автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование приборов для измерения световых параметров источников оптического излучения

Министерство образования Российской Федерации САНКТ ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

Кузьмин Владимир Николаевич

УДК 535.6; 536.5; 771.376,33; 778;24

Разработка и исследование приборов для измерения световых параметров источников оптического излучения

Специальность: 05.11,07 - оптические и оптико - электронные приборы и комплексы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Санкт - Петербург 2003

\

Работа выполнена в научно - техническом предприятии «ТКА»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Ишанин Г.Г.

Научный консультант: Кандидат технических наук

Томский К. А.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук Кандидат физико - математических наук

Смирнов В.Д. Анохин Ю.А.

Ведущая организация:

ОАО «НИИ «Гириконд»

Зшцита диссертации соетоитсй «. 2003 года в /^"час2^мин на

заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт - Петербургском государственном институте точной механияй- й оптики (технический университет) по адресу; 197101, г. Санкт - Петербург, ул. Саблинская, Д. Н.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан' '<„

оЗ* » 2003 года.

Ваши отзывы и замечания по автореферату просим направлять в адрес института: 197101, г, Санкт - Петербург, ул. Саблинская, д. 14, ИТМО, ученому секретарю диссертационного сот а Д. 2 • 2.227.01.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.227.01. Кандидат технических наук, 1 'оцент

В.МКрасавгдев

Актуальность работы.

Прошедшее столетие характерно стремительным развитием искусственных

источников излучения, различающихся как по принципам действия, так и характеристиками излучения. Номенклатура выпускаемых источников обширна, от широко распространенных ламп накаливания до плазменных дисплейных экранов. Как правило, характеристики излучения источников формируются под конкретные задачи по их использованию. Вместе с задачами вырабатываются и конкретные требования к характеристикам источников излучения: координатам цветности, цветовой температуре, яркости, пульсации излучения. В связи с этим становится очевидным, что нормальное и правильное использование источников невозможно без решения задач по контролю параметров излучения.

Для обеспечения контроля основных световых параметров источников оптического излучения требуются надежные, малогабаритные, серийно производимые измерительные приборы на уровне рабочих средств измерений, с соответствующим метрологическим и методическим обеспечением.

К сожалению, у нас в стране, на фоне постоянного роста светотехнической промышленности, в настоящее время наблюдается определенный дефицит в разработке и выпуске подобных приборов, особенно переносных колориметров и методов измерения световых параметров излучения.

Оценка метрологических параметров выпускаемых приборов зачастую проводится по устаревшим или принципиально различающихся между собой методикам. Эти различия создают определенные трудности при сравнительной оценке качества одинаковых по назначению приборов, что, в конечном итоге, сказывается на достоверности и единстве измерений.

Все сказанное выше определяет актуальность диссертационного исследования посвященного разработке и исследованию приборов и методов для измерения световых параметров источников излучения.

Цель и основные задачи исследования.

Целью работы является исследование и разработка методов и средств измерения

световых параметров источников излучения в видимой области спектра: координат цветности, коррелированной цветовой температуры, коэффициента пульсации, яркости и освещенности, создаваемой этими источниками. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Осуществлен анализ существующих методов измерения характеристик источников излучения и оценка метрологических характеристик выпускаемых серийно приборов.

2. Разработан алгоритм определения коррелированной цветовой температуры по координатам цветности источников оптического излучения.

3. Проведены теоретические и экспериментальные работы по разработке фотоприемных устройств повышенной точности, обеспечивающих решение поставленных задач.

4. Разработаны методики и аппаратура для определения метрологических характеристик фотоприемников, фотоприемных устройств (ФПУ) и оптических характеристик материалов, используемых для их производства.

Методы исследования

Диссертация выполнена на основе теории оптических и оптико-электронных

приборов и систем.

При выполнении диссертационной работы использовались методы

интегрального исчисления, и математической статистики.

Эксперименты выполнялись с помощью спектральной оптико-электронной

аппаратуры, а результаты обрабатывались посредством компьютерной техники.

Научная новизна исследований.

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод определения коррелированной цветовой температуры по координатам цветности источников излучения.

2. Показано преимущество интегральных фотоэлектрических колориметров, в которых сигналы от фотоприемников пропорциональны координатам цвета источника излучения по сравнению со спектральными колориметрами.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика оценки погрешности, определяемая пространственной характеристикой приборов.

4. Разработана методика оценки коэффициента пульсации.

5. Предложено шарообразное устройство ФПУ прецизионного фотометра. Практические результаты работы

1. Разработан ряд фотоэлектронных приборов (яркомер, люксметр - пульсметр, колориметр), позволяющие использовать их в качестве рабочих средств измерений оптических параметров источников излучения.

2. Разработаны программы для подбора корригирующих фильтров и определения погрешности коррекции для любых источников, включая и светодиоды.

3. Разработаны методики и внедрены в практику установки для оценки метрологических характеристик рабочих средств измерения: колориметров, яркомеров, пульсметров и люксметров.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Принципы построения приборов для измерения световых характеристик источников излучения и результаты исследования их элементной базы на специально созданных установках по разработанным методикам,

2. Алгоритм определения коррелированной цветовой температуры источника излучения и координат цветности, основанный на переходе из системы х,у МКО 1931 г. в равноконтрастную систему и,у МКО 1964 г. с последующим определением коррелированной цветовой температуры аналитическим методом.

3. Теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная методика оценки погрешности, определяемой пространственной характеристикой прибора,

4. Модель формирования пространственной характеристики прецизионных фотоприемных устройств на основе фотометрического шара и методика оценки погрешности приборов, определяемой пространственной характеристикой ФПУ.

5. Методика оценки коэф фициента пульсации.

6. Прецизионный излучатель для градуировки пульсметров, основанный на смешении переменного и постоянного во времени световых потоков, параметры которых с большой точностью определятся в статическом состоянии люксметром.

7. Методика, алгоритм и программа подбора корригирующих фильтров, обеспечивающих приведение характеристики прибора к относительной световой эффективности и удельным координатам стандартного наблюдателя х(А,),

у(Х), г(Х) с одновременной оценкой погрешности полученной коррекции.

8. Разработка ряда рабочих средств измерений цветовой температуры, яркости, коэффициента пульсации источников излучения.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы были использованы при решении

практических задач в области измерений оптических характеристик источников

излучения и разработки методик в следующих организациях: ВНИИ «Электрон» (СПб), ОАО «Светлана», НТП «ТКа», Тест-С-Пб, С-Пб ГИТМО (ТУ).

Апробация работы.

Основные результаты и научные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях семинарах;

- Трех Всесоюзных конференциях «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (1996 г, 1998 г, 2000 г)

- 13-й Всероссийской научно-технической конференции «Обеспечение единства измерений в фотометрии и радиометрии оптического излучения. (Москва, 2001 г.).

- 3-й светотехнической конференции, Новгород, 1997 г.

- 4 светотехническая конференция, Вологда, 2000 г.

- Международном конгрессе «Art & Chimie». Париж. 1998 г.

11-й Научно-техническая конференция «Новые принципы формирования телевизионных изображений», 13-14 сентября 1990 г. ВНИИ «Электрон», г. Ленинград.

- Втором научно - техническом семинаре «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники». (Сочи, 2001 г.)

-5-й Международной светотехнической конференции, Санкт - Петербург. 2003 г. Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, приложения и изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 82 рисунка, список использованной литературы из 64 наименований.

