Fotometria i kolorymetria

Transkrypt

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak
3. Podstawy fotometrii wzrokowej i fizycznej (metody:
wzrokowe, filtru, odchyłowa, zrównania; zasady: migotania,
kontrastu).
http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/fotometria.html
Miejsce i termin konsultacji (zima 2013/2014):
pokój 18/11 bud. A-1, poniedziałki 13-15, środy 11-13
Podstawy fotometrii wzrokowej i fizycznej
Zależnie od tego, czy światło ocenia się za pomocą oka czy
odbiornika fizycznego, rozróżniamy:
- Fotometrię wzrokową (subiektywną);
- Fotometrię fizyczną (obiektywną).
Zasadniczo można wykorzystywać zależność między wielkością
mierzoną obiektywnie Xe a odpowiadająca jej wielkością
subiektywną X – poprzez użycie względnej skuteczności świetlnej
promieniowania monochromatycznego V():
X  K m  X eV  d
Taką „metodę widmową” można by w zasadzie stosować we wszystkich
pomiarach… ALE?
Metody wzrokowe
Wszystkie wzrokowe pomiary techniki świetlnej polegają na
zrównaniu dwu luminancji ocenianych okiem.
Czemu luminancja?
Wielkością, która decyduje o odbieranym wrażeniu bodźca (w
naszym oku + mózgu) jest wszak natężenie oświetlenia E
elementów siatkówki (czopków i pręcików).
W wielu przypadkach stosuje się
oświetlenia zależność uproszczoną:
do
obliczenia
natężenia

E
S
dokładną tylko przy równomiernym oświetleniu powierzchni.
Metody wzrokowe
W praktyce mówi się często o oświetleniu w jednym punkcie
powierzchni – gdy powierzchnia ta (detektora) jest dowolnie mała
względem rozmiaru źródła i może być przyjęta jako punkt.
W licznych przypadkach konieczne jest obliczanie natężenia
oświetlenia wytworzonego przez źródło o kołowym kształcie
powierzchni. Jeśli założymy, ze źródło takie jest promiennikiem
lambertowskim to możemy obliczyć natężenie oświetlenia jako:
E  L  cos  O dO  L sin 2 
1
choć tak naprawdę kształt źródła nie ma znaczenia…
Metody wzrokowe
Dla źródeł nielambertowskich i niekołowych ale za to punktowych
– można z kolei stosować fotometryczne prawo odległości. Jeśli
przyjąć, że można je zastosować dla źródeł o powierzchni
skończonej S, to:
I
S
E  2  L 2  LO
r
r
O jest kątem bryłowym, w którym źródło światła widać z
oświetlonego elementu powierzchni a L jest luminancją źródła.
Jeśli do tego dodać twierdzenie Abbego…
Luminancja = właściwa miara wrażenia jaskrawości
(jasności) źródła.
Metody wzrokowe
Wracamy do naszej bajki…
Wszystkie wzrokowe pomiary techniki świetlnej polegają na
zrównaniu dwu luminancji ocenianych okiem.
To zrównanie można osiągnąć dwiema metodami:
- bezpośrednią;
- przy użyciu filtru.
Metody te można z kolei stosować wykorzystując różne zasady
zrównania:
- równowagi;
- kontrastu;
- migotania.
Metody wzrokowe
Metoda porównania bezpośredniego:
Jeśli oba porównywane promieniowania, działające na oko, są
izochromatyczne, nastawienie na równe luminancje jest
stosunkowo łatwe.
Jeśli oba porównywane promieniowania mają różny skład
widmowy a tylko taką samą chromatyczność (metameryzm!),
porównywanie może być utrudnione i zależne od obserwatora.
Jeśli porównywane promieniowania są heterochromatyczne,
używamy zasad kontrastu a następnie migotania.
Metody wzrokowe
Metoda filtru:
W metodzie tej dąży się do tego, aby usunąć lub zminimalizować
różnicę chromatyczności dwu porównywanych świateł przez
zastosowanie filtrów barwnych umieszczanych przed jednym z nich.
Światłość Ik lampy z filtrem wyznacza się ze światłości samej
lampy I oraz całkowitego współczynnika przepuszczania filtru F:
I K  I  F
Współczynnik F z kolei otrzymuje się z widmowego rozkładu
światła tej lampy i widmowego współczynnika filtru:

