Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор устройств освещения для оптико-электронных приборов и систем цветового анализа объектов 14
1.1. Классификация устройств освещения для ОЭС ЦА 15
1.1.1. ОЭС ЦА с ламповыми устройствами освещения 15
1.1.1.1. ОЭС СА, использующие волоконные элементы 16
1.1.1.2. ОЭС ЦА, использующие коллимированное ламповое излучение 17
1.1.2. ОЭС ЦА с лазерными устройствами освещения 19
1.1.2.1. ОЭС ЦА, использующие лазерное коллимированное излучение 19
1.1.2.2. ОЭС ЦА, использующие оптоволоконные элементы для формирования световой полосы 21
1.1.3. ОЭС ЦА со светодиодными устройствами освещения 22
1.1.3.1. ОЭС ЦА, использующие СИД без оптических элементов или систем 23
1.1.3.2. ОЭС СА, использующие СИД совместно с оптическими элементами 24
1.1.4. Сравнительный анализ рассмотренных устройств освещения 26
1.1.4.1. Ламповые устройства освещения 26
1.1.4.2. Лазерные устройства освещения 27
1.1.4.3. Светодиодные устройства освещения 27
1.2. Критерии выбора источника света для ОЭС ЦА 28
1.3 Постановка цели и задач исследований 32
ГЛАВА 2. Теоретические основы моделирования параметров и характеристик светодиодных устройств освещения 34
2.1. Моделирование пространственного распределения освещенности и
распределения цветовых параметров излучения в зоне анализа от СИД 34
2.1.1. Математическое моделирование индикатрисы излучения СИД 35
2.1.2. Моделирование спектральных характеристик и цветовых параметров СИД 38
2.1.3. Моделирование распределения цвета по освещаемой СИД плоскости 43
2.2. Моделирование пространственного распределения освещенности и
распределения цветовых параметров излучения в зоне анализа от МСИ 44
2.2.1. Формирование структуры МСИ 44
2.2.2. Моделирование пространственного распределения освещенности в зоне анализа от МСИ для ОЭС ЦА 49
2.2.3. Моделирование энергетических и цветовых характеристик МСИ
с учетом поправочных коэффициентов 55
2.3. Выводы по главе 58
ГЛАВА 3. Принципы моделирования светодиодных устройств освещения для ОЭС ЦА с учетом реальных параметров и характеристик светодиодов 61
3.1. Измерение параметров и характеристик реальных СИД 61
3.1.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения измерений 61
3.1.2. Результаты экспериментальных исследований 63
3.1.2.1. Модели пространственного распределения освещенности в зоне анализа от сверхъярких СИД 65
3.1.2.2. Спектральные характеристики и цветовые параметры СИД 69
3.1.2.3. Пространственное распределение освещенности по полю изображения объектива 72
3.2. Моделирование параметров и характеристик МСИ для ОЭС ЦА 73
3.3.1. Формирование структуры МСИ с учетом параметров и характеристик реальных СИД 73
3.3.2. Моделирование параметров и характеристик МСИ без учета поправочных коэффициентов 76
3.3.3. Распределение освещенности на поверхности фоточувствительного элемента СТЗ 79
3.3.4. Моделирование параметров и характеристик МСИ с учетом поправочных коэффициентов 82
3.4. Выводы по главе 86
ГЛАВА 4. Принципы расчета рабочих режимов и настройки многокомпонентных светодиодных источников 89
4.1. Обобщенная схема построения МСИ 89
4.2. Методика настройки и расчета рабочих режимов МСИ
4.2.1. Способ обеспечения цветовой и светотеневой обстановки в зоне анализа от МСИ с использованием ограничивающих резисторов 92
4.2.2. Способ настройки цветовой и светотеневой обстановки в зоне анализа с помощью ШИМ контроллера
4.2.2.1. Ручной режим настройки яркостных и цветовых параметров МСИ 98
4.2.2.2. Автоматический режим настройки яркостных и цветовых параметров МСИ 99
4.3. Методика и результаты энергетического расчета 101
4.3.1. Определение среднеквадратического значения шума ПЗС матрицы СТЗ 102
4.3.2. Определение коэффициента пересчета освещенности МСИ 103
4.3.3. Расчет энергетической и контрастной чувствительности ПЗС матрицы 105
4.4. Выводы по главе 107
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования макетов многокомпонентных светодиодных источников 109
5.1. Условия проведения экспериментальных исследований 110
5.2. Результаты экспериментальных исследований
5.2.1. Настройка времени экспозиции ЦВК 112
5.2.2. Настройка энергетических параметров двуцветного МСИ 116
5.2.3. Настройка цветовых параметров пятицветного МСИ 118
5.3. Сравнительный анализ теоретических моделей и экспериментальных результатов 121
5.3.1. Оценка соответствия равномерности освещения зоны анализа 121
5.3.2. Оценка соответствия цветовых параметров в зоне анализа 124
5.4. Выводы по главе 126
Заключение 129
Список литературы
- ОЭС ЦА, использующие коллимированное ламповое излучение
- Моделирование спектральных характеристик и цветовых параметров СИД
- Описание экспериментальной установки и методики проведения измерений
- Автоматический режим настройки яркостных и цветовых параметров МСИ
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время оптико-электронные системы
цветового анализа объектов (ОЭС ЦА) широко применяются во многих странах
для решения задач пищевой (сортировка овощей и фруктов), текстильной
(контроль качества окраски тканей), строительной (оценка сортности
стройматериалов), электронной (производство монокристаллов) и
горнодобывающей (сортировка полезных ископаемых) отраслей
промышленности.
