Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 22 мая
 
 

Это интересно!

Ранее

Самосогласованная модель люминесцентной лампы

Часть 2. Моделирование электрических, оптических и электро­кинетических характеристик ламп и комплекта «лампа — ПРА» при их работе в сети промышленного тока 50 Гц.

Сравнительная оценка жизненного цикла источников света

Исследование предоставлено официальным представительством OSRAM в России и является авторизованным переводом с английского.

Новинки светодиодов Cree класса XLamp

Появившиеся в 1996 г. новые источники света (в прямом смысле этого слова) на сегодняшний день уже прочно укоренились в сознании любого человека, так или иначе связанного с освещением. Это светоизлучающий диод (СИД), история которого начинается гораздо ранее обозначенной даты, но лишь всего 14 лет назад стало возможным получить излучение белого цвета. Причиной такой задержки было отсутствие СИД, работающих в коротковолновой области спектра, а именно они в настоящее время используются в производстве белых полупроводниковых излучателей.

 

4 октября

Сумеречная фотометрия: задача почти решена

В статье освещены проблемы, связанные с оценкой яркости в условиях сумеречного зрения, а также описаны и сопоставлены возможные варианты систем оценки сумеречного восприятия.



В

темноте и при ярком освещении человек видит по-разному. Как видно из рисунка 1, при слабом (ночном) свете максимум чувствительности глаза смещен в область коротковолнового, синего, излучения, а при ярком освещении функция чувствительности V (λ) имеет максимум на длине волны 555 нм, что соответствует зелено-желтому цвету. Это объясняется различной активностью палочек и колбочек. При высокой яркости преимущественно работает колбочковый аппарат, который состоит из трех типов рецепторов, отвечающих за восприятие цветных объектов. Ночное зрение обеспечивается в основном рецепторами под названием «палочки». Они не позволяют распознавать цвета, однако различают объекты и препятствия при малых уровнях яркости. В промежуточном состоянии, так называемом сумеречном зрении, участвуют и те, и другие, а чувствительность глаза резко меняется в зависимости от силы и распределения яркости в поле зрения.

Сумеречный диапазон покрывает значения от нескольких сотых канделы на квадратный метр до нескольких кд/м2. Именно такие уровни яркости типичны для уличного освещения в ночное время или в помещениях с аварийным или охранным освещением. В настоящее время не существует согласованного комитетом CIE метода оценки визуальной эффективности источников света на этом диапазоне.

Большинство предлагаемых методик основано на психофизическом исследовании аспектов визуального восприятия, особенно на способности адаптироваться к различным уровням яркости. То обстоятельство, что визуальная система человека состоит из двух каналов, яркостного (не воспринимает цвет, аддитивный) и цветового (воспринимает цвет, неаддитивный), осложняет исследования, поскольку вклад каждого канала меняется не только в зависимости от яркости фона, но и размера, местоположения объекта, цветового контраста между объектом и фоном.

В настоящее время разработано большое количество моделей, дающих различные результаты в зависимости от внешних условий. Однако они не согласуются с функциями спектральной световой чувствительности глаза при дневном (V(λ)) и ночном свете (V'(λ)), что вызывает дополнительные трудности при их практическом применении.

В 90-х годах был предложен подход, который ставил целью сохранить согласование с существующей фотометрической теорией. Искомая функция должна соответствовать дневной и ночной функциям спектральной чувствительности глаза на границах сумеречного диапазона.

На основе данного подхода независимо друг от друга были разработаны две системы: USP (США) и MOVE (Европа). Тем не менее, эти две системы дают различные результаты при расчете яркости в условиях сумеречного восприятия. Особенно заметно разница проявляется для разноцветных источников света со слабой светимостью. Для источников белого света расхождения незначительны. Комитет CIE 1-58 разработал и скоро опубликует промежуточную систему, результаты которой лежат между значениями, полученными в USP и MOVE.

Рис. 1. Спектральная световая чувствительность для дневного и ночного света

История вопроса

Основное препятствие при разработке системы сумеречного зрения — высочайшая сложность зрительного аппарата человека. Спектральная чувствительность глаза определяется не только яркостью, но и размером, временем адаптации, местоположением объекта в зрительном поле, его контрастом с фоном и скоростью реакции. При изменении какого-либо параметра меняется эффективность зрительной системы и способность выполнять поставленную задачу.