Краткое содержание работы. Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, приведены сведения о научной новизне и практической значимости полученных результатов, сформулирована цель диссертационной работы и указаны задачи, которые необходимо решить для ее достижения, декларированы основные научные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих методов определения координат цветности, цветовой температуры, яркости и пульсации источников излучения. Рассмотрена номенклатура и технические харакгеристики серийно выпускаемых как отечественными, так и зарубежными производителями колориметров, яркомеров, люксметров и пульсметров. Предложена общая концепция построения приборов для

измерения характеристик оптического излучения и выбраны функциональные схемы измерительных приборов.

Колориметрические характеристики источников излучения принято оценивать координатами цвета, цветности и коррелированной цветовой температурой. В светотехнической практике для оценки цвета используется преимущественно колориметрическая система XYZ, рекомендованная международной комиссией по освещению (МКО, CIE) в 1931 г. для вычисления координат цвета. Координаты цвета в этой системе определяются значениями трех интегралов, взятых в пределах видимого спектра: х(А,)dA,, Y = К J<p(A.) y(A.)d\,Z = K.Íср(Л) z(l)dl. (1)

Где: ф(л) ~ относительная спектральная плотность потока излучения источника света; х(Л), у(1), z(X) - координаты цвета монохроматического излучения единичной мощности (Рис. 1). К - нормирующий коэффициент. Координаты цветности х и у определяются следующими выражениями: х - X / (X + Y +Z), у = Y / (X + Y + Z). (2)

Рис. 1 Спектральные характеристики удельных координат стандартного наблюдателя МКО 1931 г. и 1964 г.

Существует два принципиально различных объективных метода определения координат цвета: спектрофотометрический метод и метод фотоэлектрической колориметрии.

При первом методе с помощью спектральной аппаратуры определяют спектральное распределение потока излучения в относительных единицах ср(Х) измеряемого источника света с последующим расчетом координат цвета по формулам (1).

Второй метод определения координат цвета основан на применении фотоэлектрических колориметров, основанных на использовании трех приемников излучения, кривые спектральных чувствительности которых подобны х{Х), у(\), г(1) - координатам цвеаа монохроматического излучения единичной мощности. В этом

случае координаты цвета легко определяются, так как линейно связаны с электрическими сигналами фотоприемников.

Для объективной оценки характеристик излучения реальных источников излучения на практике используется принцип сопоставления с цветовой температурой черного тела. Цветовая температура (Т„) - температура черного тела, при которой цветность его изучения одинакова с цветностью исследуемого излучения при заданной (истинной) температуре.

0,4

0,2

\ АЧТ \ ^

\ ^шооок

Рис. 2. Цветовой график х,у МКО 1931 г. с линией черного тела и цветностями стандартных излучений МКО.

0,2 0,4 0,6 х

На рис. 2 показан график с точками цветностей черного тела при различных температурах (К). Кривая, проходящая через эти точки, обычно называется линией черного тела (ЧТ). Если цветность лампы не совпадает ни с одной точкой ЧТ, выбирается ближайшая точка линии и по ней определяется коррелированная цветовая температура данной лампы. На цветовом графике х,у найти координату ближайшей точки чрезвычайно трудно, так как он не является равнокоитрастным и требуется переход в другую равноконтрастную систему.

В работе применялся алгоритм, основанный на переходе от системы цветовых координат х,у МКО 1931 г. в более равноконтрастную систему и, у МКО 1960 г. Координаты цветности линии ЧТ в системе х, у МКО 1931 г. переводились в систему и, V МКО 1960 г. по формулам:

и=4х/(-2х+12у+3), у=6у/(-2х+12у+3). (3)

Такой же пересчет цветности производится для исследуемого источника излучения и определялся массив координат цветности ЧТ и соответствующий массив температур.

Минимальное расстояние в пространстве и, V между точкой цветности исследуемого источника (ио, Уо) точками цветное™ массива линия ЧТ (и„ V;) определяется по формуле: Д^и^иО^Уо-уО2 (4)

Затем определялась температура исследуемого источника Tj, соответствующая определенной точке цветности (Uj, Vj).

Цветовые измерения менее других обеспечены измерительной техникой. В нашей стране колориметры не выпускаются. 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. В настоящее время широкое применение импортных колориметров довольно проблематично из-за их высокой стоимости, отсутствия метрологического обеспечения и сервисной службы.

Измерение яркости источника излучения через отношение силы света элемента поверхности в выбранном направлении к площади проекции этого элемента (ds) на

плоскость, перпендикулярную этому направлению L = d * 0i(dCld$ cos в), (5)

представляет собой достаточно сложную задачу и также очень слабо обеспечено серийно выпускаемыми приборами. В СНГ серийно выпускается лишь два типа яркомеров:

1. - Яркомер «Аргус» - предназначен для измерения яркости накладным способом. Диапазон измерений: 1-200000 кд/'м2' погрешность 10%. (ВНИИОФИ г. Москва).

2. - Фотометр цифровой «ТЭС 0693» - предназначен для измерения яркости протяженных объектов накладным способом. Диапазоны измерения: яркости от 10 до 200 кд/м2. Погрешность 10 %. (ООО НПФ «Тензор». Украина).

Излучение газоразрядных ламп и ламп накаливания при питании от сети переменного тока, как правило, с частотой 50 Гц является пульсирующим. Пульсация освещения является неблагоприятным фактором для человека и требует постоянного контроля. В качестве критерия оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока источников излучения при питании мх переменным током введен коэффициент пульсации освещенности (К„), выражаемый формулой:

К = Ешкс ~Емт х100% (6)

IF

ср

где: Ешкс. - максимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Емин. - минимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Еср- среднее значение освещенности. К сожалению, пока коэффициент

пульсации не обеспечен измерительной техникой. Единственный в стране прибор для измерения коэффициента пульсации «Аргус - 07», (ФГУП «ФНИИОФИ», Москва), имеет ограниченный объем выпуска без нормативного и методического обеспечения на уровне ГОСТа.

На основе проведенного анализа были выработаны общие концепции построения приборов для измерения характеристик оптического излучения. Разработанный ряд приборов должен обеспечить измерения: координат цветности источников, цветовой температуры, освещенности, создаваемой исследуемыми источниками, коэффициента пульсации и яркости протяженных источников излучения.

Приборы должны быть портативными с микропроцессорным управлением, имеющим наряду с лучшими сервисными свойствами и более высокие точностные характеристики по сравнению с существующими приборами и возможность сопряжения с внешней ЭВМ.

Структурная схема приборов, определяющая основные, функциональные части, их назначение и взаимосвязь показана на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема прибора для измерения параметров источника излучения.

Фотоприемное устройство 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 спектральной световой эффективности излучения У(Х.). Для колориметра используются четыре фотоприемника, спектральные характеристики которых с помощью светофильтров коррегированы под кривые сложения Х,(Х), Х2(Х), У(к), Дл.) МКО 1931 г. или 1964 г.

и

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 цифропечатъю.

Вторая глава посвящена теоретическим основам разработки и исследованиям пространственных характеристик фотоприемных устройств (ФПУ)

Реакция люксметров на оптическое излучение должна соответствовать формуле:

где: Е0 - освещенность, создаваемая точечным источником, расположенным нормально относительно поверхности, (3 - угол между нормалью и направлением на источник.

Формирует пространственную чувствительность так называемая косинусная насадка. Наиболее оптимальная косинусная насадка для рабочих средств (см. Рис. 4). измерения оптического излучения представляет собой цилиндр, выполненный из светорассеивающего материала (в нашем случае, молочного стекла).

Торцевая поверхность молочного стекла отражает падающее излучение по закону Френеля:

Е = Е0 х Совр

(7)

Рис. 4. Цилиндрическая косинусная насадка для рабочих средств измерения.

