5.1. Некоторые характеристики зрения

Одним из звеньев автоматических систем управления являются оптоэлектронные устройства отображения информации. Различного рода устройства, включающие табло, мнемосхемы, экраны как коллективного, так и индивидуального пользования предназначены для решения одной и той же задачи — представления поступающей информации в визуальной форме, наиболее эффективной с точки зрения ее восприятия человеком. Основным элементом подобных устройств являются индикаторные приборы, позволяющие преобразовывать электрические сигналы в оптические.

При рассмотрении устройств отображения информации необходимо помнить, что они должны быть согласованы с человеческим глазом, который, как фотоприемник, обладает рядом особенностей.

Прежде всего для глаза характерен относительно узкий диапазон воспринимаемых длин волн, причем чувствительность глаза к разным длинам волн неодинакова. Для описания

этого свойства глаза вводится функция относительной спектральной световой эффективности f(λ) монохроматического излучения, которая определяется, как отношение потоков света с длинами волн λ и λт, вызывающих зрительные ощущения одинаковой силы (λт выбирается таким образом, чтобы максимальное значение этого отношения было равно единице).

Подпись: Рис. 5.1. Относительная спектральная световая эф¬фективность излучения для ночного  (1) и дневного  (2) зрения

На рис. 5.1 приведены графики функций f(λ)и f '(λ)для дневного и ночного зрения соответственно. Для яркостей L10 кд/м2 максимум функции f(λ) наблюдается при λ = 555 нм (на этой длине волны 1 Вт потока излучения соответствует 680 лм светового потока). В условиях малой яркости (L ≤0,01 кд/м2) функция f '(λ) имеет максимум при λ≈508 нм.

Подобное свойство глаза объясняется наличием в нем рецепторов двух типов (палочек и колбочек), которые содержат светочувствительные пигменты двух типов (родопсин и иодоп-син). Более чувствительные (палочки) работают при низких уровнях освещенности (яркости) и реагируют на свет в интервале длин волн 380—640 нм. Колбочки, реагирующие на свет с длинами волн от 410 до 720 нм, менее чувствительны. Положение максимума кривой в интервале значений яркости от 0,01 до 10 кд/м2 определяется, таким образом, результатом реакции на свет рецепторов как одного, так и другого типов.

Глаз является уникальным фотоприемником, воспринимающим свет в очень широком диапазоне значений яркости. Нижний порог чувствительности глаза (минимальная яркость светового пятна, обнаруживаемого на темном фоне) составляет около 1·10–7кд/м2, верхний порог (при котором возникают болевые ощущения) равен примерно 105 —106 кд/м2. В индикаторной технике используют излучатели, имеющие яркость 10—1000 кд/м2. Так, например, яркость экрана черно-белого телевизионного кинескопа составляет 100—200 кд/м2, а яркость сигнальной таблички «выход» в кинотеатрах—около 10 кд/м2.

Важной характеристикой фотоприемника является его разрешающая способность. Она оценивается по минимальному углу αm, при котором удается различить две соседние точки объекта. Так, если l0 — расстояние до объекта (например, элемента символа, высвечиваемого индикатором), a h0 — его высота, то для уверенного считывания должно выполняться условие

, (5.1)

где αm —выражен в радианах.

Обзор зоны максимального разрешения глаза характеризуется углами 16—20° по горизонтали и 12—15° по вертикали. В соответствии с этим формат экрана для средств отображения информации выбирают таким образом, чтобы отношение его ширины к высоте составляло от 4/3 до 5/3.

Для уверенного считывания необходимо, чтобы яркость источника на некоторое значение ΔLa превышала среднюю яркость La всего окружающего информационного поля, включающего и другие излучатели, попадающие в поле зрения (фактически La — это яркость, к которой адаптируется глаз). Минимальное значение отношения

, (5.2)

при котором ΔLa еще различимо глазом при данном уровне La, называют пороговым контрастом. В рабочем диапазоне яркостей (10—1000 кд/м2), где kП = 0,02÷0,05, необходимо, чтобы контраст изображения kя (отношение яркостей объекта и фона) превосходил kП не менее чем в 10 раз.

При построении систем отображения информации, в которых изображение возникает под действием периодических сигналов, нужно учитывать тот факт, что зрение обладает инерционностью. Существует граничная частота, при превышении которой исчезает эффект мерцания индикатора. Для индикаторов с L > 100 кд / м2 критическая частота мелькания составляет примерно 50 Гц. Если частота мельканий выше критической, то кажущаяся яркость мерцающего излучателя рассчитывается как средняя за период.

Важное значение при создании систем отображения информации является обеспечение правильной цветопередачи. Способность глаза воспринимать цвет основана на том, что один из типов рецепторов сетчатки глаза—колбочки—имеют три разновидности, отличающиеся составом светочувствительного вещества и реагирующие главным образом на свет определенных областей спектра—красный, зеленый и синий. Воспринимаемая глазом многоцветная картина окружающего нас мира в результате оказывается комбинацией откликов этих рецепторов на воздействие длин волн трех основных цветов. Математически такую комбинацию можно представить в виде вектора в трехмерном пространстве, оси координат которого задаются векторами, соответствующими красному (λr = 700hm), зеленому (λG = 564,1 нм) и синему (λв=435,8 нм) цветам.

Введение в оптоэлектронику


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.