Цель любой фотометрической системы — измерять величины, напрямую связанные с визуальным восприятием. В настоящее время ни одна система не позволяет точно описать зрительное восприятие во всем диапазоне яркостей. Действующая модель спектральной чувствительности глаза описывает только некоторые задачи (например, чтение текста). Одно из основных требований к фотометрической системе — аддитивность.

Согласно закону Эбнея, если световые потоки А и В имеют одинаковые фотометрические показатели, а p + q = 1, то сумма pA + qB должна иметь те же показатели. Другими словами, аддитивность означает, что для нахождения какой-либо световой величины заданную спектральную фотометрическую величину (поток, интенсивность, светимость и т.п.) можно умножить на соответствующую функцию спектральной эффективности и суммировать линейно по спектру. Однако при дневном свете данное правило часто нарушается. Например, при сложении двух или более световых потоков нередко яркость результирующего потока оказывается меньше, чем компонентов в отдельности, из-за взаимодействий между колбочками.

Для описания зрительного восприятия при сумеречном свете необходим новый метод, который подчиняется закону Эбнея и согласуется с функциями чувствительности человеческого глаза V(λ) и (V'(λ)) на границах диапазона яркостей типичных для сумеречного зрения, а на самом диапазоне описывает гладкую зависимость.

Система USP

Система USP (Unified system of photometry) предложена американскими исследователями из Центра световых исследований (Lighting research center). В ее основе лежат две серии экспериментов (для двух человек) на скорость реакции. Первая серия проводится в условиях отсутствия цветового контраста между целевым объектом и фоном на диапазоне дневного света 0,003...10 кд/м2
Во второй серии используется принцип так называемой бинокулярной одновременности, когда на каждый глаз испытуемого одновременно подаются вспышки разных цветов, а яркость объекта, на который обращен взгляд, подстраивается так, чтобы временная задержка между вспышками, которые видит каждый глаз, не ощущалась.

По результатам эксперимента была разработана система, в которой чувствительность глаза при сумеречном освещении Vmes(λ) выражается как линейная сумма функций спектральной чувствительности при дневном и ночном свете:

Vmes(λ) = Х·V(λ) + (1 – X)·V'(λ),

где Х — параметр, принимающий значения 0—1 и характеризующий относительное соотношение между дневной и ночной световой чувствительностью при данных условиях. Яркость в условиях сумеречного восприятия Lmes для источника с абсолютной спектральной плотностью яркости Le (λ) может быть рассчитана по следующей формуле:

Lmes =

при 0,001 кд/м2 < Lmes < 0,6 кд/м2,

где Vmes(λ0) — чувствительность глаза при длине волны λ0 = 555 нм.

Аналитическое выражение для Lmes (λ) имеет следующий вид:

при 0,001 кд/м2 < Lmes < 0,6 кд/м2,

Параметр Х вычисляется следующим образом:

Х = m |Lmes| + β,

где коэффициенты m = 1/0,599, β = –0,001/0,599.

Система MOVE

Система MOVE предназначена главным образом для таких приложений как ночное вождение. Зрительная задача разделяется на три подзадачи:

1) способность визуально обнаруживать объект;

2) скорость детектирования объекта;

3) способность распознать детали объекта.

В исследовании были задействованы как хроматические, так и неокрашенные объекты. Таким образом, система MOVE основана на данных, не подчиняющихся закону аддитивности и дающих точную характеристику зрительной эффективности широкого круга «реалистичных» визуальных задач. Как и в USP, в системе MOVE сохраняются условия на границах диапазона сумеречного восприятия. Это, в свою очередь, не позволяет сделать систему точной для любого типа освещения.

Экспериментальные исследования проводились в нескольких лабораториях в Европе. Всего в исследовании участвовало 109 объектов. Эмпирически было получено следующее уравнение:

М(х)·Vmes(λ) = Х·V(λ) + (1 – X)·V'(λ),

где М(х) — нормирующий коэффициент, х — параметр, принимающий значения от 0 до 1 и зависящий от уровня яркости и спектрального состава света. Он характеризует относительные пропорции между чувствительностями при дневном и ночном зрении в заданных условиях.

