Strona główna Telewizja Dozorowa Optyka dla każdego. Część 1.

Optyka dla każdego. Część 1.

UDOSTĘPNIJ

Piotr Rogalewski


Pracę w branży zabezpieczeń zaczynałem w czasach, gdy na polskim rynku powszechne były kamery czarno-białe o czułościach rzędu 0,5-1,0 lx, rozdzielczość obrazu zawierała się w granicach 270–330 linii TV, pojęcie kamery PTZ kojarzyło się z ciężkim zestawem złożonym z obrotnicy, kamery, obudowy i promienników, a do rejestracji obrazu służyły magnetowidy i taśmy magnetyczne.
Przez blisko 20 lat generacja urządzeń security zmieniła się kilkukrotnie, kilkunastokrotnie wzrosła rozdzielczość generowanego obrazu, a pojemność zapisu urządzeń rejestrujących powiększyła się kilkaset czy nawet kilka tysięcy razy. Jest jednak coś, co do dziś pozostało niezmienne i ma duży wpływ na jakość obrazu w systemie telewizji dozorowej. Tak jak 20 lat temu, tak i teraz obowiązują bowiem te same prawa optyki. Dziś, w dobie rozdzielczości 4K, kamer hemisferycznych czy obiektywów o wartości F poniżej jedności te zasady są szczególnie istotne, a ich poznanie i zrozumienie może znacząco podnieść jakość instalowanych systemów telewizji dozorowej.
Zachęcam Czytelników „a&s Polska” do zapoznania się z cyklem artykułów pod wspólnym tytułem „Optyka dla każdego”. Napisane w przystępny sposób, z minimalną ilością matematycznych wywodów, poruszają najistotniejsze aspekty związane ze światłem i jego właściwościami, wyjaśniają jednostki miar obowiązujące w optyce, opisują budowę i rodzaje obiektywów oraz zjawisk, które w nich zachodzą, a co najważniejsze – korelują tę wiedzę z codzienną praktyką w pracy projektanta i instalatora systemów telewizji dozorowej.
„F” czy „f”? Rozdzielczość obrazu, przetwornika, a może optyczna? Jak działa obiektyw? Czułość, głębia ostrości, filtr IR, plamka Airy’ego, aberracja, dyfrakcja, dyspersja? Zachęcam gorąco do lektury!

 

Światło jakie jest…
„…każdy widzi”, chciałoby się sparafrazować opis konia z „Nowych Aten” Benedykta Chmielowskiego. I jest to w tym miejscu doskonałe odniesienie. Bo choć najczęściej nie zdajemy sobie nawet z tego sprawy, wszystko, co widzą nasze oczy, jest w istocie światłem, generowanym przez obiekty, odbitym lub rozproszonym przez nie, ale wciąż światłem. Wchodząc do całkowicie ciemnego pomieszczenia, bez sztucznego źródła oświetlenia, nie widzimy przedmiotów, które przecież wciąż tam są. Bo jeśli nie ma światła, które mogłoby te przedmioty oświetlić i się od nich odbić, to nie odbieramy informacji, czyli właśnie obrazu tych przedmiotów. Patrząc na obiekty, które same nie są źródłami światła, widzimy tylko te barwy, które nie są przez te obiekty pochłaniane [1]. Przykładowo, cytryna w naszych oczach jest żółta, bo poza zakresem fal światła, który jest przez nas postrzegany jako kolor żółty, jej powierzchnia pochłania pozostałe długości fal. Kolor jako taki jest w istocie wrażeniem powstającym w naszym mózgu, a nie w otaczającej nas przestrzeni.

Światło jest formą energii, która docierając do naszych oczu, pobudza ukryte w nich receptory, dzięki czemu możemy widzieć (więcej na ten temat w kolejnej części cyklu). Taki opis światła jest jednak bardzo ogólny, niekompletny i niedokładny, zatem dla uporządkowania nazewnictwa i przygotowania wiedzy do dalszych rozważań potrzebujemy kilku definicji.

Promieniowanie elektromagnetyczne
Światło jest formą energii. Ściślej rzecz ujmując, jest ono formą promieniowania elektromagnetycznego. Zanim więc zdefiniujemy dokładniej światło, warto określić, czym jest owo promieniowanie. Najczęściej promieniowanie elektromagnetyczne jest definiowane jako fala poruszająca się w przestrzeni i niosąca energię elektromagnetyczną [5]. W (nomen omen) świetle współczesnej fizyki, szczególnie fizyki kwantowej, jest tu jednak konieczne pewne uzupełnienie, bo z falami związane są kwanty (cząstki), czyli np. fotony [2]. Zaraz, zaraz, to w końcu fala czy cząstka? Jedno i drugie. Ta niejednoznaczność to dualizm korpuskularno-falowy [3] (korpuskuła – cząstka materii [4]). Chodzi o to, że obiekty kwantowe, a takimi są np. fotony, czyli elementarne cząstki światła, są trochę jak kameleon i w zależności od sytuacji różnie się manifestują. Fotony, tak jak inne cząstki (np. elektron), mogą więc posiadać pęd (znany z fizyki w szkole podstawowej), ale również objawiać się w zjawiskach interferencji czy dyfrakcji (o tym dalej), co jest już typowe dla fali. To „zagadnienie kameleona” jest na tyle poważne, że jako dział fizyki optyka dzieli się na klasyczną (falową) i kwantową (zajmującą się fotonami). Dlaczego w ogóle o tym mówimy?
Na przykład dlatego, że dzięki interpretacji kwantowej mamy dziś lasery, a z kolei zrozumienie falowych właściwości światła pozwala tworzyć doskonalsze obiektywy i minimalizować zniekształcenia obrazu, np. aberrację sferyczną i chromatyczną (o tym też w kolejnych artykułach).

Promieniowanie elektromagnetyczne, dla uproszczenia, w dalszych rozważaniach będziemy traktować jako falę, a w przypadku światła do reprezentacji cząsteczkowej przejdziemy tylko wówczas, gdy będzie to potrzebne. Promieniowanie elektromagnetyczne, jak sugeruje nazwa, obejmuje dwie składowe: elektryczną i magnetyczną, które się wzajemnie indukują, czyli wzbudzają, tzn. zmienne pole elektryczne indukuje zmienne pole magnetyczne, i odwrotnie [5]. Dzięki zasadzie indukcji elektromagnetycznej działają m.in. silniki elektryczne, prądnice czy alternatory samochodowe. Te dwa pola są ze sobą nierozerwalnie związane i tworzą właśnie fale elektromagnetyczne.

Spektrum promieniowania elektromagnetycznego obejmuje m.in. fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne i ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie oraz promieniowanie gamma [6]. Poglądowo przedstawiono to na rys. 1.

Rys.1. Spektrum elektromagnetyczne źródło: www.wikipedia.org, domena publiczna. Tłumaczenie opisów: użytkownik Wikipedia.org „Adi”

Fale te różnią się częstotliwością, a tym samym właściwościami. Ogólnie zależność jest taka, że im mniejsza długość fali elektromagnetycznej (a tym samym większa jej częstotliwość), tym bardziej skupiona jest wiązka energii i tym więcej tej energii fala ze sobą niesie. W przypadku światła zależność tę widać wyraźnie w prostym wzorze na energię fotonu:

(Ef – energia fotonu, h – stała Plancka1),
v – częstotliwość fali światła)

Płynnie przeszliśmy od fali do cząstek – fotonów, gdyż powyższy wzór jest właśnie idealnym przykładem istnienia dualizmu korpuskularno-falowego światła: energia cząstki (fotonu) zależy wprost proporcjonalnie od częstotliwości fali, która ten foton „niesie”. I teraz najważniejsze: w odniesieniu do światła widzialnego częstotliwość fali określa barwę światła odpowiadającego tej fali (patrz tab.). Wynika z tego szereg istotnych zjawisk, a powyższa wiedza przyda się przy omawianiu dyspersji, aberracji chromatycznej czy korekcji dla pasma podczerwieni w obiektywach przeznaczonych do pracy z kamerami typu dzień/noc.

Światło widzialne
Mniej więcej już wiemy, co to jest promieniowanie elektromagnetyczne. Światło widzialne natomiast jest definiowane jako ta część promieniowania elektromagnetycznego, która jest dostrzegalna przez człowieka [7] i na którą reaguje siatkówka naszego oka. Nie można ściśle określić zakresu długości fal dla światła widzialnego. Wynika to z faktu, że siatkówki oczu każdego z nas są zbudowane nieco inaczej i ich czułość, szczególnie na barwy skrajne widma widzialnego, różni się w zależności od osoby.

Rys.2. Orientacyjny zakres widmowy światła widzialnego: V – fiolet, B – niebieski, G – zielony, Y – żółty, O – pomarańczowy, R – czerwony. Wartości liczbowe to orientacyjne granice długości fal w nanometrach. Źródło: www.wikipedia.org, domena publiczna.

Ogólnie przyjmuje się, że jest to zakres od ok. 380 do ok. 750 nm (nanometrów, miliardowych części metra; włos ludzki ma średnicę stokrotnie większą). Z lewej strony widma widzialnego rozciąga się ultrafiolet, z prawej podczerwień bliska i daleka (głęboka). Światło widzialne jest niewielkim wycinkiem spektrum promieniowania elektromagnetycznego.

Promieniowanie optyczne
W fizyce występuje również pojęcie promieniowania optycznego [8]. Jest to zakres promieniowania elektromagnetycznego obejmujący promieniowanie ultrafioletowe, światło widzialne i podczerwień. W odniesieniu do długości fali zakres ten definiuje się od 100 nm do 1 mm. Promieniowanie optyczne podlega prawom optyki falowej (to już znamy) i geometrycznej, która przyda się nam w kolejnych częściach cyklu, przy okazji omawiania działania soczewek, obiektywów itd.
Orientacyjne długości fal dla poszczególnych zakresów kolorów światła widzialnego, a także ultrafioletu i podczerwieni zebrano w poniższej tabeli.

Tab. Orientacyjne zakresy długości i częstotliwości fal w spektrum promieniowania optycznego

Na podstawie tabeli można łatwo wyjaśnić dwie kwestie. Pierwsza to skąd wzięły się nazwy ultrafiolet (inaczej nadfiolet czy w skrócie UV – Ultraviolet) i podczerwień (w skrócie IR – ang. Infrared Radiation) – te zakresy promieniowania leżą bezpośrednio „nad” i „pod” zakresem długości fal związanych odpowiednio z kolorami fioletowym i czerwonym.
Druga kwestia to odpowiedź na pytanie, dlaczego w kamerach telewizji dozorowej działanie promienników podczerwieni o długości fali 850 nm widać w nocy (delikatnie świecą na czerwono), a promieniowanie podczerwone emitowane przez modele z wiązką 940 nm jest niewidoczne. Wynika to z faktu, że wstęga promieniowania z okolic 850 nm „zahacza” o pasmo widzialne w zakresie koloru czerwonego, natomiast 940 nm jest dalej „w prawo” w widmie elektromagnetycznym i ludzkie oko tego promieniowania już nie dostrzega. Jeszcze dalej w widmie elektromagnetycznym mamy tzw. daleką podczerwień, którą wykorzystują kamery termowizyjne.

I jeszcze ciekawostka. Zwyczajowo o barwach w zakresie od żółtego do czerwonego mówi się, że są one ciepłe. Przeciwieństwem są barwy zimne, czyli od zielonego w stronę fioletu. Takie przypisywanie temperatury wiąże się z subiektywnymi odczuciami, gdy patrzymy na różne barwy, ale ma też uzasadnienie naukowe. William Herschel [9], niemiecki astronom i konstruktor teleskopów żyjący na przełomie XVIII i XIX w., wykonał doświadczenie polegające na pomiarze za pomocą termometrów rtęciowych temperatury barw składowych światła słonecznego rozszczepionego w pryzmacie. Jak się okazało, im bliżej koloru czerwonego, tym wyższa była temperatura. Największą wartość pokazał termometr umieszczony tuż pod wiązką koloru czerwonego. W. Herschela uznaje się za odkrywcę promieniowania podczerwonego.

Światło białe
Pojęcie światła białego wydaje się oczywiste. To najbardziej naturalny rodzaj światła, jaki znamy. Ale wbrew nazwie zawiera ono pełen zakres (wszystkie) długości fal pasma widzialnego (o tym przekonamy się za chwilę przy okazji omawiania dyspersji). Najbardziej powszechnym źródłem światła białego jest słońce, które emituje szerokie spektrum promieniowania optycznego, z ultrafioletem i podczerwienią włącznie [10]. Światło białe, choć o nieco mniejszym spektrum, emitują także żarówki tradycyjne i halogenowe. Generalnie rzecz biorąc, światło białe powstaje w tzw. źródłach gorących, które generują promieniowanie optyczne wskutek nagrzania np. metalu do znacznej temperatury. Świetlówki, w tym tzw. żarówki energooszczędne, emitują światło na zupełnie innej zasadzie. Tak naprawdę są to lampy fluorescencyjne, które emitują promieniowanie ultrafioletowe, wtórnie wzbudzające świecenie luminoforu. Zależnie od składu chemicznego luminofor może generować światło o różnej barwie, w tym w różnych odcieniach koloru białego. Świetlówki, szczególnie starszego typu, nie są jednak źródłami „czystego” światła białego, co jest jednym z powodów, dla których w kamerach czasem przydaje się funkcja balansu bieli. Są jeszcze źródła LED (Light Emitting Diode), ale one również nie generują „czystego” światła białego.

Światło + okulary = refrakcja
Zanim przejdziemy do omówienia działania przyrządów optycznych, takich jak soczewki czy obiektywy, musimy jeszcze wyjaśnić kilka istotnych zjawisk, które zachodzą z udziałem światła. Pierwszym z nich jest refrakcja [11]. Fale elektromagnetyczne poruszające się w jednym ośrodku (np. w powietrzu), trafiając na ośrodek o innej gęstości (np. szkło czy woda), na granicy tych ośrodków ulegają załamaniu, czyli refrakcji. Załamanie jest w istocie zmianą kierunku rozchodzenia się fali na skutek zmiany jej prędkości przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego. Przykład praktyczny: jeśli włożysz łyżeczkę do szklanki z wodą i spojrzysz na szklankę z boku, zobaczysz, że część łyżeczki wystająca z wody „nie zgrywa się” z częścią poniżej jej powierzchni – łyżeczka wygląda, jakby była złamana, bo refrakcja światła w wodzie i szkle wywoduje takie właśnie wrażenie.

Fot.1. Refrakcja w praktyce (zdjęcie autora)

Zjawisko to dokładnie opisuje prawo Snelliusa (prawo załamania) [11], a badaniami zjawisk związanych z refrakcją zajmuje się osobny dział optyki zwany dioptryką. Jeśli tak jak ja jesteś krótkowidzem, to masz właśnie wadę refrakcji oka, bo światło nie jest prawidłowo skupiane na siatkówce, lecz przed nią (przez analogię, u dalekowidza punkt ogniskowania znajduje się za siatkówką). Remedium na tę przypadłość są okulary lub soczewki kontaktowe, które korygują wadę refrakcji, załamując światło w taki sposób, by jeszcze przed dotarciem do soczewki oka brało „poprawkę” na wadę wzroku. Wielkość („moc”) tej korekcji określa się w dioptriach.

