Оптические преобразователи сигнала

Содержание

Введение

1. Основные оптические приборы

2. Зрительная система как приемник оптической информации

3. Кинескоп черно-белого телевидения

4. Электронный прожектор

5. Экран кинескопа

6. Применение оптических приборов

Список используемой литературы

Введение

Окружающие нас предметы обладают свойством отражать падающий на них световой поток. В подавляющем большинстве случаев - это диффузное отражение, хотя нередко встречается и зеркальное отражение, характерное для так называемых зеркальных поверхностях, к которым относятся полированные и лакированные поверхности, поверхности жидкостей и др.

Способность каждого предмета или его деталей различно отражать световой поток или излучать (самосветящийся предметы) являются оптическим свойством объекта, а отраженный (излученный) каждой деталью предмета световой поток является источником зрительной информации о предмете, воспринимаемой наблюдателем. Отражательные свойства тел описывают коэффициентом отражения

p=Fo/F

где Fo -отраженный световой поток; F- световой поток, падающий на отраженную поверхность.

Световой поток, обладающий наблюдаемые предметы, определяет их освещенность Eo. Освещенность различных участков трехмерного наблюдаемого объекта будет различна, так как участки расположены на различных расстояниях от облучающего источника, одни детали затеняют другие и т.д. Поэтому трехмерный объект, обладающий постоянным коэффициентом отражения по всей поверхности, может быть виден в деталях.

1. Основные оптические приборы

Назначением оптических приборов является получение на экране или в светочувствительных устройствах (глаз, фотопленка и др.) четких изображений: удаленных крупных предметов, мелких деталей близких крупных предметов, близких мелких предметов, нормальных предметов в глазу с аномальными оптическими свойствами, предметов, проектированных на большие экраны. В соответствии с этим оптические приборы подразделяются на зрительные трубы (в том числе телескопы), лупы и микроскопы, очки, проекционные аппараты.

Оптические приборы увеличивают угол зрения для изображения по сравнению с углом зрения, соответствующим рассматриваемому предмету. Углом зрения называется угол, под которым в оптическом центре глаза сходятся лучи от крайних точек предмета или его изображения. Увеличение оптического прибора:

N=tq gи/tq gп

где gи и gп - соответственно углы зрения для предмета и изображения.

Оптические приборы обычно дают двумерное (плоское) изображение трехмерных (пространственных) предметов (объектов). Ограничение угла раскрытия пучков света от предмета, необходимое для получения достаточно четкого изображения, осуществляется с помощью апертурной диафрагмы - круглого отверстия в непрозрачном экране. Апертурная диафрагма может быть установлена в приборе, до или после него.

Входным и соответственно выходным зрачком оптического прибора называется те из отверстий в нем (или их изображений), которые сильнее всего ограничивают углы раскрытия входящих в прибор и выходящих и выходящих из него пучков света (рис.1). Если Апертурная диафрагма находится внутри прибора, то ее изображение в передней по отношению к предмету части прибора служит входным зрачком, а изображение в задней части прибора - выходным зрачком.

Угол, под которым виден радиус входного зрачка из точки пересечения оптической оси прибора с плоскостью предмета, называется апертурным углом. Угол, под которым виден радиус выходного зрачка из точки пересечения оптической оси с плоскостью изображения, называется углом проекции.

Рис.1

Для ограничения поля зрения (в плоскости предмета) помимо апертурной диафрагмы, применяется диафрагма поля зрения, роль которой может играть оправа одной из линз системы. Действительно контур диафрагмы поля зрения или его изображения в части системы расположенной между этой диафрагмой и предметом, называется люком.(входным окном). Наиболее диафрагмирование поля зрения осуществляется тогда, когда плоскости люка и предмета совпадают.

Отношение площади апертурной диафрагмы к квадрату фокусного расстояния передней (по отношению к предмету) линзы- объектива оптической системы - называется его светосилой I. Это отношение определяет освещенность изображения.

Отношение максимального диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию объективу называется относительным отверстием объектива G.

Освещенность изображения

E~G

Величины I и G определяют также резкость изображения, которая уменьшается с ростом I и G.

