Учебное пособие: Телевидение

2. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ И ЕГО ВОСПРИЯТИЕ

1. Глаз человека

Глаз – один из сложнейших органов человека, «световое окно» в мозг. Глаз вместе с мозгом образуют зрительную систему, через которую поступает по разным оценкам от 70 до 90% всей информации из внешнего мира к человеку.

Блоки зрительной системы (рис. 2.1) охвачены прямыми и обратными связями, которые создают возможность адаптивной перестройки оптической системы и светочувствительного блока.

Оптическая система глаза показана на рис. 2.2.

Диаметр глаза составляет  25 мм. Зрачок может менять свой диаметр от 2 до 8 мм (адаптация), что позволяет приспосабливаться в широких пределах световых потоков.

Роговица образует переднюю камеру, которая заполнена влагой. Передняя камера и хрусталик образуют оптическую систему с аккомодацией, образующей действительное перевернутое изображение на сетчатке. Плотность хрусталика немного больше плотности воды. Хрусталик состоит из нескольких слоев и может менять свою форму (кривизну передней поверхности), так что меняется действующее фокусное расстояние глаза как оптической системы от 22,8 до 18,9 мм, т.е. глаз обладает способностью менять свою оптическую силу от 60 диоптрий при рассматривании удаленных объектов до 70 диоптрий (близкие предметы).

Сетчатая оболочка (ретина) – переплетение волокон зрительного нерва (810⁵ волокон), которые заканчиваются палочками и колбочками. Количество колбочек - 710⁶, палочек – 13010⁶; те и другие объединяются в группы и узлы, а потом уже присоединяются к нервным волокнам. В палочках происходят фотохимические реакции на органическом пигменте – родопсине (зрительный пурпур), который поглощает кванты лучистой энергии и создает импульсы в нервном волокне. В темноте пурпур восстанавливается. В колбочках процесс фотохимии не совсем известен.

Абсолютный порог чувствительности глаза определяется палочковыми рецепторами (сумеречное, скотопическое зрение) – при больших углах зрения и длительном наблюдении в условиях почти полной темноты глаз чувствует энергию, эквивалентную 1 фотону на 5000 палочек в 1 сек. (1 фотон (=507нм)=3,9210^-19Дж). В ряде случаев глаз регистрирует единичные фотоны («поющие электроны», черенковское излучение). Палочки расположены с уменьшением концентрации от зоны максимальной чувствительности (1,710⁵ 1/мм²) к периферии и к центру. Зона максимальной чувствительности находится на расстоянии (10-12)⁰ от оси глаза.

Колбочки имеют диаметр 13 мкм. Это рецептор дневного (фотопического) зрения. Наиболее плотно они располагаются в центральном участке ретины – в желтом пятне, имеющем овальную форму. В центре желтого пятна есть углубление – центральная ямка (фовеа), диаметром  0,4 мм. В фовея есть только колбочки, и плотность их максимальна. Поэтому это место сетчатки образует наиболее чувствительную по остроте зону, там плотность 1,510⁵ колб/мм².

Колбочковый аппарат имеет цветовую чувствительность, а палочковый аппарат такой чувствительности не имеет.

2. Элементы светотехники.

Зрительная система человека возбуждается колебаниями в диапазоне 410¹⁴Гц  8,510¹⁴Гц, т.е. волны длиной от 350 до 780 нм и вызывают ощущение света (рис. 2.3).

Если есть световой поток, имеющий равномерный спектр (одинаковую спектральную плотность) по мощности в диапазоне 380770 (400-700) нм, то глаз ощущает белый (серый) цвет. Во всех остальных случаях получаются различные ощущения цвета.

Как всякое поле излучения, электромагнитное излучение можно характеризовать количественными параметрами. Вопросами метрологии электромагнитного излучения в целом занимается радиометрия. Естественно, что радиометрия покрывает и область видимого света, и ее единую методологию можно было бы использовать и для световых измерений. Однако, исторически сложилось так (именно в силу восприятия человеком области света), что вначале зародилась метрология только в области света, которая получила название фотометрия. Основой фотометрии является свойства статистически среднего глаза человека.

Вначале расскажем о радиометрических единицах. В основе их лежат радиометрические единицы – эрги, джоули и др.

Энергия 1 фотона , где h = 2п; п = 1,0544310^-27эргс (тоже постоянная Планка), с – скорость света = 310¹⁰ смс^-1;  – длина волны излучения см.

Величину h удобно использовать в виде: 6,6210^-34 Джс

Можно записать:

Для желто-зеленого ( = 556 нм = 55610^-9 м = 55610^-7 см) света = 3,57  10^-13 мкВтс. Можно сосчитать наоборот – сколько фотонов зеленого света в секунду создают мощность 1 мкВт:

Для 1 Вт N_зел = 2,810¹⁸ фот/с

Для фотонов любой длины волны: – столько фотонов с длиной волны  дают мощность 1 Вт.

Нужно сказать, что радиометрия и ее единицы используются применительно к световому диапазону практически только в случаях, когда световые потоки используются в технологических целях (нагрев, закалка, резка лазером и т.п.). Во всех остальных случаях преимущественно используется фотометрия.

Основная особенность человеческого глаза – различная чувствительность к длине волны света. Экспериментально установлено, сто глаз не только не видит вне диапазона (400-700) нм, но и внутри этого диапазона его чувствительность неодинакова. Максимальная чувствительность среднего глаза находится около 555 нм (зеленый свет), а слева и справа чувствительность падает. Функция чувствительности глаза от длины волны называется функцией видности (спектральная плотность света, т.е. мощность в диапазоне , постоянна).

Если глаз освещать одинаковым по мощности световым потоком, но разной длины волны, то ощущение яркости  выглядит так, как это показано на рис. 2.4. Здесь речь идет именно об ощущении яркости (светлоты), а не цвета.

Кривая чувствительности глаза в логарифмическом масштабе (чтобы лучше ориентироваться в области малых значений чувствительности) приведена на рис. 2.5.