Курс лекций по специальному курсу «Физические основы формирования изображений» (стр. 10 )

Выбор треугольных элементов обусловлен тем, что лишь они в предельных случаях сохраняют пространственную решетку, в то время как иные миры (шахматная, шестиугольная и т. д.) в пределе приводятся к одномерным штриховым мирам. Кроме того, двухмерная мира, элементы которой имеют форму равностороннего треугольника, наиболее полно отражает реальные объекты фотографирования, характеризуемые в общем случае различными периодами изменений входного сигнала в меридиональном и сагиттальном направлениях.

13. Частотно-контрастные характеристики объектов и систем, Качество изображения, функция рассеивания точки

Рис. 13.1. Двухмерная треугольная мира И. Чёрного

Различают короткофокусные, длиннофокусные и нормальные объективы. За нормальные параметры принимают параметры глаза человека. Фокусное расстояние может быть постоянным и переменным (вариообъективы). У фотоаппаратов нормальное фокусное расстояние = 18 мм. Есть фотоаппараты с 50мм.

Относительное отверстие.

Это параметр, который показывает соотношение между диаметром входного зрачка и отверстием.

. Определяет характеристику круга рассеивания. k - величина переменная т. к. D (диаметр входного зрачка) - величина переменная. D регулируют диафрагмой. Величина входного отверстия определяет ширину диффузионного колокольчика и определяет световой поток.

Освещённость: , где τ- коэффициент пропускания объектива (0,7-0,8 и т. д.). Т. о. освещённость .

Диафрагмы бывают двух типов:

1). Полевая – ограничивает поле зрения.

2). Апертурная – определяет разрешение диафрагмы системы.

k выбирается из ряда , N=1,… =>k=0,5;0,7;1;1,4;2,8;4;5,6;8;11;16;22 – диафрагмовое число.

Наносятся они на объектив, т. е. увеличивая диафрагму мы уменьшаем световой поток.

Для цифровых фотоаппаратов выпускаются объективы CNC 1,4/8 (марка объектива).

1,4 – входное отверстие; 8 – фокусное расстьяние.

Распределение освещённости по полю.

Глубина резкости.

глубина резкости – зависит от критерия качества, который мы наложили на нашу систему.

Критерий качества:

Поле зрения

Обычно это угловая величина. Объективы делятся по величине поля зрения на нормальные, узкоугольные, широкоугольные, панорамные.

Нормальные

Узкоугольные -- <400

Широкоугольные

Панарамные>

Добротность объектива:

Современные объективы: Cm=0,22…0,24. Если Cm<0,24, то данный набор параметров реализуем в современном производстве (обычно это объективы без асферики). Очевидно, что нельзя бесконечно увеличивать входное отверстие, угол зрения, и нельзя сделать очень маленькое фокусное расстояние.

Рис. 13.2. Пример упрощенной схемы объектива

HH’ – 20,7, Sf – 13,2, S’f – 12,6, f ‘ – 11.

Рис. 13.3. Сигнал со строки миры

Разрешающая способность объектива.

Пусть в плоскости изображения мы получим рисунок (выше). В плоскости изображения даны 3 тёмные линии. Если период сигнала Т=2с, то пространственная частота f=0,5 Гц. В нашем случае пространственная частота равна 2линии/мм. Она показывает, сколько линий укладывается в единице длины. Т. о. если взять периодическую структуру, то, изменяя шаг, можно снять частотно-контрастную характеристику объектива.

Рис. 13.4. ЧКХ объектива для различных мир

Также формирование изображе­ний можно описать линейной моделью. При этом в большинстве случаев в соотношении, называемом интегральным уравне­нием Фредгольма первого рода, весовая функция по каждой из двух переменных зависит только от разности аргументов

При этом удобно перейти в спектральную область, где соотно­шение записывается:

.

Здесь и - Фурье-образы исходного и преобразованного изображений; Н (wx, wy) — передаточная функция (частотная характеристика) линейной системы.

, где I1 – функция Бесселя 1-го порядка, - параметр функции, 0- линейная величина, , к – диафрагменное число.

Две точки считаются предельно-разрешимыми, если предельное расстояние = 0.

Для оценки качества изображения фотографической системы используются несколько методик, основными из которых являются: измерение разрешающей силы, определение пограничной нерезкости и частотно-контрастной характеристики объектива.