Лупа представляет собой систему из одной или нескольких линз с небольшим фокусным расстоянием (f=10 - 100 мм). Дает мнимое увеличение изображения предмета на расстояние наилучшего зрения D (250 мм для нормального глаза) или в бесконечности, т.е. рассматриваемое глазом без усилия аккомодации. Увеличение N=D/f в обоих случаях практически одинаково.

Микроскоп представляет собой комбинацию двух оптических систем (из одной или нескольких линз) - объектива и окуляра, разделенных значительным по сравнению с f1 и f2,расстоянием.

Малый объект помещается вблизи переднего фокуса объектива, дающего его увеличенное действительное изображение, которое рассматривается с помощью окуляра, играющего роль лупы. Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра:

где f1 и f2 - фокусные расстояния объектива и окуляра, - расстояния между фокусами обеих систем, D - расстояние наилучшего зрения.

Для малых величин f1 и f2 величина N может иметь порядок 10.

Пределы величине N кладутся дифракционными явлениями. Освещение предмета в микроскопе широкими пучками света (для увеличения разрешающей способности микроскопа) производится с помощью конденсора, фокус которого располагается в плоскости предмета. Объектив должен удовлетворять условию апланатизма для точек возле его фокуса, а также должен быть ахроматизирован. Для ослабления отражения света, происходящего в покровном стекле микроскопа, применяются иммерсионные объективы.

Зрительные трубы представляют собой комбинацию двух оптических систем (из одной или нескольких линз) - объектива и окуляра. Действительное уменьшенное изображение удаленного предмета, даваемое объективом, рассматривается через окуляр как лупу. Увеличение зрительных труб:

где f1 и f2 -фокусные расстояния соответственно объектива и окуляра. Для бесконечно удаленных объективов передняя фокальная плоскость окуляра совмещается с задней фокальной плоскостью объектива (телескопическая система). Величины N для телескопов лежат в пределах 75-200, для зрительных труб - в пределах 7-20.

Проекционные приборы представляют собой комбинацию короткофокусного конденсора (обычно из двух линз) и объектива, дающею на экране действительное увеличенное изображение предмета. Свет от малого источника проходит через конденсор, предмет (обычно прозрачный диапозитив или фотопленку), сходится в фокусе конденсора, совпадающий с входным зрачком объектива, и направляется на экран. Линейное увеличение проекционного прибора:

где d -расстояние от объектива до экрана, f -заднее фокусное расстояние конденсора.

Оптическая система спектральных приборов состоит из источника света в виде узкой щели, переднего объектива, призмы или дифракционной решетки и заднего объектива. Передний объектив (коллиматор) преобразует расходящейся пучок света от щели в параллельный, задний объектив сходит пучок лучей на экране (или на фотопластинку), располагаемый в его фокальной плоскости. Изображение представляет собой спектр (ряд изображений входной щели прибора в лучах с разными длинами волн).

Призма обычно располагается под углом наименьшего отклонения. Линейное увеличение спектрографа:

где f1 и f2 -фокусные расстояния переднего и заднего объективов. Если линза коллиматора целиком освещена, то светосила спектрального прибора определяется светосилой второй линзы.

2. Зрительная система как приемник оптической информации

Зрение, т.е. получение зрительной информации о внешнем мире - форме вещей, их пространственном изображении, цвете, движении и так далее, осуществляется с помощью зрительной системы. Зрительная система состоит из органа зрения - глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга. Хотя физиологическое и морфологическое строение глаза изучено достаточно полно, все же механизм зрительной системы в целом еще далеко не ясен. В последние несколько лет появилось большое число работ и проведено много исследований в области изучения процессов формирования восприятия зрительных образов. Развитие таких областей науки, как бионика, кибернетика и теория информации, на ряду с достижениями физиологии, медицины, психологии и других областей науки открывает новые возможности для изучения работы зрительной системы, для выяснения механизма восприятия и распознавания образов. Изучение этих вопросов открывает, в свою очередь, путь к созданию искусственных систем распознавания образов, выполняющих функции зрения человека. Есть все основания полагать, что для решения частных практических задач пропускная способность таких систем будет значительно выше, чем у зрительной системы человека.