Среди большого разнообразия приборов и технических средств,
предназначенных для осуществления цветового анализа и с той или иной
степенью эффективности применяемых на практике, можно выделить оптико-
электронные системы технического зрения (СТЗ). ОЭС ЦА данного класса
представляют обширную группу устройств, использование которых
способствует распознаванию и/или анализу объектов регистрации не только по цветовым параметрам, но и по форме, ориентации в пространстве, наличию дефектов поверхности.
При анализе цветности отображения объекта, при известных свойствах самого объекта и характеристиках приемника излучения, одной из основных задач является формирование конкретной цветовой и светотеневой обстановки, адекватной решаемой задаче и условиям работы ОЭС ЦА, например, равно-энергетической или однородной по цветовым параметрам засветки зоны анализа. С точки зрения однородности и равномерности освещения, а также минимизации количества теневых участков и качества цветопередачи, оптимальным является использование многокомпонентных светодиодных источников (МСИ).
Основная причина активного внедрения светодиодных технологий в ОЭС
наблюдения и контроля различного назначения заключается в большом выборе
цветов свечения, а также конструкции самого светодиода (СИД),
определяющей пространственные, электрические, тепловые, энергетические и
другие параметры. При этом важнейшим фактором, оказывающим
непосредственное влияние на эффективность обнаружения объектов
исследования, а также качество их анализа и контроля по цветовым
параметрам, является характер распределения освещенности и/или
распределения цветовых параметров в освещаемой плоскости (рабочей зоне, зоне анализа или наблюдения), расположенной на заданном расстоянии от источника оптического излучения (ИОИ).
Указанные обстоятельства обуславливают актуальность выбора в
качестве объекта диссертационного исследования – многокомпонентных
устройств светодиодного освещения для ОЭС ЦА. Работы по развитию теории проектирования МСИ являются основополагающими для создания ОЭС ЦА нового поколения, отличающихся улучшенными характеристиками, и поэтому имеют важнейшее значение.
Целью работы является исследование и разработка многокомпонентных устройств светодиодного освещения для оптико-электронных устройств
цветового анализа объектов, обеспечивающих необходимый уровень цветовой и светотеневой обстановки и способствующих более качественному анализу и контролю объектов.
Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить анализ и составить классификацию известных устройств освещения и средств формирования необходимой цветовой и светотеневой обстановки для ОЭС ЦА.
-
Сформулировать требования к источникам излучения, необходимые для обеспечения требуемой цветовой и светотеневой обстановки.
-
Исследовать принципы математического описания параметров и характеристик светодиодных источников света для создания многокомпонентных устройств освещения для ОЭС ЦА на их основе.
-
Разработать принципы моделирования многокомпонентных светодиодных устройств освещения, учитывающих параметры реальных светодиодов и распределение освещенности по полю изображения объектива.
-
Разработать методику расчета рабочих режимов многокомпонентных светодиодных устройств освещения.
-
Разработать и реализовать макеты многокомпонентных светодиодных устройств освещения сложной конфигурации с элементами управления.
-
Провести экспериментальные исследования разработанных макетов многокомпонентных светодиодных устройств освещения на обеспечение ими необходимого уровня цветовой и светотеневой обстановки.
-
Провести сравнительный анализ результатов, полученных экспериментальным путем, и результатов теоретического моделирования многокомпонентных устройств освещения.
