Разработка и исследование приборов для измерения световых параметров источников оптического излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Кузьмин, Владимир Николаевич

• Кузьмин, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузьмин, Владимир Николаевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование приборов для измерения световых параметров источников оптического излучения»

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).

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Кузьмин, Владимир Николаевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузьмин, Владимир Николаевич, 2003 год

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.