Глаз, являющийся внешним органом зрения, представляет собой оптическую систему, с помощью которой формируется изображение окружающих нас предметов на сетчатке. Последняя образует светочувствительное дно глазного яблока. Оптическая система глаза довольна проста, она легко управляться с помощью хорошо организованного мышечного аппарата. Так, путем изменения кривизны хрусталика глаза автоматически фокусирует изображение тех предметов, которые мы хотим рассмотреть в данный момент. Диапазон фокусировки охватывает предметы, удаленные от наблюдателя на десятки сантиметров до бесконечности. Кроме того, автоматически устанавливается оптическая ось глаза так, чтобы подвергающейся рассматриванию изображение проецировалось на центральную часть сетчатки (фовеа), обладающей наибольшей разрешающей способностью (содержащей в своем составе колбочковые окончания).

Разрешающая способность глаза определяется строением сетчатки, которая представляет собой мозаику из светочувствительных нервных окончаний. В соответствии с теорией действительного зрения существует два вида нервных окончаний - фоторецепторов. Колбочки - рецепторы аппарата дневного зрения, характеризуемого малой световой чувствительностью, но зато большой разрешающей способностью и цветоразличительными свойствами. Палочки - рецепторы аппарата сумеречного зрения, не обладающего способностью различать цвета, имеющего малую разрешительную способность, но зато большую световую чувствительность.

Центральная часть сетчатки содержит только колбочки, а периферия - колбочки и палочки. Причем плотность колбочек убывает с удаления от центра, а плотность палочек почти постоянна. Фоторецепторы через сложную нервную систему связаны со зрительным центром головного мозга.

Световое разрешение сетчатки вызывает появление импульсов с различными частотами повторения, которые по сложным цепям проводящей системы поступают к головному мозгу. Но прежде чем сигнал поступит в вышележащие отделы, но подвергаются сложной обработке - кодированию.

Механизм анализа поступающий извне зрительной информации, ее обработки, кодирования и расшифровки еще далеко не изучен.

Зрительный канал представляет собой сложную систему преобразований и передачу информации, которая может быть рассмотрена с позиций общей теории связи. Изучение системы с этих позиций, во-первых, позволяет установить закономерность и взаимосвязь большого накопленного экспериментального материала о различных сторонах и свойствах зрительного восприятия, что, в свою очередь, будет способствовать дальнейшему изучению функциональной деятельности сложной системы зрения. Во-вторых, изучение зрительной системы как канала связи облегчит построение ее технических аналогов.

Весьма приближенно структурная схема зрительной системы может быть проиллюстрирована рис. 2.

Функции оптической системы и анализатора изображения выполняет глаз.

Сетчатая оболочка глаза трансформирует оптическую информацию сформированного на ней изображения в информацию в форме биотоков и осуществляет ее анализ и кодирование. В сложной нервной системе, соединяющей сетчатку глаза с корой головного мозга, обеспечивается ее дальнейшая обработка: выбор полезной информации, оптимальное кодирование и передача к клеткам головного мозга. Здесь путем сравнения с накопленными ранее сведениями производится декодирование, т.е. расшифровка полученных сигналов или, иными словами, распознавание образа. Сведения о новых образах поступают также в систему памяти, т.е. накопительную систему. Сделаны попытки определить отдельные характеристики зрительной системы исходя из общей теории связи, о чем речь пойдет ниже. Здесь же остановимся на вопросе пропускной способности зрения.

Формально можно оценить пропускную способность из следующих соображений. Считая, что полезная зрительная информация, поступающие в глаз, сосредоточена в пространственном угле ясного зрения, и знаю разрешающая способность глаза и время, необходимое для расшифровки наиболее сложного образа, можно подсчитать максимальный поток информации за единицу времени.

Приняв поле ясного зрения за прямоугольник с размерами ав=12 по вертикали и аг=16 по горизонтали положив разрешение глаза d=1 ,получим число регистрирующих информацию элементарных участков в поле ясного зрения N=(aг/d) (aв/d)=(16 60/1) (12 60/1)=700000. Приняв число возможных состояний каждого элемента равным m, определим максимальное количество информации в одном изображении, дв. ед./изобр.: Imax=N log2m. Если время распознавания одного образа равным Тр, то пропускная способность зрительной системы, дв. ед./с: Сзр=Imax/Тр=(N/ Тр)log2m.

