Новый тип колориметра для измерения цветовых характеристик источников оптического излучения

Размещено на http://www.Allbest.ru/

ООО «НТП «ТКА»

Департамент кинематографии Министерства культуры

Экспертно-аналитический отдел

Новый тип колориметра для измерения цветовых характеристик источников оптического излучения

В.Н. Кузьмин, А.С. Волков

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены фотоколориметры интегрального и спектрального типа. Приведены их принципиальные оптические схемы. Показаны преимущества и недостатки каждой из них. Предложен метод коррекции спектральной чувствительности многоэлементных фотоприемников (диодной линейки), на основе которого может быть создан новый тип колориметра, в котором удачно сочетаются преимущества приборов как спектрального, так и интегрального типа.

Ключевые слова: спектроколориметр, спектральная коррекция

Abstract

Principles of action and basic optical schemes of photocolorimeters of integrated and spectral type are considered in article, the advantages and lacks of them are given. The method of correction of spectral sensitivity of multielement photodetectors (a diode ruler) on which basis the new type of a colorimeter in which advantages of devices both spectral, and integrated type are successfully combined can be created is offered.

Keywords: spectrocolorimeter, spectral correction

Введение

Цветовые и эффективные характеристики источников оптического излучения, как правило [1], измеряют двумя способами:

с помощью интегральных измерений приемниками оптического излучения, спектральная характеристика которых корригирована к заданному виду - приборами интегрального типа;

с помощью измерения спектрального состава исследуемого источника и последующего вычисления необходимых фотометрических величин - спектроколориметрами.

Оба способа имеют право на жизнь. Выбор того или иного метода вытекает из характера решаемых задач. Приборы, основанные на различных способах измерения, имеют по отношению друг к другу, как преимущества, так и определенные недостатки. Для примера проведем сравнительный анализ метрологических и эксплуатационных характеристик серийно выпускаемых приборов: фотоэлектрического колориметра «ТКА ИЦТ» и спектроколориметра «ТКА-ВД», в которых реализованы два принципиально различных объективных метода определения координат цветности источников оптического излучения: фотоэлектрической колориметрии и спектрофотометрический метод.

Фотоэлектрический колориметр «ТКА-ИЦТ» предназначен для измерения координат цветности источников излучения х, у; коррелированной цветовой температуры Т_ц, яркости протяженных самосветящихся источников L и освещенности Е.

Фотоприемное устройство (рис. 1.) состоит из четырех кремниевых фотодиодов, спектральные характеристики которых с помощью светофильтров корригированы к виду удельных координат x(), y(), z(), принятых МКО в 1931 г. В нашем случае для получения x() ввиду сложной для коррекции спектральной чувствительности, имеющей два максимума, используются два фотоприемникаx₁(), x₂().

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 1. Схема ФПУ прибора ТКА «ИЦТ» и удельные координаты МКО 31: 1. Косинусная насадка. 2. Корпус ФПУ. 3. Фотодиоды с корригирующими фильтрами.

Основные технические характеристики колориметра:

диапазон измерения освещенности - (10-200000) лк;

яркости - (10-20000) кд/м²;

коррелированной цветовой температуры - (1500-10000) К;

погрешности измерения координат цветности х, у, - не более: ± 0,005;

погрешности измерения яркости и освещенности, %, - не более: 8,0.

Спектроколориметр «ТКА-ВД» предназначен для определения спектрального состава источника оптического излучения и последующего вычисления цветовых координат в выбранной системе координат.

Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на дифракционной решетке с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Рабочий спектральный диапазон прибора (380 - 760) нм. Диапазон линейности сигналов достигает четырех порядков. В зависимости от конфигурации входного устройства прибор работает как в режиме яркомера, так и в режиме измерения освещенности. Обратная линейная дисперсия составляет 49 нм/мм.

Оптоэлектронный блок представляет собой полихроматор (рис. 2): входное оптическое излучение, формируемое объективом (1), разлагается в спектр вогнутой дифракционной решеткой (2) и фокусируется на диодной линейке (3), сигнал с которой регистрируется для последующей обработки и вычисления измеряемых параметров.

Рисунок 2. Устройство полихроматора: 1. Входное устройство. 2. Диспергирующий элемент. 3. Диодная линейка.

Основные технические данные и характеристики

Диапазон измерения:

яркости, кд/м² - 50 … 2000;

освещенности, лк - 50 - 20000;

коррелированной цветовой температуры, - 1500 … 10 000.

