Определение параметров диодов и составление диаграммы цветности поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

На тему: «Определение параметров диодов и составление диаграммы цветности поверхности»

План

1. Сведения о приборах

2. Диаграмма цветности

3. Основы колориметрии

4. Международная колориметрическая система МКО XYZ

5. Основные стандарты в колориметрии

1. Сведения о приборах

Спектроколориметр "ТКА-ВД"/02

Прибор предназначен для измерения координат цветности и коррелированной цветовой температуры источников света в международной колориметрической системе МКО 1931г. и 1976 г. при освещенности, создаваемой нормально расположенными источниками.

Прибор состоит из оптоэлектронного блока и блока обработки сигнала, связанных между собой гибким многожильным кабелем. В данном случае измерения только в режиме освещённости, создаваемой нормально расположенными источникам. Оптоэлектронный блок представляет собой полихроматор (см. схему): входное оптическое излучение, формируемое объективом, разлагается в спектр на вогнутой дифракционной решетке и фокусируется на диодной линейке, с которой снимается сигнал для последующей обработки и вычисления измеряемых параметров. Прибор с линейным детектором с фиксированным положением дифракционной решетки не имеет движущихся частей, что позволяет одновременно регистрировать относительно широкую видимую область спектра с построением изображения.

Оптическая схема полихроматора прибора

Измеритель светового потока "ТКА-КК1"

Прибор предназначен для измерения полного светового потока светодиодов по методу "интегрирующей сферы" ("Сферы Ульбрихта"), в млм.

Конструктивно прибор состоит из двух функциональных блоков. Диаметр сферы 140 мм, приёмник света - фотодиод, размещённый в нижней полусфере. Измерительный блок выполнен в виде шара на жёстком основании, шар является "интегрирующей сферой". В нём имеется входной тубус для установки светодиодов диаметром до 14 мм и сменных диафрагм, входящих в комплект, для позиционирования светодиодов диаметрами 3, 5, 9 мм.

Интегрирующая сфера внутри окрашена белой, диффузно отражающей краской с коэффициентом отражения с = 96%. Геометрические размеры входного окна и посадочного места под измеряемый светодиод представлены на рисунке.

Основной величиной, которая позволяет судить о количестве излучения, является поток излучения (или мощность излучения).

2. Диаграмма цветности

Графическое представление цветов требовало бы трехмерной координатной системы, что не всегда удобно. Цветность может быть выражена путем нанесения коэффициентов х и у на обычную двумерную систему декартовых координат. Такой график называется диаграммой цветности (рис. 4). Сплошной линией на рисунке показано расположение чистых спектральных цветов, нанесенное на основании кривых смешения МОК.

Система прямоугольных координат является в настоящее время наиболее употребительной для выражения результатов цветных измерений. Раньше для этого чаще применяли равносторонний треугольник (так называемый цветовой треугольник или треугольник Максвелла), вершины которого соответствуют содержанию лишь одного первичного в количестве, равном единице. Трехцветные коэффициенты каждого цвета, соответствующего определенной точке внутри треугольника, определяются длиной перпендикуляров, опущенных от данной точки на три стороны треугольника. Из свойств равностороннего треугольника следует, что сумма перпендикуляров для всех точек внутри треугольника постоянна, что и требуется для трехцветных коэффициентов. Такой треугольник представлен на рис. 5.

Трехцветные коэффициенты определяют некоторую точку ("цветовая точка") на диаграмме цветности. Так, для нормальных осветителей значения цветовых координат, определяющих их цветовые точки („белая точка"), следующие:

осветитель А....х = 0,448; y= 0,407

осветитель В....х = 0,3485; у = 0,352

осветитель С....х = 0,310; у = 0,316

Стандартное излучение А представляет собой излучение абсолютно черного тела при температуре 2856 К. Спектр излучения соответствует излучению лампы накаливания.