Методы исследования
В работе применялись аналитические и численные методы
геометрической оптики, элементы классической теории цвета и его измерения,
в том числе, модели представления и методы преобразования цвета. На
определенных этапах исследований использовались компьютерные методы
моделирования пространственного распределения освещенности от
многоэлементных источников света и формируемой ими в зоне анализа цветовой картины, а также методы теории оптических измерений.
Научная новизна диссертации
-
Разработаны принципы моделирования цветовой и светотеневой обстановки с заданными параметрами в зоне анализа СТЗ, учитывающие вид и параметры структуры МСИ, параметры и характеристики реальных светодиодов, составляющих МСИ, а также пространственные характеристики объектива СТЗ.
-
Разработаны принципы организации структуры МСИ на основе применения различных типов кластеров излучающих элементов, а также соответствующей автоматической настройки цветовой и светотеневой обстановки с заданными параметрами в зоне анализа посредством изменения параметров питания каждого СИД, вошедшего в МСИ.
3. Предложен способ контроля пространственного распределения освещенности и цветовых параметров излучения по зоне анализа от реальных устройств освещения, а также спектрального состава излучения данных устройств, основанный на поточечном сканировании зоны анализа, освещаемой исследуемым устройством освещения, с помощью системы линейных трансляторов и оптического световода, передающего оптический сигнал на спектрометр.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Математические модели пространственного распределения освещенности в зоне анализа от МСИ, учитывающие его конфигурацию и пространственно-энергетические характеристики СИД, вошедших в МСИ, и позволяющие реализовать равно-энергетическую засветку зоны анализа ОЭС ЦА, предназначенной для сортировки по цвету движущихся объектов.
-
Математические модели распределения цвета в зоне анализа от МСИ, основанные на законах описания цвета в соответствии с рекомендациями МКО, а также моделях пространственно-энергетических и спектральных характеристик СИД, вошедших в МСИ, и позволяющие реализовать однородную по цветовым параметрам засветку зоны анализа ОЭС ЦА, предназначенной для цветового анализа объектов.
-
Принципы моделирования параметров и характеристик МСИ, обеспечивающие цветовую и светотеневую обстановку с заданными параметрами в зоне анализа за счет использования пространственно-энергетических и спектральных характеристик реальных СИД, выбранной конфигурации МСИ, а также поправочных коэффициентов отдельных СИД, определяемых пространственными характеристиками объектива СТЗ.
-
Способ настройки яркостных и цветовых параметров МСИ, основанный на изменении параметров питания СИД, вошедших в МСИ, и использовании СТЗ в качестве устройства контроля, обеспечивающий формирование равно-энергетической и однородной по цветовым параметрам засветки зоны анализа МСИ.
Практическая ценность работы
-
Алгоритм и реализующее его программное обеспечение для моделирования пространственного распределения освещенности и распределения цветовых параметров в освещаемой плоскости, расположенной на заданном расстоянии от МСИ, позволяющие обеспечить цветовую и светотеневую обстановку с заданными параметрами.
-
Рабочий алгоритм автоматической настройки яркостных и цветовых параметров многокомпонентных светодиодных устройств освещения и реализующее его программное обеспечение в среде LabVIEW, позволяющие производить настройку с помощью изменения яркости отдельных СИД, составляющих устройство.
-
Спроектированы и реализованы макеты двуцветного и пятицветного МСИ с возможностями настройки рабочих параметров и характеристик
излучения путем регулировки выходных напряжений посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
-
Разработан оригинальный стенд для исследования пространственного распределения освещенности и цветовых параметров излучения по зоне анализа от реальных устройств освещения, а также спектрального состава их излучения.
-
Получены результаты экспериментальных исследований МСИ, обеспечивающих равномерное и однородное по цветовым параметрам освещение зоны анализа.
Реализация результатов работы
Результаты настоящей работы отражены в 2 отчетах по НИР, проводимых
коллективом Научно-образовательного центра оптико-электронного
приборостроения Университета ИТМО, что подтверждено актом использования материалов при выполнении НИР, а также актом внедрения в учебный процесс кафедры оптико-электронных приборов и систем Университета ИТМО.