 S   V  d
e
F 
0

 S V  d
e
0
Se jest względnym rozkładem widmowym
promieniowania lampy, () widmowym
współczynnikiem przepuszczania filtru.
Metody wzrokowe
Metoda filtru:
Filtry powinny być dokładnie płaskorównoległe.
Dokładność metody filtru zależy szczególnie od ścisłości
dostosowania filtrów i wyznaczenia ich widmowego współczynnika
przepuszczania. Osiągane upodobnienie barw jest fizjologiczne
(tzw. barwa postrzegana – patrz: kolorymetria) nie fizyczne, zgodne
są więc wrażenia barw a nie ich rozkłady widmowe. Może to
prowadzić do powstawania błędów pomiarowych – wyniki są różne
dla różnych obserwatorów.
Wadą metody jest też fakt, że każda mierzona lampa wymaga w
zasadzie „swojego” filtru…
Zasady zrównywania przy pomiarach wzrokowych
Podczas pomiarów wzrokowych, zarówno bezpośrednich jak i przy
użyciu filtru, stosuje się pewne zasady, które umożliwiają
zrównanie porównywanych świateł – badanego i wzorcowego.
Są to:
- Zasada równowagi;
- Zasada kontrastu;
- Zasada migotania.
Dwie pierwsze zasady mogą być wyjaśnione na przykładzie
działania fotometru Lummera-Brodhuna.
Otto Lummer (ur. 17 lipca 1860, Gera - zm. 5 lipca 1925, Wrocław) −
niemiecki fizyk, który prowadził badania w dziedzinie optyki. W 1887
roku skonstruował fotometr (tzw. fotometr Lummera-Brodhuna). Był
profesorem uniwersytetu we Wrocławiu.
Zasada zrównywania przy pomiarach wzrokowych
Głowica fotometryczna według
Lummera i Brodhuna:
(to tylko schemat głowicy, a jak wygląda
schemat całego urządzenia?)
Kształt wżeru kostki Lummera-Brodhuna.
Zasada równowagi (w fotometrze Lumera-Brodhuna):
Ponieważ oko nie jest w stanie oszacować stosunku dwóch luminancji, a
tylko może ustalić, kiedy są one sobie równe, trzeba światło jednej lampy
osłabiać* tak długo, aż osiągnie się zrównanie obu pól; oko widzi wtedy
jednakowo świecące powierzchnie (przy założeniu, że oba źródła mają te
same barwy…).
Dla uzyskania najlepszych warunków pomiaru powinny spełnione być dwa
warunki:
a) obie części pola fotometru muszą do siebie przylegać i leżeć
symetrycznie względem linii podziału;
b) przy izochromatyczności porównywanych światłe, linia podziału
powinna zanikać.
Pewność nastawienia wynosi przy światłach izochromatycznych ok 0,5 do
1%; przy światłach heterochromatycznych warunki zrównywania szybko
się pogarszają ze wzrostem różnic w chromatyczności sygnałów.
* A jak praktycznie można „osłabiać” ilość światła ze źródła, wykorzystując jedno z
poznanych wcześniej praw?
Zasada kontrastu (znowu na
przykładzie fotometru L-B):
Przekrój
poziomy
przez
zmodyfikowaną kostkę LumeraBrodhuna:
Dodatkowe szklane płytki 1 (płytki kontrastowe) powodują, że w
momencie „zrównania” oba wewnętrzne trapezy też mają jednakowe
luminancje, ale odbijają one z kontrastem ok 8% względem „tła”. Oko ma
więc ustalić na zasadzie kontrastu, kiedy oba trapezy maja taki sam
kontrast względem tła. Zasada kontrastu daje nieco lepszą dokładność przede wszystkim przy
różnicach barwy.
Zasada migotania:
W metodzie opartej na tej zasadzie, światło dwóch porównywanych źródeł
nie trafia do oka obserwatora równocześnie, lecz kolejno przy szybkiej
zmianie.
Oko reaguje wolniej na wrażenie barwy niż na wrażenie jaskrawości.
(proponowany schemat wyjaśnienia zjawiska – w części „kolorymetria”!)