Яркость при сумеречном освещении Lmes для источника с абсолютной спектральной плотностью яркости Le (λ) может быть рассчитана по той же формуле, что и в системе USP:

xn+1 = a +

+ b·lg ,

Lmes = ,

где n — номер выборки, a = 1,49, b = 0,282, Кp и Кs — максимальная световая эффективность при дневном и ночном свете соответственно (683 лм/Вт и 1699 лм/Вт), V'(λ0) = 683/1699. Нормирующая функция может быть приближена следующим образом:

M(x) = max[xV(λ) +

+ (1 – x)V'(λ)] ≈ 1 – 0,65x + 0,65x2.

Заметим, что в отличие от системы USP, система MOVE не имеет изломов на границах диапазона. Наоборот, в ней учитывается вклад, хотя и малый, функции ночной эффективности при вычислении спектральной эффективности при дневной яркости больше 10 кд/м2 и вклад функции спектральной эффективности при дневном свете при освещении менее 0,01 кд/м2.

Другие системы

Системы USP и MOVE являются хорошими отправными точками для нахождения оптимальной функции. Было замечено, что хотя в основе этих функций лежат различные подходы, результаты, которые они дают, весьма схожи для большинства практических задач. Исключая область совсем низких уровней яркости, обе системы расходятся не более чем на 10% (см. рис. 2) для ахроматических источников света. Это удивительный результат, принимая во внимание следующие различия между системами.

1. Система USP аддитивна, и эксперименты, которые проводились, гарантировали, что соблюдаются все условия закона Эбнея. В испытаниях MOVE, наоборот, было включено много задач, в которых оценивается цветовой и яркостный контраст. Хотя это расширяет сферу применения системы, несоблюдение закона аддитивности может привести к неправильным результатам, поскольку цветовое восприятие человека имеет нелинейный характер. Для практических задач это обстоятельство не является проблемой.

2. Система USP основана на результатах, полученных от малого количества наблюдателей (чтобы не было «шума» в результатах), а MOVE — от большого (чтобы минимизировать различное восприятие наблюдателей). В связи с этим может показаться, что система MOVE более объективна, однако тот факт, что обе системы дают похожие результаты, говорит о том, что система USP достаточно достоверна.

На основании вышеперечисленных положений комитет CIE предложил две промежуточные системы, MES1 и MES2, имеющие широкий спектр применений и в то же время сфокусированные на ахроматических задачах. Точки на границах диапазона были выбраны как среднее между соответствующими значениями в USP и MOVE. Между яркостью в условиях сумеречного восприятия и коэффициентом адаптации было решено использовать логарифмическую зависимость (как это было сделано в MOVE, в USP все зависимости линейны), поскольку она лучше описывает визуальное восприятие человека.

Оба варианта описываются одним выражением:

М(m)·Vmes(λ) =

= m·V(λ) + (1 – m)·V'(λ),

где M(m) — нормирующая функция, Vmes(λ) — спектральная чувствительность при сумеречном свете, m — параметр, принимающий значения от 0 до 1.

Lmes = ,

где Vmes(λ0) — чувствительность глаза при длине волны λ0 = 555 нм.

Аналитически Lmes может быть описана следующим образом (m0 = 0,5):

Lmes, n =

=

mn = a + b·lg Lmes, n,

где n — номер выборки, V'(λ0) = 683/1699, а коэффициенты a и b принимают значения, приведенные в таблице 1.

Параметр m для системы MES1(обозначим его через m1) вычисляется следующим образом:

при Lmes ≥ 3,0 кд/м2 m1 = 1; при Lmes ≤ 0,01 кд/м2 m1 = 0; при
0,01 кд/м2 < Lmes < 3,0 кд/м2
m1 = 0,404 lg Lmes + 0,807. В системе MES2 значение m (обозначим m2, чтобы избавиться от путаницы) определяется иначе: при Lmes ≥
≥ 5,0 кд/м2 m2 = 1; при Lmes ≤
≤ 0,005 кд/м2 m2 = 0; при 0,005 кд/м2 <
< Lmes < 5,0 кд/м2 m2 = 0,3334×
×lg Lmes + 0,767.

