Магистерская диссертация


Расчётная и аналитическая часть



страница2/4
Дата01.05.2016
Размер2.3 Mb.
ТипПрограмма
1   2   3   4

2. Расчётная и аналитическая часть

2.1. Методы оценки цветопередачи СД

Цветопередача и цветовая температура являются важными характеристиками для ИС, применяемых в ОУ.

Под цветовой передачей источника света принято понимать способность источника света передавать цвета различных объектов в сравнении с идеальным источником света. Этот параметр является количественным показателем качества воспроизведения цветовых оттенков по шкале от 0 до 100. По определению, индекс цветопередачи ламп накаливания или солнечного света равен 100.

Значение индекса цветопередачи в диапазоне 90-100 требуется в торговых и производственных помещениях, в которых точная цветопередача является критично важной – например, в магазинах по продаже тканей, произведений искусства или в художественных галереях. Для большинства офисных, торговых, общеобразовательных, медицинских и других рабочих и жилых помещений индекс цветовой передачи должен быть не менее 70-90. В производственных, охранных, и складских помещениях, где точная цветовая передача не имеет большого значения, могут использоваться источники света с минимальным значением цветовой передачи, равным 50 [19].

В настоящее время существует два активно использующихся метода нахождения общего индекса цветовой передачи – это метод CRI (Ra) и CQS МКО. Рассмотрим каждый из существующих методов.

2.1.1. Метод оценки цветовой передачи CRI

В данном методе цветовая передача рассчитывается как усредненная характеристика по 8 основным образцам средней насыщенности и 6 дополнительным специальным образцам на цветах с бόльшей насыщенностью – красном, желтом, зеленом и синем, а также на образцах, воспроизводящих цвет человеческой кожи и зеленой листвы [25]. Контрольные образцы (их общее количество 14) имеют фиксированные значения спектральных коэффициентов яркости.


eight colored squares, appearing peach, tan, green, blue, lavender, and pink.

Рис. 20. Образцы (основные), используемые в методе CRI.


Оценка цветопередачи источника света опирается на эталонный источник (источник сравнения), который может быть задан математически. Эталонные источники определены как: чёрное тело для ИС с коррелированной Тцв ниже 5000 К, один из стандартных спектральных составов фаз дневного света для Тцв выше 5000 К.


Рис. 21. Спектры белых СД и соответствующих им эталонных ИС.

У данного метода существует ряд определенных недостатков:


  • Результат расчёта индекса цветопередачи сильно зависит от соответствия вида спектрального состава исследуемого ИС спектральному составу эталонного ИС, поэтому расчёт, выполненный для СИД, спектр которого состоит из одной или нескольких узких полос (Δλ0.5=15-50 нм) при эталонном источнике – чёрном теле со сплошным спектром, даст результаты, не соответствующие действительности. Подтверждение этому факту находятся в многочисленных научных работах, проведённых в последние годы.

  • Цветность эталонного источника должна быть той же или почти той же, что и у исследуемой лампы, различие цветностей ΔС должно быть не больше чем 5,4*10-3(ΔС=[(uk-ur)2+(vk-vr)2]1/2). А для многих СД и соответствующих им эталонных источников это условие не выполняется. Если величина ΔС превышает указанное значение, это значит что результаты таких расчётов не могут считаться достоверными.

  • Наличие четкой границы выбора эталонного источника – 5000 К, в результате которой получается «скол» вычисленных значений Ra.

  • Если рассчитанный Ra велик, то вполне может оказаться, что насыщенные цвета ИС передаёт плохо. Это происходит из-за того, что для оценки используется слишком мало образцов и все они имеют слишком маленькую насыщенность [26].

  • Некоторые частные индексы цветовой передачи могут иметь отрицательные значения.

  • Общий индекс цветовой передачи определяется как среднее арифметическое первых восьми частных индексов цветовой передачи, а это значит, что если некоторые частные индексы цветовой передачи имеют малые значения, а остальные – достаточно большие, то возможен вариант вычисления высокого значения Ra.



2.1.2. Метод шкалы цветности или CQS

Данный метод был предложен Y. Ohno и W. Davis (National Institute of Standards and Technology) и представляет собой модификацию стандартного метода CRI. Основные отличия от общепринятого классического метода МКО:



  1. Используется 15 тестовых образцов;

  2. Расчет цветовых различий в CIELAB;

  3. Цветовое различие определяется как среднее геометрическое среди 15 образцов.

fifteen colored squares, appearing saturated purple, blue, green, yellow, orange, and red

Рис.22. Образцы, используемые в методе CQS.

