|
|
Выбор и обоснование структурной схемы устройства.Введение Измерение цветовых характеристик источников излучение менее других обеспечено в нашей стране серийно выпускаемыми приборами. Последние модели колориметров, разработанные в СССР, например, КФТ-1, обладают хорошими техническими характеристиками, но в настоящее время не выпускается. Колориметры серийно выпускаются рядом зарубежных фирм, таких как LMT, Minolta, Klein, Topcon. Но все зарубежные приборы достаточно дороги. Представленный прибор «ТКА-ИЦТ» (измеритель цветовой температуры) предназначен для измерения координат цветности источников излучения, коррелированной цветовой температуры, яркости (протяженных источников) и освещенности. Представленный колориметр является прибором интегрального типа. По сравнению со спектральными приборами он обладает надежностью, легкой и компактной конструкцией. Фотоприемное устройство преобразует оптическое излучение в электрические сигналы. Электрические сигналы подаются на усилитель. Затем они преобразуются в цифровую форму и поступают в микропроцессор для дальнейшей обработки. Программное обеспечение позволяет представлять результаты измерений на ЖК-дисплее в необходимой форме. Излучение от источника попадает на пластину молочного стекла, рассеивается и поступает на четыре кремниевых фотодиода. Спектральные чувствительности фотодиодов скорректированы с помощью светофильтров из цветного стекла под удельные координаты цвета x(λ), y(λ), z(λ) МКО 1931 г. На рис. 3 представлены удельные координаты цвета (жирные линии) и скорректированные чувствительности фотодиодов (обозначены квадратами). Кривая y(λ) является одновременно функцией видности глаза V(λ). Это позволяет реализовать в представленном колориметре функции люксметра и яркомера. Кривая x(λ) является «двугорбой». Ее непосредственная реализация сложна. В данном приборе выбран более сложный, но оправдывающий себя путь решения: разбиение «двугорбой» кривой x(λ) на две «одногорбые» – x1(λ) и x2(λ). Для определения яркости источников в комплект прибора включена специальная насадка. Программное обеспечение прибора позволяет рассчитывать координаты цветности в системах (x, y) МКО 1931 г. и (u, v) МКО 1960 г., а также позволяет вычислять коррелированную цветовую температуру. Ее расчет основан на переходе в равноконтрастную систему (u, v). Коррелированная цветовая температура источника излучения определяется как ближайшая по цветности точка к цветности абсолютно-черного тела АЧТ, тогда коррелированная цветовая температура данного источника принимается равной температуре АЧТ этой цветности. Пространство (x,y) не является равноконтрастным. Пространство (u,v) является равноконтрастным. Равным изменениям цветности соответствуют равные изменения расстояния на цветовом графики. Изотемпературные линии перпендикулярны кривой АЧТ (в пространстве (x,y) это не так). Тогда ближайшую по цветности точку можно определить как геометрически ближайшую точку. Каждой точки цветности АЧТ соответствует значение температуры АЧТ. Массив точек цветности и температур АЧТ записан в память микропроцессора. Точек более 300. Коррелированная цветовая температура источника (обозначен точкой) определяется как геометрически ближайшая точка к точке цветности АЧТ, тогда коррелированная цветовая температура данного источника принимается равной температуре АЧТ в этой точке. Для определения погрешности коррекции каждого фотодиода со светофильтрами использовалась установка с двойным монохроматором и образцовыми фотоприемниками. На установке измерялась спектральная чувствительность фотодиодов со светофильтрами. По результатам измерений рассчитывалась ошибка f1(z) для 15 различных источников (пять стандартных источников МКО, источники B, C, D65, D120, 3 светодиода (зеленый, желтый, красный), 3 люминофора (синий, зеленый, красный)). Требование абсолютной погрешности измерений координат цветности x, y ±0,005 (по ГОСТ 8.205) выдвигает требование к погрешности f1(z) для каждого фотоприемника менее 2%. Первоначально предполагалось, можно будет скорректировать фотоприемники с такой точностью под все типы источников, но оказалось, что этого сложно достичь. Представленный прибор «ТКА-ИЦТ» измеряет с указанной точностью источники со сплошным и смешанным спектром излучения. Это такие как лампы накаливания, люминесцентные лампы, сигнальные огни и светофоры, излучение которых выделяется светофильтрами, то есть имеет широкий спектр. При измерении светодиодов и люминофоров, которые имеют довольно узкий спектр, погрешность по координатам цветности будет больше до ±0,02. Для измерения светодиодов и люминофоров предполагается использовать специально скорректированные фотоприемные устройства. Тогда колориметр будет точно измерять указанный тип источника (например, люминофоры), но иметь большую погрешность для остальных источников.