погрешности измерения координат цветности тепловых источников х, у, - не более: ± 0,005, линейчатых ± 0,02

погрешности измерения яркости и освещенности, %, - не более: 10,0.

Ниже показаны сравнительные характеристики серийно выпускаемых приборов.

Сравнительные характеристики показывают следующее. Фотоэлектрические колориметры надежны в эксплуатации. Они не боятся механических нагрузок, перепада температур. Достаточно проста в изготовлении электронная часть прибора. Недостатком же способа является трудность коррекции фотоприемника под заданную эффективную чувствительность и невозможность обойти явление метамеризма.

Недостатком второго способа является техническая трудность реализации измерительного прибора. В то же время, нужно заметить, что знание спектрального состава исследуемого источника оптического излучения позволяет решить практически все колориметрические задачи, стоящие перед исследователем. Современные методы обработки информации дают возможность смоделировать с достаточной точностью любые эффективные спектральные характеристики приемников. При этом основная нагрузка по метрологическому обеспечению цветовых измерений ложится на точность измерения спектральной характеристики спектроколориметра в целом. Градуировку можно произвести с помощью источника с известным спектральным распределением или спектрофотометрическим методом.

Вместе с тем необходимо отметить и принципиальную проблему, присущую приборам на основе полихроматора с дискретным фотоприемником. Из-за дискретности фото приёмных элементов фотодиодной линейки возникает погрешность определения спектрального состава исследуемого узко зонного линейчатого источника оптического излучения, так как часть излучения не регистрируется. Следствием этого является ошибка измерения цветовых координат. Для решения этой проблемы авторы предлагают свой, изложенный ниже, метод.

Известно [2,4], что принцип действия большинства спектральных приборов можно пояснить с помощью графиков, приведенных на рис.3. Одна кривая соответствует функции f(l), описывающей исследуемый спектр -- распределение энергии излучения по длинам волн l. Вторая кривая соответствует функции а(l--l'), описывающей способность спектрального прибора выделять из светового потока узкие участки dl в окрестности каждой l'. Эту важнейшую характеристику спектрального прибора называют функцией пропускания, или аппаратной функцией (АФ). Процесс измерения спектра f(l) прибором с АФ а(l--l') можно имитировать, регистрируя изменения светового потока, проходящего через отверстие описываемой кривой 2, при перемещении (сканировании) относительно кривой 1. Очевидно, чем меньше ширина АФ, тем точнее будет измерена форма контура спектра f(l), тем более тонкая структура может быть в нём обнаружена.

Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном l является основной характеристикой спектрального прибора. Она определяет спектральное разрешение dl и спектральную разрешающую способность R = l/dl. Чем шире АФ, тем хуже разрешение (и меньше R), но больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптический сигнал.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 3. Процесс исследования спектрального состава источника

Результат измерений F(л) исследуемого спектра f(л) прибором с аппаратной функцией а(л -- л ') описывается интегралом, называемым свёрткой функции f с функцией а. Процесс свёртки можно имитировать изменением ширины аппаратной функции при относительном перемещении (сканировании) кривых 1 и 2. Чем меньше ширина d л функции а(л -- л'), тем точнее прибор передаёт истинный контур f(л). Тождество F(л) f(л) достигается лишь при бесконечно узкой аппаратной функции (dл > 0). [2, 4]. Чем меньше ширина dл функции а(л -- л'), тем точнее прибор передаёт истинный контур f(л). С этим утверждением, безусловно, можно и нужно согласиться, потому что оно верно. Но оно верно в том случае, когда фотоприемник представляет собой сплошную площадку с равномерной чувствительностью. И это же утверждение становится неочевидным в случае, когда фотоприемник представляет собой набор небольших фоточувствительных элементов, расположенных с зазорами в ряд (например, дискретный приемник - фотодиодная линейка), изображенная на рис. 4.

Рис. 4. Спектры излучения ртутной лампы высокого давления и белого светодиода на фоне фоточувствительных элементов фотодиодной линейки

Очевидно, что корректное измерение монохроматического потока возможно лишь в том случае, когда он полностью попадет на приемную площадку. Что касается источников со сплошным спектром излучения, то картина здесь достаточно благополучная. Ту часть излучения, которая не регистрируется фотоприемным элементом можно определить методом аппроксимации функции f(л). Если же источник является не сплошным, а линейчатым, то ситуация усложняется. На фотоприемную площадку попадает лишь часть излучения источника, в ряде случаев еще и не самая основная (см. Рис. 4). Следствием этого явления является ошибка в измерениях спектрального состава исследуемого источника.