Jeśli oba światła są różnej barwy to przy powolnej zmianie oko spostrzega
migotanie barwy. Przy wzrastaniu częstotliwości, po przekroczeniu pewnej
jej wartości, zanika migotanie barwy i obserwujemy tylko migotanie
luminancji.
Zasada migotania – cd.:
Migotanie jaskrawości również osiągnie pewne minimum, gdy
luminancje wywołane przez oba porównywane źródła mają
jednakową wartość.
Szerokość strefy migotania rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości,
dlatego wskazane jest pracować przy najniższej możliwej częstości
(gdy zanika już migotanie barwy). Częstotliwość ta zależy jednak
nie tylko od różnicy barw porównywanych źródeł ale także od
całkowitej luminancji pola widzenia!
Fotometr migający Bechsteina:
Światło z obu porównywanych źródeł przechodzi
z białych, pokrytych barem płytek 1 przez
pryzmaty 2a i 2b do wirującego układu klinów
szklanych:
wewnętrznego
kołowego
i
zewnętrznego pierścieniowego. Kąty łamiące
tych klinów są równe a ich powierzchnie łamiące
nachylone
w
przeciwnych
kierunkach.
Obserwator widzi w polu widzenia dwa
współśrodkowe koła, które przy wirowaniu
podwójnego klina oświetlone są kolejno to
jednym to drugim źródłem światła.
Za pomocą wsuwanej przesłony można zewnętrzne
pole pierścieniowe zakryć tak, aby oko postrzegało
tylko pole wewnętrzne, które otrzymuje na przemian
światło z obu źródeł. Aby zapewnić dokonywanie
pomiarów okiem przystosowanym do jasności, można
otoczyć pole fotometru sztucznie rozjaśnionym tłem o
luminancji
zbliżonej
do
luminancji
pola
fotometrycznego.
Zasada migotania – cd.2:
Niepewność porównania przy pomiarach fotometrem migającym wynosi
również około 0,5 do 1% (no, ale źródła mogą sporo różnić się
chromatycznością…). Przy bardzo dużych różnicach barwy między
porównywanymi źródłami zaleca się stosować nie porównanie
bezpośrednie, lecz metodę filtru razem z zasadą migotania.
Praca za pomocą fotometru migotającego szybciej prowadzi do zmęczenia
– zaleca się pomiary trwające nie dłużej niż godzinę.
Ogólne warunki obserwacji przy pomiarach wzrokowych:
W praktyce pomiarów fotometrycznych szczególne znaczenie ma
porównywanie źródeł światła o różnym rozkładzie widmowym. Dlatego
ważne jest spełnienie kryteriów oceny według krzywej skuteczności
widmowej względnej V():
- Pole widzenia musi być małe, aby pobudzone zostały czopki dołka środkowego
(2 a może nawet 1,5);
- Luminancja pola fotometrycznego powinna wykluczać widzenie mezopowe (ale
też zapobiec olśnieniu) – praktycznie między 20 a 200 cd/m2.
- Pole fotometryczne powinno być otoczone obojętnym, achromatycznym tłem
(do 25 przy luminancji około 50-100% luminancji pola fotometru);
- Źrenice układów optycznych pola mierzonego i porównywanego powinny być
jednakowej wielkości);
- Obserwator powinien odznaczać się normalnym widzeniem barw, pomiarów
dokonywać okiem wypoczętym i nie zaadaptowanym do barwy.
Fizyczne metody pomiaru
Fizyczne metody pomiarowe pozbawione są podstawowej wady
pomiarów wzrokowych, jaką jest poleganie na własnościach oka a
w szczególności na specyfice porównania heterochromatycznego.
Fotometria fizyczna umożliwia prosty, szybki i dokładny pomiar i
uniezależnienie się od odchyleń osobniczych subiektywnego obserwatora.