Обзор существующих колориметров. Такой вид оптических измерений как цветовые характеристики самосветящихся источников излучения менее других обеспечен в нашей стране серийно выпускаемыми колориметрами, соответствующими современным техническим и метрологическим требованиям. Ранее выпускавшиеся колориметры типа УФК и КТЦ-5.048 безнадежно морально устарели и не обеспечивают измерение координат цветности с требуемой ГОСТ 8.205-90 погрешностью±5·10-3 . Новый телевизионный колориметр КФТ–1 имеет погрешность измерения координат цветности белого и основных цветов экрана кинескопа 0,5% в стандартной колориметрической системе МКО 1931 г. и погрешность измерения яркости ± 10 %, измеряемой с помощью двух сменных входных диафрагм с диаметрами 50 и 20 мм. Конструктивно колориметр КФТ–1 выполнен в виде двух устройств – выносной колориметрической головки и электронного блока. В головке размещены 3 фотодиода типа ФД – 24К с фильтровой коррекцией под кривые сложения `xn(l), `y(l), `z(l). Для обеспечения сведения к минимуму влияния неравномерности яркости по измеряемому источнику оптического излучения фотодиоды размещены симметрично по образующей конуса так, чтобы их оптические оси были направлены в центр входной апертурной диафрагмы. Электронный блок обеспечивает цифровую индикацию результата измерения в системе МКО 1931 г., компенсацию темнового тока, регулировку коэффициента усиления в каждом канале в зависимости от чувствительности фотодиодов и пропускания фильтров, ввод поправочных коэффициентов при калибровке колориметра по образцовым излучателям и подключение внешнего печатающего устройства. К сожалению, прибор, обладая неплохими техническими и метрологическими характеристиками, серийно не выпускается. Ведущие мировые производители измерительных приборов такие как: “MINOLTA”, (Япония), “KLEIN”, (США), “LMT” (Германия) выпускают специальные колориметры для измерения координат цветности, яркости и цветовой температуры источников излучения, соответствующие современным требованиям. Ниже приведены технические характеристики некоторых из них. CHROMA METERS CL – 100. (“MINOLTA”, Япония) Представляет собой малогабаритный, переносной прибор интегрального типа для измерения: освещенности, цветности источников излучения и коррелированной цветовой температуры, технические характеристики, которого приведены в таблице 1. Таблица 1 Технические характеристики CHROMA METERS CL – 100
Рис. 1. Внешний вид CHROMA METERS CL – 100
Фотоприемное устройство состоит из трех кремниевых фотодиодов, спектральные характеристики которых приведены к кривым удельных координат `x2(l), `y(l), `z(l) МКО 1931 г. Угол зрения (2p) сформирован косинусной насадкой из светорассеивающего материала. ФПУ выполнено в виде отдельного блока, соединенного кабелем с блоком обработки и визуализации информации. Как недостаток следует отметить замену «двугорбой» удельной координаты `x(l) на одногорбую `x2(l), что не отвечает требованиям МКО. Очень интересен с точки зрения своих функциональных возможностей колориметр CHROMA METERS CS – 100, выпускаемый японской фирмой “MINOLTA”. Прибор предназначен для измерения яркости и цветовых характеристик источников излучения, удаленных от наблюдателя на значительное расстояние под углами зрения 2о и 10о. Оптическая схема яркомера имеет фокусируемый объектив, и зеркально – призменную оборачивающую систему. Цифровой светодиодный дисплей наблюдается через окуляр. Высокие технические (табл. 2) и эксплуатационные характеристики обеспечивают прибору широкую область применения. Он может быть использован для измерения яркости и одновременно координат цветности элементов электронных табло и экранов мониторов. Для работы на близких расстояниях предусматривается применение специальной насадочной оптики.
Рис. 2. Оптическая схема. L1, L2, L3 – линзы объектива и окуляра, S1, S2 – диафрагмы, М – зеркало, Р – поворачивающая призма, FB – стекловолоконный разделитель светового потока, F – корригирующие фильтры, D – кремниевые фотодиоды. Таблица 2. Технические характеристики CHROMA METERS CL – 100
Рис. 3. Внешний вид CHROMA METERS CS – 100
Специально для измерения колориметрических характеристик экранов дисплеев разработан фирмой KLEIN Instruments Corparation, США колориметр K-10 Lensing Colorimeter. Колориметр предназначен для измерения координат цветности самосветящихся источников излучения в системе xyY, uvY МКО 1931 г., цвета в системе RGB и коррелированной цветовой температуры Тс. Технические характеристики и внешний вид прибора показаны в табл. 3. и на рис. 3.
