مقارنه بين العين وآلة التصوير (الكاميرا)
يوجد تشابه بين العين وآلة التصوير ولذلك من المعتاد مقارنة مبنى العين وعملها مع آلة التصوير
ومع ذلك يجب أن نوضح ان العين تختلف عن آلة التصوير في عدة أمور .
أولا، العين حساسة ومعقدة في تركيبها واكبر حكمة وتعقلا من آلة التصوير .
آلة التصوير تصور من حين لآخر وفقا لقرارنا. أما عيوننا فهي “تصور” طيلة الوقت بدون أي قرار من طرفنا .
في آلة التصوير يجب تغيير شريط التصوير (الفيلم) مرارا. الشبكيه تلتقط صورا طول العمر .
دقة عين الانسان بالميجا بيكسل بالمقارنة بالكاميرا!
بتطور التكنولولوجيا بدأت الكاميرا الرقمية عالية الوضوح والدقة بالظهور.. حيث وصل مواصفات اخر الكاميرات الى دقة تساوي 50 ميجا بكسل.ويخطر للبعض هذا السؤال عن مدى دقة العين البشرية بوحدة الميجا بكسل غير ان الجواب صعب بعض الشئ
حيث ان وحدة الميجابكسل Mega Pixel هي وحدة الكترونية لقياس دقة ووضوح الصور الملتقطة بواسطة الكاميرات الرقمية ولا يمكن تطبيقها في حال العين البشرية لوضوح الفرق الكبير بين تقنية الكاميرات الرقمية وتقنية العين البشرية … الا ان اخر الأبحاث في تشريح العين والتي حاولت المقارنة بين دقة العين البشرية والكاميرا خلصت الى النتائج “التقريبية” التالية :
دقة العين البشرية : 576 ميجا بكسل
سرعة نقل البيانات : 600000 بت في الثانية الواحدة
العدسات : 16mm و 24mm
البعد البؤري : 22-35mmحساسية : 22 ملم
مساحة الألوان التي يمكن ادراكها والتقاطها : نظام 3D – RGB
موازنة الأبيض (Whit Balance ) : أوتوماتيكيوهذه المصطلحات على الرغم من عدم وضوحها للقارئ العادي الا انها مفهومة جيدا بالنسبة للمصورين والمختصين وتثير الدهشة في روعة الخلق… سبحان الذي خلق الأنسان في احسن تقويم
مقارنة بين عين الإنسان والكاميرا
لم لا نستطيع التقاط صور لكل شيء نراه بأعيننا؟هذا التساؤل كثيراً ما يواجهه المصورون خاصة، وهو سؤال قد يكون بسيطاً، لكن الجواب عليه يحتاج إلى معرفة طريقة عمل الكاميرا وكذلك عين الانسان.باستطاعة عين الانسان أن ترى شيئاً وفي نفس الوقت تنظم نفسها بحسب طبيعة هذا الشيء وحالته، لكن الكاميرا تستطيع أن تلتقط صورة بحالة واحدة من هذا الشيء. هذا الاختلاف الجوهري هو العامل الرئيسي لتفوق عين الانسان على الكاميرا.كي يتضح الموضوع أكثر نضرب مثالاً على ما ذكر: تستطيع عين الانسان أن تقوم بتنظيم درجة الإضاءة لجسم ما بشكل تلقائي وبمجرد التركيز عليه، يمكن تجربة هذا الموضوع بشكل عملي، يكفي ان تغلقوا الأضواء كلها في الليل لتروا أن العين تبدأ بتعويض الإضاءة القليلة وتبدأ الأجسام بالاتضاح حتى في الضوء القليل جداً.باستطاعة العين أيضاً أن تتحرك إلى الجوانب وتوسع من زاوية الرؤية، أو أن تركز على جسم معين بفواصل مختلفة.بشكل مختصر فعين الإنسان تشبه عمل كاميرا الفيديو وليس كاميرا التصوير، حيث يقوم عقل الانسان بتجميع الصور المشابهة ثم يحللها وينظمها ليستخرج الصورة النهائية.
فكل ما نراه هو في الحقيقة تصوير معالج بواسطة العقل بحسب ما التقط من صور بواسطة العينولهذا السبب فعين الانسان منقطعة النظير، فهي بعكس الكاميرا لا تلتقط الصور جراء انعكاس الضوء على الأجسام فقط وإنما تقوم بمعالجتها و… لتستخرج صورة نهائية.