Для устранения этой неприятной ситуации можно воспользоваться следующей закономерностью. При увеличении ширины входной щели полихроматора аппаратная функция спектрального прибора увеличивается - “ухудшается”. Нетрудно заметить тот факт, что это приводит к изменению спектральной чувствительности каждого фоточувствительного элемента фотодиодной линейки, от узкой монохроматической до достаточно широкой, достигающей десятков нм. (см. Рис. 5).

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 5. Относительная спектральная чувствительность элемента фотодиодной линейки при различных значениях аппаратной функции а1, а2, а3

Сигнал P_лi, регистрируемый с каждого элемента фотодиодной линейки представляет собой произведение спектральной чувствительности этого элемента S_лi на монохроматическую составляющую Ф_лi падающего на него потока:

(1)

Если известен «сигнал» P_лi(л) снимаемый с каждого элемента и спектральное распределение падающего потока, т.е. Ф_лi(л), то легко получить спектральную чувствительность S_лi каждого элемента. Для этого, например, можно использовать излучение стандартной лампы с известным табулированным значением спектральной плотности потока излучения.

Зная реальную чувствительность каждого элемента линейки, можно получить необходимые поправочные коэффициенты для этого элемента, чтобы привести спектральную чувствительность прибора к виду относительной световой эффективности глаза V(л) (см. Рис. 7), к идеальному «П-образному» виду (см. Рис. 8), или любой другой кривой спектральной эффективности, для вычисления спектрозональной освещенности (облученности) входной щели.

Поправочный коэффициент для V(л) можно получить из выражения при S_лi(л) = V(л):(2)

(3)

где k_лi - поправочный коэффициент, учитывающий усиление сигнала для i-го элемента линейки, вырабатываемый микропроцессором;

Ф^таб_лi - спектральная плотность потока излучения стандартного источника.

оптический спектральный интегральный фотоколориметр

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 7. Приведение спектральной чувствительности фотодиодной линейки к виду относительной световой эффективности глаза V(л)

Поправочный коэффициент для «П-образного» вида можно получить из выражения при S_лi(л) = 1:

(4)

Аналогичные операции производятся для других спектральных кривых.

Рис. 8. Приведение спектральной чувствительности фотодиодной линейки к П-образному виду

Используя различные коэффициенты усиления k_лi в электронном тракте, мы можем изменять чувствительность элемента к данной (падающей на него) длине волны. Таким образом, мы можем корректировать спектральную чувствительность линейки в любом заданном спектральной интервале и привести ее к любому виду, в зависимости от решаемой задачи. Количество элементов, при этом, подбирается экспериментально.

Результаты

Метрологические исследования опытного экземпляра спектроколориметра, в основе работы которого заложен изложенный принцип показали, что он обладает следующими характеристиками.

Диапазон измерения:

яркости, кд/м² - 20 … 2000;

освещенности, лк - 20 - 20000;

коррелированной цветовой температуры, - 1500 … 10 000.

погрешности измерения координат цветности х, у: -

тепловых источников, не более: - ±0,005,

линейчатых источников, не более - ±0,005.

погрешности измерения яркости и освещенности, %, не более: - 10,0.

Выводы

Таким образом, используя способ формирования относительной спектральной чувствительности спектроколориметра, состоящего из полихроматора и многоэлементного гибридного приёмника излучения с помощью функционально заданного вида аппаратной функции получаем принципиально новый тип фотоколориметра для проведения цветовых измерений. Достоинство прибора перед серийно выпускаемыми в России спектроколориметрами (например ТКА - ВД) заключается в том, что появляется возможность достоверно измерять цветовые характеристики газоразрядных, узкополосных светодиодных и лазерных источников излучения. Кроме того отпадает необходимость проведения коррекции фотоприемника цветными фильтрами к заданному виду. Как недостаток следует отметить достаточно трудоёмкий процесс функционального задания вида аппаратной функции полихроматора.

Литература

1. Д. Джадд, Г. Вышецки. Цвет в науке и технике. М. «МИР», 1978.

2. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию // М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1979 г. 480 с.

3. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. // Издательство Московского университета. 1994 г.

4. Тарасов К.И. Спектральные приборы // 2-е изд., доп. и перераб. - Л.: «Машиностроение». 1974 г. 368 с.

Размещено на Allbest.ru