Исследование спектров излучения RGB-светодиода для построения модели цветового зрения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В связи с интенсивным развитием твердотельной светотехники и созданием светодиодов для освещения возникает необходимость проведения исследования чувствительности зрения к излучению различных светодиодов. Ряд подобных задач связан с построением моделей цветового зрения человека и исследования особенностей чувствительности и кинетики зрения. Согласно классической трёхкомпонентной теории цветового зрения, в сетчатке человеческого глаза присутствуют колбочки трёх типов, реагирующих на красную, зелёную и синюю части спектра. Диапазоны и значения длин волн максимальной чувствительности соответствующих типов колбочек приведены в таблице 1.

Таблица 1. Зоны чувствительности рецепторов глаза согласно трёхкомпонентной теории зрения

Для выявления тех или иных физиологических закономерностей реакции зрительной системы человека на оптическое излучение в ряде случаев уместно использовать квазимонохроматическое излучение спектральных областей, примерно совпадающих с областями чувствительности соответствующих типов колбочек. Например, в ходе экспериментального изучения инерционных свойств зрения целесообразно наблюдать за реакциями отдельных типов колбочек на «свой» цвет излучения. С этой целью в настоящей работе проводится измерение спектров излучения RGB-светодиода и сравнение полученных спектров с кривыми относительной видности соответствующих типов колбочек. В колориметрических задачах важно знать координаты цветности излучения источника, поэтому по измеренным спектрам проводится расчёт координат цветности всех трёх типов излучения.

В качестве испытуемого был выбран RGB-светодиод 599R2GBC-CA. Удобство применения светодиода данного типа состоит в том, что все три кристалла, каждый из которых дает квазимонохроматическое излучение того или иного цвета, интегрированы в одном корпусе. Это позволяет проводить серии экспериментов посредством простого переключения питающих напряжений без механических замен одного светоизлучающего элемента на другой.

Рис. 1. Спектры излучения RGB-светодиода из Datasheet

На рис.1 показаны спектры излучения светодиода в относительных единицах, а в таблице 2 - спектральные характеристики светодиода, приведённые в Datasheet [1].

Таблица 2. Спектральные характеристики излучения светодиода при прямом токе IF=20мА

Так как спектры излучения двух и более светодиодов одного типа могут значительно отличаться от спектров, приведённых в технической документации, необходимы дополнительные измерения спектров излучения. Это обусловлено тем, что для предполагаемых задач, указанных выше, приведённых данных может оказаться недостаточно для точного анализа. В настоящей работе измеряются относительные распределения мощности излучения световых пучков, испускаемых разными кристаллами светодиода, по длинам волн.

Результаты измерений и расчётные данные

Снятие спектров излучения проводилось в автоматическом режиме с помощью монохроматора ДМР-4, шагового двигателя и осциллографа АКИП-4116/1.

С учётом искажений, вносимых монохроматором, спектры соответствующих типов излучения предстанут в виде рис.2-4.

Рис. 2. Кривая относительной видности S-фоторецептора и спектр синего излучения светодиода 599R2GBC-CA после пересчёта. Здесь: S - кривая относительной видности фоторецептора, реагирующего на синее излучение; B-LED - спектр синего излучения светодиода

Рис. 3. Кривая относительной видности М-фоторецептора и спектр зелёного излучения светодиода 599R2GBC-CA после пересчёта, М - кривая относительной видности фоторецептора, реагирующего на зелёное излучение; G-LED - спектр зелёного излучения светодиода

Рис. 4. Кривая относительной видности L-фоторецептора и спектр красного излучения светодиода 599R2GBC-CA после пересчёта L - кривая относительной видности фоторецептора, реагирующего на красное излучение; R-LED - спектр красного излучения светодиода.

фоторецептор спектральный светодиод

В таблице 3 приведены характеристики спектров, измеренных экспериментально.

Таблица 3. Спектральные характеристики излучения светодиода, измеренные экспериментально

Как видно из полученных графиков, зелёное излучение RGB-светодиода полностью попадает в область кривой относительной видности М-фоторецептора. Расстояние между соответствующими максимумами составляет 12 нм, что для ряда задач является достаточной точностью. Спектр синего излучения RGB-светодиода смещён вправо относительно кривой относительной видности S-фоторецептора и расстояние между максимумами этих спектров составляет 23,1 нм, что хуже, чем в случае зелёного излучения. Спектр красного излучения RGB-светодиода также смещён вправо относительно кривой относительной видности L-фоторецептора. Расстояние между максимумами в этом случае составляет 108 нм, что хуже, чем в случае зелёного и синего излучений.

Сравнивая измеренные данные с данными, приведёнными в Datasheet, можно сказать, что для синего и зелёного излучения максимумы спектров практически совпадают: расстояние между максимумами составляет соответственно 7,1 нм и 5 нм. Для красного излучения наблюдается сильное расхождение: 58 нм. Для всех цветов излучения наблюдается уширение спектров по сравнению с заявленными в Datasheet.

Расчёт координат цветности для каждого типа излучения проводится на цветовой диаграмме МКО 1931 г. Методика расчёта приведена в [2]. Суть задачи состоит в определении для каждого цвета излучения относительных цветовых координат.

Координаты цвета в цветовом пространстве МКО 1931 г. Для практических расчётов применяются приближённые формулы:

Здесь:

- относительная мощность излучения на выбранной длине волны;

- табличные значения кривых сложения для цветового пространства МКО 1931 г. [2];

- интервал длин волн в спектре излучения, в котором значение относительной мощности излучения условно принимается постоянным;

- коэффициент пропорциональности.

Полученные приближённые координаты цветности для всех трёх типов излучения приведены в таблице 4.

Таблица 4. Рассчитанные координаты цветности трёх типов излучения светодиода

Подводя итог, можно сказать, что исследуемый RGB-светодиод можно применять при постановке разного рода экспериментов в области изучения физиологии зрения «in vivo», при этом зелёное излучение можно использовать в качестве эталонного, а синее и красное излучения необходимо предварительно пропускать через корректирующие светофильтры.

Литература

1. 599R2GBC-CA REV:A / 0: 5.0 mm DIA LED LAMP [Электронный ресурс] // Electronic Components Datasheet Search: [сайт]. - Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/156663/HB/599R2GBC-CC.html.

2. Горбунова Е.В. Типовые расчеты по колориметрии источников излучения: учеб. пособие / Е.В. Горбунова, А.Н. Чертов. - СПб.: Университет ИТМО, 2014. - 90 с.

Размещено на Allbest.ru