Развитие исследований в рамках диссертационной работы поддержано грантами правительства г. Санкт-Петербурга 2012 и 2014 гг. Вклад автора в развитие указанной тематики был отмечен дипломом за лучшую научно-исследовательскую работу магистров Университета ИТМО.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на 11 конференциях, в том числе 6 международных, а также на 2
международных специализированных выставках: XLII–XLIV Научные и
учебно-методические конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия,
2013-2015 гг.); Международная научно-техническая выставка-конференция
«Свет Петербурга» НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2013 г.); II-
III Всероссийские конгрессы молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2013-
2014 гг.); VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов
«Оптика-2013» НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2013 г.);
Международная конференция SPIE Optical Metrology (Мюнхен, Германия, 2013 г.); Международная конференция SPIE Optics+Photonics (Сан Диего, США, 2012 и 2014 гг.); XI Международная конференция «Прикладная ОПТИКА-2014» ГОИ (Санкт-Петербург, Россия, 2014 г); Международная специализированная выставка «Фотоника. Мир лазеров и оптики» (Москва, Россия, 2012 и 2014).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 11 статей в изданиях из перечня ВАК (из них 5 статей в изданиях, включенных в системы цитирования Scopus и Web of Science), 2 патента РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель и 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Материалы опубликованных работ полностью отражают содержание диссертации.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 79 наименований. Общий объем работы составляет 142 страницы, включая 11 таблиц, 54 рисунка и 32 формул.
ОЭС ЦА, использующие коллимированное ламповое излучение
Данное устройство работает следующим образом: свет от ИОИ после многократного отражения от диффузионно-отражающего белого материала интегрирующего кожуха попадает на оптический коллиматор. Далее образованное коллимированное излучение направляется на объект (например, образец архитектурного стекла), где оно частично отражается от передней поверхности и частично пропускается к задней поверхности объекта (от которой происходит вторичное отражение). Отраженные лучи от обеих поверхностей собирают с помощью оптического затвора и передают с помощью объектива в детектор. При этом детектор включает в себя диспергирующий элемент, фотодиодную матрицу и устройство передачи сигнала. Далее детектор передает спектральные данные от фотодиодной матрицы в персональный компьютер для дальнейшей обработки, получения откалиброванных данных о спектре отраженного от объекта излучения и расчета цветовых параметров объекта.
К недостаткам данной ОЭС можно отнести наличие стробоскопического эффекта, нарушающего правильность восприятия объекта, сложность формирования необходимого уровня цветовой и светотеневой обстановки посредством использования интегрирующего кожуха совместно с оптическим коллиматором, ограниченный набор возможных реализуемых спектральных диапазонов, а также высокая стоимость данного прибора.
Оптико-электронные системы, использующие лазерное (когерентное) излучение, активно применяются в устройствах, предназначенных для сортировки мелких объектов (например, сельскохозяйственной продукции) по цвету, размеру/форме или другим характеристикам [25-27]. Данные ОЭС содержат несколько считывающих устройств (в основном линейных видеокамер) и устройств освещения. При этом устройства считывания ориентированы на отраженное/прошедшее через материал лазерное излучение и работают в разных спектральных диапазонах. Устройства освещения таких систем обычно содержат: полупроводниковые лазеры и оптические элементы, образующие коллимированное излучение. Рассмотрим отдельно несколько ОЭС, использующих лазерное излучение совместно с оптическими элементами, образующими коллимированное лазерное излучение, или оптоволоконными системами.
К таким ОЭС ЦА можно отнести «Устройство для сортировки отдельных объектов из сыпучих материалов», предложенное Киллманном Дирком [28]. Данное устройство применяется для сортировки (разделения по фракциям) раздробленной минеральной руды, измельченных полимеров или древесины.
В качестве устройства освещения разработчики предлагают использовать несколько лазерных диодов, генерирующих излучение в красной, зеленой и синей областях видимого спектра, совместно с оптической системой, формирующей коллимированное излучение. Обобщенная схема такой ОЭС, использующей лазерное коллимированное освещение, представлена на Рисунке 1.3.
Принцип работы данной ОЭС заключается в следующем. Световую полосу, образованную несколькими лазерными диодами и коллиматором, проецируют на плоскость транспортировочного устройства. Сформированное коллимированное и направленное на объект излучение разделяется на две части: первая отражается от поверхности объекта, вторая проходит многогранную структуру материала и рассеивается (в соответствии со свойствами поверхности объекта). Образованное распределение света оптически обнаруживают, регистрируют и получают изображение объекта. Далее изображение проходит обработку: во-первых, с помощью данного изображения идентифицируют границы реальных объектов, во-вторых, сравнивают измеренные признаки объекта с эталонными признаками. После обработки персональный компьютер подает сигнал на пневмоотсекатель, с помощью которого происходит разделение объектов по фракциям.
