tv (Телевидение), страница 3

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.

1. 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.

Если брать абсолютные значения светового потока, то кривая видности примет вид, изображенный на рис. 2.6.

В максимуме кривой видности (для зеленого цвета  = 555 нм) 1 Вт световой энергии эквивалентен 683 люменам светового потока. Поэтому считают, что 1/683 Вт/лм – это механический эквивалент света. Считают также, что 683 лм составляют 1 световатт (для любой длины волны).

2.3. Светотехнические единицы

Обычно в качестве основной величины для светотехнических расчетов выбирают световой поток P (или F), т.е. мощность потока лучистой энергии, которая измеряется в Вт, фотон/с, свВт или лм.

Как говорилось выше, при  = 555 нм световой поток мощностью 1 Вт создает световое ощущение в 683 лм. Это световое ощущение и называется 1 свВт (световатт). Для других длин волн мощность в свВт всегда меньше мощности, выраженной в Вт, потому что Р_{свВт} = Р_Вт, где  – коэффициент видности, меньший 1 для всех длин волн, кроме  = 555 нм, когда он равен 1.

Для практической ориентации упомянем, что электрическая лампа накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 100 Вт создает световой поток F = 1200 лм, т.е. дает световое ощущение, равное 1,76 свВт. В реальной светопроекционной системе 35-мм киноаппарата на экран попадает уже только 100 лм (т.е. 0,15 свВт), а для 16-мм проектора световой поток на экране составляет только 25 лм (0,04 свВт).

Сила света  определяется как величина светового потока F в единичном телесном угле , т.е. это плотность светового потока в пространстве.

, где [] = 1 стерадиан = сферы

Сила света в радиометрии измеряется в Вт/стер. В фотометрии сила света измеряется в кенделах: 1 кд = 1 лм/1 стер.

Упоминавшаяся 100 Вт лампа накаливания, если ее считать изотропным источником, имеет силу света I = 1200 лм/4 = 95,5 кд.

Хотя в качестве исходной фотометрической величины логично выбирать (как мы и сделали) световой поток F, однако за исходную (основную) величину в фотометрии в действительности была выбрана сила света.

Кендела определяется как 1/60 фотометрической силы света с 1 см² поверхности абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины (2042 К) и наблюдении излучения в направлении нормали к излучающей поверхности. 2042 К называется фотометрической стандартной цветовой температурой. В качестве вторичного стандарта используют вольфрамовые лампы накаливания. Таким образом, изотропный источник излучения с силой света в 1 кд дает световой поток 4 лм (4  12,56).

В действительности изотропных излучателей нет, все они анизотропны. Поэтому надо выражаться достаточно аккуратно, и имеется в виду не просто сила света, а сила света в данном направлении. Поскольку излучатели анизотропны, в том числе лампы накаливания, для их фотометрии берут интегрирующую сферу, у которой коэффициент отражения практически равен 1, а затем измерения ведут через небольшое окно в этой сфере. Полный световой поток сравнивается с известным стандартом (эталоном).

Яркость – отношение силы света к излучающей поверхности в нормальном направлении. Т.е. яркость – это сила света с единицы поверхности (обозначают В или L):

, т.е. I = B  S,

где S – площадь светящейся поверхности.

Если направление наблюдения составляет с нормалью угол , то S_эфф = Scos, поэтому I = BS_эфф = BScos. Для неравномерной (неизотропной) яркости: . В этом случае часто используют понятие средней (габаритной) яркости:

.

Освещенность (светимость – если поверхность светится) – поверхностная плотность падающего (освещающего) потока: ,

.

Для изотропного излучателя:

F = I  , поэтому ,

т.е. освещенность сферы с радиусом R.

Если направление наблюдения составляет с нормалью к площадке угол , то S_эфф=Scos, поэтому I = BS_эфф = BScos. Можно написать: . При необходимости иметь B = B₀ = const для разных углов  надо, чтобы и световой поток зависел от угла  так же, т.е. I = I_o  cos. Тогда .

Это условие соблюдается для ламбертова излучателя, т.е. излучателя в виде равномерно рассеивающей поверхности, излучающей свет с силой, пропорциональной косинусу угла между направлением излучения и нормалью. К ламбертову излучателю близки обычные диффузные отражатели (белая бумага).

Поскольку освещенность и светимость зачастую для внешнего наблюдателя неразличимы (например, свет от Луны), представляет интерес связь между Е и В. Рассмотрим сферу радиуса r, в центре которой находится площадка S, освещенная потоком F_вх и излучающая во все стороны поток F_вых (рис. 2.7). Тогда