Приведенный расчет значения Сзр не дают возможности однозначно определить пропускную способность зрительной системы и носит скорее формальный характер. В самом деле, определенное здесь Imax характеризует некое гипотетическое изображение, в котором равновероятны любые значения m для каждого элемента, тогда как реальным изображениями всегда присуще большие или меньшие поля равного состояния (по цвету и по яркости). С другой стороны, очевидно, чем сложнее изображение (чем больше I), тем больше время Тр, необходимое для его распознавания, и последнее само является функцией I. В силу сказанного пропускания способность зрительной системы может быть определена лишь экспериментально. Рядом исследователей пропускания способность зрения определялась путем предъявления наблюдателю конечного количества заранее известных образов; время предъявления ограничивалось. Исходя из количества правильно опознанных образов, определялась пропускная способность зрения, которая может быть оценена всего лишь 50…70 дв. ед./с. Это различие в величии не пропускаемой и поступающей в глаз информации еще раз подтверждает осуществление весьма тщательного отбора информации в зрительной системе, а также колоссальную роль психологической деятельности и накопленного опыта в процессе распознавания образов. Для сравнения приведем некоторые значения пропускной способности информационных систем человека (по Купфмюллеру). Скорость при чтении с учетом статистики языка примерно 30…40 дв. ед./с, при сложении двух однозначных чисел 12дв.ед./с, а при вычитании одного числа из другого - всего 3 дв.ед./с.

В рассмотренной схеме (рис.2) глаз является приемником внешнего раздражения, приемником информации извне. Создавая ту или иную систему воспроизведения изображений, необходимо обеспечить на ее выходе максимально приближение изображения к непосредственному восприятию образа глаза.

3. Кинескопы черно - белого телевидения

Кинескоп - приемная электронно-лучевая трубка с люминофорным экраном, преобразующая мгновенные значения ТВ сигнала в последовательность световых импульсов, совокупность которых образует ТВ изображение. Развертывающим элементом в кинескопе является сфокусированный электронный луч. Воспроизведение изображения на экране обеспечивается отклонением луча по закону развертки и модуляцией его плотности сигналом изображения.

По назначению различают кинескопы прямого наблюдения, в которых изображение создается непосредственно на экране, и проекционные. Последние используются для проекции изображения на большой экран и системах бегущего светового луча. Наиболее широко распространены кинескопы прямого наблюдения. Они применяются индивидуальных ТВ приемниках, видеоконтрольных устройствах ВКУ, используемых на ТВ центрах, и в промышленных телевизионных устройствах ПТУ, видоискателях передающих телевизионных камер и др.

Устройство кинескопа схематически изображено на рис.3. Основными частями являются: стеклянная колба 8, электронно-оптическая система 2, формирующая электронный луч и люминофорный экран. На горловине кинескопа помещается отклоняющая система 3, с помощью которой формируется магнитное поле, обеспечивающее перемещение электронного луча в процессе развертки изображения.

Экран представляет собой слой люминофора 7, покрытый тонкой пленкой алюминия 6. В цилиндрической горловине колбы помещен электронный прожектор 2. Второй анод прожектора соединен с проводящим покрытием 4, нанесенным на внутреннюю поверхность колбы и горловины. Вывод второго анода 5 сделан через колбу, а остальных электродов - через цоколь 1.

Рис.3 Кинескоп черно-белого телевидения.

4. Электронный прожектор

Электронным прожектором называется конструктивный узел Электронно-лучевого прибора, состоящий из катода и ряда электродов, которые обеспечивают ускорения, фокусировку и управление плотностью электронов луча. Электронный прожектор должен сформировать электронный луч с током в несколько сот микроампер и диаметром луча в плоскости экрана не более 0,5 мм, а также обеспечить возможность модуляции тока луча сигналом изображения. Причем для получения изображения с требуемой контрастностью при приемлемых уровнях модулирующего сигнала прожектор должен обладать достаточно крутой модуляционной характеристикой. Электронный луч может быть сфокусирован с помощью электромагнитных или электростатических полей. Преобладающая часть современных кинескопов имеет электронный прожектор с электростатической фокусировкой, которая не требует увеличения габаритов отклоняющих систем за счет размещения в их корпусе фокусирующий катушки, дополнительного увеличения мощности источников питания, менее чувствительна к изменению питающих напряжений, стабильна во времени, в связи с чем не требует оперативной регулировки.