Таблица 3. Технические характеристики K-10 Lensing Colorimeter
Рис. 4. Внешний вид колориметра K-10 Lensing Colorimeter
Для проведения точных измерений первичных источников света служит разработанный фирмой LMT (Германия) трехцветный Colorimeter С 2210. Он предназначен для определения трехцветных величин (координат цвета) X, Y, Z, координат цветности x, y и коррелированной цветовой температуры Tц. И имеет следующие технические и метрологические характеристики:
Таблица 4.
Головка колориметра CH 60 диаметром 60 мм имеет встроенную высоко термостатическую стабилизацию кремниевых фотоэлементов. Связь с дисплейным и вычислительным блоком осуществляется посредством сменного кабеля. Погрешности коррекции фотодиодов: `x(λ): f1x < 1,5%; `y(λ): f1y < 1,0%, `z(λ): f1z < 2,0% Температурный коэффициент: α0 < 0,01%/K Суммарная ошибка: fS < 3,0% (относится к каналу Y)
Рис.5. Внешний вид прибора «Colorimeter С 2210».
Из проведенного анализа можно сделать следующие выводы. Цветовые измерения источников излучения в нашей стране не обеспечены серийно выпускаемой измерительной техникой. Старые колориметры морально и физически устарели. Ведущие мировые производители измерительных приборов такие как: “MINOLTA”, (Япония), “KLEIN”, (США), “LMT” (Германия) выпускают специальные колориметры для измерения координат цветности, яркости и цветовой температуры источников излучения, соответствующие современным требованиям, но в настоящее время широкое применение импортных колориметров довольно проблематично из-за их высокой стоимости, отсутствия метрологического обеспечения и сервисной службы. В связи с этим в стране наблюдается острая необходимость в разработке и серийном выпуске недорогих, переносных, с хорошими метрологическими характеристиками отечественны колориметров для измерения оптических характеристик источников излучения. Выбор и обоснование структурной схемы устройства. Структурная схема приборов, определяющая основные, функциональные части, их назначение и взаимосвязь показана на рис.
излучение
Рис. 6 Фотоприемное устройство представляет собой преобразователь оптического излучения в электрический сигнал интегрального типа, т.е. он состоит из одного или нескольких фотоприемников, спектральная характеристика которых корригирована под решение заданной задачи. Для люксметра, пульсметра и яркомера используется один фотоприемник, спектральная характеристика которого соответствует относительной световой эффективности V(l). Для колориметра используются четыре фотоприемника, спектральные характеристики которых с помощью светофильтров исправлены под кривые сложения `X1(l), `X2(l), `Y(l), `Z(l) МКО 1931 г. или 1964 г. Сигналы с ФПУ подаются на предварительный усилитель, где происходит одновременно с усилением сигналов и их масштабирование. Усиленные сигналы постоянного тока подаются на входы АЦП для преобразования в цифровую форму. Цифровые сигналы с выходов АЦП подаются в микроЭВМ для дальнейшей обработки. Программное обеспечение позволяет представлять результаты измерений в необходимой форме, а также выводить их на внешний дисплей и производить соединение с внешними ЭВМ и цифропечатью. Фотометрическая головка производит регистрацию и преобразование светового потока источника излучения в электрический сигнал.
Измерительная часть (роль согласования ФГ и АЦП) усиливает сигнал для максимального использования динамиеского диапазона АЦП. Коэффициент усиления устанавливается в зависимости от комбинации цифровых сигналов на входе схемы. 4-х канальный АЦП (12 разрядов) преобразует электрический сигнал в цифровой вид для дальнейшей обработки на микро ЭВМ. ЖК дисплей отображает результаты вычислений. МикроЭВМ обрабатывает данные поступившие с АЦП, ошибочные ситуации, опрашивает клавиатуру, регулирует Коэффициент усиления измрительной части, выводит значения на ЖК дисплей. В данном приборе используется микроконвертер ADuC812BS (вычислительное ядро семейства 80С52) со встроенным 12-ти разрядным 8-ми канальным АЦП. Данный микроконвертер удобен для систем сбора и обработки данных.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
Калибровка: стандартный источник А (Тцв. = 2856 ± 25 К)