Стандартное излучение В - излучение с коррелированной цветовой температурой 4874 К, что соответствует прямому солнечному свету при высоте стояния солнца меньше 30є.

Стандартное излучение С - рассеянный свет дневного неба, затянутого облаками при высоте стояния солнца менее 30є, с коррелированной цветовой температурой 6774 К.

Диаграмма цветности обладает одним свойством, которое делает ее незаменимой для представления результатов оптического смешения двух или более стимулов. На рис.4 некоторый красный представлен точкой R, некоторый зеленый -- точкой G. Независимо от пропорций, в которых смешиваются эти два стимула, результирующий цвет будет всегда лежать на прямой, соединяющей R с G.

Рис. 4. Диаграмма цветности

Рис. 5. Цветовой треугольник Максвелла

В силу такого свойства диаграммы цветности все реальные цвета должны лежать внутри плоскости, ограниченной кривой спектральных цветов.

Легко видеть, что на концах прямой, проведенной через „белую точку", будут лежать взаимно дополнительные цвета, причем количества их, необходимые для составления белого цвета, будут пропорциональны длинам отрезков от белой до соответствующей цветной точки.

Рассмотрим теперь смешивание цветов с математической точки зрения как некое геометрическое построение. Цвет можно представить вектором в трехмерном пространстве, где по трем осям отложены величины X, Y и Z, т. е. данному цвету соответствует точка в пространстве. Точка, соответствующая другому цвету, у которого компоненты равны x?, y? и z?, расположена в другом месте. Как мы уже знаем, сумма двух цветов есть новый цвет, который получается векторным суммированием первых двух. Диаграмму можно упростить и изобразить все на плоскости, если воспользоваться следующим наблюдением: возьмем свет определенной окраски и просто удвоим коэффициенты X, Y и Z, т. е. все компоненты увеличим, а соотношение между ними оставим неизменным; тогда получится свет той же самой окраски, но более яркий. Поэтому можно привести любой свет к одной и той же интенсивности и затем спроектировать все построение в трехмерном пространстве на плоскость, как это сделано на рис.4.

Отсюда следует, что любой цвет, полученный смешением двух заданных цветов, изображается точкой, лежащей на линии, которая соединяет оба выбранных цвета. Например, смесь, составленная из равных частей обоих цветов, лежит на середине соединяющего их отрезка; смесь из 1/4 одного цвета и 3/4 другого лежит на расстоянии 1/4 длины отрезка и т. д.

Поскольку сам по себе феномен цвета включает объективное физическое (источник света и наблюдаемый объект) и субъективное (зрение) начала, то для однозначного определения цвета достаточно условно предлагают пользоваться объективными и субъективными характеристиками цвета (табл. 1).

спектроколориметр полихроматор отражение колориметрия

Таблица 1

Когда мы рассматриваем два цветных объекта, то мы не только замечаем, что их цвета различны, но и в каком именно отношении они отличаются друг от друга. Так, с одной стороны, мы различаем цвета красные, зеленые, синие и их оттенки: желто-зеленый, сине-зеленый и т.д. В таких случаях говорят, цвета различаются по цветовому тону. Для определенности обозначения цветового тона указывают длину волны (табл. 1), т.е. говорят о цветовом тоне такой-то длины волны l , нм, которую, таким образом, принято считать объективной измеряемой величиной, цветовой тон - свойством зрительного ощущения, т.е. субъективной характеристикой.

Два цвета, одинаковые по цветовому тону, могут различаться и по другим признакам. Среди цветов особое место принадлежит «бесцветным» или ахроматическим. Это белые и все серые вплоть до черного. Ахроматические цвета те, которые не имеют цветового тона. В противоположность им - хроматические цвета, т.е. цвета с наиболее выраженной хроматической составляющей (с сильно выраженным цветовым тоном). Такие цвета принято относить к насыщенным цветам. Напротив, чем слабее выражен цветовой тон, тем ближе цвет к хроматическому, тем насыщенность меньше. Насыщенность - субъективная характеристика, может быть оценена количественно, определяется чистотой.