أوجه الاختلاف بين عين الانسان والكاميرا
هناك اختلافات كثيرة، لكننا سنتناول أهم العوامل، وهي:١ـ زاوية الرؤية٢ـ الدقة وجزئيات التصوير٣ـ النطاق (الرنج) الديناميكيفي هذه المقالة سنستعرض الاختلاف الأول وفي المقالات التالية سنستعرض الثاني والثالث.
١ـ زاوية الرؤية
في الكاميرا فزاوية الرؤية تحدد بواسة البعد البؤري للعدسة (وكذلك حجم المستشعر). فعلى سبيل المثال عدسة Tele (التكبير) تملك بعد بؤري أكبر فبالتالي ستكون زاوية رؤيتها محدودة أكثر مقارنة بعدسة اعتيادية.
الشكل التالي يوضح لكم بالتفصيل ما ذكر.
الجزء الأيمن لعدسة التكبير، والجزء الأيسر للعدسة الاعتيادية
للأسف بالنسبة للعين فلا يمكن أن نقدم بهذه السهولة طريقة لعملها. فالعين تملك بعد بؤري بحدود ٢٢ ميلمتر، لكن علينا الالتفات إلى أن شبكية العين كروية الشكل وتملك انحناء، ثانياً: الأجزاء الجانبية بامكانها أن تسجل جزئيات أقل بالنسبة للمركز. وثالثاً: ما نراه هو حاصل تركيب الصورة بواسطة عينين.
لهذه الأسباب يصعب تقديم تفسير صحيح مئة بالمئة، لكن بشكل عام فالعين تملك زاوية رؤية بين ١٢٠ حتى ٢٠٠ درجة، وعند الرؤية بواسطة العينين فالقسم المشترك بين العينين بحدود ١٣٠ درجة والتي تعادل زاوية رؤية عدسة عين السمكة Fish Eye. بسبب سير تكامل البشر فالأجزاء الجانبية عملها الشعور بالحركة ورؤية الأجسام الكبيرة فقط.
إذا أردنا أن نحصل على رؤية عين الانسان والتي افترضناها (١٣٠ درجة) بواسطة الكاميرا فسنحصل على شكل غير طبيعي أبداً!!
التصوير يوضح العين اليمنى (باللون الأحمر) والعين اليسرى (باللون الأزرق)
الجزء المركزي للعين والتي هي بحدود ٤٠ ـ ٦٠ درجة لديه التأثير الأكبر في معرفتنا ودركنا للجسم، فبواسطة هذا الجزء المركزي يمكننا أن نرى الأشياء دون الحاجة إلى تحريك العين. هذا الجزء المركزي للعين يعادل تقريباً زاوية رؤية عدسة 50mm المثبتة على كاميرا فول فريم. بالرغم من أن هذه العدسة لا يمكن أن تقدم جميع زاوية الرؤية التي تراها عيننا لكنها تقدم تصويراً مشابهاً تقريباً (من حيث اختلاف شكل الجسم) مقارنة بالعين.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
ملاحظة: عكس ما يعتقد البعض فإن أينشتين حصل على جائزة نوبل على أعماله حول المفعول الكهروضوئي وليس عن النظرية النسبية
المنابع الضوئية
هناك العديد من المنابع الضوئية. وأكثر هذه المنابع شيوعا هي المنابع الحرارية: وهي عبارة عن جسم يصدر عند درجة حرارة معينة طيفًا مطابقًا لإشعاع الجسم الأسود. ومن الأمثلة على ذلك الطيف (الإشعاع المنبعث من جو الشمس عند ذروة منحني بلانك حوالي 6000 كلفن من الطيف الكهرومغناطيسي)، المصابيح الكهربائية المتوهجة (التي تصدر فقط حوالي 7٪ من طاقتها كضوء مرئي والباقي كأشعة تحت الحمراء)، والجزيئات الصلبة المتوهجة في النيران.
تنزاح الذروة في طيف الجسم الأسود في اتجاه مجال الأشعة تحت الحمراء للأجسام الباردة نسبيا مثل البشر. وكلما ازدادت درجة حرارة الجسم (كالحديد المنصهر)، تنزاح الذروة إلى أطوال موجية أقصر، مولدة أولا توهجًا أحمرًا، ثم توهجًا أبيضًا، وأخيرًا توهجًا أزرقًا حين تنزاح الذروة خارجة من الجزء المرئي من الطيف داخلة إلى مجال الأشعة فوق البنفسجية. يمكن رؤية هذه الألوان عند تسخين المعدن إلى درجات حرارة عالية فنرى اللون الأحمر ثم اللون الأبيض. أما الإصدارات الحرارية الزرقاء فلا يمكن رؤيتها غالبًا. واللون الأزرق الذي نراه في لهب الغاز أو مشعل اللحام هو في الواقع نتيجة لانبعاثات جزيئية، وخصوصًا من جذور CH الحرة (تصدر حزمة موجية طولها حوالي 425 نانومتر).