Dyspersja, czyli jak powstaje tęcza
Kolejnym ważnym pojęciem jest dyspersja [11]. Pojęcie „światło białe” jest nieco mylące, bo tak naprawdę jest to całe spektrum barw, a różne barwy światła odpowiadają różnym częstotliwościom fal elektromagnetycznych. Wynika z tego, że światło białe nie ma pojedynczej, określonej częstotliwości fali. Skąd jednak to wiemy? Najlepiej udowodnić to doświadczalnie. Wykorzystajmy zjawisko refrakcji, ale w szczególnym przypadku. Otóż tak można dobrać różnice gęstości ośrodków (np. powietrza i szkła) i tak ustawić kąt padania wiązki światła, aby nie przenikła ona granicy ośrodków, tylko się od niej odbiła. Zjawisko takie nosi nazwę całkowitego wewnętrznego odbicia i jest podstawą działania pryzmatu.

Rys.3. Dyspersja wiązki światła białego w pryzmacie 5-ściennym. Grafika renderowana komputerowo, autor: Soren Peo Pedersen

Dodajmy do tego jeszcze jeden niezwykle istotny element. Okazuje się, że współczynnik refrakcji (wielkość załamania na granicy ośrodków) zależy od częstotliwości fali elektromagnetycznej. Wynika to z faktu, że prędkość poruszania się fali w danym ośrodku (np. powietrzu) zależy od częstotliwości tej fali i właśnie ta cecha jest nazywana dyspersją. Dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu oraz dyspersji możemy analizować widmo światła białego padającego na pryzmat, bo każda fala (w uproszczeniu barwa) składowa światła białego będzie odbijać się pod nieco innym kątem. Efekt działania dyspersji widział chyba każdy w postaci tęczy. W warunkach naturalnych białe światło słoneczne ulega rozszczepieniu w kroplach deszczu na barwy widmowe. W warunkach laboratoryjnych potrafi to zrobić np. pryzmat. Dyspersja jest przyczyną jednej z uciążliwych wad układów optycznych, a mianowicie aberracji chromatycznej (o tym w kolejnych artykułach).

W tym momencie mamy już wystarczający zasób wiedzy, aby zająć się omawianiem przyrządów optycznych, z których najbardziej fascynującym jest ludzkie oko. Jego działaniem (w ogólności), soczewkami oraz wpływem niektórych zjawisk (np. dyfrakcji) na jakość obrazu w telewizji dozorowej zajmiemy się w następnym artykule. Gwarantuję, że czas poświęcony na lekturę definicji i podstaw teoretycznych z tego artykułu zwróci się z nawiązką w kolejnych częściach cyklu.

1) Stała Plancka jest jedną z podstawowych stałych fizycznych, jej wartość to h?6.626070040×10-34J•s. Wprowadził ją niemiecki fizyk Max Karl Ernst Ludwig Planck, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1918 r. Stała ta jest podstawą równań mechaniki kwantowej.
[1] W.D. Wright, The rays are not coloured: essays on the science and vision and colour, Hilger, Bristol, 1967.
[2] H. Stoecker, Nowoczesne kompendium fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2010
[3] M. Arndt, O. Nairz; J. Voss-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger,
Wave–particle duality of C60, Nature no. 401 (6754), 14 October 1999,
[4] Słownik języka polskiego PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN, wydanie 1, 2018 r.
[5] Z. Piątek, P. Jabłoński, Podstawy teorii pola elektromagnetycznego, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2017
[6] T. Morawski, W. Gwarek, Pola i fale elektromagnetyczne, Wydawnictwo WNT, 2014
[7] G. Waldman, Introduction to light: the physics of light, vision, and color, Mineola: Dover Publications, Dover edition (2002).
[8] J. Godlewski, Generacja I detekcja promieniowania optycznego, Wydawnictwo Naukowe PWN, 1997.
[9] https://www.britannica.com/biography/William-Herschel, oficjalna strona Encyclopedia Britannica
[10] M. Iqbal, An Introduction to Solar Radiation, Academic Press (1983), chapter 3.
[11] E. Hecht, Optyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Wydanie 1, 2018.

Piotr Rogalewski
W branży zabezpieczeń od 19 lat, obecnie w Hikvision Poland. Audytor wewnętrzny ISO/IEC 27001 SZBI. Programista C/C++, C# i PHP, pasjonat sztucznej inteligencji i lotnictwa.