Pomiary fizyczne powinny dawać te same wyniki co pomiary wzrokowe – i
będą, jeśli używane detektory będą miały takie same własności jak oko
ludzkie. Stąd pewne detektory nadają się do celów pomiarowych lepiej,
inne gorzej.
W pomiarach fizycznych wyznaczone wartości zależą od strumienia
padającego. Jeżeli oświetlona jest cała powierzchnia czynna odbiornika
to mierzoną wielkością świetlną jest natężenie oświetlenia.
W fotometrii fizycznej stosuje się dwie metody pomiaru:
- metodę odchyłową;
- metodę zrównania.
Metoda odchyłowa polega na tym, że o odpowiednich wielkościach
fotometrycznych wnioskuje się bezpośrednio z dostarczonych przez
odbiornik danych np. wartości prądu fotoelektrycznego. Można tak
postąpić, gdy między tymi dwiema wielkościami istnieje jednoznaczna i
znana zależność.
Metoda zrównania polega na porównaniu wartości dostarczanych przez
odbiornik przy pomiarze źródła mierzonego i wzorcowego. Zrównanie
realizowane jest w praktyce urządzeniem osłabiającym. Eliminuje się w
ten sposób błędy wynikające np. z nieliniowości detektorów oraz ich
różnej czułości spektralnej.
Warunki zastosowania odbiornika fizycznego
1. Czułość widmowa:
Przy porównywaniu świateł monochromatycznych albo świateł o takich
samych rozkładach widmowych można użyć odbiornika o dowolnej czułości
widmowej (byle ta czułość była wystarczająca…).
Przy porównywaniu świateł o różnym składzie widmowym trzeba
uwzględnić funkcję względnej skuteczności świetlnej danego detektora.
Ewentualnie zapewnić dopasowanie względnej widmowej czułości
odbiornika do przebiegu krzywej V() oka.
JAK???
1. Czułość widmowa – cd.:
A) Dopasowanie do krzywej V() za pomocą filtru (metoda filtru).
Do w miarę dostatecznego przystosowania czułości detektora
do
widmowej czułości oka służą odpowiednie filtry szklane, cieczowe oraz
żelatynowe.
Zwykle nie jest możliwe osiągnięcie wystarczającego dopasowania za
pomocą pojedynczego filtru – trzeba stosować kombinację filtrów,
ustawianą szeregowo lub równolegle.
Problemy do rozwiązania:
a) Straty światła na zbyt dużej ilości filtrów;
b) Różnice w czułości poszczególnych egzemplarzy odbiorników;
c) Zmiany współczynników transmisji w funkcji kąta padania.
B) Dopasowanie do krzywej V() za pomocą przesłon (metoda geometryczna).
Mierzone światło jest rozszczepiane w postaci widma; przesłoną w postaci
szablonu zakrywa się część promieniowań; za przesłoną światło znów zostaje
skupione i skierowane do odbiornika. Kształt przesłony wynika oczywiście z
przebiegu krzywej V() i czułości widmowej odbiornika.
a) Dokładność wyznaczenia czułości widmowej odbiornika;
b) Dokładność wykonania przysłony;
c) Wpływ układu optycznego „rozszczepiacza” na ilość
docierającego do detektora;
d) KOSZTY!
światła
C) Zastosowanie współczynników korekcyjnych:
Odbiornikami fizycznym, które nie są dopasowane do czułości oka, można
również osiągnąć wystarczającą dokładność, jeśli zastosuje się współczynniki
korekcyjne. Metodę tę stosuje się przede wszystkim do pomiaru natężenia
oświetlenia odbiornikami fotoelektrycznymi.
Pomiary te są standardowo wzorcowane dla rozkładu promieniowania światła o
temperaturze rozkładu 2856K (klasyczna żarówka!). Dla źródeł światła o innych
rozkładach promieniowania trzeba użyć współczynników korekcyjnych, zależnych