Каждая из перечисленных методик имеет свои сильные и слабые стороны. Например, оценка объектива по пограничной кривой, т. е. по резкости даваемого объективом изображения, не может полностью характеризовать эксплутационные возможности объектива. Такой же недостаток присущ и оценке объективов по фотографической или визуальной разрешающей силе, по которой невозможно судить о резкости даваемого объективом изображения. Оба этих метода оценки объективов основаны на двух различных способах подхода к восприятию дифракционного изображения точки, точнее — к характеру распределения световой энергии в пределах дифракционного пятна.

Максимальная разрешающая способность получается при малых размерах центральной зоны дифракционного пятна и, естественно, при интенсивных кружках рассеяния. Наивысшая резкость, наоборот, получается при больших размерах центральной зоны пятна и почти полном отсутствии кружков рассеяния.

Частотно-контрастная характеристика, по которой можно более полно оценить различные аспекты качества изображения, достаточно трудоемка, сложна в применении и ее использование для целей сравнения бывает затруднено.

Кроме перечисленных характеристик, для оценки качества изображения может применяться такой интегральный показатель, как информационная ёмкость фотографической системы.

Рис. 13.5. ФРТ - сечение дифракционного пятна объектива

Разрешающая сила (или разрешающая способность) служит для оценки способности объективов давать раздельные изображения очень мелких близко расположенных деталей изображаемых предметов. Количественно равна максимальному числу штрихов (линий), приходящихся на 1 мм оптического изображения специальной испытательной таблицы (миры), получающихся в этом изображении раздельно 1).

Если разрешающую способность определяют в оптическом изображении, которое образует объектив, рассматривая это изображение, то такая разрешающая сила называется собственной или визуальной. Величина визуальной разрешающей силы зависит от ряда факторов, главными из которых являются:

1) дифракция света на круглых отверстиях оправ, в которые вмонтированы линзы и другие компоненты объектива;

2) остаточные аберрационные погрешности оптической системы объектива;

3) светорассеяние в объективе;

4) яркостной контраст между промежутками и самими штрихами в мире — контраст миры.

Если оценивать разрешающую способность объектива по фотографическому изображению миры, то к вышеперечисленным факторам добавляются: разрешающая способность фотослоя, эффекты проявления и другие факторы, которые еще более уменьшают величину разрешающей силы.

Разрешающая сила, определенная по фотографическому изображению миры, называется фотографической. Фотографическая разрешающая сила для съемочных объективов является основной, ее измерение производится по стандартным методикам и именно она указывается в характеристиках объективов отечественного производства.

Фотоизображение миры (штриховой или радиальной) получают на черно-белой кинопленке типа КН-1. При использовании другого фотоматериала для измерений, этот факт указывается особо. Стандартно разрешающая сила определяется при полностью открытой диафрагме объектива и в технических данных на объектив приводится для двух точек — центра и «края», иногда именуемого «полем», т. е. точки, удаленной от центра кадра на 19 мм для малого формата 24×36 мм.

Визуальная разрешающая сила Rv, разрешающая способность фотослоя Rf и фотографическая разрешающая сила R соотносятся друг с другом приблизительно в следующей пропорции: 1/R = 1/Rv + 1/Rf;, называемой формулой Катца

Для съемочных объективов характерно, что Rv > Rf > R

Рис. 13.6. Приблизительное соотношение фотографической и визуальной разрешающей силы объектива

При различных значениях диафрагмы разрешающая сила объектива различна. Как правило, она минимальна при полностью открытом отверстии диафрагмы. Именно это, худшее значение, приводится в технических характеристиках отечественных объективов. С закрытием диафрагмы уменьшаются остаточные аберрации оптической системы и разрешающая сила растет. При малых световых отверстиях, обычно начиная со значения диафрагмы 11, разрешающая сила понижается вследствие влияния дифракции света.