В настоящий момент для расчёта цветовых различий МКО рекомендует систему L*a*b*. В этом пространстве светлота (lightness) задана координатой L*, которая изменяется от 0 до 100, хроматическая составляющая – двумя полярными координатами a* и b*. Первая обозначает положение цвета в диапазоне от зелёного до пурпурного, вторая – от синего до жёлтого.

cielab1976

Рис. 23. Схематическое изображение пространства L*a*b*

Данный метод позволяет более объективно оценить цветопередачу СД, т.к.:


  1. Новые тестовые отражающие образцы из атласа Манселла имеют бόльшую цветовую насыщенность;

  2. Общий индекс цветовой передачи, рассчитанный по этому методу, определяется как среднее геометрическое всех частных индексов цветовой передачи, а это значит что вклад каждого частного индекса RCQS i сказывается больше, поэтому оценка общего RCQS объективнее;

  3. Использование системы CIELAB позволяет исключить завышенные значения в красной области и заниженные в синей и желтой областях.


2.2. Функция оносительной спетральной циркадной эффективности

Эффективность оптического излучения в управлении циркадной ритмикой организма во многом определяется его спектральным составом и характеризуется зависимостью степени подавления секреции мелатонина от длины волны излучения λ, выражаемой функцией относительной спектральной циркадной эффективности c(λ).

Моделирование функции относительной спектральной циркадной эффективности выполняется по одному из двух вариантов, полученные в независимых экспериментальных исследованиях [27, 28] соответственно [29].

1)





Рис.24. Графики: 1 – функции относительной спектральной циркадной эффективности c(λ); 2 – аппроксимирующего c(λ) выражения (1); 3 и 4 – первых и вторых членов выражения (1) соответственно.

2)





Рис.25. Графики: 1 – функции относительной спектральной циркадной эффективности c(λ); 2 – аппроксимирующего c(λ) выражения (2); 3 и 4 – первых и вторых членов выражения (2) соответственно.

Из графиков можно увидеть, что выражение (1) более точно аппроксимирует значения в коротковолоновой части спетра, и вносит погрешность в диапозоне длин волн 550-600 нм. Но, в этом диапозоне функции относительной спектральной циркадной эффективности убывает и стремится в ноль. В то же время, выражение (2) наоборот полностью совпадает с экспериментальными точками в длинноволновой части спектра, но расходится в коротковолновой части спектра, в частности в максимуме c(λ).

В связи с этим, в расчетах в качестве функции относительной спектральной циркадной эффективности c(λ) мы будем использовать аппроксимацию по выражению (1).



2.3. Программа

Исследование возможности получения белого многокристального светодиода проводились на основе следующих данных [31, 32].



Таблица 1. Характеристики современных мощных цветных СД.

№ п/п

Серия

Цвет

Материал

λp , нм

σ1, нм

σ2, нм

ηv, лм/Вт

If, мА

1

Nichia

Green

InGaN

522

14

19

18.8

20

2

Red

InGaN

625

10

6

11.8

20

3

Blue

InGaN

471

10

10

4.3

20

4

Green

InGaN

525

16

19

27.6

20

5

Blue

InGaN

475

10

10

8.4

20

6

Amber

InGaN

600

46

69

16.2

20



№ п/п

Серия

Цвет

Материал

λp , нм

σ1, нм

σ2, нм

ηv, лм/Вт

If, мА

8

Osram Platinum DRAGON

Red

InGaAlP

632

9

9

51.7

700

9

Amber

InGaAlP

624

9

9

59.8

700

10

Yellow

InGaAlP

597

9

9

44.8

700

11

Deep Blue

GaN

449

10

10

28.7%

700

12

Blue

GaN

465

10

10

18.6

700

13

True Green

GaN

520

15

20

50.5

700

14

Verde

GaN

503

14

16

38.5

700

15

Osram OSLON Black

Amber

InGaAlP

624

9

9

67.5

350

16

Red

InGaAlP

632

11

8

51.8

350

17

Yellow

InGaAlP

597

9

9

49.5

350

18

True Green

GaN

520

15

20

52.8

350

19

Deep Blue

GaN

449

10

10

31%

350

Так как характеристики ОП, созданные на основе трехкристальных СИД существенно подвержены влиянию изменения λр и Δλ0,5, связааные с условиями эксплуатации в процессе работы ИС [30], расчет будет проводиться для ОП, созданного на основе четерехкристальных СИД.