تصدر الذرات الضوء وتمتصه عند طاقات مميزة. مما يولد خيوط الإصدار الذري في طيف كل ذرة. يمكن للإصدار أن يكون تلقائيا(Spontaneous emission)، كما في حالة مصباح ثنائي باعث للضوء، ومصباح التفريغ الغازي (مثل مصابيح النيون، ولافتات النيون، ومصابيح بخار الزئبق، وغيرها)، واللهب (ضوء صادر عن الغاز الساخن نفسه، على سبيل المثال، يـُصدر الصوديوم ضوءا أصفرا عند وضعه في لهب الغاز). ويمكن أيضا أن يكون الإصدار محفزًا، كما هو الحال في الليزر أو في الموجات الدقيقة للمايزر.
تباطؤ الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات، يمكن أن يُولد إشعاعًا مرئيًا: إشعاع سيكلوتروني، وإشعاع سنكتروني، وأشعة انكباح. الجسيمات الأولية المتحركة بسرعة أكبر من سرعة الضوء ضمن وسط ما يمكن أن تولد إشعاع شيرنكوف.
تُولد بعض المواد الكيميائية إشعاعًا مرئيًا بعملية الضيائية الكيميائية. وكذلك في الأجسام الحية، تسمى هذه العملية بالضيائية الحيوية. فمثلا تقوم اليراعة بتوليد الضوء بهذه الطريقة، ويمكن للمراكب المبحرة في الماء أن تميز البلانكتون الذي يولد توهجًا ضعيفًا. تقوم بعض المواد بتوليد الضوء عندما تضاء بإشعاع ذي طاقة تناسب توزيعها الإلكتروني. تعرف هذه الظاهرة بالفلورية. وتستخدم في المصابيح الفلورية. تصدر بعض المواد الضوء بعد فترة قصيرة من تحفيزها بإشعاع طاقي، وتعرف هذه الظاهرة باسم الفسفورية .
يمكن تحفيز المواد الفسفورية بتسليط جسيمات دون الذرية عليها. والتألق المهبطي (بالإنجليزية: Cathodoluminescence) هو أحد الأمثلة على ذلك. هذه الآلية تستخدم في الرائي ذو أنبوب الأشعة المهبطية.
ويوجد آليات أخرى لإنتاج الضوء:
وميض
ضيائية كهربائية w:en:electroluminescence
ضيائية صوتية
ضيائية احتكاكية w:en:triboluminescence
إشعاع شيرنكوف
عندما يمتد مفهوم الضوء ليشمل الفوتونات ذات الطاقة العالية جدًا (أشعة غاما)، فإن آليات توليد الضوء تشمل أيضًا:
النشاط الإشعاعي
فناء الجسيم – الجسيم المضاد.
ميزت هيئة الإضاءة الدولية بين المنبع الضوئي والمضياء. المنبع الضوئي هو مصدر فيزيائي للضوء، مثل الشمس والمصابيح، بينما يشير مصطلح مضياء إلى توزيع قدرة طيفية خاص. وبالتالي يمكن توصيف المضياء مسبقًا، ولكن قد لا يمكننا تصنيعه عمليًا.[2]
نظريات
لقد كان يٌعـتقد حتى نهاية القرن الثامن عشر بأن الضوء شبيه بالصوت ويحتاج إلى وسط مادي حتى ينتقل ويسمى هذا الوسط بالأثير الذي كان يعرفه العلماء بأنة مادة رقيقة جداً ذات كثافة متناهية في الصغر وذلك لتبرير إن الأثير لا يمكن ملاحظته ولكن تجربة (ميكلسون- مورلي) أثبت إن الأثير غير موجود.
ففي عام 1905م وضع اينشتاين فرضاً لحل هذه المشكلة والفرض يقول : (إذا كان هناك عدد من الراصدين يتحركون بسرعة منتظمة كل منهم بالنسبة للآخر وأيضاً بالنسبة للمصدر الضوئي وإذا كل من الراصدين يقيس سرعة الضوء الخارج من المصدر فأنهم جميعاً سيحصلون على نفس القيمة لسرعة الضوء).
