Приборы и устройства для формирования видимого изображения: Учебное пособие, страница 4

При разработке любого УОИ необходимо, в первую очередь, учитывать особенности человеческого зрения, которое отличается исключительным своеобразием. Прежде всего следует отметить, что видимая область спектра лежит в диапазоне длин волн 380 - 760 нм, что составляет лишь малую часть оптического диапазона (1 мм – 1 нм). Чувствительность глаза человека к излучению разных длин волны различна и характеризуется усредненной спектральной характеристикой глаза как фотоприемника (кривой видности глаза человека). Спектральная зависимость абсолютной силы светового воздействия на глаз человека от длины волны приведена на рис. 1.5. Кривая видности принята международной комиссией по освещению – МКО.

В максимуме чувствительности (в области зеленого цвета на длине волны 555 нм) излучение при мощности 1 ватт вызывает зрительное ощущение, эквивалентное ощущению от светового потока 680 люмен. Обычно принимают, что 1 ватт зеленого цвета соответствует 600 лм, синего - 400 лм, а красного - 100 лм. Для широкополосного белого света 1 ватт излучения эквивалентен 360 лм. В сумерках максимальная чувствительность достигается в области более коротких длин волн, т.е. кривая смещается влево на 50 - 60 нм. Глаз ребенка воспринимает излучение и более коротких длин волн – с 315 нм.

 Увеличение яркости источника раздвигает диапазон видимых длин волн. Так, интенсивное ИК-излучение (860 нм) арсенид-галлиевого лазера воспринимается как красное (660 нм).

Из кривой видности следует, что излучение мощностью 100 мкВт с длиной волны 700 нм (красный цвет) покажется менее ярким (почти в 100 раз), чем с длиной волны 555 нм (зелёный цвет). Красный свет мощностью 1 мВт вызывает появление боли в глазах. Глаз человека способен приспосабливаться к восприятию сильно различающихся по яркости объектов. Эта способность характеризуется логарифмическим законом Вебера-Фехнера:

             ,                                                                        (1.2)

где  и  - ощущаемая физиологически и реальная яркости источника, и - константы. Динамический диапазон воспринимаемых яркостей чрезвычайно широк - от 10^-7 кд/м² в темноте до 10⁵ кд/м² при яркой внешней засветке. Для сравнения отметим, что яркость излучения поверхности белой бумаги в солнечный день в тени составляет (2000 - 3000) кд/м², экрана телевизора - (200 - 300) кд/м² , а снега в безлунную ночь - 5×10^-4 кд/м².

В интервале 10^-7 - 1 кд/м² восприятие обусловлено сумеречным зрением и цвета не различаются. Сумеречное зрение наступает после темновой адаптации глаза, для которой требуется примерно 45 минут. Рецепторы глаза - палочки, ответственные за сумеречное зрение, почти в 100 раз более чувствительны, чем колбочки, и реагируют на такой низкий уровень энергии, как 60 квантов сине-зеленого цвета (510 нм). Световое или дневное зрение наступает после адаптации к фоновой яркости минимум 3 кд/м² в течение примерно 2 минут.

Еще одной особенностью зрения является его инерционность: при частоте световых посылок более 15 - 20 Гц глаз перестает ощущать мерцание. При этом эффективность воздействия периодических импульсов света на глаз, или кажущаяся яркость мерцающего источника, равна средней за период наблюдения яркости (закон Тальбота):

                               ,                                                                   (1.3)

 где - длительность импульса излучения, - период следования импульсов, - скважность, - яркость излучения в импульсе. При очень ярких вспышках и большой скважности кажущаяся яркость оказывается больше, чем это следует из закона Тальбота.

Разные по яркости источники вызывают неодинаковые зрительные ощущения: практически человек различает не более 8-10 градаций яркости (полутонов). Поэтому если информация кодируется изменением яркости, то нельзя использовать более 4-5 градаций. Для высокой надежности распознавания кода желательно ограничиваться 2-мя градациями (белый - черный).

Разрешающая способность глаза близка к 1^/, т.е. к способности различить два штриха, разделенных промежутком в 3 мм, на расстоянии 10 метров. Для быстрого и безошибочного восприятия простого объекта (цифры, буквы, простые символы или фигуры) необходимо, чтобы их угловые размеры были не менее 1⁰. Оптимальная высота объекта  при этом может быть рассчитана из следующего соотношения:

                           ,                                                              (1.4) 

где  - расстояние от глаза до индикатора. Полный угол зрения по горизонтали близок к 120⁰, по вертикали - к 90⁰. Для зоны максимального разрешения глаза величина соответствующих углов составляет 20⁰ и 15⁰.

Для восприятия изображения очень важна его контрастность. Количественно яркостный контраст определяется в общем случае следующим соотношением:

                                                    ,                                        (1.5)

где  - яркость изображения, - яркость фона. Изображение воспринимается только тогда, когда контраст для данного угла зрения и яркости превышает некоторое пороговое значение. Это условие иллюстрирует рис. 1.6, на котором приведено соотношение контраста, угла зрения и яркости. Точки на рисунке, лежащие ниже заштрихованной поверхности, соответствуют условиям, при которых зрительное ощущение не вызывается. Обычно необходимо обеспечить условия, при которых K= (30 - 15) K_пор. Зависимость приведена для времени воздействия 0,3 с.

Очень важным фактором восприятия является цветность изображения. Цвет представляет собой характеристику света, отличную от яркости, благодаря которой наблюдатель может обнаружить различие между двумя структурными пятнами одинакового размера и формы, т.е. цвет сам по себе может кодировать информацию.

Принято выделять семь главных цветов. Соответствующие им длины волн (нм) приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Длины волн основных цветов