Fotometria i kolorymetria

Transkrypt

1 3. Podstawy fotometrii wzrokowej i fizycznej (metody: wzrokowe, filtru, odchyłowa, zrównania; zasady: migotania, kontrastu). Miejsce i termin konsultacji (zima 2013/2014): pokój 18/11 bud. A-1, poniedziałki 13-15, środy 11-13

2 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 X e 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?

3 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 do obliczenia natężenia oświetlenia zależność uproszczoną: dokładną tylko przy równomiernym oświetleniu powierzchni. E S

4 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 1 cos d Lsin choć tak naprawdę kształt źródła nie ma znaczenia O O 2

5 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: E I S L 2 2 r r L O jest kątem bryłowym, w którym źródło światła widać z oświetlonego elementu powierzchni a L jest luminancją źródła. Jeśli do tego dodać twierdzenie Abbego O Luminancja = właściwa miara wrażenia jaskrawości (jasności) źródła.

6 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.

7 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.

8 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 I k lampy z filtrem wyznacza się ze światłości samej lampy I oraz całkowitego współczynnika przepuszczania filtru F : I K Współczynnik F z kolei otrzymuje się z widmowego rozkładu światła tej lampy i widmowego współczynnika filtru: F 0 S e 0 S V e V d d I F S e jest względnym rozkładem widmowym promieniowania lampy, () widmowym współczynnikiem przepuszczania filtru.

9 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

10 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.

11 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.

12 Zasady zrównywania przy pomiarach wzrokowych 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?

13 Zasady zrównywania przy pomiarach wzrokowych Zasada kontrastu (znowu na przykładzie fotometru L-B): Przekrój poziomy przez zmodyfikowaną kostkę Lumera- Brodhuna: 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.

14 Zasady zrównywania przy pomiarach wzrokowych 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.

15 Zasady zrównywania przy pomiarach wzrokowych 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!

16 Zasady zrównywania przy pomiarach wzrokowych 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.

17 Zasady zrównywania przy pomiarach wzrokowych 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.

18 Zasady zrównywania przy pomiarach wzrokowych 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/m 2. - Pole fotometryczne powinno być otoczone obojętnym, achromatycznym tłem (do 25 przy luminancji około % 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.

19 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.

20 Fizyczne metody pomiaru 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.

21 Fizyczne metody pomiaru 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???

22 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 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.

23 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 1. Czułość widmowa cd.: 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. Problemy do rozwiązania: a) Dokładność wyznaczenia czułości widmowej odbiornika; b) Dokładność wykonania przysłony; c) Wpływ układu optycznego rozszczepiacza na ilość światła docierającego do detektora; d) KOSZTY!

24 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 1. Czułość widmowa cd.: 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. Problemy do rozwiązania: a) Współczynniki trzeba określać dla każdego rodzaju mierzonego światła osobno; b) Niewygodne

25 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 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!

26 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 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!

27 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 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

28 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 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

29 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 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.

30 Warunki zastosowania odbiornika fizycznego 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.