2.3.1. Моделирование спектров цветных СИД

Для моделирования цветовых характеристик белых СИД, в основе которых лежит RGB - матрица, необходимым шагом является выбор аппроксимации, достаточным образом удовлетворяющей минимальной погрешности различия спектров для выполнения последующих цветовых расчетов.

Моделирование спектров может производиться по одному из двух методов:

1) Аппроксимация по рекомендации МКО 1997 года (CIE 107):



, где

λ0 - длина волны соответствующая пиковой длине волны,

λ - текущая длина волны,

λ0.5 – ширина спектра излучения на уровне 0.5 от спектрального максимума излучения.

2) Аппроксимация нормальным распределением:

, где

λ0 - длина волны соответствующая пиковой длине волны,

λ - текущая длина волны,

σ1, σ2 – отвечают за ширину спектра излучения (в случае симметричной функции равны)

Несомненным плюсом метода аппроксимации нормальным распределением является то, что он позволяет учесть асимметричность спектра СД.
2.3.2. Определение спектра белого четырёхкристального СД с заданной цветностью

1) Задаются спектры трёх кристаллов (в относительных единицах).

2) Спектр чёрного тела при заданной температуре находится по формуле Планка. Рассчитываются его координаты цвета Xчт, Yчт, Zчт.

3) Находятся координаты цвета излучений кристаллов.

4) Уравнение составляется следующим образом:

- матрица из координат цвета излучений СД

- обратная ей матрица

Уравнение:



, где abc-матрица из трёх значений

- матрица яркостей каждого из СД, которые они должны иметь, чтобы суммарное излучение имело такие же координаты цвета как и чёрное тело при данной температуре. А для четвёртого кристалла таким множителем будет «а».

Суммарный спектр:



В результате получаем набор вариантов пропорций излучений цветных СД (для разных значений «а»), которые создают белое излучение с одной и той же цветностью, но с разной цветопередачей.

Выбор пропорции, обеспечивающей наилучшую цветопередачу белого СД при оптимальное сочетание всех частных индексов цветопередачи.



2.3.3. Расчёт световой отдачи белых СД

Световая отдача белого СД определяется световыми отдачами цветных СД и их энергетическими долями в суммарном излучении и рассчитывается по следующей формуле:



, где

, , , - их световые отдачи (лм/Вт)

с1, с2, с3, с4 – энергетические доли отдельных кристаллов в суммарном излучении, определяемые как



b1, b2, b3, b4 – коэффициенты пропорции соотношения излучений цветных СД.



2.3.4. Расчёт биологической эффективности излучения

Для определения бологического воздействияисточников света вопользуемся коэффициентом, определеямым по следующей формуле:



,

где - спектральная плотность потока излучения;



- относительная спектральная циркадная эффективность;

- относительная спектральная световая эффективность.

Величина характеризует долю излучения, оказывающего биологическое действие, по отношению к излучению, обеспечивающему визуальные (зрительные) функции. Зная значение , проектировщик может целенаправленно выбирать различные источники света и управлять осветительной установкой так, чтобы искусственное освещение оказывало положительное влияние на состояние человека в течение рабочего времени, в том числе в темное время суток [8].



2.3.5. Расчёт цветопередачи белого ИС методом CRI

Расчёт индексов цветопередачи производился по методу МКО 1974 года с учетом адаптации.



Основные этапы метода:

1) Выбирается стандартный источник излучения с известным спектром Фст() (наиболее близкий по цветности излучения к исследуемому) и цветовыми координатами (xст, yст). Для цветовых температур ниже 5000 К рекомендуемый источник – абсолютно черное тело, спектр которого описывается формулой Планка. Если цветовая температура исследуемого излучения выше 5000 К, то в качестве стандартного рассматривается источник D, воспроизводящий фазы дневного света.
2) Определяется коэффициент К. Исходные спектры Фиссл() и Фст () нормируются с помощью этих коэффициентов так, чтобы выполнялись условия Yиссл = Yст = 100.


3) Вычисляются координаты цветности (xиссл, yиссл) и (xст, yст)

Координаты цвета:






Координаты цветности:


4) Находятся спектральная плотность излучения отражённого от каждого из 15 образцов (i = 1,…15) при освещении их стандартным и исследуемым источником: Fe, _исслi() и Fe, _стi(), и вычисляются координаты цветности (x, y, z) и цвета (X, Y, Z) отражённых излучений.



















