5200 К, а ”белый” свет электрической лампочки --- температурой около 2000 К. И солнечный, и электрический свет по сути дела не являются белыми. Солнечный --- жёлтый, а электрический --- ярко-красный. Но видимый электрический свет вовсе не кажется нам ярко-красным причина тому цветовая адаптация и кривая видности.

Но перейдем к более интересным цветам. Одним из интересных цветов является коричневый свет. Действительно, его никогда не используют в сценических эффектах, нет прожекторов с коричневыми фильтрами. Но причина тому то, что мы не привыкли видеть коричневый свет сам по себе, без всякого фона. Практически его можно создать, смешивая в некоторой пропорции красный и жёлтый. Чтобы убедится что получился именно коричневый свет, достаточно увеличить яркость окружающего фона, на котором расположено цветовое пятно, и вы увидите пятно того самого цвета, который мы называем коричневым! Но это не единственный способ. Мы можем любой предмет, имеющий красно-жёлто-оранжевый цвет поместить на фоне ярко-белого экрана и убедиться, что опять получится коричневый свет. Возможен и обратный опыт: мы можем из темного места посмотреть на ярко освещённый заведомо коричневый предмет, но коричневого мы не увидим, а увидим жёлтый, красноватый, оранжевый --- в зависимости от оттенка коричневого цвета. Именно этот фокус проделывает с нами Луна в каждую лунную, безоблачную ночь. Она кажется то голубоватой, то желтоватой, на самом же деле её поверхность тёмно-коричневая и отражает порядка 7% падающего на неё света. Можно только представить как сияла бы Луна, обладай её поверхность таким цветом, какой нам кажется с Земли. Причина же такой мистификации в том что кроме Луны нет тел, способных отражать и излучать столько же света. Поэтому даже темно-коричневый на фоне почти абсолютной черноты кажется нам весьма светлым.

Но вернёмся к фонарям. С их помощью легко получить коричневый цвет самых разных оттенков. Например, если уменьшить долю жёлтого света, возникает красновато-коричневый цвет с шоколадным оттенком, а если добавить зелёный, то получится хаки.

Можно подобрать жёлтый с помощью синего (для оттенка), красного и жёлтого.

Попробуем теперь к цветам, которые выглядят одинаково (X=X'), добавить ещё какой-нибудь (Z) в равных количествах. Цвет изменится, но изменится одинаково, поэтому мы можем записать такое равенство:

X+Z=X'+Z.

Это и есть основной закон цвета, который словесно выражается так: если два спектральных распределения неразличимы на глаз по цвету, то после добавления к ним одинакового количества нового цвета смеси будут по-прежнему неразличимы

Это правило будет действовать и в том случае, если мы возьмём другие какие-нибудь неодинаковые цвета: красный, жёлтый, голубой.

Работая с этой тройкой цветов, мы можем получить цвет Х (положим зелёный), однако, если этот самый цвет Х осветим красным, то мы можем получить цвет, неотличимый от цвета смеси жёлтого и голубого!

Таким образом, в уравнениях смешивания цветов могут быть как положительные, так и отрицательные коэффициенты, поэтому “правильной” тройки цветов не существует. Основными цветами выбираются красный, синий и жёлто-зелёный, поскольку с такими цветами можно создать более широкий набор цветов при положительных значениях коэффициентов в комбинации основных. Такими цветами являются красный (=700,0 нм), жёлто-зелёный (=546,1 нм) сине-фиолетовый (=435,8 нм).

Цвет, описываемый уравнением смешивания цветов, можно представить вектором в трёхмерном пространстве, где по трём осям отложены a, b, c, -- проекции данного вектора на оси трёх компонент, выбранных основными. То есть одному цвету соответствует точка в пространстве. Если мы теперь удвоим все компоненты, то получим цвет той же самой окраски, но большей интенсивности. Пространственный график показан на рисунке № 10.

Рис. 10

Однако таким графиком пользоваться не всегда удобно и чаще используют плоскостной его вариант, который отображён на рисунке № 11.

Если взять какие-нибудь три не одинаковых источника света, положим, красный, синий и зелёный, то все цвета, полученные с помощью этих источников будут лежать внутри треугольника, как показано было ниже на рисунке.

Несмотря на то, что в основе трёхкомпонентной теории лежит факт существования трёх типов колбочек, или трёх типов пигментов, в целом эта теория -- удобная математическая модель, объясняющая смешение цветов и не претендующая на раскрытие нейтронных механизмов, лежащих в основе цветовосприятия.