Р-

2\%\пг{(р\ + (р2) tgг(íp\Л(p2)j

(8)

где: ср 1 - угол между падающим на поверхность лучем света и нормалью, ф2 - угол между преломленным лучем и нормалью.

Графически эта зависимость представлена на рис. 5. р

0,8

Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения поверхности материала от угла падения излучения.

90 угол падения, град.

Это означает, что фотоприемное устройство регистрирует излучение, не отвечающее соотношению (7) при углах более 60°.

Для компенсации потерь отраженного излучения используют боковую грань диска из молочного стекла. Величина потока излучения, прошедшего внутрь стекла через боковые грани пропорциональна величине цилиндрической освещенности. Под средней цилиндрической освещенностью понимают среднюю освещенность боковой поверхности вертикально расположенного цилиндра. Она определяется выражением: Ец = ш| созр,Ско, (9)

О!

где: с1Е„- освещенность площадки, перпендикулярной оси телесного угла с)ю.

(3 - угол падения света от точечного источника на боковую поверхность вертикально

расположенного цилиндра.

ско

Рис. 6. К определению цилиндрической освещенности.

Световой поток Ф, попадающий на светочувствительный элемент, используемый в ФПУ является функцией отражения (р) и пропускания (т) используемого материала, освещенности плоской поверхности (Е„) и цилиндрической освещенности боковой грани (Ец). Ф Г(ЕП, Ец, р, т) (10)

Аналитически описать эту связь достаточно сложно из-за разброса параметров используемых материалов и геометрических размеров составляющих ФПУ элементов. Поэтому разработка ФПУ сопровождалась исследованием оптических свойств конкретных материалов, в частности светорассеиваюшдх свойств молочных стекол.

Результаты исследования светорассеивающих свойств молочных стекол показали, что наиболее оптимальным стеклом для решения поставленной задачи является МС-13 толщиной Змм (рис. 7).

- » - теор

.....толщина 1,5

толщина 2,0 толщииаЗ.О

^

I |

| Угол падения излучения, град. |

Рис. 7. Косинусные характеристики ФПУ на основе МС-13 разной толщины.

При разработке и изготовлении ФПУ эмпирически находится оптимальное сочетание марки молочного стекла, его толщины и высоты боковой поверхности, выступающей над корпусом, обеспечивающие заданную погрешность, определяемую отличием полученной пространственной характеристики от теоретической,

Более сложная по исполнению, но обладающая лучшими метрологическими

характеристиками является на взгляд автора насадка шарообразной формы (рис. 8).

Излучив»

Ф сяометричеекий шар

отопрммник

Рис. 8. Шарообразное устройство для формирования пространственной чувствительности люксметра

Полная освещенность Е стенки шара после многократных переотражений выражается формулой:

Ко £&

Е------------(11)

.1 - р(1 - о/8) 1-рш

где: Б ~ площадь внутренней поверхности шара, р - коэффициент отражения стенки шара, о -площадь отверстий, Ш - 1 - О / Б.

Шарообразное ФГТУ обладает следующими свойствами:

1. Освещенность внутренней поверхности шара не зависит от угла падания излучения во входное отверстие, т.е. фотометрическое тело, описанное концами вектора падающего излучения, соответствует закону косинуса.

2. Если какую - либо точку поверхности шара защитить от прямого попадания света источника, как это показано на рис. 6, то освещенность этой точки будет прямо пропорциональна потоку источника.

Результаты исследования пространственных характеристик ФГТУ показаны на рис. 9. Реакция ФПУ, отн. Ед.

90 0 90 Угол, град.

Рис. 9. Пространственные характеристики ФПУ.

Результаты исследований показали, что для прецизионных измерений предпочтительней использовать входное устройство шарообразного типа, так как его характеристика практически совпадает с теоретической .

В отличии от освещенности, определяемой потоком в большом телесном угле (2 л), яркость - физическая величина, представляющая собой отношение светового потока, проходящего в рассматриваемом направлении в пределах относительно малого телесного угла через участок поверхности, к произведению этого телесного угла, площади участка и косинуса угла между рассматриваемым направлением и нормалью к участку поверхности (единица в СИ - кандела на квадратный метр, кд/м2).

Реакция фотоприемного устройства, имеющего достаточно узкий угол зрения, на излучение равномерно светящегося протяженного источника зависит не от взаимного расстояния между ними, а от величины угла зрения. На основе этой зависимости было сконструировано простое фотоприемное устройство, в котором отсутствуют оптические элементы (рис. 10).

тогда: -1 (12)

Рис. 10. К измерению яркости самосветящихся протяженных объектов накладным способом.

ФПУ представляет собой фотоприемник, помещенный в светонепроницаемый корпус. Угол зрения ФПУ формируется диафрагмами и составляет величину, равную В. Поток, падающий на фотоприемную площадку равен: Ффп = Ьенст. [Вт / м2 ср] 8 „и, [м2] СО [Ср] = (Ьеист Бцр.) / (412)

ф, Г яй2

Ьфп

Таким образом, зная реакцию фотоприемника, его чувствительность и угол зрения ФПУ несложно найти значения яркости протяженного объекта.

Третья глава посвящена формированию спектральных характеристик ФПУ под заданную задачу.

Качество коррекции спектральной чувствительности фотоприемников должно было обеспечить погрешность измерения координат цветности источников не хуже ±5 * 10"". [ГОСТ 8.205.90]. Для решения этой непростой задачи была разработана установка для измерения спектральной чувствительности фотоприемников с погрешностью < 1,0% и программа автоматического подбора стекол.

Метод измерения спектральной чувствительности основан на сравнении чувствительности исследуемого фотопраемника с опорным приемником излучения, относительная спектральная чувствительность которого известна.

Относительная спектральная чувствительность фотоприемника определялась по формуле:

где: $ оп. ота.<Я) - относительная спектральная чувствительность опорного приемника, S х. отнД) - относительная спектральная чувствительность исследуемого приемника, Non (Я) - показания опорного приемника, Nx. (X) - показания исследуемого приемника. Основными составляющими погрешностей, влияющие на точность спектральных измерений, являются следующие погрешности: погрешность градуировки опорного приемника, нестабильность источника излучения, погрешность установки длин волн, рассеянное излучение.

В связи с тем, что качество опорного приемника являлось определяющим при спектральных измерениях, его градуировке уделялось особое внимание. При аттестации опорного приемника для уменьшения систематических погрешностей измерения был применен комплексный подход к определению светового потока на выходе монохроматора. Использование неселективных тепловых приемников типа ПП, РТН, а также методики измерения потоков излучения, основанной на принципе самокалибровки кремниевых фотодиодов позволило достичь погрешности его калибровки ©I р.< 1-2 %.

Применение высокостабильных источников питания и специально отобранных ламп позволило достичь величины погрешности нестабильности источников излучения ©пест. ист. не более 0,5%.

Влияние неисключенного рассеянного излучения ©расс удалось довести до 1%, благодаря использованию в качестве опорного приемника, спектральная чувствительность которого по форме близка к форме исследуемого, а также применению цветных отсекающих фильтров и двойного монохроматора Суммарная погрешность измерения V при этом составила:

Х^оя.даш. W

(13)

S7-1.1 л/ е2 гр.+ &г нест. HCT.+ е2 расс. < 3,0 %;

(14)

Обработка результатов измерений проводилась по разработанной программе на ЭВМ.