Чистота цвета является объективной характеристикой и выражается в %. Таким образом, насыщенность - характеристика, позволяющая оценить долю чистой хроматической составляющей в общем цветовом ощущении. Насыщенность оценивается числом порогов цветоразличения. Н,пор. Чистота - степень приближения цвета к чистому спектральному Р, %. Цветовой тон и насыщенность, или длина волны и чистота, называемые цветностью, считают качественной характеристикой цвета. Количественная характеристика определяется его яркостью (L, кд/м²). Количественное выражение уровня зрительного ощущения, производимого яркостью, как известно называют светлотой, измеряемой в порогах В,пор. Подавляющее большинство окружающих нас предметов одновременно и поглощают, и отражают (а светопроницаемые и пропускают) свет в широком диапазоне длин волн видимой области спектра (380 - 760 нм), т.е. поверхности избирательно реагируют на падающий на них свет, однако степень отражения ими (и по аналогии - пропускания) излучения разных длин волн различна (рис. 6).

Рис. 6. Кривые спектрального отражения поверхности свежевыпавшего снега: (1), желтой бумаги (2) и кривые спектрального пропускания зеленого (3), красного (4) и синего (5) стекол.

При освещении любого тела часть монохроматического света (красный, синий и т.д.) отразится, часть возможно пройдет через него и часть поглотится им. Отношение монохроматического светового излучения данной длины волны л, отраженного поверхностью, к падающему на эту поверхность монохроматическому свету, носит название спектрального коэффициента отражения с_л:

(9)

где Ф_сл - отраженное монохроматическое излучение данной длины волны л; Ф_л - монохроматический свет с длиной волны л, падающий на объект.

Соответственно, отношение монохроматического света, прошедшего через среду (например, цветное стекло), к падающему монохроматическому, называется спектральным коэффициентом пропускания Т_л:

(10)

где Ф_Тл - монохроматический свет, прошедший через среду; Ф _л - падающий монохроматический свет.

Кривые спектральных коэффициентов отражения и пропускания, приведенные на рис. 7, показывают, что поверхность свежевыпавшего снега одинаково отражает излучения всех длин волн падающего на него света, желтая бумага хорошо отражает желтые и оранжевые лучи, несколько хуже зеленые и красные и совсем мало синие и фиолетовые. Зеленое стекло хорошо пропускает только зеленые излучения, хуже голубые и желтые и почти не пропускает остальные. Красное стекло хорошо пропускает красные лучи, несколько хуже оранжевые и желтые и не пропускает остальные. Синее - хорошо пропускает синие и фиолетовые, хуже голубые и не пропускает остальные лучи.

При отражении и пропускании избирательно отражающих и пропускающих тел спектральный состав светового потока меняется. Поэтому цвет этих поверхностей зависит как от спектрального состава падающего на них светового потока, так и от отражательной или пропускающей способности поверхности, характеризуемой с_л и Т_л. Таким образом, зрение судит о цвете поверхности по отраженному от нее свету, попавшему в глаз.

3. Основы колориметрии

Наука, занимающаяся количественным выражением цветов, расчетами и измерением цвета, носит название «колориметрия».

Колориметрия включает:

а) измерение цветовых параметров с помощью спектрофотометров и колориметров;

б) расчет цвета по заданным характеристикам и справочным таблицам;

в) определение количественных характеристик цвета с использованием атласа цветов.