Рис. 13.7. Примерная зависимость фотографической разрешающей силы объектива от значения диафрагмы

1)  В отечественной теории и фотографической практике штрихи всегда считаются разделенными промежутками контрастного фона толщиной, равной толщине штриха. В стандартизированном для видео - и цифровой фототехники международном (см, например, ISO 12231, ISO 12233) термине "пара линий", за "линию" считается также и промежуток между штрихами (что физически неверно, т. к. в таком случае пространственная частота получается обратна полупериоду миры). Соотношение разрешающей способности, выраженной в парах линий на миллиметр (lp/mm), выраженной в линиях на миллиметр (lines/mm) -- по ISO, и выраженной в линиях на миллиметр (лин/мм) по отечественным стандартам при тех же критериях определения таково: 1 lp/mm = 2 lines/mm = 1 лин/мм (= 1 мм−1).

2)  В характеристиках, если не указано иное, указываются данные из технических условий, т. е. наихудшие допустимые значения параметров.

3)  Формула Катца является частным случаем предложенной Л. Морозом зависимости для случая безаберрационного (идеального) объектива. Кроме приведенной формулы, существуют и иные, например: 1/R2=1/Rv2+1/Rf2; R=RfRv/(Rf+Rv) и др. Разрешающая сила системы с реальными объективами отличается от значений, определяемых по приближенным формулам, причем, иногда очень существенно.

Более правильной могла бы быть оценка качества объектива в виде особой угловой разрешающей способности, определенной на основе фотографической разрешающей способности с учетом величины масштабирования изображения (т. е. фокусного расстояния объектива). Такую характеристику, показывающую насколько мелкие детали объекта могут быть изображены объективом, называют «изобразительной способностью» объектива:

ψ = arctg	cos2ω
R × f

Где: ψ — изобразительная способность (в сантиградах), ω — половина угла поля зрения, f — фокусное расстояние объектива, R — фотографическая разрешающая способность в данной точке изображения.
К изобразительной способности близка т. н. «добротность» фотографической системы:

Θ = arctg	1
2 × R × f

Где: Θ — добротность, f — фокусное расстояние объектива, R — фотографическая разрешающая способность.

Выделяющая способность — величина, обратная диаметру круга, равновеликого по площади геометрическому изображению объекта, предельно опознаваемого по форме:

N =	1
d

Где: N — выделяющая способность, d — указанный диаметр.
Выделяющую способность вводят для описания способности фотографической системы к воспроизведению двумерных объектов, у которых отношение длины к ширине не превышает пяти. Экспериментально установлено, что между выделяющей и разрешающей способностями существует относительно устойчивая взаимосвязь:

N = α × R

Откуда следует, что размер (d) геометрического изображения объекта, опознаваемого по форме, в 1/α раз больше периода предельно разрешаемого поля миры.
Для опознавания формы простых геометрических фигур (круга, квадрата и т. д.) с вероятностью 0,80 коэффицент α = 0,30...0,40.

Пограничная нерезкость, представляемая обычно с помощью пограничной кривой, является мерой визуальной оценки резкости в оптическом или фотографическом изображении, даваемом объективом. Пограничная кривая показывает, как изменяется освещенность (или оптическая плотность) в месте перехода от черного к белому и наоборот. Поэтому пограничную кривую называют кривой перехода или кривой резкости. Для нахождения пограничной кривой в фотоизображении с помощью микрофотометра измеряют оптическую плотность почернения в месте перехода от белого к черному в направлении, перпендикулярном линии раздела. По результатам измерения строят график пограничной кривой. Зона перехода назовется зоной нерезкости и по ее продолжительности, а так же по крутизне перехода судят о резкости или «острости» фотоизображения.

У большинства объективов плоскость изображения с наивысшим разрешением не совпадает с плоскостью изображения, визуально воспринимаемого наиболее резким. В связи с этим оценку качества объективов можно производить также и по величине т. н. фактора резкости, который вычисляется по формуле:

Φ =	f	100%
f + 250 Δ

Где Φ — фактор резкости, f — фокусное расстояние объектива в миллиметрах, Δ — расстояние в миллиметрах между плоскостями изображений, соответствующими наибольшей разрешающей силе и наивысшей резкости.

При факторе большем 80% объектив считается хорошего, а в диапазоне от 70 до 80 процентов — удовлетворительного качества.

Любую систему, предназначенную для получения изображений, можно характеризовать так называемой передаточной функцией, включающей две характеристики: амплитудно-частотную (АЧХ) и фазово-частотную (ФЧХ).