Рис. 13. Блок-схема программы. Применение для обработки результатов ЭВМ позволило, вводя толщины, используемых в корригирующих фильтрах цветных стекол и измеренные токи фотоприемника при определении его спектральной чувствительности получить полную информацию о погрешности коррекции спектральной чувствительности фотоприемного устройства. Это дало возможность в промышленных условиях проводить индивидуальную коррекцию ФПУ с высокой точностью и минимальными временными затратами. При создании приборов предстояло решить следующие задачи, i Привести спектральную характеристику чувствительности фотодиода к относительной световой спектральной эффективности V(l), табулированные значения которой регламентированы ГОСТ 8.332 и рекомендациями МКО. 3. Привести спектральную характеристику фотоприемника к виду удельных координат

хь х2, у, z. 1931,1964 г.г. МКО. Характеристика Эф (к) фотоприемника приводится к заданной кривой с помощью исправляющего фильтра, который может быть составлен из цветных стекол.

Выбор марки стекол и их толщины и расчет спектрального коэффициента пропускания исправляющего светофильтра осуществляется таким образом, чтобы на каждой длине волны выполнялось условие: т(Х)= У(Х) / 8ф(Х). Результаты коррегирования показаны на рис. 12.

Удельны* коорд. цветности и спектр. Чувствствитепьности керрегированных фотоприемников фд-263.

-

8x1(1.) —и- 3*2(1.)

-У<М

-«-ЭДЦ

—-2(1.)

Рис. 12. Результаты коррекции фотодиодов.

Строгое выполнение этого условия на всех длинах волн для серийных цветных стекол и фотоприемников практически невозможно. Всегда будет иметь место отступление реально выполненной кривой 3(Я.)=5а(А,) т(л,) от заданной, которое необходимо оценить в зависимости от назначения и способа градуировки фотометра, где применяется исправляющий светофильтр.

Для оценки погрешности коррекции фотоприемника была принята методика, предложенная МКО (публикации №53). Расчет погрешности коррекции фотометрической головки П (2) основан на отличии реакции идеального фотоприемника, табулированное значение спектральной чувствительности которого известно и реального фотоприемника на излучение, относительное спектральное распределение которого отличается от того, при котором была произведена градуировка.

I

<р;д) йыбмф д) ах

П(2)=

13У(А) <рД) х 1за)<р а(Х) йХ

х 100%, (15)

где: 3(л,)-относительная спектральная чувствительность исследуемого фотоприемника. 5у(л)-относительная спектральная чувствительность эталонного фотоприемника,

(ра(Х)-относительное спектральное распределение источника "А", при котором производится градуировка,

ф;(А,)-относительная спектральная характеристика табулированных источников. Погрешность коррекции кремниевых фотодиодов к заданным спектральным кривым не превысила 3,0 %.

Четвертая глава посвящена методическому и метрологическому обеспечению измерения параметров приборов.

Оценка пространственной характеристики ФПУ приборов

Пространственная чувствительность является одной из основных характеристик приборов, измеряющих оптические параметры источников излучения.

Современная методика определения косинусной погрешности измерения освещенности отталкиваются от рекомендаций МКО №53, 1982 г. Погрешность iz (s, <р) прибора, измеряющего освещенность (облученность), создаваемую источником, расположенным по направлению, задаваемому углом места е и азимутом ф, определяется выражением:

î2 (е, ф) = N(s, ф) /N(s = 0) Cos е, ( 16)

где: N(e, ф) - показания прибора при различных направлениях падающего потока. N(e ~ 0) показания прибора при нормальном значении. N(s - 0) Cos s - рассчитанное значение освещенности.

Ошибка измерения излучения, приходящего со всех направлений пространства полусферы, при условии, что f2(s, ф) не зависит от ф, определяется выражением:

f2 = i I f2(s) I Sin2eds (17)

При практическом расчете значения f2 измерения производятся обычно для направлений с шагом 5 градусов. Это достаточно кропотливая, трудоемкая процедура, так как для получения полной пространственной характеристики требуется проведение большого количества измерений.

Предложенный метод оценки пространственной коррекции ФПУ, отличающийся простотой и высокой точностью, основан на различии реакции эталонного и исследуемого приборов на освещенность, создаваемую светящимся диском при приближении ФПУ на минимальное расстояние к источнику излучение

Освещенность, создаваемую Ламбертовским бесконечно протяженным источником света (бесконечным светящимся диском) с известной поверхностной

яркостью Ь. (Рис. 13) и фотометрическое тело в виде полусферы, имитирующее реальные условия, на входном зрачке люксметра описываются выражением:

Рис. 13. К определению пространственной освещенности.

2г е ЯШ2 в

0 0 2 если в = л:/2, то освещенность, создаваемая полусферой или диском

Е^яЬет. (19)

Где е-г - коэффициент излучения источника.

На рис. 14. Представлены экспериментальные данные реакций эталонного и исследуемого люксметра на излучение диска в зависимости от расстояния.

Освещенность Е,

Расстояние, м

Рис. 14. Зависимость реакций приборов от расстояния между диском и ФПУ. Погрешность пространственной характеристики определится по формуле:

^ДЕ/Еэг. (20)

Для калибровки яркомера разработана методика, основанная на использовании светоизмерительной лампы и молочного стекла, ограниченного

непрозрачной диафрагмой, расположенных на фотометрической скамье, и образцового фотометра.

Светоизмерительная лампа типа СИС освещает молочное стекло, ограниченное непрозрачной диафрагмой.

лампа СИС

молочное образцовый фотометр 'стекло"" яркомера.

Рис. 15. Установка для калибровки

С помощью фотометра определяют освещенность Е0, создаваемую светящимся диском. Яркость поверхности молочного стекла при этом выражается формулой:

I = 4 Е„ 102 / л й2

(21)

где: Ео - освещенность, создаваемая молочным стеклом в плоскости образцового фотометра, 10 - расстояние от молочного стекла до образцового фотометра, ё - диаметр светящейся поверхности молочного стекла. Калибровка пульсметра.

Для калибровки пульсметра разработана методика, основанная на сложении модулированного и постоянного световых потоков в интеграторе - фотометрическом

шаре. Принцип

4 „

раоогы понятен из принципиальной схемы установки для калибровки.

Рис. 16. Принципиальная схема установки для калибровки пульсметра.

1,7,- Источники излучения (лампы накаливания), 2. - модулятор светового потока, 3 -

апертурная диафрагма, 4 - фотометрическая головка исследуемого прибора, 5 -

смеситель модулированного и непрерывного светового потоков (фотометрический шар). 6 - переменная диафрагма.

Форма модулированного потока обеспечивается взаимным расположением и геометрией отверстий диафрагмы и секторов диска.

В качестве измерительного средства, метрологически обеспечивающего значение коэффициента пульсации К„ на выходном отверстии фотометрического шара, используется лишь образцовый люксметр.

Освещенности Е Макс. и Е ш№ определяются в статическом положении с последующим вычислением коэффициента пульсации К обр. излучения на выходе установки по формуле:

Е маю " Емин.

К обр. ----------------------------------(22)

Е макс Е мин.

Погрешность измерения коэффициента модуляции исследуемого пульсметра Кх можно определить по формуле:

®я = | Е±~Ко6"- |хюо% (23)

Кобр.

Пятая глава посвящена анализу составляющих погрешностей звеньев схемы обработки сигнала, погрешностей электронного измерительного канала и суммарной погрешности разработанных приборов.

Первым звеном электронной системы обработки сигнала является измерительный преобразователь — фотодиод и именно он определяет возможный динамический диапазон этой системы.