Рис. 4

Конструктивно электронный прожектор представляет собой систему цилиндрических электродов (Рис. 4) и состоит из подогревателя 1, термокатода 2, модулятора 3, ускоряющего электрода 4, фокусирующего электрода 5, второго анода 6. Построенный по такой схеме прожектор называется пентодным. Применение пентодного прожектора в кинескопе позволяют ослабить влияние изменения потенциала ускоряющего электрода на качество фокусировки электронного луча.

Большинство прожекторов современных кинескопов строят по двухлинзовой оптической схеме. При этом фокусировка электронного луча осуществляется в двух зонах: в поле иммерсионного объектива и в поле главной фокусирующей линзы.

Иммерсионный объектив образуют: термокатод 1, модулятор 2 и ускоряющий электрод. Благодаря высокой разности потенциалов между катодом и ускоряющим электродом (Uу=500…800В) и малым расстоянием L между этими электродами в зоне иммерсионного объектива создается сильная напряженность электрического поля, конфигурация сечения эквивалентных поверхностей которого на рис.5,а обозначена штриховыми линиями. Эмитируемые с поверхности катода электроны попадают в поле иммерсионного объектива (рис. 5,а,б) и собираются в плоскость его фокуса в узкий пучок, сечение которого называется кроссовером.

Рис.5.Фокусировка электронного луча: а - выход электронов из прожектора; в - двухлинзовая оптическая система.

Диаметр кроссовера Кр оказывается значительно меньше диаметра той части катода, с которой электроны попадают в отверстие модулятора. После кроссовера пучок электронов снова расходится и попадает в фокусирующее поле главной фокусирующей линзы, которая переносит изображение кроссовера в плоскость экрана. При этом сечение пучка в плоскости экрана имеет размер кроссовера. Таким образом, использование двухлинзовой оптической системы (рис.5,б) позволяет сравнительно просто получить в плоскости экрана сечение луча с радиусом не более 0,5 мм при существенно большем радиусе эмитирующей поверхности катода.

Интенсивность свечения экрана кинескопа определяется плотностью луча, регулировку которой удобно осуществлять, изменяя потенциал управляющего электрода - модулятора.

5. Экран кинескопа

Для преобразования сигнала в световое изображение используется явление люминесценции, заключающиеся в способности атомов, молекул и ионов некоторых веществ испускать свет при переходе из состояния с повышенной энергией (возбужденное состояние) в состояние с меньшей энергией. Вещества, обладающие такой способностью, называются люминофорами.

Возбуждение атомов некоторых веществ может быть вызвано электрическим полем или током, при этом возникает электролюминесценция. Вещества, обладающие свойством электролюминесценции, называется электролюминофорами.

В телевидении используется катодолюминесценция - свечение, вызванное ударами быстролетящих электронов. Бомбардировка люминофора быстрыми электронами приводит его в возбужденное состояние, при котором электроны атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие энергетические уровни внешних орбит. Возвращаясь с внешних орбит на прежние уровни, электроны излучают кванты света.

Люминофоры, применяемые для экранов кинескопов, представляют собой кристаллические вещества различного химического состава. Это могут быть окислы, силикаты, сульфиды и фосфаты цинка, кадмия, магния, кальция, активированные различными металлами. Активацией добиваются повышения эффективности и необходимого спектрального состава излучения. Электрооптические характеристики люминофорных экранов зависят от химического состава вещества люминофора, технологии его нанесения и условий возбуждения.

