Системы энергетических и световых величин

1. Системы энергетических и световых величин.

Основные световые величины и единицы.

Световой поток - световая величина, оценивающая поток излучения (т.е. мощность оптического излучения) по его действию на селективный приемник (нормальный человеческий глаз). Выражается в люменах (лм) (1лм=1кд×ср (кандела х стерадиан).

Сила света - световая величина, характеризующая пространственное распределение светового потока. Равна отношению светового потока, распространяющегося от источника в данном направлении внутри элементарного телесного угла, к этому телесному углу. Единица измерения: кандела (кд,cd).  Понятие силы света применимо к точечным источникам, размеры которых  во много раз меньше расстояния между источниками и освещаемой поверхностью.

Освещенность - световая величина, характеризующая распределение светового потока по какой-либо поверхности. Равна отношению светового потока, падающего на освещаемую поверхность, к площади этой поверхности. Ед. измерения: люкс (лк, Lx).

Яркость - световая величина, характеризующая излучение источника света или элемента его светящейся поверхности в данном направлении. Численно равна отношению силы света источника в рассматриваемом направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. Ед. измерения: кандела на квадратный метр.

Глаз человека воспринимает узкую часть спектра электромагнитных колебаний с длинами волн 380...760 нм, вызывая ощущение света. При этом восприятие изображений имеет ряд специфических особенностей, которые необходимо учитывать при построении телевизионных систем. Рассмотрим основные из этих особенностей, обращая основное внимание на возможность количественной оценки.

Восприятие яркости

Представим оптическую систему глаза в виде следующего рисунка (рис.1.1), где введены следующие обозначения:

Рекомендуемые материалы

А - расстояние между объектом наблюдения и глазом,

f_гл - фокусное расстояние глаза,

q_гл - площадь входного отверстия линзы (зрачка),

S - площадь объекта наблюдения,

L - яркость объекта наблюдения,

s_гл - площадь изображения на сетчатке глаза.

Рис.1.1. Оптическая система глаза

Освещенность Е_гл, создаваемая объектом в пределах площадки s_гл  однозначно определяется яркостью рассматриваемой площадки.

где t_гл×- коэффициент пропускания, учитывающий потери светового потока в оптической системе глаза.

Способность глаза реагировать на световое раздражение характеризуется чувствительностью. Чувствительность глаза e к воздействию излучения определяется величиной обратной яркости поля, вызывающей пороговое раздражение:

Полагая, что в (1.6) пороговой яркости площади S - L_пор- соответствует пороговое значение освещенности зрачка Е_{гл пор} получим следующее выражение для чувствительности:

Из (1.3) видно, что чувствительность глаза определяется его освещенностью.

В то же время важнейшей особенностью зрения является его способность к адаптации. Так динамический диапазон воспринимаемых яркостей, оценивается абсолютным контрастом и равен:

К = L_max/L_min ~ 10⁸ (L_min = 3×10^-6...10^-4 кд/м², L_max ~ 10⁴ кд/м²).

Однако, одновременное наблюдение градаций во всем диапазоне не представляется возможным из-за инерционности зрительного аппарата человека. Инерционность в различных условиях различна. Поэтому различают темновую адаптацию (переход от света к темноте или от L_max до L_min) и световую адаптацию (переход от темноты к свету или от L_min до L_max). Время темновой адаптации составляет 30...50 мин., а время световой адаптации - 8...10 мин.

Контрастная чувствительность

В выражении (1.2) под пороговой чувствительностью понимается различение объекта с яркостью L_пор на абсолютно черном фоне. Однако на практике больший интерес представляет чувствительность глаза к восприятию изображений на фоне с заданной яркостью L, которая называется пороговой контрастностью.

Пусть в поле зрения находятся две соприкасающиеся площадки с яркостями L_1­ и L₂ (рис.1.2)

Рис. 1.2. К восприятию пороговой яркости.

Разность яркостей DL = ½L₁ - L₂½будет восприниматься тогда когда DL >DL_пор, где DL_пор - пороговое значение различия яркостей.

Эксперименты показывают , что в достаточно широких пределах изменения яркостей соблюдается соотношение:

Величина e_{гл п} = 0,01...0,05, поэтому в (1.4) в качестве L можно подставлять как L₁, так и L₂ ( так как  DL мало).

Выражение (1.4) является математической записью закона Фехнера: заметное для зрения приращение  DL_пор пропорционально яркости  L.