Рис. 2. Разность между яркостью при сумеречном и дневном свете для двух типов ламп

 

Рис. 3. Сравнение фотометрических систем для двух источников света

Табл. 1. Коэффициенты a и b

MES1

MES2

Верхний порог яркости, кд/м2

3,0

5,0

Нижний порог яркости, кд/м2

0,01

0,005

a

0,807

0,767

b

0,404

0,3334

Выбор оптимальной системы

Комитет CIE провел cравнение всех четырех вариантов, используя новые независимые наборы данных. Результаты для различных условий освещенности и зрительного восприятия приведены на рисунке 3. Прежде чем приступить к анализу, обратим внимание на два факта.

1. Результаты ограничены условиями задачи, что не гарантирует, что система будет так же хорошо описывать визуальное восприятие при других условиях.

2. Поскольку оцениваются пси-
хофизические данные, то существует значительная неопределенность, связанная с наборами данных. Следовательно, любое расхождение с результатами измерений, если оно не превышает данную неопределенность, не может считаться значительным.

В ходе сравнения выяснилось, что ни одна система не описывает точно все данные — каждая модель хорошо подходила только для части применений. Поскольку эталон выявить не удалось, выбор производился исходя из практических соображений.

1. Желательно, чтобы в основе системы лежали исследования, покрывающие широкий диапазон задач. Это не выполняется в USP.

2. Поскольку в наиболее важных приложениях сумеречной фотометрии, дорожном и уличном освещении, в основном, решаются ахроматические задачи, то желательно, чтобы система не была чрезмерно сдвинута на цветовое восприятие. Следовательно, система MOVE не является оптимальной.

3. Для простоты реализации система должна иметь четкие пределы, выше или ниже которых могут применяться существующие фотометрические функции. Этому требованию не удовлетворяет только MOVE.

4. Для простоты реализации также желательно, чтобы система полностью покрывала диапазон яркостей, характерных для важнейших приложений сумеречной фотометрии, таких как дорожное освещение. В большинстве стандартов максимальный диапазон определяется значениями 0,1—2 кд/м2.

Опираясь на эти требования, комитет CIE признал оптимальными системы MES1 и MES2. Максимальное расхождение в яркости, которое получается между этими системами, менее 1%. В итоге была выбрана система MES2 как покрывающая больший диапазон. На рисунке 4 показаны результаты новой системы для четырех типов ламп: натриевая низкого давления (SOX), натриевая высокого давления (SON), лампы теплого белого (CDM) и дневного света (HMI). Как и следовало ожидать, для ламп SON и CDM сумеречная яркость выше, чем дневная, поскольку в их спектральной плотности излучения значительную часть составляют более короткие волны (ближе к синему). Для двух других источников, наоборот, яркость для сумеречного восприятия ниже, чем для дневного.

Рис. 3. Сравнение фотометрических систем для двух источников света

 

Рис. 4. Результаты для различных типов источников света

 

Реализация системы CIE

Как мы уже говорили, новая система не должна противоречить существующей теории для чувствительности при дневном и ночном свете. Следовательно, вне сумеречного диапазона должны использоваться те же инструменты, процедуры и величины. Новая фотометрическая система заинтересует в первую очередь дорожные агентства и другие правительственные структуры, работающие с сумеречным освещением. При переходе на новую систему следует учитывать, что для осевого зрения на малых углах для всех уровней яркости применима система дневного света. Другими словами, система сумеречного света востребована для периферийного зрения, когда одновременно работают и палочки, и колбочки. Такая разница в восприятии в зависимости от местоположения объекта может означать, что в техническом задании при проектировании дороги следует указывать уровень яркости по центру перед водителем и на краях полотна.

Кроме того, новая система не подходит для задач цветового восприятия.

Новую систему необходимо ввести в фотометрические стандарты. Это можно сделать двумя способами.

1. Оставить существующие значения, но с оговоркой, что они применимы только для данного типа ламп или отношения S/P. Для других типов ламп для определения разницы между сумеречной яркостью эталонной лампы и дневной и сумеречной яркостью установленной необходимо использовать отношение S/P.

