Основные светотехнические единицы

2.3    Основные светотехнические единицы

Оптические изображения характеризуются набором светотехнических величин. Основными являются: световой поток, сила света, освещенность и яркость.

Светом называется часть электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 380 до 770 нм,  воспринимаемая  человеческим глазом.

Световой поток (F) - мощность излучения, оцениваемая по его воздействию на нормальный глаз. Единица измерения – люмен (лм). Экспериментально установлено, что в максимуме кривой восприятия – 550 нм одному ватту (1 Вт) мощности излучения соответствует световой поток 683 лм, для белого цвета эта величина – 220 лм, а 100 Вт лампа накаливания создает световой поток 800 -1500 лм.

Сила света (I) - плотность светового потока в телесном угле. Сила света характеризует неодинаковость излучения светового потока в разных направлениях. Единицей силы света является канделла (кд) – которая соответствует равномерному распределению в телесном угле в 1 стерадиан светового потока в 1 лм. Средняя сила света определяется отношением излучаемого светового потока к полному телесному углу (4p). Для примера 100 Вт лампа накаливания обладает силой света 60 -120 кд.

Освещенность (Е) – это распределение плотности светового потока по поверхности, на которую он падает. Единицей освещенности является люкс, который создается световым потоком в 1 лм на площадке в 1 м².

Для примера освещенность экрана в кинотеатре составляет  от 40 до 200 лк,освещенность страницы книги при чтении–примерно 20 лк, освещенность в тени летом – 1000  лк,  освещенность на пляже в летний, солнечный день – 100 000 лк.

Яркость - плотность силы сета, излучаемой с поверхности. Единицей яркости является канделла/м². Светящиеся поверхности по способу их светового возбуждения можно разделить на два вида: самосветящиеся (экран ТВ, нить лампы накаливания) и вторичные, отражающие или пропускающие часть падающего на них света (киноэкран, плафон люстры).

Для примера яркость киноэкрана составляет 10 - 30 кд/м², яркость телевизионного экрана – 40 – 80 кд/м² , яркость пламени спички – 5000 кд/м², яркость нити лампы накаливания – около 5.000.000  кд/м², яркость солнца – 1,5 млрд. кд/м² .

2.4    Характеристики оптических изображений

Процесс передачи телевизионного изображения начинается с построения двумерного оптического изображения трехмерных объектов, расположенных в пространстве. Рассмотрим наиболее существенные для телевизионного преобразования харак­теристики оптического изображения.

Освещенность в плоскости оптического изображения Е₀ определяется освещенностью объекта Е_об, его отражательными свойствами, характеризуемыми коэффициентом отражения, а также параметрами объектива – прозрачностью, диаметром входного зрачка, фокусным расстоянием. Относительное отверстие объектива делается обычно регулируемым с помощью диафрагмы, изменяющей диаметр входного зрачка.

Четкость оптического изображения характеризуется качеством воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей способностью объектива.

Наличие искажений изображения, возникающих в оптических системах – аберраций, приводит к тому, что точка воспроизводится в виде кружка и две близко расположенных точки на объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное расстояние между двумя светлыми точками, на котором они еще воспроизводятся раздельно, называется разрешаемым расстоянием, а величина, обратная ему - разрешающей способностью объектива. Она оценивается максимальным числом пар черно-белых линий на 1 мм, воспроизводимых на изображении. Аберрации уменьшаются при диафрагмировании объектива, т.е. при уменьшении относительного отверстия. Однако чрезмерное уменьшение относительного отверстия приводит к возрастанию дифракционных явлений, снижающих разрешающую способность.

Глубина резкости. При формировании изображений объектов, протяженных по глубине, разрешающая способность объектива реализуется лишь для деталей, расположенных на одинаковом от него расстоянии, т.е. в плоскости резкого изображения. Точки, расположенные дальше и ближе от этой плоскости, будут воспроизводиться на изображении уже не в виде точек, а в виде кругов различных диаметров (круги размытия). Глубина резкости  - это глубина воспроизводимого пространства ∆A = А₁ —A₂, для которого максимально допустимый диаметр круга размытия d не превышает некоторой заданной величины. Повышение глубины резкости можно обеспечить только диафрагмированием объектива.

6.2. СИСТЕМА ЦТ SECAM

         Разработка начата во Франции в 50-е годы. В 1965-66г. и затем доработана совместно с учеными СССР и с 1967 г.и одновременно начато вещание. Распространена в странах восточной Европы, Ближнего и Среднего Востока, Африки. Названа по французским словам SeguentielCouleuraMemoire – поочередность цветов и память.

         Главная особенность – за строку передается только один цветоразностный сигнал, которые передаются в канал передачи поочередно, что позволяет избежать перекрестных искажений, присущих NTSC. Второй важной особенностью является применение ЧМ поднесущей цветоразностными сигналами. Кроме того, для повышения помехоустойчивости передают сигналыD_R и D_В, где D_R= -1,9E_R-Y и D_В=1,5E_B-Y. Если посмотреть формулы получения цветоразностных сигналов, то видно, что максимум E_R-Y на красном 0,7 и сине-зеленом –0,7, а E_B-Y - на желтом 0,89 и синем –0,89. Это приводит к разной девиации частоты у этих сигналов. Введение коэффициентов устраняет это (1,9х0,7=1,5х0,89=1,33). Выбор знака минус объясняется так: статистические исследования показали, что в красном преобладают положительные значения, а в синем – отрицательные. Изменив знак красного добиваются, что в обоих сигналах преобладает отрицательная девиация частоты, что повышает устойчивость системы к ограничению верхней боковой полосы сигнала цветности, возникающее в каналах связи (что особенно важно для тех стран, где уменьшена полоса частот яркостного сигнала).

