Прибор для измерения колориметрических характеристик излучения средств отображения информации и светотехнической продукции

Введение

Цветовые и эффективные характеристики источников оптического излучения, как правило, измеряют двумя способами [1, 5]:

• 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 двух серийно выпускаемых приборов, в которых реализованы указанные выше методы фотоэлектрической колориметрии и спектрофотометрии.

Фотоэлектрический колориметр «ТКА-ИЦТ» предназначен для измерения координат цветности х, у источников излучения, 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 x̄(λ), ȳ(λ), z̄(λ), принятых Международной комиссией по освещению (МКО) в 1931 г. В нашем случае для получения x̄(λ) ввиду сложной для коррекции спектральной чувствительности, имеющей два максимума, используются два фотоприемника x̄₁(λ), x̄₂(λ).

Рис. 1. Схема ФПУ прибора «ТКА-ИЦТ» и удельные координаты МКО-31: 1 — косинусная насадка; 2 — корпус ФПУ; 3 — фотодиоды с корригирующими фильтрами

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.

Рис. 2. Устройство полихроматора: 1 — входное устройство; 2 — диспергирующий элемент; 3 — диодная линейка

Фотоэлектрические колориметры надежны в эксплуатации. Они не боятся механических нагрузок и 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 фотоприемных элементов фотодиодной линейки возникает погрешность определения спектрального состава исследуемого узкозонного 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.

Описание нового метода

Известно [3, 4], что принцип действия большинства спектральных приборов, в которых свет с помощью призм или дифракционных решеток расщепляется пространственно по длинам волн, можно пояснить с помощью графиков, приведенных на рис. 3, 4. Форма кривой 1 соответствует функции f(λ), описывающей исследуемый спектр — распределение энергии излучения по длинам волн λ. Кривая 2 соответствует функции а(λ–λ’), описывающей способность спектрального прибора выделять из светового потока узкие участки Δλ в окрестности каждой λ’. Эту важнейшую характеристику спектрального прибора называют функцией пропускания, или аппаратной функцией (АФ). Процесс измерения спектра f(λ) прибором с АФ а(λ–λ’) можно имитировать, регистрируя изменения светового потока, проходящего через отверстие описываемой кривой 2, при перемещении (сканировании) относительно кривой 1 (рис. 5). Очевидно, чем меньше ширина АФ, тем точнее будет измерена форма контура спектра f(λ), тем более тонкая структура может быть в нем обнаружена.

Рис. 3. Исследуемый источник излучения

Рис. 4. Аппаратная функция спектрального прибора

Рис. 5. Процесс исследования спектрального состава источника

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

Результат измерений F(λ) исследуемого спектра f(λ) прибором с аппаратной функцией а(λ–λ’) описывается интегралом, называемым сверткой функции f с функцией а. Тождество F(λ) и f(λ) достигается лишь при бесконечно узкой аппаратной функции (dλ→0) [1]. Чем меньше ширина dλ функции а(λ–λ’), тем точнее прибор передает истинный контур f(λ). Это верно в том случае, когда фотоприемник представляет собой сплошную площадку с равномерной чувствительностью. Сложности появляются, когда фотоприемник состоит из набора небольших фоточувствительных элементов, расположенных с зазорами в ряд (например, дискретный приемник — фотодиодная линейка, рис. 6).

Рис. 6. 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(λ). 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 (рис. 6). Следствием этого является ошибка в измерениях спектрального состава исследуемого источника.

Для устранения этой неприятной ситуации можно воспользоваться следующей закономерностью. При увеличении ширины входной щели полихроматора ширина аппаратной функции спектрального прибора увеличивается — «ухудшается». Нетрудно заметить тот факт, что это приводит к изменению ширины функции спектральной чувствительности каждого фоточувствительного элемента фотодиодной линейки, от узкой монохроматической до достаточно широкой, достигающей десятков нанометров (рис. 7).

Рис. 7. Относительная спектральная чувствительность элемента фотодиодной линейки при различных значениях ширины аппаратной функции а1, а2, а3

Сигнал Pλ_i, регистрируемый с каждого элемента фотодиодной линейки, представляет собой произведение спектральной чувствительности этого элемента Sλ_i на монохроматическую составляющую Фλ_i падающего на него потока:

Если известен «сигнал» Pλ_i(λ), снимаемый с каждого элемента, и спектральное распределение падающего потока, т. е. Фλ_i(λ), то легко получить спектральную чувствительность Sλ_i 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, например, к виду относительной световой эффективности глаза V(λ) (рис. 8), либо к идеальному П-образному виду (рис. 9), или любой другой кривой спектральной эффективности для вычисления спектрозональной освещенности (облученности) входной щели.

Рис. 8. Приведение спектральной чувствительности фотодиодной линейки к виду относительной световой эффективности глаза V(λ)

Рис. 9. Приведение спектральной чувствительности фотодиодной линейки к П-образному виду

Поправочный коэффициент для V(λ) можно получить при

из выражения:

где kλ_i — поправочный коэффициент, учитывающий усиление сигнала для i-го элемента линейки, вырабатываемый микропроцессором; Ф^таб_λi — спектральная плотность потока излучения стандартного источника.

Поправочный коэффициент для П-образного вида можно получить при Sλ_i(λ) = 1.

Аналогичные операции производятся и для других спектральных кривых.

Используя различные коэффициенты усиления kλ_i в электронном тракте, мы можем изменять чувствительность элемента к данной (падающей на него) длине волны, что позволяет корректировать спектральную чувствительность линейки в любом заданном спектральном интервале и приводить ее к нужному виду в зависимости от решаемой задачи. Количество элементов при этом подбирается экспериментально.

Выводы

Таким образом, диспергирующая система полихроматора, основанная на приведенном выше методе коррекции спектральной чувствительности многоэлементных фотоприемников, позволяет получить новый тип фотоколориметра для проведения цветовых измерений практически для всех источников оптического излучения, применяемых в кинематографии и осветительной технике. В нем удачно сочетаются преимущества приборов как спектрального, так и интегрального типа.

Литература

1. МТК (Мир техники кино) 1(15) 2010.
2. Лебедева В. В. Экспериментальная оптика. М.: МГУ. 1994.
3. Тарасов К. И. Спектральные приборы. 2-е изд., доп. и перераб. Л.: «Машиностроение». 1974.
4. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1979.
5. Домасев М., Гнатюк С. Цвет. Управление цветом, цветовые расчеты и измерения. СПб.: Питер. 2009.