Основным недостатком любой ОЭС, использующей лазерное излучение, является неравномерное освещение зоны регистрации (в виде распределения Гаусса). 1.1.2.2. ОЭС ЦА, использующие формирования световой полосы оптоволоконные элементы для К оптико-электронным системам, использующим волоконные элементы для получения развертки лазерного пучка, можно отнести «Оптоволоконный лазерный сортировщик», предложенный Шульгиным В.А. и Бабишовым Э.М. [29]. Обобщенная схема ОЭС, использующих оптоволоконные элементы для формирования световой полосы, представлена на Рисунке 1.4.
Данное устройство применяется для сортировки сельскохозяйственной продукции. Оптоволоконный лазерный сортировщик работает следующим образом: с помощью вибропитателя и транспортерной ленты в зону освещения подается продукт, при этом падающий/движущийся поток продукта ограничен глубиной резкости объектива ПОИ. Лазерное излучение формируется следующим образом: в волоконно-оптическую систему (с помощью фокусирующей оптики) одновременно вводится излучение от нескольких лазеров, работающих на различных длинах волн, на выходе оптического волокна излучение направляется на цилиндрическую линзу и проецируется на плоскость зоны регистрации объекта в виде светового пучка (принцип мультиплексирования) [30]. Следует отметить, что цилиндрическая линза рассчитана таким образом, чтобы освещаемая область совпала с зоной регистрации изображения объекта линейной видеокамеры. Далее устройство считывания и обработки изображения (за время, не превышающее время прохождения продукта от зоны регистрации до устройства удаления дефектных материалов), принимает решение о продукте. Кроме того, разработчики данного устройства предлагают использовать поворотные призмы, позволяющие ограничить угловой спектр вводимого в оптическое волокно излучения и упростить задачу пространственного размещения лазеров и оптических элементов для формирования развертки лазерного пучка.
К недостаткам устройств освещения данной ОЭС ЦА следует отнести: необходимость высокой степени светоизоляции между отдельными каналами волоконно-оптической системы (для уменьшения перекрестных помех). Кроме того, данные устройства имеют большие вносимые энергетические потери и высокую себестоимость.
Моделирование спектральных характеристик и цветовых параметров СИД
Существующие модели или способы, описывающие пространственное распределение освещенности в зоне анализа от МСИ, расположенного на заданном расстоянии, построены на классической теории, в основу которой положен закон излучения Ламберта. Другими словами, в существующих моделях СИД представлен как источник Ламберта, а МСИ - как набор данных источников. Однако пространственно-энергетические параметры излучения СИД (не говоря уже об МСИ в целом) зависят от многих факторов, например, способа изготовления, формы линзы (если она имеется), наличия люминофора и т.п. [59].
Для создания моделей пространственного распределения освещенности в зоне анализа от МСИ, приближенных к реальности, необходимо: написать уравнение и построить модели отдельных излучателей, составляющих разрабатываемое устройство освещения, а также исследовать возможные схемы расположения излучающих элементов в МСИ.
Индикатриса излучения - характеристика, определяющая распределение яркости или силы излучения источника (в данном случае СИД) в пространстве или плоскости. Соответственно, данная характеристика может быть выражена трехмерной фигурой или графиком. Для описания индикатрисы СИД традиционно используются следующие функции:
Уравнение Ламбертовского излучателя является классическим способом описания индикатрисы излучения СИД. Для такого излучателя энергетическая яркость Le одинакова во всех направлениях, а сила излучения Ie изменяется пропорционально косинусу угла падения (идеальный источник излучения) [46]. Уравнение силы излучения имеет вид: l(e,q ) = I0-cos(e), (2.1) где в и ср - зенитный и азимутальный углы сферической системы координат; I0 – константа.
Вид индикатрисы излучения, описываемый уравнением (2.1), представлен на Рисунке 2.1. В основе модели, представленной на Рисунке 2.1, заложена функция сферы. Однако энергетическая яркость Le реальных СИД не является постоянной во всех направлениях, кроме того, большинство СИД являются источниками с узконаправленным излучением (например, с углом свечения, равным 15). Для моделирования такого рода источников вместо константы I0, представленной в уравнении (2.1), традиционно используют функцию Гаусса: в-м)2
Модель индикатрисы излучения, использующая функцию Гаусса: трехмерная модель (а) и осевое сечение (б)
Для построения модели, представленной на Рисунке 2.2, значение МО было принято равным 0, а значение СКО - 0,1. Данная модель соответствует индикатрисе СИД с углом свечения 15. Как было сказано раньше, увеличивая значение СКО, можно получить модель, приближенную к источнику Ламберта.