         Применение ЧМ дает выигрыш в помехоустойчивости при выборе индекса модуляции больше 1 (широкополосная ЧМ). Использовать это в SECAM невозможно из-за необходимости ограничения спектра сигналов цветности. Здесь индекс модуляции в среднем равен 0,2. Кроме того, приходится существенно уменьшить размах цветоразностных сигналов. В NTSC он достигает 120% яркостного, что благодаря отсутствию поднесущей почти незаметно на черно-белом приемнике. В SECAM ЧМ поднесущая воспринимается сильнее и приходится уменьшать размах цветоразностных сигналов до 20-25% яркостного. Все это делает ее крайне уязвимой к шумовым помехам, и без специальных коррекций, которые представлены на рис.6.3, она не смогла бы конкурировать с другими системами.

Рис.6.3. Методы повышения помехоустойчивости системы SECAM

Одна из них – НЧ коррекция (рис. 6.3.а), основанная на специфическом для ЧМ спектральном распределении шума на выходе частотного дискриминатора – треугольником. Тогда максимум шума сосредоточен в верхней части спектра и, использовав цепь коррекции с АЧХ 2, можно достичь заметного улучшения отношения сигнал/шум. Однако верхние частоты сигнала также будут подавлены. Чтобы не возникли эти искажения на передающем конце производят предкоррекцию 3, которая поднимает ВЧ составляющие спектра цветоразностных сигналов на столько, на сколько они будут подавлены в приемнике. При этом для сигнала изменений не происходит, но шумы канала связи будут подавлены. Еще один вид коррекции производится до ЧД и потому получил условное название ВЧ коррекции (рис.6.3.б). Она основана на механизме взаимодействия сигнала и шума и проникновении составляющих шума на выход ЧД. Это взаимодействие будет проявляться как дополнительная девиация частоты полезного сигнала помехой, зависящая от амплитуды шума и разности частот его и сигнала. Поэтому в телевизоре корректирующей цепью подавляют ВЧ составляющие цветоразностных сигналов, а на передающей стороне их поднимают.

Предискажение сигнала на передающей стороне 3 сводится к увеличению амплитуды ЧМ сигнала в зависимости от величины девиации, т.е. сигнал цветности приобретает еще и АМ. После прохождения сигнала через ВЧ корректор АМ исчезает и он приобретает первоначальную форму. Этот способ дает заметный выигрыш не для всех цветов, потому что частота настройки корректора постоянна, а частота поднесущей меняется в зависимости от передаваемого цвета. После изучения вопроса перешли на передачу сигналов цветности на двух разных поднесущих: красный 4406,25 кГц (282 f_стр), синий 4250 кГц (272 f_стр), а цепь коррекции настраивают на частоту, находящуюся между поднесущими – 4286 кГц.

         Достоинства системы SECAM:

1. Теоретически полностью исключены перекрестные искажения      между сигналами цветности, хотя из-за несовершенства работы коммутаторов они все-таки могут проходить;

     2. Нечувствительность к дифференциально-фазовым искажениям (для NTSC – 10-12⁰);

    3. Меньшая чувствительность к изменениям амплитуды сигналов цветности.

Недостатки:

1.     Большая восприимчивость к флуктуационным помехам, особенно при достаточно малых сигналах;

2.     Худшая совместимость: в черно-белых телевизорах из-за отсутствия режекции поднесущих ее структура достаточно заметна;

3.     Сильнее проявляются перекрестные искажения яркость-цветность;

Хуже цветовая четкость из-за последовательности передачи цветов, что особенно сказывается на горизонтальных границах насыщенных цветов – получается комбинация цветов

жидкокристалли́ческий индика́тор

прибор для визуального воспроизведения информации, действие которого основано на электрооптическихэффектах в жидких кристаллах (ЖК). Бывают мозаичные, матричные и аналоговые жидкокристаллическиеиндикаторы. Мозаичный жидкокристаллический индикатор состоит из двух герметично скреплённых попериметру стеклянных пластин, между которыми имеется зазор (5—20 мкм), заполненный ЖК. Навнутренних поверхностях пластин нанесены прозрачные электроды и ориентирующие покрытия. Видотображаемой информации зависит от формы электродов, которые представляют собой сегменты цифровыхили буквенно-цифровых символов, условные символы, целые слова или элементы мнемосхемы. Вматричном жидкокристаллическом индикаторе множество одинаковых элементов образовано напересечении строк и столбцов электродов, расположенных взаимно перпендикулярно. Управляющиеэлектрические сигналы подаются на элементы по каждой строке последовательно. Контраст изображениясущественно увеличивается, а время записи кадра уменьшается при использовании в матричныхиндикаторах транзисторов, диодов и других нелинейных управляющих элементов. В таких активныхиндикаторах матрица управляющих элементов расположена на одной из подложек жидкокристаллическогоиндикатора, а каждый элемент отображения соединён последовательно с управляющим элементом иуправляется им. Аналоговый жидкокристаллический индикатор используется для отображения информации ваналоговой (непрерывной) форме. Он представляет собой слой ЖК, ориентированный ограничивающимиповерхностями электродных пластин. Измеряемое напряжение прикладывается между обоими электродами.Жидкокристаллические индикаторы нашли широкое применение в качестве цифровых индикаторов наручныхи настольных часов, микрокалькуляторов, комнатных термометров, медицинских термометров и тонометров(приборов для измерения артериального давления), рекламных устройств, дорожных знаков, мониторовперсональных компьютеров и т. д.

Схемажидкокристаллическогоцифровогоиндикатора:

1–передняяпластина;2–электродысемисегментногознакоместа;3–выводы;4–токоперевод;5–герметик;6–задняяпластина;7–общийэлектрод