АКАДЕМИЯ СФЕРЫ
БЫТА И УСЛУГ
ИНСТИТУТ
ТЕХНИКИ СЕРВИСА
Т
Е Л Е В И Д Е Н И
Е
пособиеМосква,
1997
Рецензенты:
Волков Ю.А., д.т.н.,
зав. кафедрой
электроники
МИФИ; ПетраковА.В.,
д.т.н., зав. кафедрой
автоматизации
почтовых операций
Московского
технического
университета
связи и информатики
(МТУСИ).
Розов Б.С.
Телевидение:
Учебное пособие,
ГАСБУ. М., 1997.
В настоящем
учебном пособии
достаточно
ярко изложены
вопросы теории
телевизионных
систем. Работа
предназначена
для студентов,
изучающих курс
«Телевидение».
Лицензия
ЛР № 020362 от 14.01.1997 г.
Государственная
академия сферы
быта и услуг,
1997 год.
1. ПРИНЦИПЫ
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Поэлементный
анализ и синтез
оптических
изображений
Окружающие
нас предметы
в той или иной
степени отражают
световой поток
– либо за счет
диффузного
(в основном),
либо зеркального
отражения. Эта
способность
отражать илиизлучать
(самосветящиеся
объекты) свет
определяет
оптические
свойства объекта,
а световой
поток от предметов
и их деталей
несет зрительную
(визуальную)
информацию.
Если падающий
на объект световой
поток равен
F(),
то отраженный
поток Fо()
зависит от
коэффициента
отражения (),
который так
и определяется:
Визуальная
информация
содержится
в световом
потоке, поскольку
этот световой
поток неоднороден
в пространстве
– и не только
за счет разного
().
Разной является
освещенность
деталей объекта,
хотя весь он
может иметь
один и тот же
коэффициент
(),
например, гипсовая
скульптура.
Зрительная
информация
переносится
световой энергией,
попадающей
к наблюдателю
от точек объекта.
Интенсивность
и спектральный
состав потока
от каждой такой
точки характеризуют
яркость (светлоту)
и цвет точки,
а направление
потока определяют
ее пространственное
положение.
Наблюдатель
воспринимает
одновременно
некоторую часть
пространства,
ограниченную
углом зрения.
При этом существует
наименьшая
пространственная
деталь, которую
он еще различает,
но в ее геометрических
пределах уже
не различает
яркостные или
цветовые различия.
Размеры этой
детали определяют
минимальный
угол разрешения
.
Две этих величины
– угол зрения
и угол разрешения
– определяют
счетное (т.е.
конечное) множество
элементов
изображения
N,
т.е. площадок
различной
яркости или
цветности.
Элемент
изображения
– это та часть
изображения,
в пределах
которой все
оптические
характеристики
(яркость, цветность)
принимаются
одинаковыми,
т.е. они могут
меняться только
во времени. В
принципе элемент
изображения
может быть и
гораздо большим,
чем следует
из разрешающей
способности
глаза – это
зависит от
разрешения
аппаратуры,
а также от желания
получить специальные
эффекты – например,
размывание
картинки за
счет последовательного
уменьшения
количества
элементов в
изображении.
Изображение,
образованное
совокупностью
всех элементов
изображения,
называется
кадром.
Подход, основанный
на принципиально
ограниченном
количестве
элементов
изображения,
давно используется
в полиграфии.
Чем выше должна
быть четкость
(детальность)
воспроизводимого
изображения,
тем больше
должно быть
элементов n
на единицу
поверхности.
Итак, плоское
оптическое
изображение
может быть
представлено
множеством
интегральных
источников,
количество
которых достигает
N5105
(полмиллиона).
В каждом из
таких световых
элементов
световое поле
характеризуется
амплитудой
,
фазой
углами плоскостей
поляризации.
И все это для
пяти аргументов
(x, y, z, ,
t):
(x,y,z,,t),
(x,y,z,,t),
1
(x,y,z,,t),
2
(x,y,z,,t),
3
(x,y,z,,t)
Это и есть
наиболее полная
математическая
модель изображения
(М=25). Это означает,
что для N элементов
дискретного
изображения
необходимо
передавать
MN
информационных
сообщений, где
М=25. При передаче
данных о состоянии
каждого элемента
по независимому
каналу надо
иметь 25 5 105 = 1,25 107
каналов. Это
практически
невозможно.
Полную модель
светового поля
можно упростить.
Для создания
оптических
изображений
используются
некогерентные
и неполяризованные
источники,
поэтому функции
и
1
можно не учитывать.
Даже если источники
когерентные
и поляризованные,
то используемые
ныне преобразователи
свет-сигнал
(также как и
человеческий
глаз) нечувствительны
к фазе и плоскости
поляризации.
С учетом этого,
а также учитывая
двумерность
изображения,
остается модель
в виде
(x,y,,t)
– для цветного
изображения.
Черное изображение
имеет разделяющиеся
переменные
(x,y,,t)=1(x,y,t)2()
= L(x,y,t),
т.к. преобразователь
свет-сигнал
реагирует
только на мощность
излучения,
которая находится
путем интегрирования
в пределах
видимого диапазона
произведения
()S(),
где S()
– спектральная
чувствительность
преобразователя.
Таким образом,
каждый элемент
изображения
описывается
функцией Li(x,y,t),
а изображение
в целом – совокупностью
таких функций:
.
Если принять
идею многоканальной
телевизионной
системы, т.е.
системы, обеспечивающей
самостоятельный
канал связи
для каждого
элемента изображения
на передающей
и приемной
стороне (рис.
1.1), то координаты
(x,y)
каждого элемента
однозначно
определяются
каналом связи,
поэтому при
общем количестве
каналов N
по каждому из
них должно
передаваться
значение яркости
(черно-белое
изображение).
Для цветного
изображения
необходимо
передавать
также значение
цвета.
Очевидно,
что даже такая
упрощенная
многоканальная
телевизионная
система нереальна.
Реальным
телевидение,
т.е. передача
изображений
на расстоянии,
стало после
появления идеи
последовательной
передачи световых
параметров
каждого элемента
(«точки») кадра
в определенном
порядке. Такая
последовательная
передача значений
яркости элементов
изображения
называется
«разверткой»
изображения
во времени. На
приемной стороне
одновременно
с этим происходит
процесс «свертки»
– в том же порядке
производится
обход всех
площадок кадра
и каждая из них
засвечивается
в соответствии
с текущим значением
сигнала яркости.
Если цикл
развертка-свертка
повторяется
много раз в
секунду, то
глаз человека
в силу своей
инерционности
воссоздает
оптическое
изображение
как сплошное.
Главное
преимущество
временной
развертки
изображения
заключается
в том, что по
одной физической
линии связи
(пара проводов,
радиоканал)
за счет временного
разделения
передаются
значения яркости
всех элементов.
Адрес элемента,
т.е. его координаты
x и
y
обычно пропорциональны
времени t,
прошедшему
от начала цикла
развертки,
т.е.:
x = k1t,
y = k2t
В этом случае
координаты
x,y
линейно растут
со временем,
так что передается
только совокупность
сигналов Li(t),
принадлежащих
разным элементам.
Очевидным
условием временной
развертки
являются одинаковые
моменты начала
развертки и
ее постоянная
скорость во
времени (строго
говоря, скорость
развертки может
быть и не постоянной,
но развертка
на передающий
и приемной
стороне телевизионной
системы должна
иметь один и
тот же закон
изменения во
времени).
Структура
поля изображения,
образованного
в процессе
развертки,
называется
телевизионным
растром. Другими
словами, растр
– это траектория
обхода элементов
разворачиваемого
изображения.
В современных
системах
телевизионного
вещания принята
прогрессивная
линейно-строчная
и линейная
кадровая развертки,
т.е. последовательная
передача элементов
изображения
с постоянной
скоростью и
одним и тем же
направлением
строчной и
кадровой разверток.
В телевизионных
системах специального
назначения
используются
и другие виды
разверток
(двусторонняя
строчная, спиральные
и др.).
Строки и кадры
синхронизируются.
Точность
синхронизации
(синхронность)
и постоянство
скорости разверток
(синфазность)
– необходимое
(хотя и не достаточное)
условие геометрической
точности
передаваемого
изображения.
При линейно-строчной
развертке
телевизионную
систему характеризуют
числом строк
в кадре z
и числом кадров
nk
в секунду (параметры
разложения).
Получение
сигнала изображения
при последовательной
передаче показано
на рисунке 1.2.
Видно, что
сущность
телевизионного
анализа изображения
сводится к
тому, что двумерная
функция распределения
яркости (освещенности)
преобразуется
в одномерную
функцию времени:
L(x,y)u(t)
или E(x,y)u(t)
Сигнал u(t)
(или
i(t)
мал, поэтому
он усиливается,
в него замешиваются
другие, служебные
сигналы (синхронизации,
гашения и др.).
Для передачи
сигнала используют
разные виды
модуляции –
амплитудная,
фазовая и др.
Применяют также
цифровые методы
передачи.
В приемной
части системы
полный сигнал
изображения
подвергается
демодуляции
и усилению, а
затем осуществляется
синтез изображения.
При синтезе
электрические
сигналы изображения
преобразуются
в яркость (или
и цвет) элементов
изображения,
так что одномерная
функция сигнала
изображения
возвращается
к двумерной
функции распределения
яркости на
экране.
Основная
функция синтезатора
заключается
в объединении
процессов
декодирования
и электронно-оптического
преобразования.
Обычно для
этого используется
явление катодолюминесценции
– свечение
экрана при
бомбардировке
его сфокусированным
электронным
пучком. Развертывающим
элементом
является электронный
пучок, интенсивность
которого управляется
сигналом,
пропорциональным
Ясно, что
синтез изображения
возможен тоже
лишь при наличии
развертки,
которая должна
быть синфазной
с разверткой
передающей
части (анализатора).
В процессе
синтеза надо
обеспечить
геометрическое
и светотехническое
подобие между
оптическим
(первичным) и
выходным
(репродукцией)
изображениями.
При этом за
основу принимается
физиологическая
точность
воспроизведения
– когда входное
и выходное
изображения
при наблюдении
в одинаковых
условиях различаются
мало.
Пространственные
частоты поля
изображения
Использование
понятия «элемент
изображения»
означает замену
непрерывной
функции яркости
по координатам
x и y
дискретной
функцией яркости
по полю изображения
(рис. 1.3).
Для некоторой
строки с координатой
yi
яркость выражается
в виде L(kx,yi),
которая отличается
от истинной
яркости L(x,y),
поскольку
внутри элемента
изображения
по любой координате
L=const=Lcp.
После оптического
изображения
может быть
разложено в
ряды Фурье по
обеим координатам.
В качестве
пространственного
периода первой
гармоники
разложения
удобно выбирать
геометрические
размеры изображения:
“b”
по оси абсцисс
и “h”
по оси ординат.
Очевидно, что
при этом всегда
присутствует
нулевая составляющая
яркости (или
освещенности,
что практически,
как будет показано
в гл.2, одно и то
же), а также
некоторый набор
гармоник первой
пространственной
частоты. Непосредственный
интерес представляет
верхняя пространственная
частота вгр,
определяемая
как обычно
через минимальный
пространственный
период (длину
волны) нгр:
вгр
=
Минимальная
пространственная
длина волны
нгр
определяется,
в свою очередь,
как период
наиболее мелкой
пространственной
решетки (рис.
1.4).
нгр
= 2x
, так что
вгр
=
.
В направлении
x
изображение
состоит из Nx
элементов:
Nx
=
А в направлении
y ,
соответственно
Ny
=
Если принять
x
= y
(одинаковое
разрешение
в горизонтальном
и вертикальном
направлении),
то общее количество
элементов
изображения
N
составит:
N = Nx
Ny
=
=
Отсюда:
,
а частота
.
В ряде случаев
(требования
к зернистости
люминофора
и т.п.) представляет
интерес обратная
зависимость:
N = 4bh2вгр
Пространственная
частота поля
изображения
и скорость
формирования
растра (скорость
сканирования)
определяют,
как будет показано
позже (гл. 6), требования
к полосе частот
(временных)
аппаратуры
телевизионной
системы.
1.3. Преобразование
изображения
в электрический
сигнал
Для черно-белого
телевидения
каждый элемент
характеризуется
мгновенным
значением
яркости; поэтому
при поэлементной
развертке
образуется
сигнал яркости
как функция
времени.
Необходимо
преобразовать
лучистую энергию
в электрический
сигнал. Для
этого используются
фотоэлектрические
преобразователи
– с внешним и
внутренним
фотоэффектом.
Внешний
фотоэффект
(А.Г. Столетов,
1890) – появление
электронной
эмиссии с освещаемой
поверхности
некоторых
металлов и их
окислов. Внутренний
фотоэффект
– изменение
проводимости
некоторых
веществ при
их освещении.
Пусть в плоскости
фотокатода
(тонкая полупрозрачная
пленка из металла
с внешним
фотоэффектом)
сформировано
оптическое
изображение,
так что энергетическое
состояние
каждого элемента
фотокатода
определено
освещенностью
Ei
и его спектральным
составом. Значит,
с каждого элемента
фотокатода
эмиттируют
электроны,
плотность
которых j
вблизи поверхности
пропорциональна
освещенности:
ji
Ei ,
а
поле электронов
отображает
освещенность
элемента изображения.
Если теперь
полностью
отбирать ток
электронов,
то он тоже
пропорционален
средней освещенности:
ii
Ei
Если осуществляется
поочередная
выборка элементов
электронного
изображения
(временная
развертка), то
получается
сигнал изображения
i(t),
величина которого
в каждый момент
пропорциональна
освещенности
разворачиваемого
элемента изображения.
Каким образом
осуществить
развертку
изображения?
В качестве
примера рассмотрим
механическую
систему, позволяющую
осуществить
последовательное
освещение
фотокатода
с помощью подвижной
диафрагмы,
равной по площади
одному элементу
изображения
(диск Нипкова).
Диафрагмы
в виде прозрачных
отверстий в
непрозрачном
диске перемещаются
в плоскости
оптического
изображения,
а фоточувствительный
элемент (один!)
располагается
за диском (рис.
1.5).
Отверстия
в диске размещены
по спирали так,
чтобы была
сплошная развертка
(смещены по
радиусу на свой
диаметр). Диск
Нипкова представляет
собой оптический
коммутатор.
В телевизионной
системе этого
типа (в Москве,
1931 г.) было 30 строк
(z=30),
частота кадров
– 12,5 Гц. Частота
кадров равна
¼ частоты сети,
что удобно для
синхронизации.
Полоса частот
была малой, что
позволяло
передавать
сигнал по
радиовещательному
каналу.
Второй способ
осуществления
временной
развертки
изображения
– это перемещение
электронного
изображения
относительно
диафрагмы –
ловушки по
определенному
закону. И в этом
случае, как и
системе с диском
Нипкова, в
образовании
фототока принимает
участие только
та часть света
от данного
элемента изображения,
которая в этот
момент развертывается.
Если полный
световой поток
изображения
Fo
(отраженный
световой поток
от объекта), то
средний поток
одного элемента
составит:
F`o
=
,
а
средний ток
электрического
сигнала i
= iср
= E F`o
= E
,
где Е – чувствительность
преобразователя
.
Если N
= kz2,
где k
– формат кадра
(k =
),
z –
число строк
кадра, то
i2
= E
Такие системы
называются
системами
мгновенного
действия.
Чувствительность
этих систем
обратно пропорциональна
квадрату числа
строк разложения,
это их главный
недостаток.
Количество
света (экспозиция)
,
т.е. произведение
светового
потока на время
его использования
за время прохождения
одного элемента
изображения
=
В
силу малости
сигнала, представляют
интерес способы
его увеличения.
Известны и
используются
два таких способа.
Если
есть возможность,
то можно использовать
весь имеющийся
в наличии световой
поток для
поочередного
освещения
деталей объекта,
соответствующих
отдельным
элементам
изображения.
Это так называемые
системы с бегущим
лучом – например,
при передаче
изображений
с кинопленки,
в факсимильной
связи. Весь
необходимый
для работы
системы свет
здесь сосредоточен
в одном луче
(т.е.
),
который перемещается
по носителю
изображения
в соответствии
с законом развертки
изображения.
Это тоже система
мгновенного
действия.
При
невозможности
освещения
объекта световым
бегущим лучом
(что обычно и
имеет место)
используют
накопление
сигнала в течение
всего кадра
и последующего
его полного
считывания
(использования)
во время коммутации
данного элемента.
Из общих соображений
ясно, что энергетически
оба способа
эквивалентны,
хотя система
с накоплением
более универсальна.
1.4.
Обобщенная
структурная
схема телевизионной
системы
Телевизионная
система (ТВС)
– комплекс
технических
средств, обеспечивающих
передачу визуальной
информации
путем ее прямого
и обратного
преобразования
через электрические
сигналы.
Обобщенные,
обязательные
для любой системы
устройства
и их функциональная
взаимосвязь
показаны на
рис. 1.6. С помощью
объектива
формируется
плоское оптическое
изображение
на фотокатоде
преобразователя
свет-электрический
сигнал (ПСС). В
ПСС лучистая
энергия преобразуется
в электрическую
в ходе развертки
изображения,
так что на выходе
ПСС получается
временной
сигнал, называемый
исходным сигналом
яркости Ec,
мгновенные
значения которого
пропорциональны
значениям
яркости передаваемого
в данный момент
элемента изображения.
Сигнал с
выхода ПСС
усиливается,
и в него вводятся
дополнительные
(служебные)
импульсные
сигналы, предназначенные
для запирания
обратного
преобразователя
сигнал-свет
в перерывах
между разверткой
строк и кадров
(сигналы гашения).
Исходный сигнал
вместе с сигналом
гашения называется
сигналом яркости.
Для обеспечения
синхронности
и синфазности
используется
принудительная
синхронизация
– 1 раз на период
строки и 1 раз
на период кадра
с помощью специальных
сигналов
синхронизации,
подмешиваемых
в сигнал во
время передачи
гасящих импульсов.
Строчные и
кадровые
синхроимпульсы
больше по амплитуде,
чем гасящие
импульсы, поэтому
они выделяются
из полного
телевизионного
сигнала с помощью
амплитудных
селекторов.
Между собой
строчные и
кадровые
синхроимпульсы
различаются
по длительности.
Сигнал, состоящий
из сигналов
яркости вместе
с синхронизацией,
называется
полным телевизионным
сигналом.
Полный ТВ
сигнал далее
поступает в
канал связи.
Это может быть
кабельная,
радиорелейная,
вещательная,
волноводная,
спутниковая
линия связи,
удовлетворяющая
требованиям
неискаженной
передачи ТВ
сигнала. В канале
связи сигнал
может неоднократно
подвергаться
различным
преобразованиям,
но на выходе
должен восстанавливаться
исходный сигнал,
который и поступает
на усилитель-селектор.
Усилитель
обеспечивает
уровень сигнала,
необходимый
для управления
обратным
преобразователем
сигнал-свет.
В селекторе
выделяются
синхронизирующие
импульсы, которые
подаются на
управление
разверткой
ТВ-приемника
(синтезатора
изображения).
Качество
ТВ изображения
определяется
параметрами
и характеристиками
ТВ системы.
Воспроизведение
мелких деталей
и резких границ
участков изображения
с разной яркостью
(контуров
изображения)
определяется
в первую очередь
количеством
строк разложения,
т.е. количеством
элементов
изображения.
Слитность
восприятия
импульсных
по своей природе
сигналов яркости
и плавность
движений определяются
количеством
кадров в единицу
времени. Число
воспроизводимых
градаций яркости
зависит от
динамического
диапазона
системы. Геометрическое
подобие передаваемого
и воспроизводимого
изображений
зависит от
точности
синхронизации,
а также от
дифференциального
подобия разверток
передающей
и приемной
сторон ТВ системы.
Таким образом,
выбор параметров
системы зависит
от качества
изображения.
С другой стороны,
повышение
качества влечет
за собой усложнение
и удорожание
системы. Поскольку
вещательная
ТВ система
сделана для
зрителя, получателя
информации,
то ее показатели
должны быть
компромиссом
между приемлемым
качеством и
приемлемой
стоимостью.
Еще лучше, если
есть выбор из
нескольких
возможностей,
хотя этого в
телевидении
пока нет (в отличие
от радиоприема,
где качество
звучания и
приема в основном
зависит от
качества приемника,
а в эфир «выпускается»
сигнал очень
высокого качества).
Для дальнейшего
грамотного,
осознанного
рассмотрения
телевизионных
систем необходимо
обратиться
прежде всего
к зрительной
системе человека.
ОПТИЧЕСКОЕ
ИЗОБРАЖЕНИЕ
И ЕГО ВОСПРИЯТИЕ
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 (8105
волокон), которые
заканчиваются
палочками и
колбочками.
Количество
колбочек - 7106,
палочек – 130106;
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)=3,9210-19Дж).
В ряде случаев
глаз регистрирует
единичные
фотоны («поющие
электроны»,
черенковское
излучение).
Палочки расположены
с уменьшением
концентрации
от зоны максимальной
чувствительности
(1,7105
1/мм2)
к периферии
и к центру. Зона
максимальной
чувствительности
находится на
расстоянии
(10-12)0 от
оси глаза.
Колбочки
имеют диаметр
13
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
1,5105
колб/мм2.
Колбочковый
аппарат имеет
цветовую
чувствительность,
а палочковый
аппарат такой
чувствительности
не имеет.
Элементы
светотехники.
Зрительная
система человека
возбуждается
колебаниями
в диапазоне
41014Гц
8,51014Гц,
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
380770
(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 = 2п;
п = 1,0544310-27эргс
(тоже постоянная
Планка), с – скорость
света = 31010
смс-1;
– длина волны
излучения см.
Величину
h
удобно использовать
в виде: 6,6210-34
Джс
Можно записать:
Для желто-зеленого
(
= 556 нм = 55610-9
м = 55610-7
см) света
= 3,57
10-13 мкВтс.
Можно сосчитать
наоборот –
сколько фотонов
зеленого света
в секунду создают
мощность 1 мкВт:
Для 1 Вт Nзел
= 2,81018
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 РсвВт
= РВт,
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 Sэфф
= Scos,
поэтому I
= BSэфф
= BScos.
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 Sэфф=Scos,
поэтому I
= BSэфф
= BScos.
Можно написать:
.
При необходимости
иметь B
= B0
= const для разных
углов
надо, чтобы и
световой поток
зависел от угла
так же, т.е. I
= Io
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 Fвх
и излучающая
во все стороны
поток Fвых
(рис. 2.7). Тогда
dFвых
= I
d,
где
I = BScos
– сила света
в направлении
;
В – яркость
площадки S;
d
- элемент пространственного
угла («угловая
щель»);
– по определению
пространственного
угла;
Sсф
= 2r
sin
r
d
, тогда d
= 2
sin
.
Так что:
dFвых
= B
S
cos
2
sin.
Весь выходной
поток:
,
с другой
стороны: Fвх
= E
S, а
Fвых
=
Fвх
=
E
S
Приравнивая
Fвых
и Fвых,
получим:
.
Если
= 1, то В и Е – это
одно и то же с
точностью до
множителя .
Или:
– освещенность
в фут-ламбертах;
освещенность
в кд/фут,
или кд/м2,
т.е.
В =
Е, где Е
= фут-ламберт;
В =
Е/,
где Е
= люкс, т.е. кд/м2.
Посмотрим,
как связана
освещенность
задней стенки
глаза (сетчатки)
с яркостью
соответствующего
объекта. Заменим
глаз одной
линзой на месте
роговицы (рис.
2.8), которая проецирует
объект площадью
S и
яркостью L,
находящийся
на расстоянии
R
от центра линзы.
На сетчатке
изображение
объекта имеет
площадь .
Сила света от
объекта I
= L
S, а освещенность
в плоскости
зрачка составит
.
Световой
поток F,
попадающий
в глаз:
,
где
q гл
– площадь входного
отверстия
(зрачка) глаза,
гл –
коэффициент
пропускания
глаза.
Этот световой
поток F
создает на
ретине освещенность
Е гл:
.
Отношение
определяется
расстоянием
R и
фокусным расстоянием
глаза fгл:
,
так что
.
Тогда освещенность
ретины:
.
Для нас существенно
отметить, что
освещенность
участка ретины
определяется
яркостью объекта,
который проецируется
на этот участок.
Обращает
на себя внимание
тот факт, что
светотехнические
единицы обычно
слабо понимаются
и запоминаются.
Частично это
объясняется
дуализмом
подхода (энергетический
и фотометрический,
т.е. физиологический),
а также использованием
большого количества
названий
светотехнических
единиц, хотя
многие из них
связаны постоянными
коэффициентами.
Поэтому полезно
некоторые из
этих понятий
и единиц собрать
воедино и представить
в виде таблиц.
| Энергетические
величины |
Фотометрические
величины |
||
|
Величина
с
|
Единица
измерения |
Величина и ее связь с
|
Единица
измерения |
|
Поток
|
Вт | Световой
поток; F |
люмен
(лм) |
|
Энергетическая
|
Вт/ср |
Сила
|
кандела
(свеча) (кд) |
|
Энергетическая
|
Вт/м2 |
Светимость
|
лм/м2 |
|
Энергетическая
|
Вт/ср
|
Яркость
|
кд/м2
|
|
Энергетическая
|
Вт/м2 |
Освещенность
|
люкс
(лк) |
Достаточно
очевидно, что
люмен (лм) = 1/683
светового
потока мощностью
1 Вт при длине
волны
= 555 нм. Кандела
(свеча) (кд) = 1 лм
внутри телесного
угла, равного
одному стерадиану
(ср). Единицей
яркости, кроме
нита кд/м2,
служит стильб
(сб), который
равен кд/см2.
Единицы
яркости (в том
числе и несамосветящихся
объектов):
|
Единицы Единицы |
Стильб
|
Свеча
с кв.м (нит) |
Апостильб
(радлюкс) |
Ламберт |
Футлам- берт |
Свеча
с кв. дюйма |
| Стильб
(сб) |
1 |
104 |
31420 | 3,142 | 2919 | 6,452 |
| Свеча
с кв. метра (нит) (децимиллистильб) |
10-4 |
1 | 3,142 |
3,142 10-4 |
0,2919 |
6,45210-4 |
| Апостильб
(асб), радлюкс (рлк) |
3,183 10-5 |
0,3183 | 1 |
10-4 |
0,0929 | |
| Ламберт
(ламб) |
0,3183 | 3183 |
104 |
1 | 929 | 2,054 |
| Футламберт
(фламб) |
3,426 10-4 |
3,426 | 10,76 |
1,076 10-3 |
1 |
2,21 10-3 |
| Свеча
с кв. дюйма |
0,155 | 1550 | 4869 | 0,4869 | 452,4 | 1 |
Некоторые
единицы в
отечественной
литературе
не используются,
однако еще
имеют употребление
в англоязычных
материалах.
Подобная
таблица полезна
также для единиц
освещенности:
|
|
Люкс | Фот | Футсвеча |
|
| Люкс (лк) | 1 |
|
0,0929 |
|
| Фот (ф) |
|
1 | 929 |
|
| Футсвеча
(фкд) |
10,764 | 0,001076 | 1 |
|
Иногда употребляют
также такую
единицу освещенности,
как фотон, которая
определяет
освещенность
сетчатки глаза
при наблюдении
поверхности
с яркостью 1
кд/м2
и площади зрачка
1 мм2.
Для практической
ориентации
проведем значения
яркости некоторых
объектов в
нит:
Поверхность
Солнца – 1,6
109
Наиболее
яркая точка
60-Вт лампы накаливания
с матовым стеклом
– 120000
Наиболее
яркие кучевые
облака – 40000
Белая бумага
под прямыми
лучами Солнца
– 30000
Ясное безоблачное
небо – 7000
Яркие участки
Луны – 7000
Белая бумага
на столе – 85
Телевизионный
растр – 70
Белая бумага
при свете Луны
– 0,03.
2.4.
Энергетические
характеристики
зрения
Энергетические
характеристики
зрения позволяют
говорить об
абсолютных
значения световых
величин, при
которых глаз
нормально
функционирует.
Не говоря о
цветовых ощущениях
(это будет позже),
остановимся
только на восприятии
яркости оптического
изображения.
Яркостный
диапазон глаза
очень велик
благодаря
наличию двух
типов рецепторов.
Палочковый
аппарат реагирует
от 10-6кд/м2,
глаз реагирует
даже на единичные
фотоны. При
яркостях 10кд/м2
палочковый
аппарат ослепляется,
но уже с 1кд/м2
вступает
в действие
колбочковый
аппарат, который
работает до
104кд/м2.
Глаз не может
одновременно
воспринимать
свет во всем
диапазоне и
поэтому существует
механизм адаптации,
способный в
100 раз изменить
освещенность
сетчатки за
счет расширения
и сужения зрачка
(«настройка
на диапазон»).
Это быстрая
адаптация.
Кроме того,
есть медленная
адаптация –
за счет выработки
глазного пурпура
– нейтрального
поглощающего
фильтра – на
поверхности
сетчатки (инерционная
адаптация).
Яркостный
диапазон называют
также интервалом
яркостей:
Следует
различать
восприятие
абсолютного
значения яркости
(абсолютный
порог восприятия
яркости) и восприятие
изменений
яркости.
Абсолютный
порог яркости
– минимальное
значение яркости,
которое обнаруживает
(фиксирует)
глаз на черном
фоне при полной
адаптации. Как
уже говорилось,
глаз в принципе
может ощутить
даже единичные
фотоны.
Говоря об
абсолютной
чувствительности,
следует также
иметь в виду,
что кривая
видности глаза
зависит от
абсолютной
яркости (явление
Пуркинье). При
низких уровнях
освещенности
визуальные
фотометры не
согласуются
с теми фотометрами,
которые соответствуют
фотопической
кривой видности.
А именно – при
меньших яркостях
(кривая 2, рис.
2.9) смещается
в сторону более
коротких волн,
т.е. чувствительность
к синим лучам
растет и падает
к красным.
Восприятие
глазом изменений
яркости. В общем
случае яркость
наблюдаемого
изображения
может меняться
плавно или
скачкообразно.
В последнем
случае можно
говорить о
яркостных (т.е.
и пространственных
и временных)
границах изображения.
Естественно,
что «скачкообразно»
означает тот
факт, что глаз
уже различает
величину изменения
яркости на
границе (т.е.
при скачке
яркости), в противном
случае мы имеем
плавное изменение
яркости.
Если имеется
скачкообразное
изменение
яркости, то
вводят понятие
контраста
яркостной
границы (контраста
яркости):
,
где L1
– яркость
1 части изображения;
L2
– яркость
2 (последующей)
части изображения.
Это выражение
характеризует
контраст перехода.
Можно говорить
о контрасте
изображения,
состоящего
из двух полей,
если величину
(L1-L2)
относить к
средней яркости
этих полей:
,
где
Если количество
яркостных полей
больше, чем 2,
то средняя
яркость по-прежнему
получается
усреднением
всех полей.
Можно говорить
о яркости (средней)
ТВ экрана по
отношению к
фону (ТВ и фоновая
засветка).
Средняя
яркость особенно
оправдана,
когда геометрические
размеры полей
изображения
близки друг
к другу. Если
при этом близки
и яркости этих
полей, т.е. L1L2,
то: Lср
L1
L2,
и контраст
.
Максимальный
контраст изображения:
.
В этом случае
определяющую
роль в величине
контраста
начинает играть
L=L1-L2.
Когда величину
L
глаз перестает
замечать, то
пропадает и
сама яркостная
граница.
Тем не менее,
при «накоплении»
изменения
яркости можем
говорить об
изменении L
на некоторую
предельную
малую величину
L.
Естественно,
что если яркость
плавно меняется
с геометрической
координатой
X,
то заметному
для глаза изменению
L
будет соответствовать
достаточно
протяженная
величина X,
т.е. само понятие
«геометрическая
граница» тоже
меняется – она
становится
неопределенной,
размытой в
пределах X.
Экспериментально
обнаружено,
что величина
L,
которая замечается
глазом, не является
постоянной
величиной –
она меняется
в зависимости
от той яркости,
на фоне которой
она появляется
– она мала при
небольших L,
и наоборот –
при больших
L
глаз замечает
только большие
абсолютные
изменения
яркости.
Было найдено,
что минимальное
заметное приращение
ощущения
пропорционально
относительному
разностному
порогу
:
или
.
Эта дифференциальная
зависимость
называется
законом Вебера-Фехнера.
Решим это уравнение:
= klnL+D
Если LLmin,
то
= 0 (глаз не чувствует).
Тогда:
= klnLmin+D,
отсюда
D=-k lnLmin.
В результате
получим закон
Вебера-Фехнера
в интегральном
виде:
.
Видно, что
ощущение яркости
пропорционально
логарифму
отношения
яркости к минимальной
яркости. Этот
закон справедлив
в диапазоне
яркостей от
десятых долей
кд/м2
до103
кд/м2
(область
«а» на рис. 2.10),
где
const=пор.
Изменение
спектрального
состава поля
излучения
приводит к
неоднозначности
(заштрихованная
область на рис.
2.10).
Оценим в
области действия
закона Вебера-Фехнера
(область а)
количество
градаций яркости,
которые может
заметить глаз.
Пусть «нулевой»
уровень яркости
равен Lmin
(чуть ниже
того, что глаз
уже замечает).
L0
= Lmin.
Первый замечаемый
уровень: L1
= Lmin
+ L
=
,
потому что
величина L
/Lmin
постоянна
в области «а»
и равна пор.
Второй: L2
= L1
+ L
=
,
потому что L
/L1
тоже равно n.
Тогда для n-го
уровня яркости:
Ln
= Lmin(1+n)n.
Отсюда
.
После логарифмирования:
,
или
.
Отношение
– это наибольший
возможный
контраст изображения.
Если брать
черный бархат
(
= 0,009) на снегу (
= 0,9), то здесь контраст
0,9/0,009
= 100. Величина
n0,02.
Поскольку
ln(1+n)
n,
то :
.
Как видно
из выражения
для n,
количество
градаций n
зависит от
порога n
и контраста
наблюдаемого
изображения
(рис. 2.11).
Рассмотренная
зависимость
числа градаций
от n
и С позволяет
оценить требования
к динамическому
диапазону
яркости и
контрастности
изображения
на экране телевизора.
Реально контраст
на экране лежит
в диапазоне
от 30 до 100.
2.5.
Временные
характеристики
зрения
Пороговая
энергия, которую
ощущает глаз,
определяется
той суммарной
энергией, которая
попадает на
глаз за время
его засветки
(экспозиции)
tп. Эта
величина постоянная
и определяется
в некотором
диапазоне
длительности
светового
импульса и
частоты повторения:
Ftп
= const.
Если поток
F в
течение экспозиции
непостоянен,
то глаз реагирует
на величину
.
Как быстро
глаз реагирует
на изменение
яркости? Эта
экспериментальная
зависимость
также определяется
перепадом
яркости (рис.
2.12). Из рисунка
видно, что постоянная
времени реакции
p
не менее 0,1с.
При прекращении
раздражения
глаза светом
(или спадом
интенсивности
облучения)
зрительное
ощущение также
пропадает не
мгновенно, а
в течение
определенного
времени. Можно,
таким образом,
говорить об
инерционности
зрения, которая
определяется
конечной скоростью
протекания
фотохимических
реакций в рецепторах
сетчатки, конечной
скоростью
передачи сигнала
в мозг и его
последующей
обработки. На
инерционность
зрения оказывает
влияние также
изменение
положения
объекта в
пространстве.
Практически
очень важным
случаем является
периодическое
воздействие
на глаз светового
потока. В этом
случае можно
построить
визуальное
восприятие
яркости L
в зависимости
от истинной
яркости В (рис.
2.13). Видно, что L
меняется по
закону, близкому
к экспонециальному
с постоянной
времени ,
равной (0,1
0,15)с. Интересно
отметить, что
ощущение звука
имеет
= 0,16с.
Поскольку
глаз инерционен,
то при увеличении
частоты следования
световых импульсов
видимый (ощущаемый)
перепад яркости
уменьшается,
а затем при
некоторой
критической
частоте пульсации
яркости становится
незаметным.
Эта критическая
частота (рис.
2.14.): fkp
= a lgL + b, где a
и b
– постоянные
коэффициенты,
зависящие от
скважности
импульсов, их
формы и спектрального
состава света.
Для L
= 30 кд/м2
(белый свет),
скважности
2 (a
= 9,6; b = 65)
критическая
частота:
fкр
= 41 Гц.
Именно fкр
определяет
частоту смены
кадров в кино
и ТВ. (Кстати,
у насекомых
fкр200
Гц).
Если частоты
мельканий выше
fкр,
то яркость
воспринимается
как постоянная
величина, равная:
,
где T
– период изменений
истинной яркости,
L –
воспринимаемая
(ощущаемая,
визуальная)
яркость.
Это закон
Тальбота.
Можно утверждать,
что современное
кино и телевидение
зиждятся на
инерционности
зрения. Можно
напомнить, что
слитность
движений наступает
уже при 16 Гц.
2.6. Пространственные
характеристики
зрения
(рис. 2.15)
Угол зрения
одного глаза
составляет
140-160о,
двух глаз –
более 200о.
В этом случае
говорят также
о поле бинокулярного
зрения, которое
образуется
взаимопересечением
конических
фигур с вершинами
в каждом глазу
и ограничениями
из-за деталей
лица (нос, брови,
скулы). На поле
зрения выделяют
области, достаточно
резко различающиеся
между собой:
Центральное
зрение (4о),
ясное зрение
(до 35о
по горизонтали,
до 22о
по вертикали),
периферическое
(боковое) зрение
(75-90о).
Из диапазона
ясного зрения
следует формат
3:4, который обычно
и используется
в ТВ и в кино.
Поле ясного
зрения увеличивается,
а также пропадают
«провалы»
(напр., слепое
пятно) за счет
почти непрерывного
движения («дрожания»)
глаз. Эти движения
синхронны для
обоих глаз и
называются
саккадическими
движениями.
При расстоянии
до объекта 30
см (чтение текста)
саккадические
движения позволяют
просмотреть
пространство
в 5 букв за 15-20 мс.
Для других
значений угловых
перемещений
требуются
большие времена:
|
Величина
|
Длительность
|
| 0,18 | 40 |
| 0,35 | 55 |
| 0,53 | 80 |
| 0,70 | 100 |
Оба глаза
фокусируются
на объекте
одновременно,
при этом обе
зрительные
оси сходятся
в общей точке.
Процесс сведения
осей называется
конвергенцией
и происходит
за
165 мс.
Угловая
разрешающая
способность
глаза оценивается
минимальным
углом зрения
min
под которым
видны две рядом
расположенные
детали изображения,
разделенные
промежутком,
имеющим яркость,
отличную от
яркости этих
деталей (рис.
2.16).
Величина
min
зависит от
следующих
факторов.
1.
Дифракция света
на зрачке. Свет
проходит через
зрачок диаметром
dзр (
8 мм). По принципу
Гюйгенса, каждая
точка зрачка
излучает (рис.
2.17). Если расстояние
от центра зрачка
до точки a равно
f, то при некотором
r освещенность
становится
равной нулю,
потому что лучи
1 и 2, 2 и 3 и т.д. различаются
на /2.
При разности
хода лучей в
/2
получаем:
.
При учете
того факта, что
интерференция
происходит
не на отрезке
dзр,
а на диске
диаметром dзр,
получим:
.
Диаметр
первого кружка
рассеяния
интерференционной
картины можно
определить
в зависимости
от критерия
выбора его
границы. Если
взять критерий
Рэлея, когда
максимум изображения
одной точки
совпадает с
первым минимумом
второй точки
(рис. 2.18), т.е. провал
интенсивности
составляет
27%, тогда:
Для
= 500 нм, dзр
= 5 мм, min
= 0,03.
Это теоретический
предел разрешающей
способности
глаза за счет
дифракции.
2.
Дискретность
структуры
чувствительного
поля глаза. Для
различения
двух точек
изображения
надо, чтобы
между двумя
возбужденными
рецепторами
был хотя бы
один невозбужденный.
В желтом пятне
расстояние
между центрами
смежных колбочек
составляет
2 мкм, т.е. расстояние
между возбужденными
рецепторами
r0 должно
быть не менее
4 мкм, что составляет
min
0,06.
3. Другие
причины ограниченного
разрешения
– хроматическая
аберрация в
хрусталике
и др. Особенно
сильно сказывается
уменьшение
яркости – за
счет увеличения
размеров рецептивных
полей.
Оценивая
разрешение
глаза в целом,
можно сказать,
что при яркости
100 кд/м2
и предельном
контрасте (
100) наименьший
угол зрения
составит около
одной угловой
минуты. Отсюда,
зная яркость
изображения,
размеры изображения
и расстояние
до экрана, можно
определить
максимальное
число элементов
разложения.
Однако
выше речь шла
о предельных
значениях, т.е.
о предельно
большом количестве
элементов
разложения.
А сильно ли
сказывается
зрительно
уменьшение
числа элементов
разложения
от предельно
большого,
определяемого
разрешающей
способностью
глаза?
Эксперимент
(Рыфтин, 1933) показал,
что кажущееся
изменение
четкости G
пропорционально
относительному
изменению числа
элементов
разложения
N
изображения:
,
где
- коэффициент
пропорциональности.
Или:
.
Отсюда: G
=
lnN + C
При N
= 1, G=
0 (нулевая четкость),
т.е. С = 0.
При G
= 1, N = Nmax,
т.е.
.
Итак:
.
G
принимается
равным 1 при
любом N,
выбранном как
Nmax,
а затем идет
ухудшение
четкости G
при уменьшении
их общего количества
до N.
Если Nmax
=
85104
(800 строк,
формат 4/3), то
графически
(рис. 2.19) видно,
что изменение
числа элементов
изображения
вдвое уменьшает
кажущуюся
четкость изображения
на 5,1%, но при малом
Nmax
четкость
G
падает очень
сильно.
ТЕЛЕВИЗИОННОЕ
ИЗОБРАЖЕНИЕ
И ЕГО ПАРАМЕТРЫ
3.1. Согласование
параметров
телевизионного
изображения
(ТВИ) с
характеристиками
зрительной
системы человека
ТВИ – вторичное
оптическое
изображение,
которое должно
по своим характеристикам
удовлетворять
зрителя. Среди
них: геометрические
формы и относительные
размеры, различимость
деталей, распределение
яркости, передача
относительного
движения предметов,
цветность и
др. Особенности
прикладного
ТВ – отдельные
свойства могут
быть другими
по сравнению
с вещательным
ТВ, где получателем
визуальной
информации
является зрительная
система человека.
Поэтому для
вещательного
телевидения
параметры ТВИ
должны быть
статистически
согласованы
с параметрами
зрительной
системы. Согласованию
подлежат масштабные,
яркостные и
цветовые параметры
ТВИ. В литературе
приняты три
понятия точности
воспроизведения:
физическая
точность, т.е.
полная идентичность
физических
параметров
оригинала
(первичного
или передаваемого
изображения)
и ТВИ (репродукции);
физиологическая
точность, т.е.
визуальная
неразличимость
изображений
по яркости и
цвету, хотя
физическая
природа, спектральный
состав и другие
физические
показатели
неодинаковы;
психологическая
точность, т.е.
высокая субъективная
оценка качества
ТВИ, когда
достигается
наиболее
эмоциональное
восприятие.
Физическую
точность получить
трудно и даже
невозможно
из-за ограниченных
возможностей
технических
средств. Часто
в этом и нет
необходимости,
т.к. вступают
в действие
ограничения
зрительно-анализирующей
системы. Поэтому
в вещательном
телевидении
к физической
точности не
стремятся,
ограничиваясь
физиологической
и (или) психологической
точностью.
Физиологическая
точность требует
объективных
методов контроля
(измерение
яркости, координат
цветности в
первичном и
телевизионном
изображениях),
а психологическая
точность определяется
путем субъективных
методов (экспертные
оценки качества
изображения).
В общем случае
ТВИ характеризуется
многими параметрами:
размерами,
форматом, четкостью,
степенью
геометрических
искажений,
наличием окантовок;
яркостью, контрастом,
количеством
градаций яркости,
цветовыми
параметрами
и др. Часть из
них определяется
только приемником,
основная же
часть определяется
выбранными
параметрами
системы – числом
строк разложения,
количеством
кадров в секунду,
формой амплитудно-
и фазо-частотных
характеристик
тракта, отношением
сигнал/шум.
Почти все они
могут быть по
отдельности
измерены, однако
в целом качество
ТВИ производится
путем субъективных
экспертиз.
Применяют
5-балльные шкалы
оценок:
| Балл | шкала
оценок |
Балл | шкала оценок | ||
| качество | ухудшения | качество | ухудшения | ||
| 5 | отлично | незаметно | 2 | плохо | мешает |
| 4 | хорошо | заметно,
но не мешает |
1 | очень
плохо |
сильно
мешает |
| 3 | удовлетворит. | заметно,
немного мешает |
|||
В начале
эксперимента
показывается
«опорное»
(исходное)
изображение,
а потом вводятся
всякие новации
и дается оценка.
Масштабные
(координатные)
параметры ТВИ
К
ним относятся
размер изображения,
геометрическое
подобие, способность
воспроизведения
мелких деталей.
Размер.
Наилучшим
условием восприятия
плоского изображения
является удаление
его от глаз на
расстояние
А, равное 46
высотам изображения
h – в этом
случае все
изображение
остается в поле
ясного зрения.
С этого расстояния
зритель перестает
различать
линейчатую
структуру
изображения,
если число
строк составляет
(500600). Отсюда:
h
0,2А.
Для
жилой комнаты
А = (2,02,5) м
, тогда h =
(0,40,5) м. Для
большого зала,
рассчитанного
на большое
количество
зрителей, должен
расти размер
экрана.
Формат
кадра – отношение
ширины ТВИ «b»
к высоте «h».
В соответствии
с полем зрения
человека формат
кадра K
составляет
4:3 (1,33:1). Такой же
формат был в
немом кино, в
звуковом кино
формат 11:8 (1,37:1). Для
телевизионной
системы высокой
четкости (ТВЧ)
формат предполагается
5:3 (1,67:1). Для обычных
слайдов 24:35мм2
формат 1,45:1.
Формат
воспроизводимого
изображения
может отличаться
от передаваемого,
потому что
размер кинескопов
имеет отношение
сторон 5:4 (1,25:1), что
вызвано соображениями
его механической
прочности.
Поэтому если
по вертикали
кинескоп используется
полностью, то
по горизонтали
6% изображения
(1,33:1,25=1,06) пропадает.
Геометрическое
подобие – сохранение
постоянным
масштаба в
любом месте
ТВИ. Причина
несохранения
масштаба –
неодинаковые
скорости развертки
при передаче
и приеме. К нарушению
геометрического
подобия приводят
также изменение
формата кадра,
искажения,
вносимые световой
и электронной
оптикой (дисторсия
и др.), влияние
внешних электрических
и магнитных
полей, неортогональность
отклоняющих
полей (параллелограмм
вместо прямоугольника)
и др. Это все
называют также
растровыми
искажениями.
К растровым
искажениям
относят прежде
всего координатные
искажения,
которые можно
оценивать
количественно
в виде отклонения
координат ТВИ
от того идеального
изображения,
которое имеет
только масштабные
отличия от
оригинала.
Можно считать
координатные
искажения как
дифференциальные
искажения
масштаба.
В ТВ приемнике
обычно бывают
искажения,
показанные
на рис. 3.1.
Дисторсии
в виде «бочки»
или «подушки»
(причина – в
электронно-оптической
системе кинескопа).
Коэффициент
геометрических
искажений:
.
Для
трапеции (нарушение
ортогональности
оптической
или электронной
оси кинескопа
и плоскости
изображения):
.
Для
параллелограмма
(причина -
неортогональность
отклоняющих
полей по строке
и кадру):
.
Из-за
нелинейности
разверток тоже
возникают
искажения,
которые можно
оценить путем
измерения
искажений при
передаче шахматного
поля (рис. 3.2.).
,
.
Нелинейность
до 5% практически
незаметна, при
нелинейности
до 15% изображение
воспринимается
как удовлетворительное.
Коэффициент
нелинейности
развертки
определяется
как:
,
где V –
скорость развертки.
Детальность
изображения
может быть
определена
числом элементов
в изображении
N
или числом
элементов по
высоте z
(число строк
в растре), т.е.
является внутренним
свойством
телевизионной
системы. При
линейной строчной
развертке z
определяет
число строк
в растре, что
называется
номинальной
четкостью ТВИ.
Как было показано
в гл.2, при обычных
яркостях глаз
обладает разрешением
1.
Поэтому (рис.
3.3.): для А=5h
желательное
число строк
составляет:
,
,
.
Экспериментально
установлено,
что минимально
различимый
прирост четкости
G
в вертикальном
направлении
пропорционален
относительному
приращению
числа строк
z/z,
т.е.:
,
отсюда G
= lnz+C.
Тогда:
.
У нас z
= 625, т.е. G
= 0,95Gmax,
где Gmax
– максимально
возможная
четкость при
z= 660.
В настоящее
время для ТВ
вещания принято
два стандарта:
z = 625
(большинство
стран) и z
= 525. В системе
ТВЧ предлагается
увеличить число
строк до 1125 и
более.
Результирующим
параметром,
количественно
характеризующим
разрешающую
способность
ТВ системы,
может служить
четкость ТВИ,
оцениваемая
по испытательным
таблицам.
Четкость
изображения
тем выше, чем
выше резкость
и детальность.
Резкость
характеризуется
максимальной
величиной
или
и оказывается
решающей для
четкости, потому
что глаз очень
чувствителен
к растяжению
границ. На четкость
границ сильно
влияет форма
сигнала изображения,
т.е. переходная
характеристика
системы.
Практически
четкость изображения,
т.е. и разрешающая
способность
ТВ системы
оценивается
максимальным
числом темных
и светлых штрихов
(линий), которые
еще можно раздельно
различать на
ТВИ при данных
условиях наблюдения.
С этой целью
на испытательных
таблицах есть
вертикальные
клинья (сужающийся
набор линий)
для оценки
разрешающей
способности
по горизонтали
и зонные решетки
(короткие
горизонтальные
штрихи с разной
частотой следования)
для определения
разрешающей
способности
по вертикали.
Рядом с ними
делаются отметки
в числе линий
(300, 400 и т.д.).
Следует
отметить, что
максимальное
количество
горизонтальных
полос, которое
можно воспроизвести
при помощи
принятого
стандарта
разложения,
зависит еще
и от характера
изображения.
Так, если элементарная
площадка на
первичном
изображении
совпадает с
центром линии
развертки, то
четкость по
вертикали равна
активному
количеству
строк в кадре
(575 из 625). Если же
центр этой
площадки расположен
на границе
строк, то площадка
может быть
воспроизведена
либо на двух
строках, либо
на одной (это
зависит от
порога схем),
либо «размажется»
на 2 строки. Т.е.,
в принципе
возможно падение
разрешения
вдвое. Реально
считают четкость
по вертикали,
равную (0,750,85)
от количества
активных строк
(432489
элементов).
Если исходить
из равной четкости
по вертикали
и по горизонтали,
то вдоль каждой
строки должно
быть:
Nx
= (432489){формат}
= 576652
элемента,
а Nmax
= 489652=319
тысяч.
3.3.
Временные
параметры ТВИ
Современное
телевидение
создает зрительную
иллюзию двумерного
изображения
при выполнении
некоторых
условий согласования
временных
характеристик
глаза и телевизионной
системы.
Критическая
частота мельканий
зависит от
средней яркости
поля наблюдений
и размеров
мелькающего
участка. Было
показано, что
при яркости
L =
100 кд/м2
эта частота
составляет
fкр
= 41 Гц. Если брать
цветное изображение,
то для желтого
цвета критическая
частота такая
же, а для красного
и синего – ниже.
Выбрано: fn
= 50 Гц, это
больше fкр
и совпадает
с частотой
сети.
Из опыта кино
известно, что
движение,
передаваемое
рядом промежуточных
неподвижных
изображений,
кажется (воспринимается)
плавным, если
передавать
16-25 фаз движения
nф.
Т.е. 2nф
fкр.
Поскольку
пропускная
способность
зрительной
системы человека
не очень велика
– для распознавания
образа надо
его держать
на экране 4-10 сек.
В принципе
целесообразно
удерживать
в ряде случаев
«картинку»
достаточно
долго без передачи
сигнала. Однако
современные
телевизионные
системы не
позволяют
исключить
имеющуюся
избыточность.
Важнейшую
роль для качества
передачи изображения
играет стабильность
синхронизации
строк и кадров,
стабильность
во времени
коэффициентов
преобразования
свет-сигнал
и сигнал-свет.
Это связано
с тем, что заметность
динамических
искажений на
порядок выше
по сравнению
со статическими.
Например, статические
искажения
растра (нелинейность
масштаба и
т.п.) не замечаются
зрителем, если
они даже достигают
10%, а быстрые
изменения
заметны уже
на уровне долей
процента.
3.4.
Параметры,
определяющие
восприятие
яркости, цвета
Яркостные
параметры ТВИ
задаются его
средней яркостью
и числом воспроизводимых
градаций яркости.
Яркость
наилучшего
восприятия
зависит от
условий наблюдения,
свойств зрения
и даже содержания
изображения.
Хотя диапазон
яркостей в
природе
105, однако
глаз воспринимает
«по диапазонам».
Повторим, что
для предельного
случая (черный
бархат на белом
снегу) диапазон
яркостей
100.
В принципе
в ТВ может быть
и больший диапазон
яркостей, поскольку
экран – светящаяся
поверхность
(излучающая).
Однако всегда
есть внешнее
освещение,
которое снижает
контраст за
счет увеличения
яркости в темных
местах изображения.
Считается, что
при хорошем
диапазоне
яркости его
величина достигает
100, а при удовлетворительном
(3040).
Средняя
яркость 30 кд/м2
достаточна
для наблюдения.
В наиболее
светлых местах
изображения
яркость достигает
200 кд/м2.
Средняя яркость
сцены может
меняться в
зависимости
от условий
освещения,
поэтому в общем
случае должен
передаваться
сигнал средней
яркости.
Как уже говорилось,
внешняя засветка
уменьшает
диапазон яркостей,
т.е. контраст.
Без внешней
(фоновой) подсветки
,
а с подсветкой
.
Обычно Lф
Lmin,
поэтому: С
С.
В некотором
диапазоне
яркостей глаз
«работает»
по закону
Вебера-Фехнера:
изобр. Для
малых L:
.
Т.е.
пропорциональное
воспроизведение
полутонов будет
в случае, когда:
lgL
= lgL0
+ lgK, или
L = KL0,
где
и К определяется
путем подстановки
в эти уравнения
значений Lmax,
Lmin,
Lo
max и
Lomin:
,
,
С -
определяет
опорный уровень
яркости (обычно
яркость лица).
Будем считать,
что Lmax
изображения
соответствует
L0max.
В
принципе возможны
три случая
воспроизведения
(рис. 3.4.):
1 случай
– нормальная
контрастность,
когда
= 1, L = CLо
(кривая 1);
2 случай
– повышенная
контрастность:
1 – здесь одна
градация объекта
передается
несколькими
градациями
изображения;
3 случай
– пониженная
контрастность:
1 – одна градация
изображения
соответствует
нескольким
градациям
объекта.
Если
диапазон яркостей
объекта больше
диапазона
яркостей ТВИ,
то полное
использование
большего диапазона
возможно только
в случае меняющейся
адаптации
глаза, обеспечивающей
изменение .
Особые
затруднения
возникают при
1 в цветном
телевидении,
т.к. надо обеспечивать
сквозную
характеристику
для разных
цветов.
4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ОПТИЧЕСКОГО
ИЗОБРАЖЕНИЯ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
СИГНАЛ
4.1.
Датчики
ТВ сигнала и
их характеристики
Датчики ТВ
сигнала преобразуют
световую энергию
от объекта,
попавшую на
светочувствительную
поверхность
датчика, в
электрический
сигнал для
последующей
обработки,
передачи, хранения
и воспроизведения.
Яркость (освещенность)
оптического
изображения
зависит от
координат x,
y и
времени t,
поэтому преобразователь
должен оценивать
(измерять) яркость
участков изображения
в процессе их
развертки.
Как уже говорилось
(гл. 1), различают
два основных
типа преобразователей
– мгновенного
действия и с
накоплением.
По физике действия
они делятся
на оптико-механические,
электровакуумные
и твердотельные.
Оптико-механические
(все мгновенного
действия) могут
быть с бегущим
лучом или с
«бегущей апертурой»
по оптическому
изображению
(диск Нипкова).
Электровакуумные
преобразователи
бывают как
мгновенного
действия, так
и с накоплением.
Сейчас это
основной тип
телевизионных
преобразователей
(анализаторов).
Твердотельные
преобразователи
представляются
наиболее
перспективными,
особенно для
цифровых систем.
Характеристики
фотоэлектрических
преобразователей
(ФЭП) во многом
определяют
качество ТВИ.
среди характеристик
выделим следующие.
Чувствительность
– величина,
обратная освещенности
фоточувствительной
поверхности
(ФП), необходимой
для получения
ТВ сигнала с
заданным отношением
сигнал/шум.
Чувствительность
оценивают в
лк.
Световая
характеристика
– зависимость
тока сигнала
ФЭП от освещенности
ФП. Из этой
зависимости,
в частности,
виден диапазон,
в котором может
работать ФЭП.
Спектральная
характеристика
– зависимость
сигнала от
длины волны
равноинтенсивного
излучения,
падающего на
ФП. Она может
выходить за
пределы видимого
излучения, что
бывает полезно
для прикладных
ТВ систем.
Разрешающая
способность
– свойство
реагировать
на мелкие детали
оптического
изображения.
О разрешающей
способности
можно судить
по апертурной
характеристике,
которая определяет
связь между
глубиной модуляции
сигнала и размерами
передаваемых
деталей изображения.
Инерционность
– запаздывание
изменения ТВ
сигнала относительно
изменения
освещенности
ФП. Она, в частности,
проявляется
в виде тянущегося
следа и размывания
границ движущихся
объектов ТВИ.
Для этого обычно
оценивается
величина остаточного
сигнала относительно
максимального
через промежуток
времени, равный
длительности
кадра.
Указанные
характеристики
и параметры
преобразователей
не исчерпывают
всех показателей.
Есть и другие
показатели:
вес, размеры,
стоимость,
долговечность,
вибростойкость
и др., которые
хотя здесь и
не рассматриваются,
но могут играть
решающую роль
при выборе ФЭП.
4.2.
Фотоэлектронные
эффекты
Фотоэлектронная
эмиссия лежит
в основе всех
приборов,
использующих
внешний фотоэффект,
когда при облучении
светом некоторого
материала из
него вылетают
электроны. На
этом принципе
работают
фотоэлементы,
фотоэлектронные
умножители
(ФЭУ), передающие
ТВ трубки и др.
Фоточувствительная
поверхность
служит фотокатодом.
Между катодом
и анодом (коллектором)
приложено
собирающее
(и ускоряющее)
электрическое
поле. Если собираются
все электроны
(ток насыщения),
то работа ФЭП
описывается
двумя законами:
Законом
Эйнштейна,
который связывает
энергию кванта
света (h)
с работой выхода
е 0 и
кинетической
энергией
фотоэлектрона
с зарядом e
и массой m:
Эмиссия
происходит
при h
> е 0.
Если известен
потенциал
выхода о,
то он определяет
длинноволновую
(красную) границу
фотоэмиссии:
.
Законом
Столетова,
определяющим
величину тока
фотоэлектронов
Iф=F,
где -чувствительность
фотокатода
,
F- световой
поток [лм].
Спектральные
характеристики
фотокатодов
зависят от их
материалов.
Фотокатоды
из чистых металлов
имеют малую
чувствительность.
Для многокомпонентных
катодов чувствительность
значительно
выше. На рис.
4.1. приведены
две нормированных
характеристики
фотокатодов:
1
– оксидно-серебряно-цезиевый
катод, чувствительностью
S = (4070)
и максимальным
квантовым
выходом
1%, (т.е. в среднем
на 100 квантов
света вылетает
1 электрон)
2
– многощелочной
фотокатод,
чувствительность
которого доходит
до 200,
а квантовый
выход доходит
до 35%.
В
силу различной
чувствительности
фотокатода
для разных длин
волн излучения
пользуются
понятием интегральной
чувствительности
фотокатода:
,
где
()
– функция видности
глаза.
В
отличие от
внешнего фотоэффекта,
внутренний
фотоэффект
не связан с
вылетом электронов
за пределы
обучаемого
материала. В
качестве материала
используются
полупроводники,
в которых при
соблюдении
некоторых
условий кванты
излучения
вырывают электроны
из атомов. Эти
электроны
переходят из
заполненной
зоны в зону
проводимости,
сильно меняя
локальную
проводимость
материала, а
затем рекомбинируют
с дырками. Скорость
рекомбинации
возрастает
с увеличением
концентрации
электронов
(и дырок), а скорость
их генерации
зависит только
от освещенности,
поэтому скорость
рекомбинации
«подтягивается»
к скорости
генерации через
некоторое время
после изменения
уровня освещенности.
Таким образом,
установившееся
значение локальной
проводимости
зависит от
освещенности
Е в каждом месте
освещаемого
полупроводника.
Время установления
нового значения
проводимости
зависит от
химического
состава материала,
конструктивных
особенностей
и величины
светового
потока. Эти же
факторы определяют
и величину
внутреннего
локального
фототока: iф
= KE,
где
К – коэффициент
пропорциональности,
-
показатель,
зависящий от
перечисленных
факторов.
Обычно
лежит
в диапазоне
(0,51,0).
Так
же, как и для
внешнего фотоэффекта,
внутренний
фототок зависит
от спектрального
состава света,
начиная с «красной
границы» кр
= (h)кр.
Внутренний
фотоэффект
имеет большое
преимущество
по причине
высокого квантового
выхода, превышающего
100%.
В
телевизионных
преобразователях
обычно используют
полупрозрачный
фотокатод
(независимо
от вида фотоэффекта),
который имеет
толщину от 20
до 40 нм.
4.3.
Формирование
и перенос
электронного
изображения
Электронное
изображение
– поток электронов,
распределение
плотности
которых соответствует
распределению
освещенности
оптического
изображения,
спроецированного
на фотокатод.
Иногда это
электронное
изображение
переносится
на некоторое
расстояние
от фотокатода
и перемещается
(качается) в
пространстве.
Необходимое
условие формирования
электронного
изображения
– надо собрать
все электроны,
вылетевшие
из одной точки
фотокатода,
вновь в одной
точке в плоскости
переноса.
Для переноса
и фокусировки
электронных
пучков применяют
длинные фокусирующие
катушки, создающие
однородное
магнитное поле
во всем пространстве
движения электронов.
Схема движения
электронов
в однородном
магнитном поле
показана на
рис. 4.2,а. Здесь
S –
плоскость
фотокатода
(ОИ), S1
– плоскость
переноса, L
– магнитная
катушка, которая
создает поле
НZ.
Ускоряющее
поле VA
переносят
электроны от
фотокатода
направо. Из
точки ОR
фотокатода
вылетают электроны
с разными радиальными
составляющими
скорости
VR.
Магнитное поле
воздействует
на электрон
(сила Лоренца):
FЛ
= eHzVR
, где е
– заряд электрона.
Эта сила
перпендикулярна
оси z
и закручивает
электрон, т.е.
направлена
к центру
(центростремительная
сила). Эта сила
создает траекторию
в виде окружности,
для которой
известна связь
между скоростью
и радиусом:
,
где m
– масса электрона,
R –
радиус его
траектории
(проекции на
плоскость (S).
При Fц
= FЛ
найдем R:
,
а время обхода
этой окружности
.
Видно,
что время t
не зависит от
угла вылета
(от VR).
Отсюда следует,
что все электроны,
вылетевшие
из т.О1,
будут в виде
«веретена»
собраны в т.,
потом они опять
разойдутся,
опять соберутся
(т.
)
и т.д. Это «веретено»
показано на
рис. 4.2,б. Траектории
всех электронов
представляют
собой винтовые
линии, за исключением
тех электронов,
которые вылетели
вдоль магнитного
поля НZ,
т.е. у которых
VR
= 0.
Плоскости
,,
и.т.д. – это фокальные
плоскости
электронного
изображения,
которые находятся
на расстояниях
li
от плоскости
фотокатода:
.
Очевидно, что
l/
< l//
< l///
< …
Величину
Vz в
основном определяет
ускоряющее
напряжение
UA,
поэтому фокусировку
можно осуществлять
как путем изменения
НZ, так
и UA.
Переносимое
электронное
изображение
– прямое и имеет
тот же размер,
что и исходное
оптическое
изображение
на фотокатоде.
Перенос электронного
изображения
используют
в диссекторе
и суперортиконе.
Отметим
кстати, что
фокусировка
с помощью длинной
катушки используется
также для
формирования
развертывающего
луча. Здесь
источником
излучения
является электронная
пушка (рис. 4.3.).
Здесь Нф –
фокусирующее
поле, Но –
отклоняющее
магнитное поле.
4.4. Диссектор
Диссектор
– трубка мгновенного
действия, предложена
в 1930 Франсуортом
(рис.4.4). В ней
используется
внешний фотоэффект.
Развертка
осуществляется
путем перемещения
электронного
изображения
перед диафрагмой
(вырезающее
отверстие),
которая и является
развертывающей
апертурой.
Диссектор
состоит из трех
секций: секция
преобразования
оптического
изображения
в электронное,
секция переноса
электронного
изображения
и его отклонения
и секция
вторично-электронного
усиления (ВЭУ).
Первая секция
– фотокатод,
последующие
секции видны
из рисунка.
Напряжение
сигнала Uc
= ic
Rн. Полярность
сигнала отрицательна,
т.к. напряжение
в точке А: UA
= U-icRн,
т.е. при увеличении
интенсивности
света потенциал
в т. А падает
(«уровень белого
ниже уровня
черного»).
Обычно
коэффициент
усиления ВЭУ
107, так
что ток сигнала
может доходить
до 100 мкА.
Разрешающая
способность
диссектора
не менее 600 линий
по всей мишени
(фотокатоду),
а в малокадровом
телевидении
может доходить
до 3000.
Наряду
с серьезными
преимуществами
(простота, высокое
разрешение,
механическая
прочность и
др.), видикон
обладает весьма
серьезным
недостатком
– малой чувствительностью
в широкополосном
режиме работы.
В достаточно
широком диапазоне
освещенности
(от десятых
долей лк до
тысяч лк) световая
чувствительность
диссектора
постоянна и
ее можно оценить
следующим
образом.
Пусть
суммарный ток
фотокатода
составляет
Iф, а общее
число элементов
изображения
Nmax
= kz2.Ток
фотокатода:
Iф =
ESф,
где
- чувствительность
фотокатода,
Е
– его средняя
освещенность,
Sф
– площадь фотокатода.
Освещенность
Е зависит от
освещенности
объекта Е0:
,
где
- среднее
значение коэффициента
отражения
объекта,
-
прозрачность
объектива,
О
– относительное
отверстие
объектива,
-
коэффициент
увеличения
оптической
системы (
0 при
проецировании
удаленных
объектов).
С
учетом того,
что фототок
с элемента
изображения
,
получим абсолютное
среднее значение
фототока с
одного элемента
изображения:
.
Как
обычно, представляет
интерес отношение
сигнал/шум
.
Будем учитывать
только дробовую
составляющую
шума, т.е.
,
где f
– полоса частот.
Тогда
сигнал/шум:
,
Отсюда:
.
Таким
образом, задавая
величину др,
можно оценить
необходимую
освещенность
сцены, изображение
которой передается:
.
Вторично-электронный
умножитель
уменьшает
отношение
сигнал/шум в
раз, где
– коэффициент
вторичной
эмиссии динодов.
Поэтому:
.
Для
примера положим:
к = 4/3, z = 575, f
= 7,3 106
Гц; объектив
имеет прозрачность
=0,9, относительное
отверстие О
= 1:2. Остальные
параметры
= 5,
0, = 0,6. Диссектор
имеет чувствительность
ф = 70
мкА/лм, Sф
= 24х32 мм2. Тогда
для = 40
получим:
Ео
= 1,4 106 лк,
что в 10 раз выше
освещенности
в солнечный
день.
Если
количество
строк z
уменьшить до
100, то для прежнего
значения сигнал/шум
освещенность
можно уменьшить
в 2000 раз
(за счет уменьшения
kz2 и
f).
4.5. Суперортикон
Этот
преобразователь
работает в
режиме накопления
– световой
поток, попадающий
на элемент
изображения,
действует в
течение всего
кадра, так что
элементарный
конденсатор,
соответствующий
этому элементу
изображения,
накапливает
заряд в течение
всего времени
кадра, а считывается
этот заряд за
время прохождения
лучом элемента.
Эквивалентная
схема преобразователя
с накоплением
показана на
рис. 4.5. За время
кадра Тк элементарный
конденсатор
накапливает
заряд: qзар
= iф
Тк.
При
считывании
ключ К замыкается
на время tсчит
и конденсатор
Сэ разряжается
через нагрузочное
сопротивление
Rн. При
полном считывании
qзар
= qсчит
поэтому ток
сигнала:
,
где N – количество
элементов
изображения.
Принцип
накопления
может быть
реализован
при использовании
мозаичной
фотомишени,
состоящей из
изолированных
ячеек, каждая
из которых
содержит
микрофотоэлемент
и накопительный
конденсатор
С (рис. 4.6.). Конденсаторы
заряжаются
до разных напряжений
в соответствии
с локальной
освещенностью,
образуя потенциальный
рельеф на мишени.
Электронный
луч, перемещающийся
по мишени в
соответствии
с законом развертки
(прямоугольно-прогрессивный
растр), поочередно
подключает
различные
накопительные
конденсаторы
Сi и разряжает
их через нагрузочное
сопротивление,
через которое
и протекает
ток сигнала.
При
накоплении
отношение
сигнал/шум
увеличивается
в
раз. Это означает,
что при прочих
равных условиях
преобразователь
с накоплением
требует в (kz2)
раз меньшей
освещенности
на фотокатоде
(мишени).
Кроме
эффекта накопления,
в суперортиконе
используется
усиление первичного
фотозаряда
за счет вторичной
электронной
эмиссии на
материале
мишени.
Для
пояснения этого
процесса рассмотрим
процесс формирования
потенциала
изолированной
мишени, которая
облучается
электронным
пучком (рис.
4.7.). В зависимости
от энергии
электронов
первичного
пучка меняется
коэффициент
вторичной
эмиссии. Полагаем
по-прежнему,
что выполняется
условие полного
отбора всех
вторичных
электронов.
Зависимость
коэффициента
вторичной
эмиссии от
ускоряющего
потенциала
UA
приведена на
рис. 4.8, а. При ускоряющем
потенциале
0
UA
Ukp1 (область
медленных
электронов)
мишень получает
некоторый
отрицательный
(относительно
катода) равновесный
потенциал UHP
(-1,5 B), а затем все
электроны
отражаются
от мишени, не
проникая в нее.
Затем, при Ukp1
UA
Ukp2 (область
быстрых электронов)
энергии электронов
достаточно
для проникновения
в мишень несмотря
на ее тормозящее
поле. Эти первичные
электроны
выбивают из
мишени вторичные
электроны,
количество
которых больше
количества
первичных, так
что мишень
получает
положительный
потенциал,
линейно зависящий
от ускоряющего
потенциала.
В области UA
Ukp2
мишень остается
относительно
катода положительно
заряженной
до величины
Ukp2
(рис. 4.8, б). Потенциал
мишени относительно
анода при изменении
ускоряющего
напряжения
показан на рис.
4.8, в. В области
Ukp1 <
UA <
Ukp2 разность
потенциалов
мишень-анод
постоянна и
составляет
+3В, т.е. мишень
имеет положительный
потенциал по
отношению к
аноду.
В
области I
(UA <
Ukp1) работают
секции передающих
трубок с разверткой
лучом медленных
электронов,
в области II
(Ukp1
< UA <
Ukp2) работают
секции трубок
с быстрыми
электронами.
На
основе эффекта
накопления
и явления вторичной
электронной
эмиссии с
изолированной
полупроводниковой
мишенью в (30-40)-е
годы нашего
столетия были
разработаны
несколько типов
передающих
трубок, наиболее
совершенной
(и самой сложной)
из которых
является суперортикон
(рис. 4.9.). Суперортикон
состоит из трех
секций: создания
и переноса
электронного
изображения,
коммутации
(и разряда) мишени
лучом медленных
электронов
и секции
вторично-электронного
усиления.
Первую
секцию образуют
полупрозрачный
фотокатод 1 на
внутренней
стороне торцевой
стенки (планшайбы)
баллона трубки,
ускоряющий
электрод 2 (короткий
проводящий
цилиндр) и
двусторонняя
мишень в виде
пленки полупроводникового
стекла толщиной
5 мкм и находящейся
перед ней на
расстоянии
50 мкм
проволочной
сеткой с густотой
до 1000 отв/мм2
и прозрачностью
для электронов
0,7.
Вылетающие
из катода
фотоэлектроны
образуют электронное
изображение,
в первой фокальной
плоскости
которого
располагается
мишень. Ускоряющее
напряжение
этой секции
составляет
450 В, поэтому
коэффициент
вторичной
эмиссии
1. Вторичные
электроны
улавливаются
упомянутой
сеткой, так что
оптическое
изображение
на фотокатоде
преобразуется
в потенциальный
рельеф мишени.
Положительный
заряд, образованный
на мишени за
счет освещенности
соответствующего
элемента оптического
изображения,
создает напряжение
на цепочке
последовательно
соединенных
элементарных
конденсаторов
Ссм, См и
Сма (рис. 4.10), где
Ссм – емкость
конденсатора,
образованного
сеткой и левой
стороной мишени,
См – между
левой и правой
сторонами
мишени и Сма
– между правой
стороной мишени
и тормозящим
электродом,
относящимся
ко второй секции
суперортикона.
В соответствии
с межэлектродными
расстояниями
и значительной
величиной
диэлектрической
проницаемости
стекла (в 80 раз
больше, чем у
вакуума) можно
записать:
См
Ссм
Сма,
т.е.
практически
все напряжение
приложено к
обкладкам Сма,
а наименьшая
часть – к См.
Это означает,
что потенциалы
левой и правой
обкладок См
одинаковы, т.е.
потенциальный
рельеф левой
стороны мишени
без изменений
передается
на правую.
Вторая
секция трубки
работает в
области медленных
электронов.
Она состоит
из электронного
прожектора
8 с апертурой
50 мкм,
фокусирующего
анода 6 (металлическое
внутреннее
покрытие баллона)
и тормозящего
электрода 4
(короткий
металлический
цилиндр вблизи
мишени). Иногда
добавляют
выравнивающую
сетку 5. Луч
прожектора
отклоняется
строчными и
кадровыми
катушками,
образуя растр
на мишени.
За
счет продольного
фокусирующего
поля и тормозящего
поля последнего
электрода 4
электроны с
практически
нулевой скоростью
перпендикулярно
«ощупывают»
мишень. При
достаточно
большом токе
пучка потенциал
мишени доводится
до нижнего
равновесного
значения UHP
независимо
от величины
начального
положительного
потенциала.
Для этого требуется
большая или
меньшая часть
тока луча, а
остальная часть
тока луча, не
потребовавшаяся
для компенсации
накопленного
на мишени
положительного
заряда, отражается
от мишени и
возвращается
в обратном
направлении.
Третья
секция суперортикона
предназначена
для усиления
возвращенной
части тока
луча. Она состоит
из пяти кольцевых
электродов
(динодов) умножителя,
на выходе последнего
из которых
включен нагрузочный
резистор Rн.
Эта секция
трубки, как и
первая, работает
в режиме быстрых
электронов;
общий коэффициент
усиления достигает
103.
В
целом суперортикон
вырабатывает
позитивный
сигнал, т.е. высокой
освещенности
участка фотокатода
(«уровень белого»)
соответствует
максимальный
ток вторично-электронного
умножителя,
т.е. наибольшее
значение напряжение
в точке А (рис.
4.9.). Световая
характеристика
трубки этого
типа приведена
на рис. 4.11. Начальный
участок линеен,
что объясняется
тем, что элементарные
конденсаторы
Ссм не успевают
полностью
зарядиться
за время кадра,
все вторичные
электроны,
выбитые из
мишени, отбираются
сеткой и объемный
заряд между
мишенью и сеткой
отсутствует.
Трубка на линейном
участке правильно
воспроизводит
среднюю яркость
изображений.
При увеличении
освещенности
фотокатода
(участок ВС)
фотоэлектроны
будут доводить
потенциал
мишени до
равновесного
значения UBP
(рис. 4.8), на несколько
вольт выше
потенциала
сетки. Образуется
местное тормозящее
поле, создающее
объемный заряд,
который уравнивает
число первичных
(фото)электронов
и число вторичных.
собираемых
сеткой. Трубка
не будет правильно
воспроизводить
среднюю яркость
изображения.
Описанная
характеристика
соответствует
статическому
оптическому
изображению
(«белый квадрат
на черном фоне»).
Несмотря на
линейную зависимость
участка АВ,
практически
он не используется
из-за малого
отношения
сигнал/шум.
Рабочим участком
служит диапазон
ВС, где из-за
тормозящего
объемного
заряда вторичные
электроны,
выбитые из
участков мишени,
соответствующих
наиболее светлым
местам фотокатода,
возвращаются
на близлежащие
участки, снижая
тем самым их
потенциал.
Таким образом,
образуются
динамические
характеристики
трубки (пунктир
на рис. 4.11), которая
соответствует
проецированию
на фотокатод
полутоновой
шкалы (десять
градаций).
Динамический
диапазон
освещенностей
у суперортикона
выше, чем у
человеческого
глаза, однако
желание иметь
большое отношение
с/ш ( 20)
заставляет
работать с
освещенностями
в (2-3) выше Е1 (рис.
4.11), которую принимают
за чувствительность
суперортикона.
Спектральная
характеристика
трубки, как
обычно, определяется
материалом
фотокатода.
Разрешающая
способность
суперортикона
описывается
апертурной
характеристикой
(рис. 4.12), т.е. изменением
(модуляцией)
величины тока
ie
через нагрузочный
резистор от
количества
строк z в
растре (диаметра
апертуры).
Разрешающая
способность
зависит от
конечного
значения диаметра
коммутирующего
луча и качества
фокусировки
электронного
изображения
на мишени.
В
заключение
еще раз подчеркнем
высокую чувствительность
и разрешающую
способность
суперортикона.
Как уже отмечалось,
эта трубка
имеет существенные
недостатки:
довольно
высокий уровень
шумов;
неравномерность
сигнала по
растру за счет
различных
скоростей
считывающего
луча в центре
и на краях мишени;
сложна
в производстве
и эксплуатации;
большие
габариты,
чувствительность
к внешним факторам
(удары, вибрации,
изменение
температуры);
недостаточная
долговечность
(200-750) час;
большое
время подготовки
к работе после
включения (до
30 минут).
4.6. Видикон
Видикон
в настоящее
время является
самой распространенной
телевизионной
передающей
трубкой в силу
простоты, надежности
и дешевизны
при небольших
размерах и
массе. Видикон
использует
мишень с внутренним
фотоэффектом,
которая служит
непосредственно
фотокатодом.
Видикон
состоит из двух
основных узлов
– фотомишени
и электронного
прожектора,
создающего
коммутирующий
пучок (рис. 4.13). На
внутреннюю
стенку стеклянной
планшайбы
напылена прозрачная
( = 0,9) сигнальная
пластина 1 (Au,
Pt или SnO),
имеющая вывод.
Затем нанесен
фотослой 2 в
виде сложного
полупроводника
из соединений
сурьмы, селена,
мышьяка, серы.
От состава
полупроводника
и его толщины
зависит чувствительность,
спектральная
характеристика
и инерционность
видикона.
Электронная
коммутационная
система образована
электронным
прожектором
(термокатод
3, управляющий
электрод 4 , первый
5 и второй 6 аноды)
и выравнивающей
сеткой 7. Потенциал
этой сетки в
(1,52) раза
превышает
потенциал
второго анода,
что обеспечивает
нормальную
(под углом 90
к мишени) ориентацию
луча, необходимую
для получения
одинакового
исходного
потенциала
по всей мишени.
Эквивалентная
схема видикона
приведена на
рис. 4.14. Каждый
элементарный
участок мишени
представлен
в виде конденсатора
Cэi,
шунтированного
сопротивлением
Rэi.
Величина этого
сопротивления
определяется
внутренним
фотоэффектом
и зависит от
локальной
освещенности,
т.е. на мишени
оптическое
изображение
преобразуется
в рельеф удельных
сопротивлений,
величина которых
лежит в диапазоне
от 1012 Омсм
(темные участки)
до 1010 Омсм
(наиболее светлые).
Когда
мишень обходится
лучом (при
развертке), то
все участки
правой стороны
мишени приобретают
потенциал
катода, т.е. все
элементарные
конденсаторы
имеют разность
потенциалов
Uсп. Затем
при проецировании
изображения
меняются Rэ,
так что Сэ
разряжается
через свой Rэ
в течение
времени между
двумя коммутациями
с постоянной
времени RэСэ
и потенциал
правой обкладки
увеличивается,
приближаясь
к потенциалу
левой обкладки,
т.е. потенциалу
сигнальной
пластины. На
неосвещенных
местах потенциал
меняется гораздо
слабее. Т.е.
создается
потенциальный
рельеф, соответствующий
распределению
освещенности
(и проводимости).
При
коммутации
потенциальный
рельеф вновь
выравнивается.
Там, где был
положительный
потенциал,
расходуется
ток луча на
дозаряд элементарного
конденсатора
до потенциала
катода и этот
ток луча протекает
через цепь
сигнальной
пластины. В
точке А напряжение
падает, т.е. большей
освещенности
соответствует
меньший потенциал
точки А (негативный
сигнал).
Световая
характеристика
видикона (рис.
4.15) представляет
собой семейство
кривых, определяемых
величиной
напряжения
на сигнальной
пластине Uсп.
Хотя световая
характеристика
видикона нелинейна,
но она мало
зависит от
характера
освещенности
фотокатода
(в отличие от
суперортикона),
т.е. контраст
получается
достаточно
высоким.
Видикон
дает информацию
о средней яркости,
т.к. во время
обратного хода
сигнал соответствует
уровню черного
(если пренебречь
темновым током),
т.е. отличается
от уровня гасящих
импульсов.
Разрешающая
способность
видикона зависит
от структуры,
размеров и
свойств мишени,
а также от сечения
коммутирующего
пучка. Апертурная
характеристика
одного из видиконов
(ЛИ-421) дана на рис.
4.16.
Типичным
можно считать
размер рабочего
участка мишени
12,5 9,5 мм2,
диаметр луча
15 мкм,
ток луча
0,5 мкА.
Видикон
хорошо работает
в диапазоне
освещенности
(1-10) лк. Здесь невелика
и инерционность.
Инерционность
обусловлена
фотоэлектрическими
процессами
в мишени (материал
фотополупроводника,
примеси, уровень
освещенности)
и недостаточностью
тока пучка, что
не позволяет
выровнять
потенциал
мишени за 1 цикл
развертки.
Инерционность
видикона можно
уменьшить за
счет уменьшения
Сэ, чтобы не
ухудшать разрешения
за счет увеличения
тока луча.
Промышленность
выпускает
30 разновидностей
видиконов с
диаметром колбы
от 13,6 до 40 мм.
Одной
из разновидностей
видиконов
является плюмбикон
(глетикон), у
которого приняты
меры не только
по уменьшению
Сэ, но и по
увеличению
Rэ, чтобы
не было ситуации,
когда Rэ
Сэ настолько
мало, что не
полностью
используется
эффект накопления,
т.е. постоянная
времени
= Rэ Сэ
меньше времени
кадра (цикла
коммутации).
Это
достигается
путем замены
фоторезистной
мишени мишенью
фотодиодного
типа, что обеспечивает
малую инерционность
фотоэффекта,
высокое темновое
сопротивление
и линейную
световую
характеристику.
Мишень
плюмбикона
и его эквивалентная
схема приведены
на рис. 4.17.
Мишень
плюмбикона
состоит из трех
полупроводниковых
слоев. К сигнальной
пластине 1 примыкает
прозрачный
полупроводник
2 с n –проводимостью,
затем следует
слой i,
представляющий
собой окись
свинца PbO
в виде кристаллических
чешуек размерами
0,10,053,0
мм3, ориентированных
большой стороной
вдоль световых
лучей. Третий
слой – полупроводник
с р-проводимостью.
В такой многослойной
мишени резко
уменьшается
скорость рекомбинации
носителей, что
эквивалентно
уменьшению
темнового тока,
а увеличенная
толщина мишени
уменьшает Сэ
и увеличивает
эффективность
образования
фотоэлектронов
проводимости.
В момент коммутации
переход p–i-n
смещается в
обратном направлении,
что еще больше
увеличивает
эквивалентное
сопротивление
утечки Rэ.
По
своей чувствительности
плюмбикон
несколько
уступает видикону
(рабочая освещенность
(5-8) лк). Разрешающая
способность
составляет
600 линий
при отношении
сигнал/шум
около 200. Инерционность
плюмбикона
соответствует
остаточному
сигналу
5% спустя один
кадр.
4.7.
Многосигнальные
видиконы
На
базе рассмотренных
преобразователей
строятся не
только системы
черно-белого,
но и цветного
телевидения
– путем использования
трех или четырех
преобразователей
– как это будет
показано позже.
В этом случае
к преобразователям
предъявляются
очень жесткие
требования
по идентичности
характеристик
свет-сигнал,
геометрических
искажений,
инерционности
и др. Естественно
также, что трех
– или четырех
трубочные
передающие
цветные телевизионные
камеры имеют
большие габариты,
массу, стоимость.
Поэтому
понятно стремление
к созданию
многосигнального
видикона, который
может осуществлять
пространственное
разделение
светового
потока на
фоточувствительной
поверхности
преобразователя.
Рассмотрим
принцип действия
одного из
трехсигнальных
видиконов (рис.
4.18). Здесь сигнальная
пластина образована
тремя группами
полосковых
электродов
2, нанесенных
на соответствующие
светофильтры
3. Спектральные
характеристики
полосковых
фильтров приведены
на рис. 4.19. Фильтры
нанесены на
стеклянную
пластину (планшайбу)
1.
Образование
потенциального
рельефа на
мишени 4, обладающей
внутренним
фотоэффектом,
происходит
как в обычном
видиконе. Все
электроды
«одного цвета»
соединяются
и на трех выходах
трубки формируются
три цветоделенных
сигнала.
Полосковые
светофильтры
и сигнальные
пластины
располагаются
перпендикулярно
строчной развертке.
В одном из таких
видиконов
использовалось
870 электродов
(290 «троек») на
строку изображения,
расположенных
с шагом 17,5 мкм.
Подобный
прибор не нашел
практического
применения,
что связано
с паразитными
емкостными
связями между
разносигнальными
электродами,
а также значительными
оптическими
связями в
светоделительном
узле. Все это
в совокупности
снижает качество
цветного изображения.
Дальнейшие
идеи в развитии
многосигнального
видикона заключается
в кодировании
оптически
цветоделенных
изображений.
Используется
метод частотного
или импульсного
(фазового)
кодирования.
На выходе
преобразователя
формируется
один сигнал,
а информация
о цветоделенных
изображениях
разнесена по
различным
частотным
диапазонам
выходного
сигнала или
закодирована
в его фазе.
Рассмотрим
систему с частотным
кодированием
(две поднесущих
частоты). Оптический
кодирующий
фильтр устанавливается
в плоскости
изображения
и представляет
собой систему
наложенных
друг на друга
полосковых
светофильтров,
перекрещенных
под углом 45
(рис. 4.20). Один из
этих фильтров
2 – голубые полоски,
а вертикальные
полоски 3 – желтого
цвета. Наложение
полосок 2 и 3 дает
участки зеленого
цвета. Прозрачные
места фильтра
обозначены
цифрой 1. Таким
образом, там,
где находится
голубая полоска,
не пропускается
красная часть
спектра, а под
желтую полоску
не проходит
синяя часть
светового
потока.
Частотный
спектр выходного
сигнала при
обходе мишени
считывающим
лучом состоит
из двух поднесущих,
определяемых
пространственными
частотами
желтой и голубых
масок. Число
полосок фильтров
на мишень выбирается
таким, чтобы
спектр сигнала
поперек желтых
полос был до
5 МГц. Этот сигнал
5 МГц
содержит информацию
об интенсивности
«красного края»
изображения,
а голубой фильтр,
из-за большей
своей протяженности
в направлении
сканирования,
даст частоту
в
раз меньше,
т.е.
МГц.
Прозрачные
участки фильтра
позволяют
формировать
сигнал яркости
изображения.
Тогда весь
формируемый
сигнал будет
представлять
собой сумму
трех компонент,
каждая из которых
может быть
выделена с
помощью частотных
фильтров (рис.
4.21).
Более
эффективно
используется
частотный
диапазон формируемого
сигнала в системе
с частотно-фазовым
кодированием.
Здесь информация
о красном и
синем цветоделенном
изображении
передается
в одном и том
же частотном
диапазоне –
на краю спектра
сигнала. За
счет этого
расширяется
полоса частот
для яркостного
сигнала, что
улучшает четкость
изображения.
Поднесущая
синего и красного
выбирается
несколько ниже,
чем «синий»
сигнал в предыдущем
случае, но выше,
чем для «красного».
Это, в свою очередь,
снижает требования
к фокусировке
считывающего
луча.
Поднесущие
при считывании
будут одинаковыми
по частоте,
которая определяется
шагом полосок
и углом их наклона.
Для углов, показанных
на рис. 4.22, сигналы
приведены на
рис. 4.23.
Шаг
и наклон полосковых
фильтров выбирается
так, чтобы
обеспечивался
180 - сдвиг
фаз красной
и синей составляющей
сигнала, что
облегчает их
последующее
разделение.
Такой
способ кодирования
позволяет
получать спектр
сигнала яркости
до 3,6 МГц. Есть
и другие способы
кодирования,
например,
кодоимпульсный.
4.8. Приборы
с зарядовой
связью (ПЗС)
Это
безвакуумный
твердотельный
фотоэлектрический
преобразователь
изображения.
В
основе лежат
свойства структуры
металл-окисел-полупроводник
(МОП-структура),
которая может
собирать, накапливать
и хранить зарядовые
пакеты в локализованных
потенциальных
ямах, образующихся
в поверхностном
слое полупроводника.
Зарядовые
пакеты (порции)
возникают под
действием
светового
излучения, а
переносятся
путем управляемого
перемещения
с помощью уничтожения
старых и создания
новых потенциальных
ям, куда перетекают
заряды. Т.е. ПЗС
– это аналоговый
сдвиговый
регистр, который
переносит
поочередно
отдельные
заряды из ям
на выход, так
что заряды
проходят все
ячейки от места
своего первоначального
расположения
(зарождения)
до выходной
ячейки. Ячейка
ПЗС приведена
на рис. 4.23.
Если
есть положительный
потенциал, то
основные носители
(дырки) отойдут
вглубь подложки,
так что под
металлическим
электродом
образуется
область, обедненная
основными
носителями
– потенциальная
яма, глубина
которой зависит
от U, степени
легирования
полупроводника,
толщины окисла.
Время
жизни потенциальной
ямы ограничено
паразитным
процессом ее
заполнения
за счет термогенерации
пар «дырка-электрон»,
электроны
которых в качестве
неосновных
носителей
попадают в яму.