Помимо светодиодов узконаправленного излучения встречаются СИД с энергетическим провалом. К таким источникам относятся, например, СИД красного свечения (пик излучения находится в «красной» области спектра). Для моделирования индикатрисы СИД с энергетическим провалом в центральной части излучения предлагается использовать следующую функцию:
Вид получившейся индикатрисы излучения, описываемый уравнением (2.3), представлен на Рисунке 2.3. Необходимо помнить, что при изменении значений углов происходит изменение величины энергетического провала (его глубины и ширины).
Для построения модели, представленной на Рисунке 2.3, значение угла с} было принято равным 0,95 радиан, значение угла с2 - 0,05 радиан, а угла равным 15.
Рассмотренные в данном разделе функции и модели необходимы для построения моделей пространственного распределения освещенности и распределения цвета по освещаемой плоскости, расположенной на заданном расстоянии, как от отдельных излучателей, вошедших в МСИ, так и от МСИ в целом.
Спектральные характеристики излучения можно разделить на три вида: дискретные/линейчатые, непрерывные/сплошные и комбинированные [60]. Спектральные характеристики излучения СИД являются непрерывными. Так как в данной работе рассматриваются источники света, ограничим спектральный диапазон излучения интервалом от 380 нм до 780 нм. Для построения аппроксимационной модели спектральной характеристики СИД предлагается использовать следующую функцию:
Количество максимумов n при моделировании спектральных характеристик, представленных на Рисунке 2.4 а, принято равным 1. Полуширина спектра (Рисунок 2.4 а) 5-кристалла равна 30 нм ( т7 = 5 и а2 = 12), G-кристалла - 45 нм ( т7 = 11 и о2 = 13) и Я-кристалла - 25 нм ( т7 = 14 и о2 = 4). Изменение полуширины спектра (сужение/уширение) связано с изменением значений СКО для функций h(X) и 12(Х). Кроме того, для получения спектральной характеристики, соответствующей конкретному цвету свечения, необходимо, чтобы значение МО (Уравнение 2.4) всегда было равно значению длины волны, соответствующей максимальному значению силы излучения. МО 5-кристалла было принято равным 454 G-кристалла - 511 и Д-кристалла - 613. Следует отметить, что данные значение МО были получены из реальных спектральных характеристик излучателей RGB-СИД марки «ARPL-EPA-RGB» (Рисунок 2.4 б). Реальные спектральные характеристики, представленные на Рисунке 2.4 б, были получены экспериментально с помощью аппаратно-программного комплекса, принцип действия которого описан в Главе 3.
Помимо светодиодов одного цвета свечения существуют СИД, использующие комбинацию цветов для получения «смешанного» цвета, например, белого. К таким светодиодам относятся СИД белого свечения, использующие люминофор и источник синего цвета с Хтах = 462 нм [60].
Излучение № 1 на Рисунке 2.5 соответствует СИД марки «ARPL-White». Излучение № 2 - СИД марки СИД марки «ARPL-EPS» Аналогично предыдущему случаю, реальные спектральные характеристики СИД белого свечения были получены экспериментально (Главе 3). Для моделирования спектральных характеристик, представленных на Рисунке 2.5 а, необходимо чтобы значение п (Уравнение 2.4) было равным 2. Для излучения №1 значения СКО первого пика (Рисунок 2.5 а) равны 15 (ои) и 10 (a2,i), второго пика - 15 (аи) и 25(а2 2). Для излучения №2 значения СКО первого пика равны 15 (оц) и 14 (о2 1), второго пика - 20 (аи) и 25(а2 2). Кроме того, для излучения №1 МО первого пика было принято равным 462, второго пика - 495, и для излучения №2 МО первого пика было принято равным 545, второго пика - 568. Следует отметить, что данные значения МО также были получены из реальных спектральных характеристик СИД марки: «ARPL-White» и «ARPL-EPS» (Рисунок 2.5 б).