Все цвета, которые мы видим расположены в фигуре довольно-таки странной формы. В треугольнике находится большинство цветов видимых человеком. Поэтому внутреннюю площадь характеризуют цвета, для которых коэффициенты участия фонарей отображаются положительными коэффициентами. (Смотри рисунок 12)

Для выбранной выше тройки цветов на рисунке показаны функции коэффициентов для получения спектральных цветов. Зная коэффициенты спектральных цветов, мы можем получить коэффициент вообще любого цвета. Иногда требуется брать отрицательные коэффициенты.

Рис.11



Рис. 12.

Именно из этих данных и были определены положения всех точек на диаграмме. При чём координаты X и Y связаны с относительным количеством основных цветов., использованных для получения различных цветов. Отсюда была найдена и граничная кривая диаграммы. Она представляет собой геометрическое место точек всех чистых спектральных тонов. Но каждый цвет может быть получен смешением спектральных тонов, поэтому любой цвет на линии, соединяющей две произвольные точки существует в природе. На диаграмме прямая соединяет крайний фиолетовый и далекий красный концы спектра. На ней расположены пурпурные тона. Расположение цветов внутри фигуры можно увидеть на цветных рисунках № 2 и № 3 в приложении. Вне кривой цвета не могут быть получены никаким способом.

Странная форма кривой обусловлена сложной зависимостью между энергетическими и световыми единицами измерения цвета при учёте кривой видности.

В основе измерения цвета и однозначного его обозначения лежат точные законы. Исходя из этих законов, цвет трактуется как векторная величина трёх измерений (по последним данным трёх измерений для точного описания недостаточно). Стремление избежать отрицательных коэффициентов и даёт систему RGB или в русской транскрипции КЗС. (Рис. 11).

Эта колориметрическая система принята в 1931 году (Международной осветительной компанией).

На этом графике цвет выражается как результат математического расчета, имеющего иной смысл, чем тот, который мы вкладываем в это понятие в повседневной жизни при непосредственном восприятии цветовых форм, материалов.

Координаты X, Y, Z выбраны так, чтобы Y характеризовала яркость. Цветность образцов определяется с помощью двух координат цветности -- X, Y, где

X=X/(X+Y+Z); Y=Y/(X+Y+Z).

Эти две переменные упрощают графическую интерпретацию, так как величины X и Y положение любого цвета на двухмерной стандартной цветовой диаграмме.

Стандартный цветовой график даёт представление о расположение цветности, но не учитывает яркость. Цвета одного и того же тона и чистоты помещаются в одну точку.

При описании цвета часто вводятся не физические понятия. Иногда использовать их удобнее.

Цветовой тон -- те особенности цвета, в силу которых различаются видимые цвета радуги или спектра: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый; для чистых спектральных (то есть не смешанных) цветов тон определяется длиной их волны.

Насыщенность, то есть примесь белого света к чистому спектральному; иначе говоря, насыщенность -- это степень отличия окрашенного объекта от одинакового с ним по светлоте белого. (Далее подробно).

Светлота -- степень способности данного объекта отражать свет. Оно определяется количественно, как переход от белого к чёрному.

К сожалению до сих пор не может вытесниться из литературы такими физическими понятиями как яркостью и светимостью.

Путём сравнивания трёх объектов (два сравниваемых и фон) методами психофизики, то есть сравнивания субъективных ощущений было получено цветовое пространство в форме четырёхмерного шара.

При всей полезности графика для полного описания цвета необходимо 3 величины. Этот график соблюдает условия смешивания цветов.

Рис. 13

Чтобы приблизить точки треугольника к кривой лучше брать в качестве источника света мощные лазеры (в этих лазерах меньше доля энергии приходящаяся на другие линии испускания света). Поэтому желательно иметь не три лазера с различными длинами волн основных линий, а большее их число, так как форма фигуры сложна. Удобно поэтому пользоваться перестраиваемыми лазерами.

Глаз содержит три группы пигментов, реагирующих на свет. Надо обнаружить кривую поглощения каждого из пигментов. Если сумма этих кривых окажется меньше кривой описывающих чувствительность глаза, значит надо еще искать пигменты. Известно, что встречаются люди не различающие цветов; так среди мужчин их насчитывается 8% , а среди женщин 0,5% .Большинство людей имеющих какие-то отклонения в цветовом зрении или вообще им не обладающие, чувствительны к изменению цвета в разной степени, но все равно для всех их характерна частичное восприятие именно этих трех основных цветов. Есть люди, которые видят лишь один цвет. Их называют монохроматами или дальтониками. Среди животных таким зрением обладают, например, кошки.