Фотодиод, как источник ошибок измерения, можно охарактеризовать температурным коэффициентом абсолютной чувствительности и уровнем темнового тока, уровнем шумового тока и восприимчивостью к электромагнитным помехам внешних источников

Показано, что причиной большинства возникающих ошибок измерения является температурные дрейфы параметров отдельных звеньев измерительного канала.

Проведено отдельное рассмотрение поведения и возможности компенсации аддитивной и мультипликативной ошибки измерения.

Полученные зависимости доведены до уровня, создающего предпосылки для компенсации систематических составляющих, как аддитивного так и мультипликативного характера.

Разработаны методики расчета основных и дополнительных погрешностей расчета АЦП, ИОН и фотодиода, а также дрейфа нуля усилителя.

Оценка общей погрешности разрабатываемых приборов базировалась на требованиях поверочных схем ГОССТАНДАРТА и рекомендациях МКО. Расчет основной относительной погрешности средств измерений выполнялся по формуле: А = 1,1 V £ ^ (24)

Где: 5 - составляющие погрешности.

Достигнутые значения составляющих и суммарных погрешностей приведены в таблице

Мп/п ' Наименование погрешности Условное обозначен ие (МКО) Достигнуто е значение, %

1 Погрешность спектральной коррекции ФПУ Ш) 1 -2

2 Погрешность градуировки люксметра. ь 1 -2

3 Погрешность градуировки яркомера 12 1-3

4 Погрешность градуировки колориметра (Тцв ) ь 1-3

5 Погрешность нелинейности световой характеристики ь 1 -2

6 Косинусная погрешность ъ 3,0

7 Погрешность электронного тракта fe 2-3

8 Суммарная погрешность измерения освещенности Ае 5

9 Суммарная погрешность измерения яркости Ль 5

10 Суммарная погрешность определения цветовой Дт 6

1_ J температуры.

Приведенные результаты показывают, что существенный вклад в суммарную погрешность вносит оптическая часть, качество которой и определяет метрологические характеристики приборов.

В шестой главе приводятся описания приборов, созданных на основе описанных выше исследований.

Колориметр «ТКА - ИЦТ».

Для обеспечения страны в средствах комплексного измерения световых параметров источников оптического излучения разработан переносной малогабаритный Колориметр «ТКА - ИЦТ». Прибор предназначен для измерения координат цветности источников излучения х, у коррелированной цветовой температуры Т,„ яркости протяженных самосветящихся источников Ь и освещенности Е.

Для коррекции пространственной характеристики при работе в режиме люксметра используется косинусная насадка цилиндрического типа. При измерении яркости протяженных, самосветящихся объектов пространственная характеристика формируется навинчивающимся тубусом, геометрические размеры которого определены решаемыми задачами.

Основные технические характеристики колориметра, диапазон измерения освещенности 10 - 200000 лк (погрешность 6%), цветовой температуры 1500 - 10000 К (погрешность 8%), яркости 10 - 2000 кд/м2 (погрешность 6%).

04/3» служит для измерения освещенности в диапазоне 10 ~ 200000 лк с погрешностью 8% и яркости самосветящихся протяженных объектов накладным способом ь диапазоне 10 - 200000 кд/м2 с погрешностью 10%. Прибор внесен в Госреестр средств измерений за №24248-03.

Фотоприемное устройство состоит из четырех кремниевых фотодиодов ФД - 263, спектральные характеристики которых с помощью светофильтров корригированы под кривые сложения Xi(íl), хг(Х), у(Х), z(X), принятых МКО в 1931 г, а для люксметра и яркомера с относительной спектральной световой эффективности V(X). В нашем случае численные значения Y(l) совпадают с V(X).

Рис. 17. Колориметр «ТКА - ИЦТ»

Разработанный комбинированный прибор Люксметр + Яркомер "ТКА

Прибор отличается от традиционных яркомеров отсутствием оптических элементов (линзы, объектива) в схеме, что значительно упрощает конструкцию и удешевляет стоимость прибора при сохранении его точностных характеристик. Измерение яркости при этом производится накладным способом.

Для дистанционного определения яркости протяженных источников разработан недорогой, отвечающий современным метрологическим и техническим требованиям

прибор для измерения яркости киноэкранов новый яркомер «ТКА - ЯР», представляющий собой портативный, малогабаритный прибор с автономным питанием, снабженный функцией запоминания результата измерения ("Hold"), позволяющий производить наводку на измеряемый объект с помощью лазерного прицела.

Рис. 18. Яркомер «ТКА - ЯР».

Для упрощения конструкции прибора в оптической схеме был применен нефокусируемый объектив. Нерегулируемая фокусировка на некоторое постоянное расстояние повышает оперативность работы с прибором, так как исключается одна из рабочих операций, При этом не требуется вводить никаких поправок к градуировке, поскольку показания прибора пропорциональны яркости объекта независимо от расстояния.

Прибор имеет следующие технические характеристики: Угол зрения, 1,0-1,5 град., диапазон измерения, 10,0 - 2000,0 кд / м2 , спектральная коррекция. 2,0%, суммарная погрешность, 10,0%, расстояние до измеряемого объекта, не менее 7,0 м.

Дополняет этот ряд прибор для определения коэффициента пульсации источников излучения и освещенности Пульсметр - Люксметр «ТКА - Пульс», обработка информации в котором осуществляется микропроцессором (многоканальный 12 - битный со встроенным микропроцессором и Flash ЭРПЗУ ADuC - 812). Прибор имеет следующие технические характеристики: диапазон измерения

Выводы и заключение.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований в

диссертации получены следующие новые научные и практические результат^:

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод определения коррелированной цветовой температуры источников излучения.

2. Показано преимущество интегральных фотоэлектрических колориметров, в которых сигналы от фогоприемников пропорциональны координатам цвета источника излучения по сравнению со спектральными колориметрами,

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика оценки погрешности, определяемая пространственной характеристикой приборов.

4. Разработана методика оценю? коэффициента пульсации.

5. Предложена конструкция ФПУ прецизионного фотометра

6. Предложен новый способ определения полного коэффициента отражения материалов, без интегрирующей сферы.

коэффициента пульсации 0-100 %, диапазон

измерения освещенности 10 - 200000 лк; погрешность измерения не превышает 10 %. Прибор успешно прошел Гос. Испытания для включения в Гос. реестр средств измерений.

Рис. 19. Пульсметр - Люксметр «ТКА -Пульс».

7. Разработан ряд фотоэлектронных приборов (яркомер, люксметр - пульсмер, колориметр), позволяющий использовать их в качестве рабочих средствах измерений оптических параметров источников излучения.

8. Разработаны программы для подбора корригирующих фильтров и определения погрешности коррекции для любых источников включая и светодиоды.

9. Разработаны методики и внедрены в практику установки для оценки метрологических характеристик рабочих средств измерения: колориметров, яркомеров, пульсметров и люксметров.

Публикации по теме диссертации.

1. Кузьмин В, Н, Михайлов О. М, Шибаров Е. И, «Устройство для измерения коэффициента отражения образцов», Авторское свидетельство №1396009 от 15.01.1988 г. - Опубликован в Бюл. № 18 от 15. 05. 88.

2. Кузьмин В. Н, Михайлов О. М. О возможности самокалибровки реальных физических приемников в УВИ области спектра // «Фотометрия и ее метрологичекое обеспечение»: тезисы докладов Восьмой всесоюзной конференции М, 1990. С. 70.

3. Кузьмин В. Н, Михайлов О. М, Пухова В. Г, Дворников Б. Д, Колесов Ю. А. Спектральная чувствительность кремниевого ячеистого фотодиода //«Фотометрия и ее метрологическое обеспечение»: тезисы докладов Восьмой всесоюзной конференции. М, 1990. С. 101.

