Основная «проблема», с которой сталкиваются ученые, изучающие свет, заключается в том, что свет имеет двойственную природу: он ведет себя как волна (нематериальная природа) — это явления рефракции и отражения — и обладает также свойствами материальной природы — широко известный фотоэффект, открытый Генрихом Герцем в XIX веке и объясненный Албертом Эйнштейном в 1905 г. Поэтому в последнее время в физике принято полагать, что свет имеет «двойственную» природу.
На этом этапе следует отдать должное, по крайней мере, нескольким самым крупным ученым-физикам, и, в частности, специалистам по теории видимого излучения, без работ которых современный уровень технологий был бы невозможен.
Одним из первых физиков, объяснивших многие природные явления, включая и свет, был Исаак Ньютон. В XVII веке он доказал, что свет имеет корпускулярную природу. И так считалось до Христиана Гюйгенса, который позже, но тоже в XVII веке, выдвинул волновую теорию света. Многие ученые глубоко уважали Ньютона и не изменили своих взглядов до самого начала XIX века, когда Томас Юнг продемонстрировал интерференцию света. Август Френель тоже проделал ряд убедительных экспериментов, четко демонстрирующих волновую природу света.
Важной вехой стало появление на научной сцене Джеймса Кларка Максвелла: в 1873 г. он доказал, что свет представляет собой высокочастотную электромагнитную волну.
С помощью его теории удалось оценить величину скорости света, как она известна нам сегодня: 300 000 км/сек. Эксперименты Генриха Герца подтвердили теорию Максвелла. Герц открыл явление, которое известно как фотоэффект: свет может выбивать электроны с освещаемой металлической поверхности. Однако ему не удавалось объяснить тот факт, что энергия испускания электронов не зависит от интенсивности света, что в свою очередь противоречило волновой теории. С точки зрения волновой теории, большая интенсивность света должна увеличивать энергию испускаемых электронов.
Этот камень преткновения удалось обойти Эйнштейну: он использовал разработанную Максом Планком теорию квантования энергии фотонов, представляющих минимальную порцию переносимой светом энергии. В рамках этой теории свет обрел свою двойственную природу, т. е. сочетание волновых и корпускулярных свойств.
Таким образом, эта теория наилучшим образом объясняет большинство световых явлений, и поэтому в CCTV (замкнутое, кабельное охранное телевидение или видеонаблюдение) мы будем использовать теорию «двойственного подхода».
При анализе линз, используемых в системах видеонаблюдения, мы будем в большинстве случаев опираться на волновую теорию света, но при этом не следует забывать и о том, что есть такие понятия, как функционирование ПЗС-матриц, например, отражающее корпускулярную природу света, т. е. его материальную природу. Поэтому в этих случаях мы будем использовать корпускулярный подход.
Естественно, что в реальности свет требует применения обоих подходов, и мы всегда должны помнить о том, что они не являются взаимоисключающими.
Основы теории света и глаз человека
Свет — это электромагнитное излучение. Человеческий глаз может реагировать на это излучение и различать частоты, которые воспринимаются глазом как цвет. Посмотрите на рис. 2.1 электромагнитное излучение включает все частоты, или длины волн. Видимый свет занимает лишь небольшое «окно» этого диапазона. Это окно лежит в диапазоне от 380 нм до 780 нм. Чтобы легче было запомнить, мы приближенно примем границы диапазона равными 400 нм и 700 нм. 400 нм соответствует фиолетовому цвету, а 700 нм — красному. По мере увеличения длины волны цвет непрерывно переходит от фиолетового к голубому, зеленому, желтому, оранжевому и красному. Для определения средней чувствительности человеческого глаза было проделано множество экспериментов и тестов, и, как видно из рисунка, не все цвета оказывают одинаковое воздействие на сетчатку глаза.
Рис. 2.1. Электромагнитный спектр и чувствительность человеческого глаза
Глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Другими словами, если собрать все длины волн с равной энергией, то зеленый будет иметь наибольший «выход» на сетчатке. Частоты выше фиолетового (длины волн короче 400 нм) и ниже красного (длины более 700 нм) не воспринимаются «средним» человеческим глазом. Я подчеркиваю здесь «средним», потому что чувствительность человеческого глаза — это статистическая величина. Есть люди с «цветовой слепотой», чья спектральная чувствительность отличается (обычно уже) от показанной на рисунке. Некоторые люди с «цветовой слепотой» не видят красный цвет, другие не различают голубой. Натренированный профессиональный глаз художника или фотографа может развить очень высокую чувствительность, различая такие частоты (цвета), которые другим могут казаться одинаковыми. Некоторые могут даже выйти за минимальный и максимальный предел воспринимаемых частот, то есть различать темно-фиолетовый или красный цвет, невидимый для других индивидов.
Есть один интересный вопрос, который мы можем задать сами себе: почему максимум спектральной чувствительности лежит в зеленом цветовом диапазоне (около 555 нм)? Возможно, это связано с тем фактом, что большая часть солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, сконцентрирована на длинах волн порядка 555 нм.
В течение миллионов лет, когда проходила эволюция жизни на планете, у нас (и почти у всех животных) развивалось зрение, способное воспринимать те длины волн, которые были наиболее доступны (по крайней мере, в дневное время). Альтернативой является ночное зрение животных, которые охотятся на теплокровных млекопитающих. Тепло, излучаемое телом, — это и есть инфракрасная радиация. Вот типичные представители: змеи, кошки и совы. Некоторые змеи, к примеру, кроме глаз для общего зрения, обладают инфракрасно-чувствительными органами, при помощи которых змея может определить температурные изменения менее 0.5 °C (1° F). Кошки, в том числе и дикие — леопард, пума и другие члены семейства кошачьих, известны своим прекрасным ночным зрением, а это означает, что их реакция в ближнем инфракрасном диапазоне намного лучше, чем реакция человеческого глаза.
Мы остановимся на глазе человека, а для этого важно понимать его «конструкцию».
Эти вопросы и сами по себе интересны, но, кроме этого, мы найдем еще и массу концептуальных аналогий между устройством глаза и ТВ-камеры.
На рис. 2.2 мы видим глазную линзу (хрусталик), которая и фокусирует изображение на сетчатке.
Сетчатка — это на самом деле «фоточувствительная область», состоящая из миллионов клеток — колбочек и палочек. Эти клетки можно рассматривать как часть нашей нервной системы. Колбочки чувствительны к средней и яркой интенсивности света и воспринимают цвета. Палочки чувствительны к низким уровням света и не способны различать цвета. Ночью мы видим благодаря палочкам, поэтому в темноте мы не можем различать цвета.
Число колбочек в каждом глазе приблизительно составляет 10 млн., а палочек — около 100 млн. Колбочки сконцентрированы вокруг области прохождения оптической оси. Эта область окрашена желтым пигментом и называется желтым пятном. Желтое пятно является основной областью, которую обрабатывает наш мозг, и, хотя она очень мала, концентрация колбочек в ней составляет около 50 000. Среднее фокусное расстояние глаза (то есть расстояние между хрусталиком и сетчаткой при разглядывании бесконечно удаленного объекта) составляет около 17 мм. Такое фокусное расстояние дает резкое изображение в пространственном угле, равном примерно 30°. Это также и размер области, где больше всего колбочек. Именно поэтому угол в 30° считается стандартным углом зрения.
Концентрация колбочек возрастает по направлению к центру оптической оси, достигая максимума лишь на 10°. Каждая из клеток-кол бочек соединяется с мозгом отдельным зрительным нервом, по которому электрические импульсы посылаются в мозг. Конечно, глаз видит и под гораздо большим углом, так как сетчатка охватывает пространственный угол почти в 90°, и колбочки есть и вне желтого пятна, но к одному нерву в этом случае подсоединена группа колбочек. В этой области мы видим не так четко, как в области, где к каждой колбочке подсоединен отдельный нерв, поэтому эта часть сетчатки называется областью периферического зрения.
Рис. 2.2. Схема устройства глаза
Рис. 2.3. Аналогии между устройством глаза и камерой
«Секция обработки изображения» в головном мозге сконцентрирована на 30°, хотя видим мы лучше примерно на 10°. Обработка поддерживается постоянными движениями глаза во всех направлениях, что аналогично панорамной головке в видеонаблюдении.
