Представление о свете и цвете как физических свойствах материальных тел и излучений формируется у человека на основе многолетнего личного зрительного опыта. Житейское понятие о природе цвета и света отражается в обыденной речи, которая формируется под влиянием нашего жизненного опыта.
Мы говорим: «синее море», «красное яблоко», «зеленая трава», «желтый одуванчик», «белый телефонный аппарат», и т. п. То есть цвет определяется как свойство внешнего объекта, как физическая характеристика, аналогичная весу, плотности, материалу, из которого сделан объект. Совершенно также мы относимся и к световому излучению. Мы говорим: «яркий свет прожектора», «голубой свет луны», «тусклое мерцание звезд», «красный свет светофора», определяя свет и цвет как характеристики источника излучения.

Зрение— основной источник информации о внешнем мире, данный человеку (и некоторым другим видам животных) его биологической природой. Для человека мир всегда представляет собой зрительную сцену, некоторую картину, формируемую из комбинаций световых пятен разной яркости и цвета.
Поэтому вопрос, что такое свет и почему мы видим мир цветным, наверное, один из самых интересных вопросов о природе психических явлений. Эту проблему пытались решать со времен античности, но долгое время решение ускользало от исследователей, поскольку психические явления рассматривались по прямой аналогии с физическими, т. е. закономерности психики искали в физических свойствах внешних воздействий.

Создание вакуумного фотоумножителя, обладающего способностью детектировать отдельные фотоны, послужило мощным толчком к разработке различных датчиков. Однако вакуумный фотоумножитель пригоден лишь для передачи одного элемента картины. Тот же принцип умножения был использован в нескольких типах усилителей изображения большой площади. Эти усилители изображения постепенно все шире применяются в тех случаях, когда поток фотонов ограничен.

В названии этой главы кроется известная тавтология. Так, например, фотографическая система служит одновременно и усилителем света, и дисплеем. Однако в литературе широкий круг устройств классифицируется в зависимости от того, являются ли их основными функциями фотографирование, усиление или наглядное представление данных. За некоторым исключением, принцип работы всех этих устройств состоит в том, что падающий свет поглощается слоем фотопроводящего материала и возникающие при этом изменения проводимости, заряда или напряжения в комбинации с тем или иным вторым механизмом используются для получения изображения. В данной главе мы рассмотрим основные ограничения, которые накладываются на чувствительность таких фотопроводящих слоев.

Счет фотонов с использованием фотоэмиссии в вакуум и последующего электронного умножения был осуществлен уже давно. Однако реализовать твердотельный вариант фотоумножителя, в основу работы которого положен процесс ударной ионизации, создаваемой в сильном поле фотоэмиттированными носителями, оказалось чрезвычайно трудно. За последние несколько лет были опубликованы лишь некоторые косвенные данные, показывающие возможность разработки такого устройства.

Краткость данной главы никак не снижает ее важности, она скорее обусловлена простотой затрагиваемых в ней вопросов и сравнительно высоким уровнем совершенства существующих усилительных устройств.

Конечная цель применения любого детектора света состоит в счете отдельных фотонов. Фотоэмиттеры в комбинации с фотоумножителями позволили достигнуть данной - цели (для одноэлементных устройств)' уже в 30-е годы. В принципе, казалось бы, возможным осуществить это и с помощью электронно-оптических преобразователей (ЭОП) уже на сравнительно ранней стадии их разработки. На практике же потребовались годы работы по усовершенствованию технологии ЭОП, прежде чем удалось создать современные высокочувствительные, многоступенчатые усилители изображения. Усовершенствования касались увеличения квантовой эффективности фотокатодов и эффективности люминесценции фосфоров, уменьшения термически генерируемого темнового тока, разработки компактных источников высокого напряжения и методов соединения последовательных ступеней с помощью элементов волоконной оптики.

Телевизионная система по существу представляет собой суррогат человеческого глаза. Телевизионная камера, ведущая передачу из студии или с места события, должна «видеть» то, что видели бы мы, если бы находились там, в качестве зрителей. Сознательно или бессознательно мы судим о качестве передаваемой картины, сравнивая ее с тем, что воспринимала бы наша собственная зрительная система, если бы мы были рядом с камерой. Это утверждение имеет особый смысл для тех ситуаций, когда камера ведет передачу в условиях слабой освещенности и передаваемая информация ограничена количеством падающего света. При этом шумы снижают качество телевизионного изображения, подобно тому, как это было бы в том случае, если бы мы воспринимали исходную картину собственной зрительной системой.

Известно множество фотохимических процессов, в которых поглощение света в материале приводит к почернению последнего. Многие из таких процессов не обладают фотографическим усилением, то есть в них один фотон воздействует максимум на одну молекулу поглощающего материала. Примером может служить действие старой светокопировальной бумаги («синьки»). К этой же категории относится привычный для нас и по существу тоже фотографический процесс — появление загара на коже. В других, практически более полезных фотохимических процессах требуется значительно меньшая оптическая экспозиция, при этом возникает лишь скрытое изображение, которое затем, после проявления, превращается в видимое. В наиболее популярном процессе такого типа (фотографии) используются кристаллы галоидного серебра размером порядка микрометра, погруженные в желатиновую матрицу. Благодаря сенсибилизации, заключающейся в адсорбции весьма разнообразных органических красителей, бромистое серебро становится чувствительным к свету в различных областях видимого спектра. Коэффициент усиления процесса проявления достигает 10⁹, то есть на один «полезно» поглощенный фотон приходится 10⁹ атомов восстановленного серебра.

Сначала остановимся на существенном различии, которое существует между зрительным процессом человека и работой эквивалентной электронной передающей трубки. Все элементы сетчатки одновременно передают оптическую информацию в мозг;, элементы в передающей трубке сканируются последовательно с достаточно высокой скоростью, так что глаз воспринимает их одновременно. В принципе можно сконструировать передающую трубку таким образом, чтобы ее элементы одновременно передавали информацию приемнику, но такая система получилась бы громоздкой по сравнению с обычными сканирующими системами. Однако не следует ожидать фундаментального различия в чувствительности между системой с одновременной передачей информации и соответствующей сканирующей системой. Процесс сканирования лишь создает свои собственные технические проблемы, не накладывая принципиальных ограничений на характеристики системы.

Зрительная система человека достигла высочайшего совершенства. Ученые, работающие над созданием электронных или химических систем со сравнимыми характеристиками, могут лишь восхищаться ее чувствительностью, компактностью, долговечностью, высокой степенью воспроизводимости и изящной приспособляемостью к потребностям человеческого организма. Справедливости ради следует, конечно, отметить, что попытки создания соответствующих искусственных систем были начаты менее столетия назад, тогда как зрительная система человека формировалась в течение миллионов лет. Она возникла из некоего «космического» набора элементов — отбираемых, отбираемых и отбираемых до тех пор, пока не выпадала удачная комбинация. Мало кто сомневается, что эволюция человека носила «слепой», вероятностный характер, и проследить ее шаг за шагом совершенно невозможно. Издержки эволюции давно канули в Лету, не оставив следа.

Пожалуй, нигде соперничество между физикой и биологией не проявляется столь ярко, как в зрительном процессе. Природа с самого начала была поставлена в жесткие условия, ибо свет передается конечными порциями энергии, называемыми «фотонами» или «квантами». Любая информация, которую требовалось извлечь из окружающего мира, оказывалась ограниченной в силу дискретной природы света.

Кошке сделали трепанацию черепа, просверлили дырочку в черепной коробке. Кошки переносят операцию завидно хорошо, к вечеру уже отрыгают.