Есть люди (их называют дихроматами), для которых любой цвет составлен из двух основных цветов. Среди животных дихроматами являются рыбы, например, семейства карповых. Естественно предположить, что у них отсутствует один из трех пигментов. Если бы существовало три типа дихроматов (а так оно и есть), то у одних отсутствовала бы красная пигментация, у других -- зелёное, а у третьих -- синяя.

Два первых из них встречаются часто, а третий -- редко.

У людей, невидящих какой-либо цвет, одинаковому цветовосприятию соответствует на диаграмме не точка, а линия. (Смотри рисунки № 13 и №14).Линии пересекаются в одной точке, но на последнем рисунке точка пересечения должна быть в другом месте. Так показывают более точные измерения.

По полученным данным построены кривые спектральной чувствительности для различных пигментов. (Смотри рис № 16).

Окончательно ли определены эти кривые покажет время.

Для лучшей доступности в понимании расположения областей наиболее ошибочного видения удобно использовать диаграмму в форме круга Бенхели. (Рис. 17). На ней показаны: чёрным жирным -- области больших ошибок для трихроматов, серым жирным --для дихроматов, чёрным тонким --для протанопов. На рисунке приведены сокращения цветов круга Ньютона по их первым буквам.

Рис. 15

На следующем рисунке (рис. № 17) показаны кривая чувствительности глаза в сумерках и кривая поглощения зрительного пурпура родопсина. На рисунке видно, что эти кривые почти полностью перекрываются. Существующие различия объясняются вкладом в сумеречное зрение колбочек.

Рис. 14



Рис. 16

Рис. 17

Рис. 18



Однако, график, характеризующий чувствительность глаза к различным длинам волн (Рис. 18) даёт 4 максимума! (в координатах графика они соответствуют минимумам). Эти максимумы соответствуют красному, салатному, бирюзовому и сине-фиолетовому цвету. Однако, этот график показывает ухудшение чувствительности к различению цвета при приближении к красной границе. Кривая возрастает и уже около 700 нм уходит в бесконечность. Но на глаз лучи с длиной волны 700 нм и 750 нм существенно отличаются по цвету -- последние приобретают малиновый оттенок. Возможно тут лежит ещё один слабый максимум. Намёк на его получение был дан в 1948 году, правда в 1963 при снятии характеристик того же графика максимум исчез. Возможно всё дело в погрешностях эксперимента.

Оказывается, что в некоторых областях цветного поля графика RGB мы менее чувствительны к цветам. На стандартном цветовом графике эти области отображаются эллипсами, которые носят название эллипсов цветовых порогов Мак Адама. Для наглядности они увеличены в 100 раз на рисунке №20. На рисунке №21 изображена форма стандартного графика в криволинейных координатах которые выбраны таким образом, чтобы все эллипсы превратились в круги равной величины.

Рис. 20 Рис. 21

Полезно ввести ещё такую величину, как насыщенность (р). Например, бледно-розовый цвет -- это красный цвет небольшой насыщенности. =650 нм, р=0,1.

р= Ф/(Ф+Ф_б)

Ф -- поток света длиной волны . Ф_б -- поток белого света (засветки).

Описанная здесь система выражения цвета через цветовой тон и насыщенность наглядно представляется в виде диаграммы, впервые построенной Ньютоном и поэтому называемой “ньютонов круг”. По окружности этого круга откладываются в естественной последовательности все спектральные цвета. Круг замыкается посредством пурпурных цветов, которые располагаются между красным и фиолетовым, оказываясь против зелёных. В центре круга помещается белый цвет. Эту диаграмму можно увидеть на рисунке № 5 приложения.

На рисунке границы насыщенности цвета обозначены чётко, однако, это -- упрощение. Цвета переходят к белому плавно. На этом основана более обширная классификация цвета. В качестве основы в этой системе используется шар. Тогда вышеприведённый круг с плавным переходом будет виден “верхнего” полюса шара. Нижний полюс шара -- чёрный. Диаметр шара, проведённый между полюсами -- ахроматический. Цвет его изменяется от чёрного к белому через серый. По экватору расположены цвета круга Ньютона. Любой меридиан этого шара плавно меняет свой цвет от белого к чёрному, но через хроматический цвет круга Ньютона. С углублением внутрь шара и приближением к диаметру цвета блёкнут до серого. Центр шара представляется нейтральным серым.

Существует также ещё один шар -- диаграмма Рунге. Отличие последнего от только что описанного заключается в том, что цвета от белого к чёрному через любой диаметр распределяются равномерно по светлоте. При этом жёлтый оказывается ближе к белому, а фиолет...