هي نفس فكرة جاليلو عام 1600م وهذا الفرض هو أساس النظرية النسبية الخاصة والتي استغنت عن فكرة وجود الأثير. وأثبت أن سرعة الضوء ثابتة في جميع المراجع.
نظرية الدقائق لنيوتن
تصور نيوتن أن الجسم المضيء تنبعث منه جسيمات دقيقة كروية تامة المرونة وتسير بسرعة منتظمة كبيرة جداً وتختلف من وسط إلى آخر حسب كثافته. وتكون حركة هذه الجسيمات الكروية في خطوط مستقيمة في الوسط المتجانس الواحد وقد استدل نيوتن على أن الأشعة الضوئية عندما تصطدم بسطح عاكس فأن زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس كاصطدام كرة تامة المرونة بسطح أملس مرتدة بحيث زاوية سقوطها تساوي زاوية انعكاسها.
أما في ظاهرة الانكسار فأنه قد فسره نيوتن عندما تخترق هذه الجسيمات الكروية الضوئية أوساطاً مختلفة الكثافة مثل الماء أو الزجاج فأنها تنكسر داخل كل وسط وتنحرف عن المسار المستقيم لها. فعند انتقال الضوء من وسط اقل كثافة مثل الهواء إلى وسط أكثر كثافة مثل الماء فأن الوسط المائي يحرف هذه الجسيمات الضوئية إلى أسفل ومعنى ذلك أن المركبة الرأسية لسرعة الضوء المنكسر سوف تقل بحيث تقترب الجسيمات الكروية الضوئية من العمود على السطح الفاصل بين الوسطين.
وبذلك سوف تزداد السرعة المحصلة أي أن سرعة الضوء في الوسط الكثيف سوف تزداد وتصبح أكبر من سرعة الضوء في الوسط الخفيف (أي أن سرعة الضوء تعتمد على الكثافة الضوئية للوسط). وهذا غير صحيح ويخالف التجارب العلمية حيث أن سرعة الضوء تكون أكبر ما يمكن في الفراغ أي تزداد كلما قلت الكثافة للوسط فأن سرعة الضوء في ذروتها في الفراغ وبالتالي فشلت نظرية نيوتن في تفسير ظاهرة الحيود والتداخل والاستقطاب.
نظرية ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية
وجد ماكسويل أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية سرعتها تساوي سرعة الضوء. أي أن الضوء موجات كهرومغناطيسية ذات طاقة، وقد أتضح أن الشحنة الكهربائية تولد مجالاً كهربائياً حولها وهي ساكنة، وتولد مجالاً مغناطيسياً وهي متحركة. كذلك التغير في المجال الكهربائي يولد مجالاً مغناطيسياً، وهذا نص قانون (أمبير). وأن التغير في المجال المغناطيسي يولد مجالا كهربائيا وهذا نص قانون (فاراداي). هذه الحقيقة هي أصل تكوين الموجات الكهرومغناطيسية حيث أن شحنة كهربائية متذبذبة تولد في الفضاء مجالين كهربائي ومغناطيسي ،أي مجالاً (كهرومغناطيسي) متغير وهذا المجال يتحرك في الفراغ بسرعة الضوء نفسها (3exp8 متر /ثانية) أي 300000 كيلومتر /ثانية.
C =1/ ((ε.μ) (1/2)) = 3 exp8
أما شدة الضوء (I) أو شدة الموجة الكهرومغناطيسية فهي (الطاقة في وحدة الزمن لوحدة المساحة وعمودية على اتجاه انتشار الموجة) . I= ε. (Eexp2). c
حيث (E) شدة المجال الكهربائي أو المغناطيسي (B).
يحدد المدى التقريبي للطيف الكهرومغناطيسي من موجات الراديو ذات الطول الموجي الطويل إلى أشعة جاما ذات الطول الموجي القصير جداً والطاقة العالية. والضوء المرئي أي الذي يمكن للعين البشرية رصد موجاته يقع بين مدى من فوق البنفسجي إلى تحت الأحمر.ومن الجدير بالذكر أنة لا توجد حدود تفصل مناطق الطيف من بعضها البعض.
عندما تسقط الموجات الكهرومغناطيسية على سطح ما وبصورة عمودية فأن الجسم يمتص تلك الأشعة وأن قوة تسمى قوة الأشعاع تظهر وتحسب من خلال العلاقة التالية :
F= P/ ©
حيث P هي الطاقة لكل وحدة زمن أي القدرة للموجة الكهرومغناطيسية الممتصة ويمكن الحصول على P من خلال العلاقة التالية:
P= (u) / c
حيث u هي الطاقة الكهرومغناطيسية.