Описание экспериментальной установки и методики проведения измерений
В предыдущей главе (Подраздел 2.2.2) диссертационного исследования было установлено, что: 1. для создания однородной цветовой засветки зоны анализа ОЭС ЦА №1 необходимо использовать 15 сверхярких СИД (7 RGB-СИД, 2 СИД белого «теплого» свечения и 6 СИД белого «холодного» свечения), расположенных на расстоянии 15 мм друг относительно друга и 150 мм от зоны анализа; 2. для создания равно-энергетической засветки зоны анализа ОЭС ЦА №2 необходимо использовать 16 сверхярких СИД белого свечения (по 8 СИД белого «теплого» и «холодного» свечения), расположенных на расстоянии 15 мм друг относительно друга и 50 мм от зоны анализа.
Для данных устройств освещения было принято решение использовать СИД фирмы «ARLIGHT»: СИД белого «холодного» марки «ARPL-White», СИД «теплого» свечения марки «ARPL-EPS» и RGB-СИД марки «ARPL-EPA-RGB».
В Подразделе 2.2.2, было установлено, что: – для наилучшего смешения цветов и получения различных цветовых оттенков необходимо, чтобы излучающие элементы RGB-СИД образовывали треугольный кластер со стороной не более 2 мм; – для получения цвета, близкого к белому, а также для получения спектральной характеристики, охватывающей весь видимый диапазон, необходимо, чтобы конфигурация МСИ содержала СИД белого свечения. Излучающие элементы RGB-СИД марки «ARPL-EPA-RGB» равноудалены от центра излучающей площадки на расстояние 1 мм (образуют равносторонний треугольник), кроме того, данные излучатели имеют широкий угол свечения ( = 150).
СИД белого «холодного» марки «ARPL-White» и СИД «теплого» свечения марки «ARPL-EPS» используют люминофор и источник синего цвета для получения цвета, близкого к белому, а также имеют широкий угол свечения (содержат по два излучающих элемента расположенных на расстоянии 1 мм).
Измерения проводились с помощью АПК КИП. По результатам измерений построены модели пространственного распределения освещенности в зоне анализа от данных СИД, их спектральные характеристики, а также модели распределения цветовых параметров по освещаемой сверхяркими СИД зоне анализа. Кроме того, на АПК КИП также были измерены пространственные распределения освещенности по полю изображения объективов фирм «KOWA» и «SCHNEIDER-KREUZNACH», установленных на цветную видеокамеру фирмы «BASLER» модели «acA1300-30gm/gc». Объектив фирмы «SCHNEIDER-KREUZNACH» предназначен для ОЭС ЦА №1, а объектив фирмы «KOWA» предназначен для ОЭС ЦА №2. Все объекты исследований показаны на Рисунке 3.2.
Для проведения эксперимента СИД был установлен на расстоянии 100 мм от входного окна световода. Следует отметить, что на Рисунке 3.3 RGB-СИД имеет координату x = 20 мм и y = 20 мм, и излучение от данного светодиода распространяется сверху вниз. Из представленных на Рисунке 3.3 моделей видно, что каждый излучатель RGB-СИД освещает область 4040 мм. При этом имеет место энергетический провал, составляющий 3% от уровня максимальной освещенности. Величина провала составляет 64 мм. Данный эффект может быть связан со свойствами кристаллов или дефектами их изготовления. Кроме того, на рисунках можно заметить некоторый сдвиг моделей относительно центра по координатам (XY). Данный эффект связан с тем, что излучающие кристаллы в RGB-СИД смещены от цента СИД на 1 мм и образуют равносторонний треугольник. Представленные на Рисунке 3.3 модели математически можно аппроксимировать уравнением (2.8).
Для проведения эксперимента СИД также были закреплены на расстоянии 100 мм от входного окна световода и имеют (Рисунке 3.5) координаты x = 20 мм, y = 20 мм. На рисунке излучение от данных СИД также распространяется сверху вниз. Из представленных на рисунке трехмерных моделей видно, что СИД освещает область 4040 мм. Распределение освещенности данных СИД имеет форму колокола. Кроме того, данные светодиоды имеют более широкое поле излучения по сравнению с RGB-СИД. Данный эффект связан с тем, что светодиоды имеют по два излучающих кристалла, расположенных (в линию) на расстоянии 1 мм друг от друга. Представленные на Рисунке 3.5 трехмерные модели математически можно аппроксимировать уравнением (2.8).
Теоретическая модель (Рисунок 3.6 б) является линейным кластером, включающим два излучателя, построенных с помощью уравнения (2.2) и расположенных на расстоянии 8 мм друг от друга. Из Рисунка 3.6 в видно, что такой теоретической моделью можно аппроксимировать пространственное распределение освещенности в зоне анализа от СИД марки «ARPL-White». Отклонение результатов теоретического моделирования (или расчетов) от полученных в результате измерения данных не превышает 4%.