Цвет в колориметрии есть трехмерная векторная величина, характеризующая группу световых визуально неразличимых излучений. Измерить цвет - значит обозначить его через какие-то объективные величины и субъективные ощущения и тем самым определить его место в рамках некой теоретический колориметрической системы их выражения и математического описания. Возможность описывать любой цвет тремя параметрами, исходя из трехкомпонентной природы цветового зрения, позволяет систематизировать и определять их в колориметрии. В чем заключается трехкомпонентность цветового зрения? Сетчатка глаза по-разному реагирует на излучения различных длин волн и посылает соответствующие сигналы в мозг. Очевидно, что для этого должен иметься аппарат, тем или иным способом анализирующий спектральный состав падающего света на светочувствительные рецепторы - колбочки.

В соответствии с физиологической трехкомпонентностью цветового зрения имеются колбочки световоспринимающего (дневного и сумеречного) аппарата глаза трех видов: красноощущающие (К - рецепторы), зеленоощущающие (З - рецепторы) и синеощущающие (С - рецепторы) (рис.7)

Рис. 7. Спектральная чувствительность цветовоспринимающих КЗС - рецепторов глаза.

Зрительные ощущения, определяемые общим уровнем возбуждения КЗС - рецепторов, принято называть ощущением цвета. Ощущение цвета можно условно разделить на составляющие: количественную - светлоту (ощущение яркости) и качественную - цветность. Условность этого деления заключается в том, что в действительности глаз не делает подобных различий, ощущение цвета - единый процесс. Деление на качественную и количественную характеристики цвета лежит в основе современной колориметрии.

В условно-формализованном геометрическом представлении все реально воспринимаемые глазом цвета занимают некоторую область в так называемом (теоретически созданном) цветовом пространстве, ограниченную и локализованную в определенном объеме - цветовом теле. Для упорядочения и возможности выполнения математических действий в цветовом пространстве вводится координатная система, в которой каждый цвет выражается через основные цвета системы. Основные цвета системы должны быть независимыми друг от друга. Иными словами, принципиальное требование, которому должны удовлетворять основные цвета, состоит в том, что ни один из них не может быть получен смешением двух других. Это условие вытекает из физиологии колбочкового КЗС - зрения. Все другие цвета могут быть получены смешением этих трех основных цветов в разных количествах и сочетаниях. Соответствие каждой точки цветового пространства вполне определенному цвету ведет к наличию в цветовом пространстве точки нулевой яркости - точки черного, являющегося началом координат для любой колориметрической системы. Одним из множества векторов цвета, выходящего из начала координат, является вектор яркости ахроматического белого цвета.

Цветовая метрика в колориметрии основывается на законах аддитивного смешения цветов (сложения, т.е. энергетического суммирования цветных световых потоков).

4. Международная колориметрическая система МКО XYZ

Любая колориметрическая система определения цвета основана на возможности воспроизведения данного цвета путем аддитивного смешения трех соответственно выбранных основных цветов. Всеобщим признанием сегодня пользуется система координат, основными цветами которой являются три нереальных теоретических невоспроизводимых цвета, обозначенных через XYZ, играющих роль математически удобных символов. Эта колориметрическая система МКО (Международная комиссия по освещению) XYZ принята как стандартная Международная система для количественной оценки цвета.

На рис. 8 приведена схема получения цвета излучения Ф смешением трех основных цветов XYZ на белой гипсовой призме, одна грань которой освещена светом Ф, а другая - совокупностью излучений трех основных цветов XYZ, взятых в определенных пропорциях x`y`z` так, чтобы выполнялось условие зрительного уравнивания по цвету полей сравнения - граней призмы.

Рис. 8. Схема воспроизведения цвета Ф смешением трех основных цветов XYZ.

(18)

где Ф - цвет исследуемого излучения; XYZ - основные цвета системы; x`y`z` - координаты цвета.

Координаты цвета - количества трех основных цветов, необходимых для получения цветового равенства с сопоставляемым (измеряемым) цветом. Такое уравнение называют цветовым уравнением, причем координаты цвета однозначно характеризуют цвет, т.е. определяют его яркость и цветность (табл. 1). По условию построения колориметрической системы XYZ яркость цвета в ней определяется координатой y`.