5) Все координаты цветности (МКО 1931) пересчитываются в координаты цветности U*V*W*: (uиссл,vиссл), (uисслi,vисслi), (uст, vст), (uстi, vстi) по равноконтрастной цветовой диаграмме (МКО 1960) по формулам:


6) Так как цветность исследуемого источника света, как правило, не точно совпадает с цветностью подобранного для сравнения стандартного излучения, то приходится вводить в расчеты поправку на изменение адаптации. Если этого не сделать, то различие в цветности и спектральных составах сравниваемых источников света внесет значительную систематическую ошибку в расчет изменения цветности контрольных образцов, которая ухудшит расчетные качественные показатели исследуемого излучения.

Учет адаптации производится расчетным путем на основе метода коэффициентов фон Криса.



Значения c и d вычисляются по формулам:

7) В равноконтрастной системе (U*V*W*) рассчитываются координаты цвета отражающих образцов, освещённых стандартным и исследуемым источниками. Расчёт проводится по следующим формулам для стандартного и исследуемого источников света:



, где

i – номер отражающего образца.
8) Определение изменения цвета каждого контрольного образца осуществляется по формуле цветового различия МКО. Согласно этой формуле цветовое различие можно интерпретировать в равноконтрастном пространстве МКО 1964 как расстояние между двумя точками, характеризующими сравниваемые цвета. Это изменение цвета, называемое в методе оценки цветопередачи цветовым сдвигом, определяется следующим уравнением:

, где - цветовой сдвиг для i-того образца

9) Специальный индекс цветопередачи для i-того образца связан с цветовым сдвигом следующей линейной зависимостью:



10) Наконец, общий индекс цветопередачи Ri, получается усреднением отдельных индексов цветопередачи:

Ra = (Ri )/8



Оценка цветопередачи источника дополняется специальными индексами цветопередачи, относящимися к шести стандартным дополнительным образцам (i = 9… 14), определённым как ярко-красный, ярко-жёлтый, ярко-зелёный, лёгкий желтовато-розовый и средний оливково-зелёный.

2.3.6. Расчёт цветопередачи белого ИС методом CQS

Последовательность расчёта:



Пункты 1) -4) выполняются аналогично расчету методом CRI.



5) В системе L*a*b* рассчитываются координаты цвета всех контрольных образцов при освещении их стандартным и исследуемым источником света.

Расчёт проводится по следующим формулам для стандартного и исследуемого источников света:





, где

i – номер отражающего образца.
6) Определение изменения цвета каждого контрольного образца осуществляется по формуле цветового различия, которое определяется как среднее геометрическое между различиями в трёх координатах цвета:

, где - цветовой сдвиг для i-того образца.
7) Среднее геометрическое между всеми 15-ю цветовыми различиями:



8) Индекс шкалы цветности определяется как:



Коэффициент 2.81, согласно методу, был выбран таким образом, чтобы среднее значение индекса шкалы цветности для стандартной ЛЛ МКО было равно среднему значению индекса цветопередачи для такой лампы – 75.1.

9) Чтобы исключить отрицательные значения и привести шкалу к диапазону 0-100 применяется следующее преобразование:

, где

Rin – исходное значение (может быть отрицательным)

Rout – окончательное значение, результат преобразования.

2.3.7. Влияние возраста человека на восприятие им излучения белого СД

Старение человеческого глаза связано с уменьшением коэффициента пропускания хрусталика глаза в результате его фото - биологического старения. При старении наблюдателя существенная часть синего спектра отрезается хрусталиком [35]. Для оценки влияния возраста на восприятие света людьми разных возрастных групп введем интегральный коэффициент t:

, где

- спектральная плотность энергетического потока белого многокристального СД,

- относительная спектральная световая эффективность,

- коэффициент пропускания хрусталика (рис. 10).


Каталог: Structure -> Universe -> ire -> electrical engineering -> structure
Structure -> Программа по общественному здоровью и здравоохранению для студентов 5 курса стоматологического факультета
Structure -> Выступления на конференциях и симпозиумах за 2010-2014 годы К. м н. Бехтеревой М. К
Structure -> Вопросы для тестового контроля
Structure -> Основные научные труды проф. Бабаченко И. В. за период 2010-2014 гг
Structure -> Экзаменационная программа. (медицинская биофизика) Организация психиатрической помощи
Structure -> Экзаменационная программа. (лечебное дело) Организация психиатрической помощи
Structure -> Экзаменационная программа. (педиатрический факультет) Организация психиатрической помощи
Structure -> Геронтология
Structure -> Перечень вопросов к экзамену по дисциплине «Фармакология», специальность Сестринское дело (форма обучения очная и очно-заочная), Акушерское дело (форма обучения очная). Рецептура. Общая фармакология
structure -> Программа: Оптико-электронные приборы и системы


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4




База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница