Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 13

Оптическое излучение создается благодаря колебаниям большого числа элементарных осцилляторов. Излучения с дли­нами волн 380 … 750 нм образуют видимый свет. Источники света принято разделять на когерентные и неко­ге­рен­тные.

В некогерентных источниках света (естественных, а также ва­куумных и оптронных) различные атомы активного вещества излучают волны, фазы и направления полей которых независимы и случайным образом меняются во времени.

Когерентные источники (например, лазер) излучают мо­нохроматические волны. Световая монохроматическая вол­на создается взаимно ортогональными и синусоидально изменя­ющимися во времени и пространстве электрическим и магнитным полями, имеющими одинаковые частоты и перпендикулярными направлению ее распространения.

Когерентность излучения оценивается коэффициентом монохроматичности K_м = f/f. Для естественных источников света K_м  10^-6, для лазера K_м = 10^-16.

П реобразователи ОЛС и систем технического зрения основаны на использовании принципов геометрической оптики. Данные принципы, сформулированные в XVIII веке, постулируют прямолинейное распространение волн. Это справедливо, если пренебречь дифракцион­ными эффектами, т.е. полагая, что длина волны излучения  << D_хар. Под D_хар понимается наименьший размер препятствия; следовательно считается, что волна отражается от препятствия.

Основу геометрической оптики составляют:

• закон взаимной независимости световых лучей;

• принцип наименьшего времени (известный как принцип П. Фер­ма).

Согласно этим положениям, световые лучи распространяются по прямым линиям и не взаимодействуют друг с другом. В качестве частных случаев принципа П. Ферма могут рассматриваться законы отражения и преломления света. Известно, что если луч света падает на границу раздела двух прозрачных сред с разными коэффициентами преломления n₁ и n₂, он отклоняется на угол, зависящий от угла падения. Все лучи, параллельные оптической оси сферической поверхности раздела преломляются так, что сходятся в фокусе (рис. 5.61).

С корость распространения с и длина световых волн в среде  определяются зависимостями:

где n - показатель пре­ломления среды (n > 1),  - частота излучения. Следовательно, скорость света в вакууме больше, чем в среде.

Показатели преломления и коэффициенты отражения k_отр некоторых сред приведены в табл. 5.12.

Таблица 5.12. Основные оптические параметры некоторых сред

Для геометрической оптики справедливы те же законы, что и для геометрической акустики, что позволяет применить принципы проектирования АЛС к ОЛС. В частности, оптические излучения также характеризуются направленностью, а информативный параметр накладывается на несущую световую волну посредством модуляции. Свойства направленно­сти формируются оптической фокусирующей системой, а из всех способов модуляции обычно используется импуль­сная.

Вообще говоря, линейная оптическая модель эксплуатируется преимущественно в задачах навигации, где длина волны излучения d_хар << . Здесь d_хар - наибольший размер неоднородности среды распространения. При уменьшении  в излучении проявляются интерференционные и дифракционные эффекты, широко используемые в задачах дефектоскопии. Явления интерференции и дифракции открытые в начале XIX века О. Френелем и Т. Юнгом соответственно, а также обнаруженная Э. Малюсом поляризация, породили волновую оптику. Проведенные А. Эйнш­тейном в начале XX века исследования фотоэффекта вынудили ввести в рассмотрение дис­кретность и представить свет как пучок световых квантов - фотонов. Подобные явления рассматри­ваются в рамках кван­товой оптики. Все три оптические модели (Ге­ометриче­ская, вол­­новая и квантовая) являются предель­ными случаями друг друга.

Световое излучение рассматривается в двух разделах физики: радио- и фотометрии. В первом случае, для его оценки применяются энергетические характеристики, во втором - визуальные. Визуальные параметры служат для описания световых процессов протекающих в диапазоне видимых волн и воспринимаемых глазом. Энергетические же используются, как правило, для тех излучений, которые лежат за пределами видимого спектра. Такое разделение вызвано тем, что действие видимого света на глаз зависит не только от физических параметров света - энергии излучения, частоты, спектраль­ного состава, но и спектральной чувствительности S_c() глаза (рис. 5.62). Сплошной линией показана кривая средней спектральной чувствительности глаза, пунктир - спектр солнечного света. Максимум S_c() достига­ется для  = 5,0 10^-7 м … 5,55 10^-7 м (первое значение справедливо для черно-белого, так называемого скотопического зрения, второе - для цветного, или фотопического зрения).

Для перевода фотометрических характеристик в энергетические существует коэффи­циент видности k_V, показывающий как меняется световое ощущение по всему видимому диапазону. Так как глаз имеет на­иболь­шую видность (световое ощущение) V_max к излучению с длиной волны  = 0,555 мкм, то

k_V = V_ /V_max.

В пределах диапазона 380 … 770 нм - k_V меняется в 10⁵ раз.

Таким образом, световое излучение описывается в двух системах: энергетической и визуальной. Различают следующие основные световые ха­­рак­те­рис­ти­ки:

• энергия излучения Q (измеряется в Дж для эне­ргети­чес­ких расчетов, в Лм с - для световых);

• поток Ф = dQ/dt (Вт и Лм, соответственно);

• сила света (излучения) I = dФ/d (Вт/ср - для энергетических расчетов, Кд - от англ. «свеча» - для световых);

• освещенность  = dФ/dA (Вт/м², лк)

• яркость (интенсивность) L = dI/dA_n (Вт/ср м² и Кд/м² или НИТ (нт)),

где  - телесный угол; dA_n - площадь ор­то­го­наль­ной проекции светящегося эле­мен­та поверхности dA.

Применительно к световому потоку: 1 Вт излучения с длиной волны  = 5,55 10^-7 м соответствует 683 Лм.

Важнейшей характеристикой в фотометрии является яркость. Для определения фотометрической яркости по известной величине яркости энергетической служат таблицы видности [ ].

Например, яркость потока гелий-аргонового лазера с  = 0,514 мкм и работающего в непрерывном режиме составляет  10¹³ Вт/ср м². По таблице видности фотометрическая яркость L составит  4 10¹⁵ нт, что приблизительно в 2,5 10⁶ раз больше, чем яркость солнца.

Способность глаза реагировать на очень большой диапазон яркостей L получил название зрительной адаптации. В среднем для человека L составляет 2 10^-6 … 2 10⁵ нт. Свойство глаза восстанавливать световую чувствительность называется све­­­товой/тем­но­вой адаптацией. Она соответствует 20 мин - для световой адаптации и  60 мин - для темновой. Сравнительные параметры некоторых типовых источников света представлены в табл. 5.13.

Таблица 5.13. Сравнительные характеристики различных источников света

Порог чувствительности глаза характеризуется наименьшим количеством световой энергии, вызывающей световое раздражение. Величина порогового значения светового потока Ф_min зависит от диаметра зрачка и при диаметре 8 мм составляет  2 10^-14 Лм.

5.4.2. Оптическая система и ее характеристики

О сновой ОЛС является совокупность оптических деталей (линз, зеркал, призм и т.д.) образующих изображение предметов на фотоприемнике, получившая название оптической системы. В оптической системе принято различать пространство предметов - область, в ко­торой ра­с­положены объекты, и пространство изображений - область, в которой размещается изо­бражение. Важней­шим элементом оптической системы является линза (рис. 5.63). В зависимости от комбинации образующих линзу поверхностей (вы­пуклой, вогнутой и плоской) различают более 10 типов линз. Наиболее распространенные типы линз имеют сферические сопрягаемые поверхности. В отдельных слу­чаях для луп, конденсоров, светофильтров и т.д. ис­поль­зуют линзы Френеля, обладающих ступен­чатой по­вер­хностью. (Минимальный размер ступенек составляет  0,01 мм). Линзы Френеля выполняют методом прессования из пластмасс, что существенно снижает их стоимость.

О дной из самых совершенных оптических систем является глаз человека, состоящий из двух линз - роговицы и хрусталика, которые разделены слоем так называемой водянистой влаги (рис.5.64). Пространство изображений совпадает с сетчаткой глаза, на которой образуется действительное перевернутое изображение. Наивысшая острота зрения при дне­вном освещении дос­тигается в области сетчатки, называемой центральной ямкой. В центральной ямке находится «желтое пятно», где концентрация цветовых рецепторов максимальна. Хрусталик является двояковыпуклой линзой (радиусы поверхностей в спокойном состоянии 10 и 6 мм). Заднее фокусное расстояние в процессе работы изменяется  на 20%, варьируя, тем самым, и оптическую силу глаза. Это свойство глаза получило название аккомодации. Объ­емом (силой) аккомодации называют величину равную расстоянию между ближней и дальней точками ясного зрения. Он приблизительно соответствует 11 дп. (К 50 годам объем аккомодации уменьшается до 2,5 дп.).

Главными характеристиками оптической системы являются: мас­штаб изображения, светосила, по­ле зрения и разрешающая способность.

М асштаб  есть отношение величины изобра­жения к величине предмета: = l’/l (рис.5.63). Для определения масштаба используются упрощен­ные зависимости. Так, если предмет расположен вдали, то  находится как от­ношение фо­кусного рассто­яния системы F к рассто­я­нию до объекта, если же вблизи (как, например, в микроскопах) - то через линейное увеличение, т.е. отношением l’/l (рис.5.65).

Светосилой S_F называется отношение освещенности ’ изображения, создаваемой данной оптической системой к яркости пре­дмета:

S_F = ’/ L.

О бычно яркость предмета L принимают постоянной, тогда освещенность изображения ’ (отношение све­то­вого потока, прошедшего через линзы к площади изобра­же­ния) и будет являться параметром, определяющим светосилу оптической системы.

Яркость изображения L’ связана с яркостью пре­­д­ме­та L соотношением: