Телевидение

кд/м² (нит)

Энергетическая освещенность (плот­ность облучения)

Вт/м²

Освещенность

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):

Некоторые единицы в отечественной литературе не используются, однако еще имеют употребление в англоязычных материалах.

Подобная таблица полезна также для единиц освещенности:

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. L₁L₂, то: L_ср  L₁  L_2, 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:  = klnL+D

Если LL_min, то  = 0 (глаз не чувствует). Тогда:  = klnL_min+D, отсюда D=-k lnL_min.

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 L_min (чуть ниже того, что глаз уже замечает). L₀ = L_min.

Первый замечаемый уровень: L₁ = L_min + 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: L_n = L_min(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 n0,02. 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) t_п. Эта величина постоянная и определяется в некотором диапазоне длительности светового импульса и частоты повторения: Ft_п = 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.): f_kp = 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:

f_кр = 41 Гц.

Именно f_кр определяет частоту смены кадров в кино и ТВ. (Кстати, у насекомых f_кр200 Гц).

Если частоты мельканий выше f_кр, 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 140-160^о, двух глаз – более 200^о. 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 (4^о), ясное зрение (до 35^о по горизонтали, до 22^о по вертикали), периферическое (боковое) зрение (75-90^о).

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:

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 d_зр, а на диске диаметром d_зр, 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, d_зр = 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 = N_max, т.е. .

Итак: .

G принимается равным 1 при любом N, выбранном как N_max, а затем идет ухудшение четкости G при уменьшении их общего количества до N.

Если N_max = 8510⁴ (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 N_max четкость G падает очень сильно.

3. 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:

В начале эксперимента показывается «опорное» (исходное) изображение, а потом вводятся всякие новации и дается оценка.

2. 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 46 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 (500600). Отсюда: h  0,2А.

Для жилой комнаты А = (2,02,5) м , тогда h = (0,40,5) 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.

1. Дисторсии в виде «бочки» или «подушки» (причина – в электронно-оптической системе кинескопа). Коэффициент геометрических искажений:

.

2. Для трапеции (нарушение ортогональности оптической или электронной оси кинескопа и плоскости изображения):

.

3. 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 = 0,95G_max, где G_max – 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 (0,750,85) от количества активных строк (432489 элементов). Если исходить из равной четкости по вертикали и по горизонтали, то вдоль каждой строки должно быть:

N_x = (432489){формат} = 576652 элемента, а N_max = 489652=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 f_кр = 41 Гц. Если брать цветное изображение, то для желтого цвета критическая частота такая же, а для красного и синего – ниже. Выбрано: f_n = 50 Гц, это больше f_кр 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 n_ф. Т.е. 2n_ф f_кр.

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  (3040).

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 L_ф  L_min, 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 = KL^₀,

где  и К определяется путем подстановки в эти уравнения значений L_max, L_min, L_{o max} и L_omin: , , С - определяет опорный уровень яркости (обычно яркость лица). Будем считать, что L_max изображения соответствует L_0max.

В принципе возможны три случая воспроизведения (рис. 3.4.):

1 случай – нормальная контрастность, когда  = 1, L = CL_о (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:

1. 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: .

2. Законом Столетова, определяющим величину тока фотоэлектронов I_ф=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 = (4070) 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


29-04-2015, 03:03