АЧХ показывает, каким образом данная оптическая система влияет на интенсивность проходящей через нее световой энергии. Эта характеристика выражает взаимосвязь между соотношениями интенсивностей, т. е. контрастами, имеющими место, как в самом объекте, так и в его изображении. При этом указанная взаимосвязь определяется в зависимости от пространственных частот, содержащихся в изображаемом объекте, т. е. косвенным образом — от размеров и формы последнего.

ФЧХ показывает, как данная система обеспечивает взаимное расположение точек в изображении (их координаты) в соответствии с расположением идентичных точек в изображаемом объекте. Возможный фазовый сдвиг в положении точек изображения является следствием остаточных аберраций, присущих данной системе, таких как дисторсия, астигматизм, кривизна поля и кома. При этом дисторсия приводит к некоторому постоянному по величине сдвигу, не зависящему от пространственной частоты, а остальные аберрации проявляются в виде ассиметричного распределения световой энергии в пятне рассеяния (дифракционном пятне).

Таким образом, если АЧХ показывает, какие амплитудные искажения вносит данная изображающая система, то ФЧХ характеризует эту систему в отношении вносимых ею фазовых искажений, причем оба вида искажений определяются в зависимости от пространственной частоты деталей в изображаемом объекте.

Следует отметить, что АЧХ проявляется по всему полю изображения, а ФЧХ — главным образом, по краям поля. Для большинства объективов определять ФЧХ не имеет большого смысла, за исключением объективов, имеющих или большие углы поля изображения (сверхширокоугольные объективы), или большие относительные отверстия (сверхсветосильные объективы), а также для объективов, используемых в точной фотографии, для аэрофотосъемки и некоторых специальных видов съемки.

Для большинства съемочных объективов передаточная функция приравнивается АЧХ, которая получила название частотно-контрастной характеристики (ЧКХ). График ЧКХ показывает зависимость между коэффициентом передачи контраста в изображении объекта и пространственной частотой в изображаемом объекте. В общем случае под пространственной частотой понимают величину, обратную периоду решетки, содержащей периодические повторяющиеся штрихи и промежутки между ними.

С целью выявления влияния пространственной частоты решетки на передачу контраста применяют или набор решеток или специальную решетку с изменяющейся частотой ее штрихов.

Лучшей решеткой для определения ЧКХ и последующего анализа является синусоидальная, где яркость изменяется по синусоидальному распределению, однако, такую решетку изготовить очень трудно, поэтому чаще применяется прямоугольная решетка с резким перепадом между яркостями промежутков и штрихов.

Измеренные той или иной методикой значения разрешающей силы и построенные графики характеристик могут быть сравнимы для других объективов только при наличии данных, полученных по в точности той же методике.

Строго говоря, сравнивать возможно только данные, полученные при испытаниях, проведенных одновременно. Любые изменения при исследованиях, касается это тест-объектов (мир), освещенности, светочувствительного материала, режимов проявки и самой методики тестирования, — все будет сказываться на полученных результатах, причем полученные значения могут существенно, в разы, отличаться друг от друга 4). Поэтому, например, абсолютно бессмысленно, без наличия дополнительных опорных данных, напрямую сравнивать значения разрешающей способности объективов, измеренных с использованием нормированной для отечественной промышленности методики с иностранными данными, зачастую — неизвестного способа получения.

4) -- Именно это обстоятельство может служить объяснением случаев подозрительно большой разницы паспортной разрешающей силы старых отечественных объективов по сравнению с объективами более поздних лет разработки.

Разрешающая сила объективов или их «качество» в реальных условиях съемки зависит от множества других факторов:

Во-первых, при съемке реальных объектов, отличных от, как правило, монохромных тест-объектов, применяемых при лабораторных исследованиях, начинает сказываться разнообразный спектральный состав элементов изображения. Именно поэтому, специальные высокоразрешающие объективы для монохромной съемки рассчитываются для применения исключительно со светофильтрами, отсекающими мешающие длины волн.
Во-вторых, качество изображения резко снижается при неточной наводке, из-за колебаний фотоаппарата при съемке и из-за других факторов.

Например, даже небольшие ошибки в фокусировке могут снизить паспортную, лабораторно-измеренную разрешающую силу объектива до 80%. При полностью открытой диафрагме нормального объектива, ошибка в фокусировке на несколько миллиметров может снизить разрешающую силу в два раза.

