Приемники оптического излучения. Восприятие света глазом. Фотографические приемники излучения

ЛЕКЦИЯ

ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Восприятие света глазом. Хотя визуальные методы измерений сейчас выходят из употребления все же прежде чем говорить о конкретных фотоприемниках (ФП) уместно рассмотреть самый старый и естественный приемник излучения – наш глаз.

 Глаз является одним из наиболее чувствительных ФП в видимой области спектра. В состоянии полной адаптации к темноте (в течение 0.5 – 1 час.) глаз по С.И.Вавилову имеет пороговую чувствительность – 20 фотонов в секунду. Световая адаптация происходит быстрее за 2 – 3 мин и в этом состоянии глаз способен воспринимать световые потоки  до 2_*10^-5 Вт. Т.о. диапазон интенсивностей, воспринимаемых глазом – 10^-17 – 10^-5 Вт. Следует иметь ввиду, что лазеры генерируют потоки излучения намного превосходящие величину 10^‑5 Вт, поэтому попадание в глаз прямого или даже рассеянного излучения приводит к травме глаза, зачастую необратимой – выжиганию сетчатки.

Светочувствительными элементами в глазу служат рецепторные клетки двух видов – палочки (черно-белое сумеречное зрение) и колбочки (цветное зрение), расположенные в сетчатке. Число колбочек – около 7 млн, палочек – 130 млн. Светочувствительное вещество палочек  - это родопсин (сложный белок, состоящий из белка опсина и активного центра ретиналя, λmax=5100Ǻ ). Под действием света ретиналь распрямляется, что в итоге вызывает раздражение нервных клеток и передачу этого раздражения по нервным волокнам в мозг. Считается, что цветовое зрение обусловлено существованием в глазу трех типов приемников, чувствительных порознь к красному, зеленому и синему участку видимого спектра. Расположены  эти три типа приемников в разных или в одной колбочке не установлено. Не выделен также и светочувствительный пигмент из колбочек, хотя есть подозрение что этим пигментом служит иодопсин. Наиболее распространенная точка зрения на механизм работы глаза – фотохимическая. Временное разрешение глаза t зависит от места фиксации излучения на сетчатке. Для центральных областей t@0.1 сек (хорошо распознаются образы). Для периферийного зрения t@0.02 сек (плохо распознаются образы). 

Для оценок пользуются значениями оптических параметров для приведенного глаза: оптическая сила 58.6 диоптрий, передний фокус 17 мм (58.6*0.017≈1) задний фокус 22 мм, расстояние от оптического центра до сетчатки – 15 мм, угловое разрешение 1 минута (при освещенности > 10 лк), расстояние между колбочками 2.5 мкм.

                                                                                                                              (1)

Разрешающая способность глаза задается расстоянием между светочувствительными элементами.

Глаз разрешает 300 оттенков серого цвета и 150 цветовых тонов, что в желтой области дает спектральную разрешающую способность 10 Ǻ. Механизм работы – реакция на изменение светового потока. Модуляция осуществляется движением хрусталика. Низкая скорость обработки информации – 16 бит/сек. Наблюдаемое изображение – более чем на 90% синтезированное в мозгу. Плохое качество оптической системы полностью аккомодированного глаза – хроматическая аберрация и дисторсия (иногда астигматизм). Хорошее субъективное качество изображения – результат обработки.

Фотографические приемники излучения. Одним из наиболее старых инструментальных приемников излучения является фотоэмульсия (ФЭ). ФЭ – это слой желатина, толщиной 5 – 20 мкм, в котором взвешены небольшие зерна – кристаллики галоидного серебра – обычно AgBr. Размеры зерен от 0.05 до 8 мкм. На поверхности этих зерен имеются дефекты – микроскопические инородные частицы металлического или сернистого серебра – центры светочувствительности. У высокочувствительных ФЭ размер зерен, как правило, больше, чем у малочувствительных.

На 1 см² ФЭ приходится до 10¹⁰ кристаллов AgBr, а количество серебра составляет 1 – 1.5 мг/см².

При поглощении света в кристалле AgBr  электрон перебрасывается в зону проводимости. В зоне проводимости электрон мигрирует пока не попадет на поверхномтный дефект – AgS, который захватывает e^– и заряжается отрицательно. Отрицательно заряженный дефект притягивает блуждающие ионы Ag⁺ и нейтрализуется. Возникает элемент скрытого изображения, содержащий 3 – 6 нейтрализованных ионов  серебра.