(oprócz właściwości detektora) od widmowego rozkładu promieniowania źródła użytego
do cechowania i mierzonego.
a) Współczynniki trzeba określać dla każdego rodzaju mierzonego światła
osobno;
b) Niewygodne…
2. Proporcjonalność:
Pracując z danym odbiornikiem fizycznym musimy zawsze znać związek
między wielkością mierzoną (np. prądem fotoelektrycznym) i szukaną
wielkością świetlną.
Najprostszy przypadek, gdy między tymi dwiema wielkościami występuje
zależność liniowa, jest w praktyce rzadko spotykany…
Na szczęście DZIŚ, w dobie rozwoju komputerów, mikroprocesorów itd. –
to przestał być problem!
3. Ocena według prawa cosinusa:
Jeżeli światło kierunkowe pada pod różnymi kątami na powierzchnię
odbiornika, to wywołuje natężenie oświetlenia, które zmienia się z
kosinusem kąta padania – ale odpowiedź odbiornika (np. prąd
fotoelektryczny) nie podlega temu prawu!
Odchylenia mogą być spowodowane różnymi przyczynami:
- Zależnością współczynnika odbicia od powierzchni odbiornika od
kierunku padania światła;
- Wpływem osłony (bańki szklanej) detektora;
- Zaciemnieniem przez oprawę.
Mimo to możliwe jest zbudowanie urządzenia, które „zrealizuje” w
praktyce prawo kosinusa!
3. Ocena według prawa cosinusa:
Przykładowe rozwiązania problemu:
a) Fotoogniwo (2) z poczernionym tubusem (3) i
płytką ze szkła mlecznego (1) do korekcji
zależności kątowej (H.A.E. Keitz)
b) Fotoogniwo ( 67) z czaszą ze szkła
mlecznego i profilowaną przesłoną do
korekcji kosinusowej (Hartig i Helwig)
c) Fotoogniwo do korekcji kosinusowej
(Reeb i Tosberg): soczewka spojona z
fotoogniwem oraz przesłony
4. Stałość wskazań:
A) Czułość odbiorników fizycznych nie jest jednakowa na całej
powierzchni;
Rozwiązanie:
- światło powinno padać zawsze na ten sam fragment odbiornika;
- brak zmian rozkładu natężenia w obrębie badanej wiązki świetlnej.
B) Czułość odbiorników fizycznych zmienia się też z czasem:
a) Odwracalne – zmęczenie odbiornika;
b) Nieodwracalne – starzenie odbiornika.
Rozwiązanie:
- powtarzanie pomiarów;
- wstępne (lub trwałe!) naświetlenie odbiornika
5. Zależność od temperatury:
Temperatura otoczenia może wywierać wpływ na czułość odbiorników
fizycznych – odnosi się to przede wszystkim do fotoelektrycznych ogniw
półprzewodnikowych.
Powyżej pewnej temperatury mogą wystąpić nieodwracalne zmiany w
charakterystyce odbiornika, aż do jego zniszczenia.
Temperatura otoczenia może również wywierać wpływ na inne elementy
obwodu pomiarowego (oporniki, filtry)!
Zaleca się wykonywanie pomiarów przy stałej temperaturze 25 C.
6. Zależność częstotliwościowa i bezwładność:
Przy pomiarze światła zmiennego o dużej częstotliwości (jak również
błysków) można zauważyć wpływ tej częstotliwości na wskazania
odbiornika.
Wpływ częstotliwości dla różnych odbiorników jest różny: mały dla
fotokomórek
próżniowych
i
fotopowielaczy,
większy
przy
fotoelektrycznych ogniwach półprzewodnikowych.

Fotometria i kolorymetria

Transkrypt

Podobne dokumenty

Plik 0 - Instytut Fizyki

Plik 5 - Instytut Fizyki

Dobry wieczór, Przesyłam w załączniku odpowiedź na ostatni list

Praca i energia mechaniczna

skład osobowy na VIII Memoriał Piłkarski im. Piotra

System R: podstawy, operacje na danych, analiza danych, grafika