Автоматический режим настройки яркостных и цветовых параметров МСИ
Основываясь на данных, представленных в Таблице 4.1, была построена обобщенная электрическая схема для двух разрабатываемых МСИ, а также разработаны модели печатных плат МСИ в программе «ALTIUM DESIGNER» (Рисунок 4.2).
Как было сказано ранее, объединение СИД в группы способствует образованию определенной по энергетическим или цветовым параметрам засветки зоны анализа. На Рисунке 4.2 а отмечены группы питания, содержащее m СИД. Для двуцветного и пятицветного МСИ количество групп питания и последовательно-соединенных СИД в них указаны в Таблице 4.1.
Далее, используя предложенную электрическую схему, рассмотрим возможные способы регулировки электрических параметров СИД, а, тем самым, и настройки необходимой цветовой и светотеневой обстановки в зоне анализа от МСИ.
Одним из способов формирования необходимой цветовой и светотеневой обстановки в зоне анализа является использование в конструкции МСИ резисторов определенной мощности и сопротивления, т.к. использование ограничивающих резисторов способствует снижению температурной чувствительности тока, протекающего через СИД, а также уменьшению их [СИД] энергетических параметров. Определим параметры резисторов, вошедших в МСИ, на основании данных, представленных в Таблице 4.1.
На Рисунке 4.3 приведены полученные с помощью АПК КИП (Раздел 3.1) зависимости интенсивности излучения светодиодов, используемых в МСИ, от величины питающего их тока.
Из представленных зависимостей видно, что порог включения используемых СИД различен. Согласно Рисунку 4.3 а B-кристалл RGB-СИД начинает работать только при силе тока 0,22 А, G-кристалл - при 0,28 А и R-кристалл - при 0,3 А. Аналогичный эффект можно наблюдать у СИД белого свечения. Излучающие элементы СИД белого свечения начинают работать при силе тока, равной примерно 0,21 ампер. Кроме того, из данного рисунка видно, что максимальное значение интенсивности свечения также достигается при разных значениях питающего тока. Согласно Рисунку 4.3 а для B-кристалла RGB-СИД максимальное значение интенсивности достигается при силе тока 0,3 А, для G-кристалла - при 0,35 А (как заявлено в документации к RGB-СИД марки «ARPL-EPA-RGB») и для R-кристалла - при 0,32 А. Аналогично, для СИД марки «ARPL-White» максимальное значение интенсивности достигается при силе тока 0,61 А и для СИД марки «ARPL- EPS» - при 0,7 А (согласно документации). Данные зависимости будут использоваться далее для расчета рабочей силы тока каждого СИД.
Известно, что сила тока соединенных последовательно светодиодов (с одинаковыми параметрами) равна силе питающего тока СИД, вошедшего в данную группу, т.е., согласно Таблице 4.1, сила тока групп питания для двуцветного МСИ находится в диапазоне от 0,61-0,7 А, а сила тока групп питания для пятицветного МСИ - 0,3-0,35 А. Сила тока СИД белого свечения, вошедших в пятицветный МСИ, также должна быть 0,35 ампера.
Для обеспечения энергетически равномерного или однородного по цветовым параметрам освещения зоны анализа (Рисунки 3.12-3.13) от МСИ, необходимо, чтобы уровень освещенности, а, следовательно, и сила тока каждой группы питания, были определенного значения. На этапе моделирования в предыдущей главе для решения данной проблемы использовались поправочные коэффициенты (Таблица 3.2). В данной главе диссертационного исследования для расчета силы тока СИД, вошедших в группу питания, предлагается использовать коэффициенты питания: In=Kn-IСЩ , (4.1) где К- коэффициент питания, соответствующий конкретной группе питания п; IСИД – сила тока СИД, вошедшего в группу питания. При этом, коэффициенты питания непосредственно связаны с интенсивностью излучения СИД (или групп СИД), а, следовательно, с рассчитанными ранее поправочными коэффициентами. Каждый коэффициент может быть найден из соотношения значения силы тока СИД, необходимого для образования определенной засветки, к максимально возможному значению силы тока. Значения силы тока СИД можно найти по Рисунку 4.3, т.к. они соответствуют конкретным значениям интенсивности СИД (Таблица 3.2).