2. Закрепить в стандарте требуемое значение сумеречной яркости. В этом случае инженеры могут выбрать лампу любого типа и использовать значение яркости в сумеречном свете и отношение S/P, чтобы определить необходимую яркость для функции V(λ) для данного типа ламп. Например, в техническом задании требуется лампа SOX с яркостью при дневном восприятии 1 кд/м2. Пусть вместо нее используется лампа с S/P = 2,4. По первому способу Lmes = 0,91 кд/м2 для лампы SOX
и Lmes = 1,14 кд/м2 для лампы второго типа. В процентах изменение для лампы SOX равно (0,91 – – 1,14)/(0,5·(0,91 + 1,14) = –0,22%. То есть при другом типе лампы такой же уровень яркости достигается, когда яркость при дневном свете равна 0,78 кд/м2.

По второму методу в стандарт будут внесены изменения: вводится требование обеспечить яркость 0,91 кд/м2 при сумеречной функции зрения. При использовании лампы SOX ее яркость должна быть 1 кд/м2, а для лампы с S/P = 2,4 яркость равна 0,78 кд/м2 для дневной функции зрения.

Результат один и тот же, однако первый способ проще в реализации, поскольку он аналогичен используемому в большинстве стандартов.

Инструментарий

В новой системе должна быть возможность измерять ночную и дневную яркость. Это можно достичь двумя способами. Наиболее универсальный — использовать спектрорадиометр, поскольку он дает спектральные значения, которые можно сложить с весовыми функциями V(λ) и V'(λ), чтобы определить соответствующие значения.

Второй способ — использовать фильтры, чтобы определить весовые функции. Датчики со встроенными фильтрами для определения весовых коэффициентов в функции яркости дневного света применяются широко. С их помощью не составляет труда определить коэффициенты для V'(λ). Какой бы метод ни был выбран, измерения проводятся на низких уровнях яркости, поэтому надо следить, чтобы не возникали паразитные эффекты (шум, рассеяние).

Процедура измерений

Нерешенным остался ряд проблем, связанных с проведением измерений в области сумеречного восприятия. Самая сложная из них — выбрать измеряемые величины для определения условий визуальной адаптации.

Рассмотрим пример. Когда водитель едет по дороге, его взгляд в большей степени направлен прямо, на дорожное полотно. Центральная часть зрительного поля адаптируется к яркости поверхности дороги, которая складывается из яркости дорожного освещения и света фар. Яркость на периферийных участках гораздо ниже, причем основной вклад идет от дорожного освещения и других источников света, расположенных рядом с дорогой, а не от фар. Возникают значительные неоднородности. Ситуация еще больше усугубляется тем фактом, что водитель постоянно воспринимает разные уровни яркости в зависимости от направления его взгляда. Поэтому определить действующие условия адаптации крайне сложно, даже самыми современными фотометрическими системами (см. рис. 5).

Разработка процедур измерения для более однозначных условий, например, аварийного освещения эвакуационных проходов в здании, является более простой задачей, но и здесь возникает значительный разброс яркостей в поле зрения, поэтому нужны системы захвата изображения, чтобы компенсировать этот эффект.

В настоящее время при фотометрическом анализе проводятся измерения только дневной составляющей. Поскольку для определения параметров сумеречного восприятия необходимо измерять яркости как дневной, так и ночной составляющей, то нужны новые инструменты.

Заключение

Комитет СIE проводил исследования более 70 лет, и фотометрическая система для сумеречного восприятия вот-вот появится. Она будет предназначена для широкого спектра задач и поможет решить такие важные задачи как проектирование дорожного и аварийного освещения. Система согласуется с разработанными ранее системами дневного и ночного света и, по всей вероятности, будет проста в реализации. Однако проблемы все еще остаются, особенно в отношении процедур измерения. Они сейчас решаются.

Следует заметить, что система не подходит для визуальной характеристики в таких задачах, где действуют следующие ограничения:

1) осевое зрение (на всем диапазоне применяется световая функция для дневного света);

2) высокие цветовые контрасты между объектом и фоном;

3) визуальная оценка яркости (например, распознавание лиц).



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Тереза Гудмен



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты