Стробоскоп

Описание

↑ Диск-обтюратор

С инерцией зрения принято связывать обширный и неточно очерченный круг явлений, называемых стробоскопическими. Общее у них одно: все они связаны с прерывистым наблюдением. Способы, которыми оно достигается, очень разнообразны, и результаты весьма различны:

• кажущееся движение неподвижных объектов (кино),
  
  
• видимость нескольких объектов вместо одного (стробоскопический эффект безынерционных ламп),
  
  
• видимая неподвижность движущихся тел.
  

Для прерывистого наблюдения служит прибор, называемый стробоскопом (от греческих слов strobos — волчок, вихрь и skopeo — смотреть, наблюдать). Основная часть простейшего стробоскопа — диск-обтюратор с секторной прорезью. Диск может вращаться с частотой v, которую можно регулировать в широких пределах. Диск ставится между подлежащей наблюдению картиной и наблюдателем или перед источником света, в результате чего картина то появляется, то исчезает с периодом Т. Очевидно, что



Обозначим через ? отношение дуги, соответствующей сектору прорези, ко всей окружности диска. Тогда та часть периода, в течение которой картина видна наблюдателю, будет



Часть периода, в течение которой картина не видна,

↑ Критическая частота слияния мельканий

При практических применениях обтюратора частота вращения v, как правило, должна быть не меньше критической частоты слияния мельканий vкр. Критической частотой слиянии мельканий называют частоту, при которой наблюдатель перестает видеть понижения и повышения яркости. Каждая деталь картины приобретает стабильную эффективную яркость Lэ, которая согласно закону Тальбота равна средней яркости за период Т. Если v ? vкр, то



где L — яркость детали при неподвижном, открытом обтюраторе.

Критическая частота слияния мельканий vкр зависит от многих факторов. Укажем хотя бы некоторые из них:

1. Яркость L наблюдаемой картины.
   
   
2. Отношение ср светлой части периода Т1 ко всему периоду Т.
   [banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]
   
   
3. Глубина модуляций яркости при мельканиях (амплитуда, модуляций)
   
   
   
   
   
   где L1 и L2 — максимальная и минимальная яркость при мельканиях. В простейшем случае L2 = 0 и ам = 1. Но это только частный случай.
   
   
4. Угловой размер поля зрения.
   
   
5. Форма кривой, выражающей повышение и понижение-яркости в процессе мельканий. Создать мгновенный переход от L1 к L2 практически невозможно, и форма кривой, описывающей модуляции, может только приближаться к П-образной. Иногда же умышленно создают модуляции более сложной формы, например, синусоидальные.
   

Дать единую формулу, определяющую vкр в зависимости от пяти перечисленных параметров, пока не представляется возможным. Приведем здесь формулы двух частных случаев, выражающих зависимость vкр при П-образных световых импульсах, из работ Портера и Айвса. Именно работы Портера, и в особенности Айвса, используются обычно для практических расчетов, например, в кинотехнике.

При ? = 1/2



При а = 1/2 и любом ?



Здесь ?(?)—некоторая функция ?, которую Айвс изображает графически и которую приближенно можно представить так:



Из формулы видно, что ?кр симметрична относительно значения ? = 0,5, т. е. что, например, обтюраторы, у одного из которых ? = 0,2, а у другого ? = 0,8, должны давать одинаковую критическую частоту. Еще раньше Плато назвал такие диски дополнительными и заметил, что им соответствует одинаковая критическая частота.

Де Ланге исследовал зависимость критической частоты от амплитуды ам в широких пределах, начиная с очень малых амплитуд. При яркости приблизительно 60 кд/м2 на графике обнаружилась интересная особенность: частоте ?кр = 9с-1 соответствует минимум амплитуды ам = 0,008. При яркости около 5 кд/м2 минимум выражен слабее, а при яркости 0,4 кд/м2 его совсем нет. При частоте 1 с-1 все кривые сходятся в точке ам = 0,0135.

Наличие минимума амплитуды при небольших частотах можно объяснить свойствами амплитудно-частотной характеристики сглаживающего фильтра в зрительной системе. Следует обратить внимание на то, что при частоте, близкой к 9 с-1, глаз способен обнаруживать очень малое изменение яркости: оно меньше порогового контраста во времени, найденного нами экспериментально при единичных скачкообразных изменениях яркости. Быть может, есть смысл применять частоты, близкие к тем, которые дают минимум амплитуды ам для уточнения процесса визуального фотометрирования.

↑ Наблюдение периодических процессов

Стробоскоп работает, как правило, при частотах, превышающих критическую, так что наблюдатель мельканий не замечает. Чаще всего стробоскоп применяется для наблюдения периодических процессов и задача наблюдателя состоит в том, чтобы добиться совпадения периодов стробоскопа и наблюдаемого процесса. Иногда, впрочем, периоды могут не совпадать, а находиться в простом кратном соотношении.

Предположим, стробоскоп состоит из диска с узкой секторной щелью, причем частоту вращения диска можно плавно менять и на шкале прибора видеть, чему равно ?. Пусть нужно измерить скорость вращения двигателя внутреннего сгорания, наблюдая движение его шатуна. Смотря через диск, повышают частоту вращения v и наконец начинают видеть шатун, медленно двигающийся в поле зрения. Теперь, медленно варьируя скорость, находят такую частоту, при которой шатун виден неподвижным (или почти неподвижным). Это означает, что периоды вращения двигателя и стробоскопа совпадают и взгляд через щель застает шатун всегда в одном и том же положении, почему он и кажется неподвижным.

Заметим, однако, что если скорость диска-обтюратора будет вдвое больше скорости двигателя, шатун тоже будет казаться неподвижным, но щель будет заставать его в двух фазах движения — наблюдатель будет видеть два шатуна. Чтобы получить правильные результаты стробоскопических измерений, нужно уметь анализировать наблюдаемую картину.

Взглянув на формулу (101), мы видим, что время Т1, в течение которого обтюратор открыт, пропорционально ?. Следовательно, чем больше вырез диска, тем сильнее успевает сместиться объект за время однократного наблюдения, тем больше будет он оптически размазан. Но если сделать ? очень малым, мы сильно снизим эффективную яркость картины [см. формулу (103)]. Да и вообще, при любом устройстве обтюратора мы используем только ?-ю часть световой энергии источника света. Такой недостаток устранен в стробоскопах без обтюратора, в которых прерывистое наблюдение обеспечивается применением импульсных источников света, периодически вспыхивающих с частотой v, которую можно варьировать в широких пределах. Длительность каждой вспышки может измеряться несколькими микросекундами, а если применить лазер, то и наносекундами.

При стробоскопическом наблюдении предмета, совершающего периодическое движение, когда уже достигнуто совпадение периодов его движения и вспышек света, предмет виден всегда в одной и той же фазе его движения. В промежутках между вспышками наблюдатель «видит» темноту: изображение на сетчатке не засвечивается посторонним светом. Поэтому наблюдатель воспринимает полный контраст объекта, т. е. в этом случае Кэ = К.

↑ Наблюдение тела, движущегося поступательно

Иначе обстоит дело при стробоскопическом наблюдении за непериодическим процессом, например за телом, движущимся поступательно.

Пусть мы наблюдаем тело длиною l, движущееся со скоростью ? через обтюратор со щелью в виде сектора с угловым размером ф (в радичиах). Иначе говоря, за один оборот диска с периодом вращения Г ,мы видим наблюдаемую картину только в течение времени Т1, причем Т1 = ?Т.

Эффективный контраст К'э, наблюдаемый за одно прохождение щели, легко найти, подставив в формулу (85) вместо времени инерции ? более короткое время T1



Однако формула (107) дает преувеличенное значение эффективного контраста. Дело в том, что за время инерции щель перед глазом пройдет не одни, а несколько раз. Обозначив через m число прохождений щели за время ?, получим m = ?/Т. За m прохождений щели в данном месте мы только один раз будем видеть тело (контраст К'э), а остальные m — 1 раз — фон. Поэтому фактически наблюдаемый контраст К'э будет в m раз меньше, чем K'э



но Т/Т1 = l/?, поэтому



Из пяти величин в правой части формулы (109) только одна зависит от устройства и режима работы обтюратора — ?. Очевидно, для увеличения эффективного контраста Кэ, т. е. для улучшения видимости движущегося тела, нужно уменьшить ? — сузить щель обтюратора. Однако таким способом нельзя безгранично увеличивать Кэ. Прежде всего, формула (109) получена из приближенной формулы (85), пределы применимости которой были указаны при ее выводе. Эти ограничения сохраняются и для формулы (109), приобретая форму условия, что за время прохождения щели обтюратора Т1тело должно продвинуться больше чем на свою длину l, т. е. ?T1 > l. Но Т1 = T?, откуда ? > l/(?T).

При нарушении этого условия формула (109) неприменима и уменьшение ? уже не увеличивает эффективного контраста. А чрезмерное уменьшение ? невыгодно, так как эффективная яркость наблюдаемой картины при сужении щели уменьшается, поскольку Lэ = L?.

Подробно вопрос о стробоскопическом наблюдении непериодического процесса рассмотрен в монографии.

↑ Стробоскопический эффект газоразрядных ламп

Среди электрических источников света имеется большой класс газоразрядных ламп. Их излучение практически безынерционно, а потому при переменном токе сопровождается пульсацией светового потока, которая может порождать стробоскопический эффект. При частоте переменного тока 50 Гц свет источника 100 раз в секунду прерывается полной темнотой. Хотя частота v при этом выше критической, а следовательно, мелькания яркости освещаемых предметов не наблюдается, при наличии в поле зрения движущихся тел стробоскопическое явление хорошо заметно. Моменты излучения застают предмет в разных точках его движения, и благодаря инерции зрения человек видит одновременно несколько рядом лежащих изображений предмета. Пульсирующее освещение вызывает повышенное зрительное утомление, а работы с движущимися частями механизмов даже опасны.

Укажем, впрочем, что иногда стробоскопичность освещения находит удачное применение. Феерический эффект создают, например, танцы на затемненной сцене в расписанных светящимися красками костюмах, если сцена освещена фильтрованным ультрафиолетовым светом газоразрядных ламп. Краски при этом тоже должны быть по возможности безынерционными.

В широко применяемых осветительных лампах световые пульсации сглажены до допустимых пределов: в лампах накаливания вследствие большой тепловой и световой инерции тела накала; в люминесцентных и некоторых других газоразрядных лампах благодаря двум обстоятельствам: инерционности люминофоров, покрывающих колбы ламп, и применению пускорегулирующей аппаратуры, сдвигающей во времени пульсации светового потока в разных лампах осветительной установки. Более радикально можно подавить стробоскопический эффект люминесцентных ламп увеличением частоты питающего тока.

----

Статья из книги: Глаз и свет | Луизов А.В.