Важнейшими характеристиками экрана является цвет свечения, инерционность и световая отдача. Цвет свечения экрана определяется типом выбранного люминофора. Для экранов черно-белых кинескопов используется люминофор БМ-5, являющийся смесью сульфида цинка и сульфида кадмия: ZnS(AgZn) 47%; cdS: (Ag)53%. Спектральная характеристика излучения данной смеси имеет два максимума (рис. 6). Первый мах находится в области излучения, соответствующего ощущению синего цвета, а второй мах совпадает с кривой видности глаза (штриховая линия), что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет свечения люминофора БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответствует цветовой температуре 9700 К.

Рис.6. Спектральная характеристика

Рис.7. Характеристика люминофора черно-белых кинескопов послесвечения люминофор

Одной из важнейших характеристик работы экрана кинескопа является его инерционность, определяющая длительности возгорания и послесвечения люминофора. Длительность возгорания люминофора tэ достаточно мала. Основным параметром инерционности люминофора является длительность послесвечения Тпс, в течение которой яркость экрана уменьшается до 0,01максимального значения после прекращения возбуждения люминофора (рис.7, сплошная кривая). Длительность послесвечения является существенным параметром при выборе люминофора для экранов электронно-лучевых приборов различного назначения.

Эффективность преобразования энергии электронов луча в световое излучение характеризуется светоотдачей экрана К, определяемой отношением силы света I, кд, излучаемой экраном к мощности Р, Вт, электронного луча. Светоотдача зависит от энергии электронов луча, типа люминофора, способов его нанесения и может изменится от десятых долей канделы на ватт до 15 кд/Вт.

Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эмпирической зависимостью n

I=K iл (U2 -U0)

где К-светоотдача; i -ток луча; U2 -напряжение второго анода кинескопа; U0 -пороговое напряжение второго анода, при котором происходит возбуждение люминофора.

6. Применение оптических приборов

Идеальных оптических систем, которые давали бы абсолютно стигматические изображения, не существует. Многие оптические приборы предназначены для получения изображений предметов на экранах, на светочувствительных пленках или в глазу.

Для получения больших увеличений применяется микроскоп. Он позволяет различать отдельные детали объекта, которые для невооруженного глаза или при наблюдении с простой лупой сливаются в точку, т.е. микроскоп лучше, чем лупа, разрешает тонкую структуру объекта. Однако, осуществляя большое увеличение, мы можем повысить разрешающею способность микроскопа лишь до известного предела. Это связано с тем фактом, что наши представления свете, как о лучах уже оказывается слишком грубыми, становится необходимым учитывать волновые свойства света. Сказанное относится не только к микроскопу, но и к другим оптическим приборам.

В военных оптических приборах, предназначенных для наблюдений (бинокли, стереотрубы), расстояние между центрами объектов всегда значительно больше, чем расстояние между глазами, и удаленные предметы кажутся значительно более рельефными, чем при наблюдении без прибора. Наоборот, театральные бинокли предназначены для рассматривания сцены, реальная глубина которой мала где ощущение глубины создается искусственно, с помощью декораций.

Для облегчения рассматривания снимков применяется стереоскоп. Производя фотографирование местности двух точек, получают два снимка, рассматривая которые в стереоскопе можно ясно видеть рельеф местности. Большая острота стереоскопического зрения дает возможность применять стереоскоп для обнаружения подделок документов, денег и т.д.

Исключительное значение имеют зрительные трубы (телескопы) в астрономии. Современные телескопы имеют огромные размеры и представляют собой весьма сложные сооружения. При наблюдении используется той или иной прибор (лупа, микроскоп, зрительная труба), глаз не посредственно рассматривает не сам предмет, а его изображение в приборе. При больших потерях за счет поглощения и отражения света преломляющими поверхностями яркость изображения соответственно снижается.

Список используемой литературы

1. В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Н.А. Ерганжиев и др. Телевидение. М.: Радио и связь,1986.

2. Г.С. Ландсберг. Элементарный учебник физики. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1958.

3. Б.М. Яворский, А.А. Детлав. Справочник по физике. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1963.

4. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике. Издательство «наука» ф-м литература. Москва 1965.

5. З.М. Пруслин, М.А. Смирнова. Радиотехника и электроника. Издательство «Высшая школа», Москва 1970.