Ошибки в фокусировке субъективно зависят от опытности фотографа, его внимательности и аккуратности, правильности диоптрической коррекции зрения, а технически — от точности юстировки фотоаппарата, принципиальной точности конструкции дальномерного устройства, типов применяемых при наводке фокусировочных элементов и точностей изготовления этих деталей — фокусировочных экранов и т. д.

Точность работы дальномерного устройства зависит от его конструкции и колеблется в пределах от +0,025 мм до +0,1 мм в плоскости изображений. Погрешность фокусировки по матовому стеклу при полном относительном отверстии объектива составляет +0,05 мм, при диафрагмировании погрешность увеличивается до +0,1 мм. Фокусировочные клинья (клинья Додена) обеспечивают наименьшую погрешность фокусировки +0,025 мм, однако им присущи определенные недостатки при использовании.

Разрешающая способность зависит и от точности и ошибок автофокусировки, если она имеется, от ее типа, чувствительности и быстродействия (для повышения быстродействия разработчики сознательно идут на существенное ухудшение точности работы системы). При съемке малоконтрастных объектов с применением пассивной системы автофокуса вероятность появления нерезких снимков сильно возрастает.

Микро сдвиг изображения, особенно проявляющийся при съемках с рук на выдержках длиннее 1/125 с, а на выдержках длиннее 1/30 с — вообще неизбежный 5), если не использовать штатив или иное устройство или систему стабилизации, влечет за собой ухудшение разрешающей силы на половину и более, если ни приводит к полному смазу изображения (так называемой «шевеленке») — техническому браку фотографии.

В некоторых источниках оценивается максимально достижимая разрешающая возможность объективов при съемки с рук. Отмечается, что при любых условиях реальных съемок, естественные и неустранимые колебания фотоаппарата, находящегося в руках фотографа и вызванные влиянием сердечного пульса, тремором и прочими непроизвольными движениями человеческого тела, в принципе не позволяют делать снимки с разрешающей возможностью более 50 линий на миллиметр. Аналогичная ситуация возникает и при съемке движущихся объектов.

Загрязнение оптики также снижает ее разрешающую силу, несколько отпечатков пальцев на передней линзе объектива может привести к 20-ти процентному ее снижению. То же самое относится и к чистоте фильтров и к их качеству.

Существенно на качество получающихся снимков с точки зрения разрешающей способности, могут повлиять и другие моменты, на первый взгляд не относящиеся к фокусировке, но которые так или иначе снижают контраст изображения — повышенное светорассеяние внутри камеры, паразитные засветки и прочее.

5) -- Приведенные выдержки указаны для нормальных объективов. Линейная величина сдвига изображения зависит от угла поля зрения объектива -- чем меньше угол, т. е. чем больше фокусное расстояние, тем "чувствительнее" объектив к микросдвигам, тем на меньшей выдержке он становится заметным. Обычная ориентировочная рекомендация для малоформатных фотокамер такова: выдержка при съемки с рук не должна быть длиннее 1/f секунды, где f -- фокусное расстояние объектива в миллиметрах.

14. Зрение человека и животных

Устройство глаза

На рис. 14.1 показан поперечный размер глазного яблока человека. Свет попадает в глаз через роговицу и фокусируется хрусталиком на внутренний слой глаза, называемый сетчаткой. Сетчатка преобразует свет в импульсы в нервных волокнах и состоит из трех слоев клеток. Удивительно то, что светочувствительные клетки, известные как колбочки и палочки, формируют слой клеток в задней части сетчатки.

Рис. 14.1. Поперечный разрез глаза

Таким образом, свет должен вначале пройти два слоя клеток, прежде чем он воздействует на колбочки и палочки. Причины для такого обратного устройства сетчатки не полностью поняты, но одно из объяснений состоит в том, что расположение светочувствительных клеток в задней части сетчатки позволяет любому паразитному непоглощенному свету попасть на клетки находящиеся непосредственно позади сетчатки, которые содержат черный пигмент - меланин. Клетки, содержащие меланин, также помогают химически восстанавливать светочувствительный визуальный пигмент в колбочках и палочках после того, как они были отбелены на свету.