4. Кузьмин В. И, Ротманова И. Г, Регулирование потоков излучения в широкой области спектра // «Новые принципы формирования телевизионных изображений»: тезисы докладов 11-й Научно - техническая конференция. ВНИИ «Электрон», Ленинград, 1990. С. 45 - 46.

5. Кузьмин В. Н, Михайлов О. М. Устройство для быстрого измерения спектральной чувствительности фотоприемников // «Импульсная фотометрия»: тезисы докладов 13 Всесоюзного семинара. Москва, 1990. С. 58 - 59.

6. Кузьмин В. Н, Томский К. А, Барбар Ю. A. STABILITE DES MATERIAUX SOUS L'lNLUENCE DE LA LUMIERE: NORMES, APPARELLS DE CONTROLE. Art&Chimie. Париж. 1998 г. с. 249 - 250.

7. Кузьмин В. H, Томский К. А, Барбар Ю А. Исследование и оценка воздействия оптического излучения на музейные материалы, методы и средства измерения //«Фотометрия и ее метрологическое обеспечение»: тезисы докладов 12 Научно -технической конференции. Москва, 1999. С. 47- 48.

8. Кузьмин В. Н, Прикупец Л. Б, Томский К. А. Современные приборы для измерения оптического излучения в растениеводстве // Светотехника. 2000, №5, С. 28 - 29.

9. Кузьмин В, Н, Томский К. А, Барбар Ю. А. Стратегия НТП «ТКА» в создании современных светотехнических средств. Тезисы докладов 4 Международной светотехнической конференции. Вологда, 2001, С. 87.

10. Кузьмин В. Н, Михайлов О. М. Достоверность и надежность измерения излучения в области спектра 0,22 - 0,76 мкм. //«Обеспечение единства измерений в фотометрии и радиометрии оптическог о излучения». Тезисы докладов 13 Всероссийской научно - технической конференции. М, 2001. С. 12 - 13.

И. Кузьмин В. Н, Барбар Ю. А, Томский К. А. Стратегия НТП «ТКА» в создании современных средств измерения оптического излучения // «Обеспечение единства измерений в фотометрии и радиометрии оптического излучения». Тезисы докладов 13 Всероссийской научно - технической конференции. Москва, 2001. С.54 - 55.

12. Кузьмин В. Н. Томский К. А. Приборы для измерения светотехнических параметров дисплеев и рабочих мест // журнал «Проблемы информатики». С-Пб, декабрь 1999.

13. Кузьмин В. Н. Томский К. А. Ершов В. С. Современные методы и средства измерения оптического излучения при кинопоказе // «Кинофототехника, научно -технические достижения и передовой опыт», информационный выпуск, выпуск 1 -2, М, 2002. С.40-42.

14. Кузьмин В. Н., Томский К. А. Новый российский кинопроекционный яркомер. //Тезисы докладов 5 Международной светотехнической конференции. С - Пб, 2003. С. 192-193.

15. Денисюк А. И. Кузьмин В. Н. Томский К. А. Измерение цветовых характеристик источников излучения. Тезисы докладов «5 - й Международной светотехнической конференции». С - Пб. 2003. С. 77-78.

16. Кузьмин В. Н. Томский К. А. Троицкий А. С. Измерение пульсации источников излучения. Тезисы докладов «5 - й Международной светотехнической конференции», С-Пб. 2003. С. 193-193.

РНБ Русский фонд

200^4 "15376"

Введение. Стр.

Актуальность работы 5.

Цель и основные задачи исследования.

Методы исследования

Научная новизна исследований.

Практические результаты работы

Основные научные результаты, выносимые на защиту

Реализация результатов работы.

Апробация работы.

Публикации

Глава 1. Критический обзор методов и приборов для измерения оптических характеристик источников излучения и выработка концепции построения приборов.

1.1. Анализ существующих методов цветовых измерений.

1.2. Анализ существующих методов измерения коррелированной цветовой температуры.

1.3. Обзор существующих колориметров.

1.4. Анализ существующих методов измерения яркости источников излучения.

1.5. Обзор, серийно выпускаемых яркомеров.

1.6. Измерение коэффициента пульсации источников излучения

1.7. Общая концепция построения приборов для измерения характеристик оптического излучения.

1.7.1. Выбор функциональной блок - схемы измерительного прибора.

1.7.2. Выбор алгоритма определения цветовых характеристик источников излучения.31 Выводы по главе

Глава 2. Теоретические основы разработки и исследование пространственных характеристик фотоприемных устройств (ФПУ).

2.1. Расчет цилиндрической косинусной насадки ФПУ люксметра и пульсметра. 36 2.2 Исследование светорассеивающих свойств материалов.

2.3. Расчет и исследование шарообразной косинусной насадки ФПУ прецизионного люксметра. 42 2.3. Расчет ФПУ для измерения яркости самосветящихся объектов накладным способом.

2.6. Расчет ФПУ для дистанционного измерения яркости протяженных источников.

2.7. Варианты, разработанных ФПУ яркомеров.

Выводы по главе.

Глава 3. Формирование спектральной чувствительности ФПУ приборов для измерения оптических характеристик источников излучения.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Обоснование возможности использования типа приемников оптического излучения в разрабатываемых приборах и их дополнительные исследования.

3.3. Измерение спектральных характеристик приемников оптического излучения. 58.

3.4. Результаты исследований спектральных характеристик исследуемых фотоприемников.

3.5. Разработка методики подбора фильтров, оценки погрешности коррекции спектральной характеристики фотоприемников и практические результаты коррекции.

3.6. Исследование долговременной стабильности спектральной чувствительности фотодиодов.

Выводы по главе.

Глава 4.Методическое и метрологическое обеспечение измерения параметров приборов.

4.1. Оценка пространственной характеристики ФПУ приборов.

4.2. Калибровка яркомера

4.3. Измерение энергетической характеристики фотоприемников.

4.4. Калибровка пульсметра

4.5. Измерение полного коэффициента отражения. 85 Выводы па главе.

Глава 5. Анализ динамического диапазона и погрешностей электронного измерительного канала. Расчет суммарной погрешности приборов.

5.1. Физические процессы работы фотодиода.

5.2. Анализ погрешностей электрического тракта.

5.3. Оценка суммарной погрешности разработанных приборов.

Выводы по главе.

Глава 6. Разработанные приборы для измерения световых параметров источников оптического излучения.

6.1. Колориметр «ТКА - ИЦТ».

6.2. Люксметр - яркомер "ТКА - 04/3". 108 ' 6.3. Пульсметр -люксметр «ТКА -Пульс»

6.4. Кинопроекционный яркомер «ТКА -Яр»

Выводы.

Актуальность работы.

Последнее столетие характерно стремительным развитием искусственных источников излучения, различающимися как принципами действия, так и характеристиками излучения. Номенклатура выпускаемых источников обширна, от широко распространенных ламп накаливания до плазменных дисплейных экранов. Как правило, характеристики излучения источников формируются под конкретные задачи по их использованию. Вместе с задачами вырабатываются и требования к характеристикам источников излучения. В связи с этим становится очевидным, что нормальное функционирование производителей и потребителей источников невозможно без решения задач по контролю параметров излучения.

Основной частью, определяющей функциональные и метрологические характеристики прибора для измерения оптического излучения, является фотометрическое устройство, преобразующее оптическое излучение в электрический сигнал. Идеология построения оптической схемы фотоприемного устройства, выбор элементов конструкции, а также методика оценки его метрологических параметров в совокупности определяют его точностные характеристики.