Контрастная чувствительность глаза оценивается величиной:

Закон Фехнера позволяет количественно оценить число различимых градаций яркости в диапазоне от L_min до L_max (для контраста изображения
К_из = L_max/L_min).  Количественно число различаемых градаций яркостей определяется  выражением:

Пример: при L_max = 70 кд/м², L_min = 0,7 кд/м² , e_{гл к} = 0,02 число различимых градаций составит m=230.

Спектральная чувствительность

Зрение к различным монохроматическим составляющим спектра в видимом диапазоне обладает различной чувствительностью.

Эта зависимость поясняется следующей формулой:

где Ф_n - световой поток для данной длины волны;

К^/_m - коэффициент пропорциональности (световой эквивалент мощности);

Ф_е - мощность излучения.

К^/_m показывает взаимосвязь между мощностью излучения и создаваемой ею световым потоком.

В общем случае К^/_m зависит от длины волны и может быть записан в виде:

К_m =const и равен максимальному значению К^/_m=683;

V(l) - спектральная чувствительность.

Зависимость V(l) представлена на рис.1.3.

Важной особенностью зрения является свойство спектральной аддитивности. Ее сущность заключается в том, что если имеется два или более лучистых потока, например, Ф_е1 и Ф_е2 с длинами волн l₁ и l₂, то суммарное воздействие их на сетчатку глаза определяется выражением:

Разрешающая способность зрения

Разрешающая способность определяется минимальным углом наблюдения j_min, при котором две черные тонкие линии на белом фоне различаются с заданной вероятностью. Толщина линии d равна промежутку между ними (рис.1.4). Наблюдатель находится в т. О

Измерения показали, что для нормального зрения усредненное значение j может быть принято равным одной угловой минуте (j_min=1^/).

Острота зрения S_зр оценивается величиной, обратной разрешающей способности:

Разрешающая способность зрительного аппарата зависит от яркости и цвета фона, контрастности деталей на фоне, времени наблюдения, четкости изображения. Характеристики разрешающей способности являются основными для расчетов разрешающей способности телевизионной системы. При этом весьма существенными являются исследования, проведенные в 1933 г. Я.А.Рыфтиным. Им доказано, что кажущееся приращение четкости DG зрительным аппаратом человека пропорционально относительному приращению числа элементов Dn/n, из которых формируется изображение:

Например,  снижение элементов n в два раза от n_max до n_max/2 приводит к снижению кажущейся четкости с 1 до 0,949, то есть на 1,5%. Это эффект широко используется при проектировании телевизионных систем.

Инерционность зрительного ощущения

Инерционность проявляется в том, что после начала воздействия света на зрительный анализатор зрительное ощущение возрастает постепенно (0,1...0,25 сек). После прекращения светового возбуждения ощущение яркости убывает постепенно.

Продолжительность ощущения яркости после прекращения светового возбуждения называется временем зрительной инерции

Спад ощущения подчиняется экспоненциальному закону:

где L_виз - визуально воспринимаемая яркость,

      L₀ - яркость в начале светового возбуждения,

      t_зр - постоянная времени - время инерции, в течение которого зрительное ощущение яркости после прекращения светового возбуждения изменяется в е раз  - где е - основание натурального логарифма - (t_{зр среднее} = 0,1...0,15 сек). Экспериментальная зависимость времени ощущения от яркости представлена на рис.1.5.

Инерционность зрения оказывается важным свойством, используемым в телевизионных системах. Если на зрительный аппарат воздействуют периодические кратковременные вспышки света, то возникающие ощущения существенно зависят от частоты и скважности вспышек.

При низких частотах, когда время между вспышками больше времени инерции, каждая вспышка видна отдельно (видны мигания). При увеличении частоты мелькания пропадают и кажутся незаметными (промежуток между вспышками становится меньше времени инерции)

Минимальная частота, при которой с достаточной достоверностью мелькания становятся незаметными, называется критической частотой мельканий - F_кр.

Сущность критической частоты поясняется рис.1.6.

Критическая частота мельканий зависит от яркости источника света, его цвета и углового размера поля зрения. Для яркостей, не превышающих 500...1000 кд/м² и скважности 0,5 справедлива формула:

Пример: L=100 кд/м², тогда F_кр=50 Гц.

Рис. 1.6. Сущность критической частоты.

Итак, в первом вопросе мы рассмотрели основные светотехнические характеристики и особенности восприятия яркости человеческим глазом.