Глаза у всех позвоночных похожи на глаза человека, а глаза у беспозвоночных либо сложные (фасеточные) как у насекомых, либо недоразвитые в виде светочувствительного пятна. Только у осьминогов глаза устроены как у позвоночных, но светочувствительные клетки находятся непосредственно на внутренней поверхности глазного яблока, а не как у нас позади других слоев, занимающихся предварительной обработкой изображения.

Внутренний слой сетчатки глаза содержит два типа светочувствительных рецепторов, занимающих область с раствором около 170° относительно зрительной оси: 100 млн. палочек (длинные и тонкие рецепторы ночного зрения), 6.5 млн. колбочек (короткие и толстые рецепторы дневного зрения). Информация от рецепторов передается в мозг по зрительному нерву, содержащему около 800 тысяч волокон.

Колбочки и палочки содержат зрительные пигменты. Зрительные пигменты очень похожи на любые другие пигменты, в том, что они поглощают свет и степень поглощения зависит от длины волны. Важное свойство зрительных пигментов состоит в том, что когда зрительный пигмент поглощает фотон света, то изменяется форма молекулы и в то же самое время происходит переизлучение света. Пигмент при этом изменился, измененная молекула поглощает свет менее хорошо, чем прежде, т. е. как часто говорят, "отбеливается". Изменение формы молекулы и переизлучение энергии некоторым, пока еще не вполне ясным образом, инициируют светочувствительную клетку к выдаче сигнала.

Информация от светочувствительных рецепторов (колбочек и палочек) передается другим типам клеток, которые соединены между собой. Специальные клетки передают информацию в зрительный нерв. Таким образом, волокно зрительного нерва обслуживает несколько светочувствительных рецепторов, т. е. некоторая предварительная обработка изображения выполняется непосредственно в глазу, который, по сути, представляет собой выдвинутую вперед часть мозга.

Область сетчатки, в которой волокна зрительного нерва собираются вместе и выходят из глаза, лишена светочувствительных рецепторов и называется слепым пятном.

Радужная оболочка (рис. 14.1) действует как диафрагма, изменяя количество света, проходящего в глаз. Диаметр зрачка меняется от ~ 2 мм (при ярком свете) до ~ 8 мм (при малой освещенности). За сетчаткой находится сосудистая оболочка, которая содержит капилляры, снабжающие глаз кровью. Наружная оболочка глаза - склера, состоит их плотных волокон.

Глаз - самый универсальный светоприёмник.

До сих пор самым эффективным и совершенным, с точки зрения динамического диапазона (и, в особенности, с точки зрения эффективности обработки и восстановления изображения), светоприёмником является человеческий глаз. Дело в том, что глаз человека совмещает два типа светорегистраторов: палочки и колбочки.

Палочки имеют малый размер и сравнительно низкую чувствительность. Они расположены в основном в области центрального жёлтого пятна и практически отсутствуют на периферии сетчатки глазного дна. Палочки хорошо отличают свет с разной длиной волны, точнее имеют механизм формирования разного нейросигнала в зависимости от цвета падающего потока. Поэтому в условиях нормальной освещенности обычный глаз имеет максимальное угловое разрешение вблизи оптической оси хрусталика, максимальное различие цветовых оттенков. Хотя у некоторых людей наблюдаются патологические отклонения, связанные с уменьшением, а иногда отсутствием способности формировать различные нейросигналы в зависимости от длины волны света. Эта патология называется дальтонизм. Люди с острым зрением практически не бывают дальтониками. Колбочки распределены почти равномерно по всей сетчатке глаза, имеют больший размер и, следовательно, большую чувствительность.

В условиях дневного освещения сигнал от палочек значительно превышает сигнал от колбочек, глаз настроен на работу с ярким освещением (так называемое «дневное» зрение). Палочки по сравнению с колбочками имеют больший уровень «темнового» сигнала (в темноте мы видим ложные светлые «искорки»).

Если неуставшего человека с обычным зрением поместить в тёмную комнату и дать ему адаптироваться («привыкнуть») к темноте, то «темновой» сигнал от палочек сильно уменьшится и в восприятии света начнут эффективнее работать колбочки («сумеречное» зрение).