Оценки метрологических параметров выпускаемых приборов проводится по разным методикам. Эти различия создают определенные трудности при сравнительной оценки качества одинаковых по назначению приборов и приводят к конструктивным ошибкам, разрабатываемых приборов.

За рубежом и у нас в стране выработаны единые метрологические требования по оценки качества выпускаемых люксметров, яркомеров, колориметров. Эти правила отражены в рекомендациях МКО (№53, 69 и т.д.), ГОСТах и других нормативных документах и служат целям достижения достоверности и единства оптических измерений. Вместе с тем следует отметить при внимательном прочтении разработанных документов их различную трактовку одних и тех же проблем.

Нормативная база в нашей стране явно устарела, а основанные на рекомендациях МКО проекты, да и сами рекомендации требуют развития по истечению времени.

Несмотря на то, что рабочие средства измерения замыкают поверочную схему, их отличает широкий перечень нормируемых параметров. Поэтому метрологическое обеспечение рабочих средств измерений требует большого набора измерительного оборудования и единообразия в методическом подходе к оценке точностных характеристик во всех метрологических организациях страны.

Все сказанное выше определяет актуальность диссертационного исследования по повышению качества и надежности измерения параметров оптического излучения. Дель и основные задачи исследования.

Целью работы является исследование и разработка методов и средств измерения оптических параметров источников излучения в видимой области спектра таких как: координаты цветности источника, коррелированная цветовая температура, ' коэффициент пульсации, яркость и освещенность. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Осуществлен анализ существующих методов измерения характеристик источников излучения и методов оценки метрологических характеристик приборов.

2. Разработан алгоритм определения коррелированной цветовой температуры по координатам цветности источников оптического излучения.

3. Проведены теоретические и экспериментальные работы по разработке фотоприемных устройств , обеспечивающих решение поставленных задач.

4. Разработаны методики и аппаратура для определения метрологических характеристик, фотоприемников, фотоприемных устройств и оптических характеристик материалов, используемых для производства ФПУ.

Методы исследования

Диссертация выполнена на основе теории оптических и оптико-электронных приборов и систем.

При выполнении диссертационной работы использовались методы интегрального исчисления и математической статистики.

Эксперименты выполнялись с помощью спектральной оптико-электронной аппаратуры, а результаты измерений обрабатывались посредством компьютерной техники.

Научная новизна исследований.

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод определения коррелированной цветовой температуры по координатам цветности источников излучения.

2. Показано преимущество интегральных фотоэлектрических колориметров, в которых сигналы от фотоприемников пропорциональны координатам цвета источника излучения по сравнению со спектральными колориметрами.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика оценки погрешности, определяемая пространственной характеристикой приборов.

4. Разработана методика оценки коэффициента пульсации.

5. Предложена конструкция ФПУ прецизионного фотометра

Практические результаты работы

1. Создан ряд фотоэлектронных приборов (яркомер, люксметр - пульсмер, колориметр), позволяющий использовать их в качестве рабочих средствах измерений оптических параметров источников излучения.

2. Разработаны программы для подбора корригирующих фильтров и определения погрешности коррекции для любых источников включая и светодиоды.

3. Разработаны методики и внедрены в практику установки для определения метрологических характеристик рабочих средств измерения: колориметров, яркомеров, пульсметров и люксметров.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Принципы построения приборов для измерения световых характеристик источников излучения и результаты исследования их элементной базы на специально созданных установках по разработанным методикам.

2. Алгоритм определения коррелированной цветовой температуры источника излучения и координат цветности, основанный на переходе из системы х,у МКО 1931 г. в равноконтрастную систему u,v МКО 1964 г. с последующим определением коррелированной цветовой температуры аналитическим методом.

3. Теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная методика оценки погрешности, определяемой пространственной характеристикой прибора.

4. Модель формирования пространственной характеристики прецизионных фотоприемных устройств на основе фотометрического шара и методика оценки погрешности приборов, определяемой пространственной характеристикой ФПУ.

5. Методика оценки коэффициента пульсации.

6. Прецизионный излучатель для градуировки пульсметров, основанный на смешении переменного и постоянного во времени световых потоков, параметры которых с большой точностью определятся в статическом состоянии люксметром.

7. Методика, алгоритм и программа подбора корригирующих фильтров, обеспечивающих приведение характеристики прибора к относительной световой эффективности V(A.) и удельным координатам стандартного наблюдателя х(Х), у(Х), z(A.) с одновременной оценкой погрешности полученной коррекции. 8. Разработка ряда рабочих средств измерений цветовой температуры, яркости, коэффициента пульсации источников излучения.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы были использованы при решении практических задач в области измерений оптических характеристик источников излучения и разработки методик в следующих организациях: ВНИИ «Электрон» (СПб). ОАО «Светлана», НТП «ТКА», Тест-С-Пб, Академия. Наук. РФ.

Апробация работы.

Основные результаты и научные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Научно - технических конференциях «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (1996 г, 1998 г, 2000 г)

3-й светотехнической конференции, Новгород, 1997 г. Международном конгрессе «Art & Chimie». Париж. 1998 г.

4-й светотехнической конференции, Вологда, 2000 г.

11-й Научно-технической конференции «Новые принципы формирования телевизионных изображений», 13-14 сентября 1990 г. ВНИИ «Электрон», г. Ленинград. 13-й Всероссийской научно-технической конференции «Обеспечение единства измерений в фотометрии и радиометрии оптического излучения. (Москва, 2001 г.). Втором научно - техническом семинаре «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники». (Сочи, 2001 г.)

5-й светотехнической конференции, Санкт - Петербург. 2003 г.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 1б печатных работы (см. список опубликованных работ).

Выводы и заключение.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований в диссертации получены следующие новые научные и практические результаты:

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод определения коррелированной цветовой температуры источников излучения.

2. Показано преимущество интегральных фотоэлектрических колориметров, в которых сигналы от фотоприемников пропорциональны координатам цвета источника излучения по сравнению со спектральными колориметрами.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика опенки погрешности, определяемая пространственной характеристикой приборов.

4. Разработана методика оценки коэффициента пульсации.

5. Предложена конструкция ФПУ прецизионного фотометра

6. Предложен новый способ определения полного коэффициента отражения материалов, без интегрирующей сферы.

7. Разработан ряд фотоэлектронных приборов (яркомер, люксметр - пульсмер, колориметр), позволяющий использовать их в качестве рабочих средствах измерений оптических параметров источников излучения.

8. Разработаны программы для подбора корригирующих фильтров и определения погрешности коррекции для любых источников включая и светодиоды.

9. Разработаны методики и внедрены в практику установки для оценки метрологических характеристик рабочих средств измерения: колориметров, яркомеров, пульсметров и люксметров.

1. Джадд Д, Вышецки Г. Цвет в науке и технике. - М. Мир. 1978.

2. Планк М. , Теория теплового излучения. ОНТИ, 1935.

3. Колориметрия. Публикация МКО № 15.2 (1986).

4. Международный светотехнический словарь. Публикации МКО № 17.4 (1987).

5. Методы измерения и спецификация цветового воспроизведения источников света. Публикации МКО № 13.2 (1974).

6. Новаковский С. В. Цвет в цветном телевидении. М. «Радио и связь», 1988.

7. Гуревич М. М. Цвет и его измерение. М. Изд во АН СССР, 1950.

8. Из истории колориметрических систем, (реферат работы А. Шварца «Geschichte der Farbsysteme» // Светотехника. № 1. 2003.