Для характеристики цветности излучения пользуются относительными значениями координат цвета, называемыми координатами цветности x и y:

; ; (11)

Из уравнений (11) следует, что

X+Y+Z=1 (12)

Следовательно, для характеристики цветности излучения достаточно

двух координат x,y, что позволяет графически изображать цветность излучения точкой в прямоугольной системе координат. По условиям построения этой системы поле реальных цветностей, включая белый, расположено внутри цветового треугольника, построенного в прямоугольной сетке координат x, y.

На рис. 9 приведена диаграмма цветности, построенная в международной системе X, Y, Z. По оси ординат графика отложены координаты цветности Y, по оси абсцисс - координаты цветности X. В координатах X, Y нанесена кривая цветности однородных излучений с длинами волн л от 400 до 700 нм. Вдоль кривой указаны длины волн в нанометрах, соответствующие монохромным излучениям. Прямая линия, соединяющая концы кривой цветности однородных излучений (400 и 700 нм), характеризует цветности пурпурных цветов (малиновый, вишневый, сиреневый и др.), отсутствующих в спектре, но существующих в природе, как результат смешения спектральных цветов красного с сине-фиолетовым. В середине графика расположен белый цвет. Таким образом, цветовой треугольник (иначе именуемый “диаграмма” или “локус” цветностей) ограничивается кривой спектральных цветов и прямой пурпурных цветов, соединяющей красный с фиолетовым.

Рис.9. Цветовой график координат цветности X, Y с линией излучений черного тела и стандартными источниками белого света (А, В, С и D₆₅).

На рис. 9 внутри «локуса» приведена кривая цветностей излучений абсолютно черного тела с коррелированными цветовыми температурами. Абсолютно черное тело - тело, поглощающее все падающие на него излучения независимо от длины волны, интенсивности и направления. Если цветность излучения лампы искусственного света не совпадает ни с одной точкой линии черного тела, выбирается ближайшая точка линии и по ней определяется так называемая коррелированнай цветовая температура излучения данной лампы. В современной жизни очень большое значение имеет точное определение цвета. На этот вопрос можно дать, в значительной мере, лишь условный ответ. МКО в качестве эталонов белого цвета предлагает излучения абсолютно черного тела и дневного света.

5. Основные стандарты в колориметрии

а) Стандартный колориметрический наблюдатель МКО в системе XYZ, характеризующийся приемником излучения (глаза), колориметрические параметры которого соответствуют относительным ординатам кривых сложения , называемых удельными координатами. Удельные координаты - компоненты одного ватта видимого излучения данной длины волны л.

Кривые сложения (удельные координаты) для стандартного колориметрического наблюдателя МКО представлены графически на рис. 10. ординатам кривых сложения.

Рис. 10. Кривые сложения стандартного колориметрического наблюдателя МКО в системе XYZ.

б) Стандартные излучения белого света, относительное спектральное распределение энергии которых стандартизовано МКО, приведены на рис. 11.

В качестве стандартных, как указывалось выше, приняты излучения абсолютно черного тела при различных температурах его нагрева и дневное излучение при разных погодных условиях (пасмурный или солнечный день). Стандартизованное распределение энергии некоторых эталонов отличается от спектра излучения абсолютно черного тела, однако по цветности соответствует излучению абсолютно черного тела с соответствующей температурой нагрева. В таком случае эту температуру, применительно к эталону белого, называют коррелированной цветовой температурой (рис. 10).

На рис 11 приведены кривые относительного спектрального распределения энергии стандартных источников белого света A, B, C, D₆₅.

Рис. 11. Относительное спектральное распределение энергии стандартных источников белого света A, B, C, Е, D₆₅.

В таблице 2 приведены цветовые параметры стандартных источников белого света. Для идеально-белого теоретического источника Е все три координаты равны, его цветность располагается в центре цветового треугольника.

Таблица 2

Размещено на Allbest.ru