сравнение чувствительности глаза и современных систем

СРАВНЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГЛАЗА И СОВРЕМЕННЫХ
СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ ПРИ ПРЕДЕЛЬНО НИЗКИХ
ОСВЕЩЕННОСТЯХ
А. С. Тибилов*, В. К. Нестеров**, Ю. Е. Шелепин***,
* НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”,Санкт-Петербург
** НПП “Элар”, Санкт-Петербург
*** Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург
E-mail: editor@soi.spb.ru
На первом этапе шумы зрительного рецептора (палочки), известные в настоящее время
из прямых электрофизиологических наблюдений и выраженные через характеристику
EBI (освещённость, эквивалентная шуму) сравнивались с шумами серийно
производимых фотоэлектрических матриц. По крайней мере два из таких изделий
оказались существенно чувствительнее фоторецепторов: глубоко охлаждаемые (–100
°С) ПЗС матрицы с электронным умножением (EMCCD), используемая в камере
«evolve» фирмы PHOTOMETRICS, и
ПЗС матрицы с усилителями яркости
изображения на основе ЭОП 2-го и 3-го поколения (например, УПЗС фирмы
Hamamatsu V8070U/D) [см, табл, 1],
Таблица 1. Сравнение чувствительности рецептора и приемников оптико-электронных
устройств
Усилитель
Устройство
Зрительный Охлаждаемая ПЗС
яркости V8070U/D
матрица
рецептор
фирмы Hamamatsu
с электронным
(палочка)
умножением
t° = –100 °С
Эквивалентная
4,7×105
1,9×103
2,2×104
шумовая
освещенность, ф с–1
см–2
Квантовая
0,5
0,9
0,5
эффективность
Но знания EBI недостаточно для расчёта пороговых для восприятия освещённостей на
ретине и матрицах. При эквивалентных шумам освещённостях выходной сигнал
представляет собой очень разрежённый пуассоновский поток соответствующих
отдельным квантам импульсов и неотличимых от них шумовых импульсов (для
палочки порядка 1 импульса за 100 сек) и возникает проблема статистической
представительности сигналов. Сначала эта проблему рассматривали традиционным
способом (анализ пуассоновских распределений) для рецепторов ретины при
использовании, дополнительно к EBI, значений вероятности пропуска светового
импульса от фотона 0,5 и принятой по литературным данным вероятности ложной
регистрации шумового импульса как светового 0,01. При временном разрешении 0,2
сек и максимальном угловом размере кластеров рецептjров 50' (~6000 палочек)
статистическая представительность сигнала обеспечивается при 15 фотонах на кластер
за время «кадра». Этот легко получаемый при использовании EBI результат совпадает с
222
полученным в 50-е годы результатом Барлоу в трудоёмких исследованиях с группами
испытуемых (EBI палочки тогда ещё не была известна).
Рассмотрены возможные причины, определяющие максимальный размер кластера и
значение вероятности ложного сигнала. (Ограничение на размер кластера
переформулировано: условная матрица разрешаемых элементов не должна быть
меньше 130×130).
Предполагается, что эти параметры, наряду с максимальным временем «кадра»,
обязательны для электронно-оптических систем, создающих усиленное изображение
для дальнейшего его использования наблюдателем. В этом предположении по
методике, применённой выше к ретине, рассчитываются статистически обеспеченные
пороговые освещённости для представленных выше двух ПЗС матриц. В табл. 2
представлены попутные и конечные данные как этих расчётов, так и расчётов для
ретины.
Таблица 3. Характеристики режима “полной темновой адаптации”
M
100
R, 10–3
фотон
с–1 см–2
0,5 470
1,35
0,55
0,5
0,67
0,26
0,9
Устройство
d,
мкм
S,
см2
H,
10–6
Ретина
2
3,1
Усилитель
яркости
V7669U/D
Глубоко
охлаждаемая
ПЗС матрица
с
электронным
умножением
(evolve-)
16
16
α
N
n^
k
LD,
мклк
6 103 8,4
16
0,85
на
ретин
е
1 (1),
на
зрачке
7 (7)
22
33
0,18
2
9,8
0,6 (0,3)
1,9
15
1,5×
10–2
1
47
0,25
(0,15)
Примечание: d – диаметр элементарного приемника, S – площадь “матрицы”, H –
общее количеств приемников на “матрице”, α – квантовая эффективность приемников,
R – эквивалентная шумовая освещенность, M – максимально возможное число
приемников в кластере, N – среднее количество шумовых импульсов в кластере из М
приемников за время кадра, n^ - уровень ограничения числа шумовых импульсов на
пиксел за кадр, k – превышение уровня шума сигналом на пороге восприятия, LD – порог восприятия по
освещенности (в скобках результат расчёта для «виртуальных» матриц сплощадью,
равной площади ретины).
Полученные пороговые освещенности сравниваются с определяемой фотонными
шумами
223
пороговой освещенностью (0,05 мклк) “идеального”, не имеющего тепловых шумов
прибора.
Пороговая освещенность ретины больше этого предела в 20 раз, усилителя яркости – в
12 раз, глубокоохлаждаемой матрицы – в 5 раз.
Рассчитанные пороговые освещенности при оснащении глаза соответствующими
приборами уменьшались почти в 30 раз по сравнению с пороговой освещенностью для
неоснащенного адаптированного к темноте глаза. Это связано, главным образом, с
возможностью компенсировать большие оптические потери в глазе, сама же ретина
уступила лучшему прибору (EMCCD) всего в 4 раза. После замены в расчетах реальной
камеры “виртуальной” с увеличенной площадью матрицы, приведенной к площади
ретины, это отношение увеличилась до 7 раз. Следует отметить, что этот сравнительно
скромный результат получен при значительном превосходстве этого электронного
приемника над зрительными рецепторами по тепловым шумам (250 раз по EBI): порог
обнаружения изображения, как и порог обнаружения любого сигнала, при гауссовом
шуме и правильной организации измерений снижается при уменьшении темнового тока
только
как корень квадратный от тока, а при пуассоновском процессе и возрастании доли
фотонного
шума еще медленнее. Показаны преимущества использования при пороговых
освещенностях приема отсечки шумов на полученном из расчетов уровне n^:
повышение контраста по контуру объекта и удаление шумовых псевдоизображений.
224