نظرية اينشتاين للفوتون
من أهم العلماء الفيزيائيين الذين قاموا بتفسير سلوك الضوء حول العالم بلانك الذي درس الطاقة الأشعاعية المنبعثة من الأجسام الساخنة واستطاع حسابها بالقانون التالي:
E= h. f
حيث (E) هي الطاقة و (h) هو ثابت يسمى ثابت بلانك ويساوي 6.635exp-34 J.s جول.ثانية. و (f) هو التردد الضوء المنبعث.
وأن الضوء ينبعث على شكل كمات صغيرة سماها الفوتون واقترح اينشتاين على أساس فرض بلانك أن الطاقة في الحزم الضوئية تنتشر في الفراغ بشكل حزم مركزة من الطاقة وهي الفوتونات ويكون انبعاثها على شكل كمات أي دفعات واقترح أن الضوء المار خلال الفراغ لا يسلك سلوك الموجة إطلاقاَ بل سلوك جسيم الفوتون وبذلك تعارض اينشتاين في أول الأمر مع مبدأ النظرية الموجية للضوء التي حققت نتائج مخبريه عظيمة ولكن بعد مرور فترة زمنية أيد اينشتاين فكرة النظرية الموجية وعارض نفسه أي عارض مبدأ سلوك الجسيمات.
وفي عام 1924م وضع العالم الفرنسي دي بروجلي مبدأ هام جداً وهو المبدأ السائد حتى الآن والذي نال على أثرة شهادة الدكتوراه في الفيزياء وينص على: (أن للضوء صفة مزدوجة فهو يسلك سلوك الموجة تحت ظروف معينة – (وهذا يفسر الانعكاس والانكسار والاستقطاب والحيود والتداخل وهذا ما يتفق مع نظرية ماكسويل)- وأن الضوء يسلك سلوك الجسيم (الفوتون) تحت ظروف أخرى -(وهذا يفسر تفاعل الضوء مع المواد والظاهرة الكهروضوئية وظاهرة كومبتون وغيرها وهذا ما يتفق مع نظريات اينشتاين ونيوتن).
وهذا يعني أن للمادة صفة مزدوجة فإذا كان لدينا جسم كتلته (m) يتحرك بكمية حركة (p) فأن طول الموجة المصاحبة له تعطى من خلال القانون التالي :
λ = (h) / P
ومن وجه نظري فأن هذا القانون مهم جداً وهو محور النظرية الكمية لاحظ في القانون أنP. λ= h
حيث أن (p) تمثل الاعتبارات الجسيمية(P = m. v حيث v سرعة الجسيم) و(λ) طول الموجة وحاصل ضربهم هو ثابت بلانك (h). ويعني بشكل أدق أنه يمكن القول بأن حزمة أي حزمة ضوئية لها تردد وطول موجي ويمكن اعتبارها موجة ويمكن القول أن الحزمة الضوئية مشكلة من الفوتونات أي لها طاقة حركة وكمية حركة.
النظرية الموجية الكميةلدراسة انتقال الطاقة كحركة موجية يتطلب عادة وسط حيث تتذبذب جزيئات الوسط. فالجسيم المتذبذب يؤثر بقوة على جارة فتجعله يتذبذب أيضاً وبهذه الطريقة فأن الحركة من جسيم إلى آخر وبالتالي يتم انتقال الطاقة الموجية في المادة، وهي حالة مشابهة لما يحدث في الماء عندما تنقل الطاقة إلى الضفة دون أن تنتقل جسيمات الماء نفسه أو انتقال الصوت في الهواء. وفكرة الأثير ابتكرت كي يكون هذا الوسط هو الوسط الناقل للضوء بالطريقة السابقة. ولكن الضوء حسب النظرية الكهرومغناطيسية لا يحتاج إلى وسط فهو يأتي من الشمس أي في الفراغ الذي لا وسط فيه وبسرعة الضوء المطلقة وبعد ذلك تبين من النظرية الكهرومغناطيسية أن الموجة الكهرومغناطيسيةعبارة عن تغير مجالين متوافقين بنفس التردد، أحدهما كهربائي (E) ووالآخر مغناطيسي (B).
وقد عُرّفت جبهة الموجة على أساس ذلك بأنها المحل الهندسي لجميع النقاط ذات الطور الواحد.