В знаменитых опытах было доказано, что человеческий глаз (вариант «колбочки») способен регистрировать отдельные 2-3 кванта света. Таким образом, динамический диапазон человеческого глаза: от яркого солнца до отдельных фотонов, составляет 1010 (т. е. 200 децибел!). Наилучшим по этому параметру искусственным светоприемником является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В режиме счета фотонов он имеет динамический диапазон до 105 (т. е. 100 дБ), а с устройством автоматического переключения на регистрацию в аналоговый режим динамический диапазон ФЭУ

может достигать дБ), что в тысячу раз хуже по динамическому диапазону, чем глаз человека.

Спектральный диапазон чувствительности у палочек весьма широк (от 4200 до 6500 ангстрем) с максимумом примерно на длине волны 5550 ангстрем. У колбочек спектральный диапазон более узкий (от 4200 до 5200 ангстрем) с максимумом на длине волны около 4700 ангстрем. Поэтому при переходе от дневного зрения к сумеречному обычный человек теряет способность различать цвета (недаром говорят: «ночью все кошки серы»), а эффективная длина волны смещается в синюю часть, в область высокоэнергетичных фотонов. Этот эффект смещения спектральной чувствительности называется эффектом Пуркинье. Им (косвенным образом) обладают многие цветные CCD-матрицы, несбалансированные по RGB-сигналу на белый цвет. Это следует учитывать при получении и использовании информации о цвете в телесистемах с камерами, не имеющими автоматической коррекции белого.

Чувствительность глаза

При ярком свете чувствительность палочек мала, но при низких уровнях освещенности их чувствительность возрастает и обеспечивает нашу способность видеть при тусклом свете. Палочки содержат пигмент с максимальной чувствительностью на длине волны около 510 нм (точечная линия на рис. 14.2), в зеленой части спектра. Пигмент палочек часто называется зрительным пурпуром из-за его цвета. Максимальная плотность палочек приходится на область с раствором около 20° относительно оси.

Рис. 14.2. Спектральная чувствительность глаза

Колбочек существует три типа отличающихся фоточувствительным пигментом. Колбочки обычно называют "синими", "зелеными" и "красными" в соответствии с наименованием цвета, для которого они оптимально чувствительны. Упомянутые три пигмента имеют максимальные поглощения приблизительно на 430, 530 и 560 нм. Этим длинам волн соответствует не синий, зеленый и красный цвета, а фиолетовый, сине-зеленый и желто-зеленый. Обозначим их как коротко-, средне -, длинноволновые колбочки. Максимальная плотность колбочек достигается в области с раствором порядка 8°×6° относительно оси, называемой желтым пятном. В центре этой области (ямке) к каждой колбочке подходит отдельное волокно зрительного нерва. Это область максимальной остроты зрения. Суммарная кривая спектральной чувствительности глаза для случая яркого освещения, т. е. цветного зрения, показана на рис. 14.2 сплошной линией. Из этих графиков видно почему "ночью все кошки серы". В самом деле, например, отклик на красный цвет (l = 700 мкм) при низких уровнях освещения (точечная кривая на рис. 14.2) практически равен нулю. Поэтому красный цвет ночью будет выглядеть черным.

В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике растет с увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации. Т. е. если изображение сфокусировано для одной из пространственных частот, то на других частотах изображение расфокусировано. Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 560 нм. Так как пики чувствительности средне - длинноволновых колбочек (530 и 560 нм, соответственно) близки к друг к другу, поэтому изображения для этих колбочек могут быть одновременно сфокусированными. Изображение же для коротковолновых палочек будет размытым. Так степень фокусировки разная, то не требуется одинаковой разрешающей способности глаза для разных типов колбочек. В глазу человека на одну коротковолновую колбочку приходится 20 средне - и 40 длинноволновых. В этой связи понятно, почему ширина полосы пропускания для "холодных", коротковолновых цветов в телевидении может быть выбрана существенно меньшей без субъективно заметной потери верности воспроизведения.

Человеческий глаз состоит примерно из 7 млн. колбочек и 120 млн. палочек. Функция палочек заключается в «ночном зрении» - светочувствительности и приспособлении к окружающей яркости. Функция колбочек - «дневное зрение» - восприятие цвета, формы и деталей предмета. В них заложены три типа воспринимающих элементов, каждое из которых воспринимает световое излучение только определенной длины волн, соответствующих одному из трех основных цветов: красному, зеленому и синему. Остальные цвета и оттенки получаются смешением этих трех.