Время заполнения
ямы за счет
термогенерации
называется
временем релаксации.
Понятно, что
время хранения
заряда в яме
должно быть
меньше этого
времени.
Заряд
в ПЗС вводится
либо электрически,
либо излучением.
Появляются
неосновные
носители (т.е.
полезный сигнал),
количество
которых пропорционально
освещенности
и времени экспозиции.
Направленная
передача заряда
возможна при
условии перекрытия
отдельных
обедненных
областей, так
чтобы можно
было соединить
потенциальные
ямы. Заряд будет
перетекать
туда, где потенциальная
яма глубже
(рис. 4.24). Пример
реализации
сдвигового
МОП-регистра
(трехтактного)
показан на рис.
4.25. Каждый электрод
линейки подключен
к одной из трех
тактовых шин
с фазами Ф1,
Ф2, Ф3, напряжение
на которых
меняется во
времени.
Фотоэлектрические
преобразователи
изображения
на ПЗС делятся
на одномерные
(линейные) и
двумерные
(матричные).
Линейные
преобразователи,
формирующие
строку, обычно
используются
для контроля
за технологическими
процессами,
анализа состояния
и измерения
объектов и т.п.
Двухкоординатная
матрица является
твердотельным
аналогом передающей
трубки. Для
организации
считывания
в настоящее
время наиболее
удобным признается
считывание
с кадровым
переносом (рис.
4.26), где 1 – секция
накопления
(фотоприемная
секция), 2 – секция
хранения (памяти).
Выход 3 – секция
переноса заряда
(сдвиговый
регистр). Накопленные
в секции 1 заряды
во время обратного
хода кадра
переносятся
в секцию 2 – секцию
памяти, поэтому
в такой телевизионной
системе передается
предыдущий
кадр изображения.
Для этого во
время обратного
хода строки
в секцию переноса
3 сносятся заряды
очередной
строки, а во
время прямого
хода они выносятся
из матрицы как
бы считывающей
строкой.
При
такой организации
считывания
нет смазывания
изображения,
т.к. считывание
идет по неменяющейся
картинке. Достаточно
просто здесь
организовать
также чересстрочную
развертку.
Промышленность
серийно выпускает
ПЗС с числом
элементов
288232 (144232
элементов
накопления
и 144232 элементов
хранения, а
также 235 элементов
сдвигового
регистра). Есть
еще дополнительный
компенсационный
регистр, на
котором компенсируются
помехи от таковых
импульсов.
Существенно,
что число переносов
зарядов к выходному
элементу зависит
от места расположения
элемента в
кадре – оно
максимально
для 1-го элемента
верхней строки
и минимально
для последнего
элемента нижней
строки. Если
используется
трехтактная
схема переноса,
то максимальное
число переносов
nmax=23z+3n.
Заряды переносятся
неполностью
– часть зарядов
теряется в
ловушках, кроме
того, часть
зарядов не
успеет перенестись
полностью и
подойдет только
со следующим
зарядом. Появляется
фактор, который
называется
неэффективностью
переноса заряда
– та
часть заряда,
которая отстала
на 1 перенос.
Умножив
на nmax,
получаем
результирующую
неэффективность:
nmax.
Считается
удовлетворительным,
если
= (10-410-5).
Тогда суммарная
эффективность
=1-n.
Если
= 10-4
и n = 1569,
= 84%. Т.е. последовательный
перенос тормозит
рост матрицы,
тем более, что
неисправность
одного элемента
вызывает потерю
информации
всего столбца
или строки.
Световая
характеристика
ПЗС линейна
в диапазоне
(0-8) лк, а разрешающая
способность
определяется
числом элементов
ПЗС-матрицы.
92
5.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ
В ОПТИЧЕСКОЕ
ИЗОБРАЖЕНИЕ
5.1. Принципы
воспроизведения
изображений
В
современных
телевизионных
системах (ТВС)
преобразование
электрического
сигнала в оптическое
изображение
в подавляющем
большинстве
случаев осуществляется
с помощью приемных
(воспроизводящих)
электронно-лучевых
трубок – кинескопов.
Вместе с тем,
последнее время
ведутся разработки
плоских кристаллических
экранов (дисплеев).
Кинескоп
осуществляет
синтез изображения
на основе явления
катодолюминисценции,
т.е. свечения
специального
вещества (люминофора)
под действием
электронного
пучка. Кинескоп
– оконечное
звено ТВС, поэтому
качество системы
в целом определяется
не в последнюю
очередь качеством
телевизионного
воспроизводящего
устройства.
Общие требования
по целям (назначению),
качеству
воспроизведения,
а также достаточно
высокие эксплуатационные
характеристики
и экономичность
трансформируются
в более конкретные
требования,
определяемые,
прежде всего
характеристиками
зрительной
системы человека.
Геометрические
размеры изображения
h и b, которые
при расстоянии
рассматривания
(наблюдения)
А определяют
горизонтальный
и вертикальный
углы наблюдения.
Достаточная
вертикальная
и горизонтальная
четкость
изображения.
Допустимые
геометрические
искажения.
Достаточная
яркость изображения,
но без ослепления.
Достаточно
высокий контраст
изображения.
Удовлетворительное
воспроизведение
полутонов,
согласующееся
со всей системой.
Удовлетворительное
воспроизведение
цветов.
Достаточно
малые эффекты
мелькания,
помех и т.п.
Высокое
качество развертки
и синхронизации.
Кинескопы
обеспечивают
получение
черных и цветных
изображений
размерами до
(0,60,8) м2.
Для больших
аудиторий
применяются
проекционные
ТВ устройства.
Основными
элементами
любого кинескопа
являются
термоэмиссионный
катод, входящий
в электронно-оптическую
систему, называемую
прожектором.
Прожектор
формирует
тонкий пучок
(луч) электронов
с помощью
электростатических
полей, которые
используются
для ускорения
и фокусировки.
Электростатическая
фокусировка
более экономичная
и стабильная,
чем электромагнитная.
Отклонение
электронного
пучка, как и
фокусировку,
можно реализовать
как статическим,
так и магнитным
полем. В кинескопах
телевизионных
приемников
используется
исключительно
магнитное
отклонение,
которое позволяет
довести углы
отклонения
до 110 и
резко уменьшить
длину кинескопа
и его вес.
5.2. Развертывающие
устройства
кинескопов
Электростатическое
отклонение.
Здесь
электронный
пучок отклоняется
поперечным
электрическим
полем, через
которое он
пропускается.
В простейшем
случае поле
образовано
парой пластин
(плоский конденсатор),
как это показано
на рис. 5.1. Здесь
– расстояние
между пластинами,
U – отклоняющее
напряжение
(разность потенциалов
между отклоняющими
пластинами),
UA-ускоряющий
потенциал (до
отклонения).
Половинное
отклонение
пучка:
.
Видно,
что отклонение
пропорционально
отклоняющему
напряжению.
Для линейной
(равномерной)
развертки во
времени надо
иметь U = k
t, т.е. линейную
“пилу”. Электрическое
отклонение
имеет такие
положительные
качества, как
экономичность,
высокое быстродействие
и малую массу
(вес).
Основными
недостатками
кинескопов
с электростатическим
отклонением
является малая
чувствительность
и малые углы
отклонения.
Для большого
экрана это
означает большую
длину трубки.
Из-за малой
чувствительности
отклоняющие
потенциалы
должны достигать
несколько сотен
вольт и даже
тысяч вольт
(1/3 от UA),
что, в частности,
трудно делать
на полупроводниках.
Поэтому
электростатический
способ отклонения,
широко применяемый
в осциллографах,
практически
не используется
в телевизионных
приемниках.
Электромагнитное
отклонение.
В
отличие от
электростатического,
магнитное поле
действует
только на движущийся
электрон. Величина
этого воздействия
(сила Лоренца):
,
т.е.
,
где
е – заряд электрона,
V – его скорость,
Н – напряжение
магнитного
поля,
- угол между
векторами
и
.
Если V = 0, или
= 0, то F
= 0. Для
= 90 (поле
и скорость во
взаимоперпендикулярных
плоскостях)
сила F = Fmax
= eV1H,
где V1
– величина
составляющей
скорости электрона,
перпендикулярная
полю Н.
Под
действием силы
F электрон
движется по
дуге окружности
с радиусом r
(рис. 5.2). Точками
показано магнитное
поле (перпендикулярное
плоскости
рисунка).
Центростремительная
сила F уравновешена
центробежной
силой Fцб,
которая определяется
как
:
.
Радиус
окружности,
по которой
движется электрон:
.
Составляющая
V1 скорости
электрона
определяется
ускоряющим
полем UA:
,
т.е.
.
Отсюда:
.
Рассмотрим
схему отклонения
(рис. 5.3). От т.О до
т.В электрон
движется по
дуге окружности
радиуса r,
а затем – по
прямой (касательной
к этой окружности).
С – центр окружности.
Перемещение
луча в плоскости
экрана:
y
= L
tg.
Треугольник
OEF подобен
треугольнику
АСВ, поэтому
.
Отклонение
луча на экране
кинескопа:
.
где
l0 –
длина отклоняющего
поля (катушки).
Отметим, что
в отличие от
электростатического
отклонения,
здесь отклонение
обратно пропорционально
.
Если
необходимо,
чтобы y = kt
(пропорционально
времени), то
напряженность
поля Н должна
меняться по
сложному закону.
Обращает
на себя внимание
появляющаяся
характерная
нелинейность
– отклонение
луча растет
быстрее, чем
ток, т.е. если
ток (ампервитки)
растет линейно,
то отклонение
растет нелинейно
(см. рис. 5.4.) и края
растра растягиваются.
Нелинейная
зависимость
отклонения
электронного
пятна по экрану
кинескопа лишь
для малых углов
может считаться
линейной, поскольку
в этом случае
.
Тогда отклонение
y:
.
Если
необходимо,
чтобы y = kt,
то поле Н должно
меняться во
времени:
.
Нелинейная
зависимость
отклонения
у от напряженности
поля Н может
значительно
меняться путем
изменения
пространственного
распределения
отклоняющего
магнитного
поля (неодинаковая
плотность
намотки катушек).
Это условно
показано на
рис. 5.5 в виде
переменного
сечения вертикальных
кадровых катушек
Wk,
создающих
внутри трубки
горизонтальное
поле Н1 (отклоняющее
луч в вертикальном
направлении)
и горизонтальных
строчных катушек
Wc,
создающих
внутри трубки
вертикальное
поле Н2 (отклоняющее
луч в горизонтальном
направлении).
Связь
между напряженностью
поля Н и протекающим
через катушку
с числом витков
w током i
описывается
интегралом
Ампера:
,
где
Н – напряженность
поля в эрстедах
(Э), i – ток
в амперах (А),
l – длина магнитного
пути в см.
Сечение
отклоняющей
системы показано
на рис. 5.6. Магнитная
проницаемость
ферромагнитного
экрана много
больше проницаемости
вакуума, поэтому
его магнитное
сопротивление
в сотни раз
меньше сопротивления
всего остального
пути магнитного
потока. Это
означает, что
вся намагничивающая
сила тратится
на проталкивание
потока вне
экрана и вместо
интеграла по
замкнутому
контуру l
можно взять
интеграл по
пути от А до В
внутри трубки
(рис. 5.6.):
,
где
- внутренний
диаметр отклоняющей
катушки (диаметр
горловины
трубки). Для
наиболее длинной
силовой линии,
которая проходит
по диаметру
горловины (
= 90):
.
Соответственно,
можно записать
ампер-витки
как функцию
угла отклонения
луча :
,
.
Таким
образом, полное
число ампер-витков
отклонения
пропорционально
sin угла
отклонения.
Для
уменьшения
абсолютного
значения тока
отклонения
имеет смысл
увеличивать
количество
витков w.
Однако с ростом
количества
витков растет
индуктивность
катушек L,
которая
пропорциональна
w2, а
увеличение
L ведет к понижению
быстродействия
системы отклонения.
Используется
понятие эффективности
отклоняющей
системы, которая
представляет
собой отношение
максимальной
мощности,
затрачиваемой
на отклонение
луча в пределах
экрана, к ускоряющему
потенциалу
на втором аноде
трубки. Это
означает, что
для строчной
развертки
полная мощность
пропорциональна
реактивной
мощности, т.е.
магнитной
энергии катушки:
,
где L
– результирующая
индуктивность,
Imax сгр
– амплитуда
отклоняющего
тока, UA
– напряжение
2-го анода.
Для
кадровой катушки:
,
где R
– активное
сопротивление
кадровой катушки.
За
счет того, что
в цветных кинескопах
UA
25 кВ, а в черно-белых
15 кВ, у
них сильно
разнится
эффективность.
Не
следует забывать
также о том,
что при большой
индуктивности
и малом времени
обратного хода
на катушке
возникают
большие напряжения,
что требует
высокой электрической
прочности
отклоняющей
системы. Для
примера и оценки
величин дадим
характеристики
двух отклоняющих
систем – черно-белой
и цветной.
| Параметр |
ЧБТ ОС-110Л для 61 ЛК2Б |
ЦТ ОС-110 ПЦ 67 ЛК 110 Ц |
||||||
| горловины,
мм |
28,6 | 29
Название реферата: Телевидение
Вам также могут понравиться эти работы:
|