9. Р.В. Отрубянников Теоретические основы управления цветом в современных системах фильмопризводства. Сборник научных трудов технологии восстановления и копирования архивных фильмовых материалов. М. 2002.

10. Каталог СИ: Фотометрические приборы для цветовых измерений. Информэлектро. 1969. №10. С.84. (Колориметр УФК)

11. ГОСТ 8.205 90. Государственная поверочная схема для средств измерения координат цвета и цветности.

12. И. А. Дубовик, И. В. Петроченко, Н. Б. Шимбарев. Фотоэлектрический телевизионный колориметр яркомер КФТ - 1. //Светотехника. 1991. №7. С. 1 - 2.

13. И. Г. Александрова, А. В. Барков, С. К. Краснов, С.В.Новаковский. //Цифровой телевизионный колориметр.// Техника кино и телевидения. 1974. №1. С. 45 49. (КТЦ-5.048)

14. М. И. Кривошеев, А. К. Кустарев. Цветовые измерения. М. Энергоатомиздат. 1990, с. 20-21.

15. Information DISPLAY, Dec. 2002. Vol 18, №12; Okt. 2002. Vol 18. №10.

16. Б.Д.Сивухин. Курс физики. M. «Наука», 1980.

17. М. М. Гуревич. Фотометрия (теория, методы и приборы). 2 е издание, перераб. И доп. - J1. Энергоатомиздат, 1983 г.

18. М. И. Эпштейн. Измерение оптического излучения в электронике. М. «Энергия». 1975 г.

19. Кузьмин В. Н, Томский К. А, Барбар Ю. A. STABILITE DES MATERIAUX SOUS L'INLUENCE DE LA LUMIERE: NORMES, APPARELLS DE CONTROLE. Art&Chimie. Париж. 1998 г.

20. Кузьмин В. Н, Томский К. А, Барбар Ю. А. Исследование и оценка воздействие оптического излучения на музейные материалы, методы и средства измерения. . 12 Научно техническая конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение». Москва, 1999 г.

21. Кузьмин В, Н, Михайлов О. М, Шибаров Е. И, «Устройство для измерения коэффициента отражения образцов», Авторское свидетельство №1396009 от 15.01.1988 г.

22. Контроль физических факторов производственной среды, опасных для человека: Энциклопедия «Экометрия» из серии справочных изданий по экономическим и медицинским измерениям . М.: ИПК Издательство стандартов. 2002.

23. Физические факторы эколого гигиеническая оценка и контроль. Том 1 (Руководство). М. «Медицина», 1999.26. СниП 23.05-96.

24. ГОСТ 26148 84 Фотометрия, термины и определения, с. 8.

25. Черниловская Г. 3. Оптическая схема яркомера 2ЯКП, //ОМП. 1976, №6, с. 28 30.

26. Черниловская Г. 3. Приборы светотехнического контроля кинопроекционных установок, //Техника кино и телевидения, 1980, №6, с. 61 65.

27. Алексеев И. А, Преображенский И. А, Нельский Е. J1, Маркова Е. А. Оценка качества проекции при сертификации кино- и видеообслуживания, // партнеры и конкуренты. № 9. - 2001.

28. В. Н. Кузьмин, К. А. Томский. Новый российский кинопроекционный яркомер. «6 -я Светотехническая конференция», С Пб. 2003 г. В. Н. Кузьмин, К. А. Томский. Новый яркомер для контроля светотехнических параметров киноэкрана.

29. Контроль физических факторов производственной среды, опасных для человека: Энциклопедия «Экометрия» из серии справочных изданий по экономическим и медицинским измерениям . М.: ИПК Издательство стандартов. 2002.

30. Физические факторы эколого гигиеническая оценка и контроль. Том ! (Руководство). М. «Медицина», 1999.

31. СНиП 23.05 96. «Естественное и искусственное освещение».

32. МУ 2.2.4.706-98/МУ ОТ РМ 01-98. Оценка освещения рабочих мест.40. ГОСТ 17333

33. Тарасов К. И. Спектральные приборы. «Машиностроение». J1. 1968.

34. Скоков И. В. Оптические спектральные приборы. «Машиностроение». М. 1984.

35. Кузьмин В. Н. Михайлов О. М. О возможности самокалибровки реальных физических приемников в УВИ области спектра. Восьмая всесоюзная конференция «Фотометрия и ее метрологичекое обеспечение», Москва, 1990 г, с. 70.

36. Кузьмин В. Н, Вальская JI. Г, Жамова В. А, Михайлов О. М, Обеспечение единства измерений приемников в области спектра 0,1 1,1 мкм. 9-я Всесоюзная конференция по ЭЛП и ФЭП. Ленинград, 1988 г.

37. Каталог оптического стекла. «Машиностроение». М. 1967.

38. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. Издательство Московского университета. 1994.

39. Соболева Н. А, Меламид А. Е. Фотоэлектронные приборы. М. «Высшая школа». 1974.

40. Ишанин Г.Г. Панков Э. Д. Андреев А. Л. Полыциков Г. В. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург «Политехника». 1991.

41. Кузьмин В. Н, Михайлов О. М, Пухова В. Г, Дворников Б. Д. Колесов Ю. А. Спектральная чувствительность кремниевого ячеистого фотодиода. Восьмая всесоюзная конференция «Фотометрия и ее метрологичекое обеспечение», Москва. 1990 г, с. 101

42. Кузьмин В. Н, Михайлов О. М. Устройство для быстрого измерения спектральной чувствительности фотоприемников. 13 Всесоюзный семинар «Импульсная фотометрия», Москва, 1990 г. с. 58 59.

43. Аксютов Л. Н. Холопов Г. К. Методы измерения нелинейности приемников излучения. «ОМП», 1973, № 10.

44. Кузьмин В. Н, Ротманова И. Г, Регулирование потоков излучения в широкой области спектра, 11-я Научно техническая конференция «Новые принципы формирования телевизионных изображений», ВНИИ «Электрон», Ленинград, 1990 г.

45. Дрожбин Ю. А. Дубовик И.А. Ежова Т.Н. Решетняк Г.А. Установка высшей точности для воспроизведения единиц координат цвета прозрачных материалов. //Измерительная техника. 1988. №11.

46. Кузьмин В. Н, Прикупец Л. Б, Томский К. А. Современные приборы для измерения оптического излучения в растениеводстве. «Светотехника», 2000 г.,№5, с. 28 29.

47. Кузьмин В. Н, Томский К. А, Барбар Ю. А. Стратегия НТП «ТКА» в создании современных светотехнических средств. 4 Международная светотехническая конференция. Вологда. 2001 г.

48. Лагутин В.И. Никитина Н.М. Оценка погрешностей определения цвстовьгч характеристик стандартных, отражающих образцов цвета по спектрофотометрическим данным. //Измерительная техника. 1988. №4.

49. Бурдун Г.Д. Марков Б.Н. Основы метрологии, учебное пособие для вузов. Изд.стандартов. 1975 г. 1-- 336 с.

50. А.ван дер Зил. Шумы при измерениях. ( пер.с англ.) издательство "Мир" .,Москва 1979 г.

51. Роберт Дж.Киес, Пауль В.Крузе и др. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов.С пер. с англ.) — М. Ж. радио и связь, 1985. — 328с., ил.

52. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. ( Пер. с англ. ), М„ Мир, 1979 г. ,с.317 —321.

53. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., "Высшая школа", 1967 г.

54. Левин М.Л., Рытов С.М. Теория равновесных тепловых флуктуации в электродинамике. М., "Наука", 1967 г.