Функции чувствительности контраста для монохроматического излучения светодиодов высокой яркости

Функции чувствительности контраста для монохроматического излучения светодиодов высокой яркости

Апр 30 • L[PRO]SPECTU, Новости, Особенное, Статьи • 851 Просмотров •

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (34 votes, average: 4,94 out of 5)
Загрузка...

Функции чувствительности контраста для монохроматического излучения светодиодов высокой яркости.

Функции чувствительности контраста для монохроматического излучения светодиодов высокой яркости.

Михаил Мальков,
michail.malkov@yandex.ru

Кандидат физико-математических наук. Окончил физический факультет и аспирантуру МГУ им. М.В. Ломоносова. Основная область интересов — зондовая диагностика и моделирование газового разряда. МГУ им. Н.П.Огарева, ген. директор ООО «Иннотех»

В настоящее время светодиодное освещение становится оптимальным выбором для многих приложений, в которых требуется монохроматический свет. Возьмем различные цветные вывески и табло (например, ВХОД или ВЫХОД) с задней подсветкой. Здесь светодиодные технологии освещения имеют значительное преимущество перед обычными источниками света. По сравнению с лампами накаливания светодиоды (СД) позволяют сберечь более 80% энергии. Большая экономия энергии достигается здесь потому, что подсветка в таких вывесках и табло создается с помощью оптических фильтров, в которых поглощается и бесполезно тратится значительная часть световой энергии, излучаемой лампами накаливания. Кроме того, СД более энергоэффективны в генерации монохроматического света. Итак, для приложений, в которых требуется цветной свет, светодиоды действительно предпочтительнее.

Поскольку излучение отдельного светодиода гораздо слабее, чем у традиционных источников света, для достижения требуемого светового потока в осветительную решетку обычно монтируется множество таких светодиодов. Дискретный характер расположения светодиодов может создать неравномерное распределение света. Кроме того, в зависимости от конструкции системы, различные светодиоды в решетке могут испытывать различные скорости спада светового потока и тем самым способствовать развитию неоднородной освещенности с течением времени.

Таким образом, одной из возможных проблем, с которыми сталкиваются осветительные системы на основе СД, является неравномерность яркостной структуры освещаемых площадей. В некоторых случаях равномерная яркость освещения играет важную роль. Например, в задней монохроматической подсветке различных вывесок. С давних времен они являются неотъемлемой частью любого магазина или заведения, привлекая внимание клиентов, особенно в вечерние часы.

В настоящее время нет общепринятых метрик, которые давали бы количественную оценку однородности яркости.

Корпорации тратят много денег на разработку и изготовление этих вывесок, поскольку они являются одним из самых мощных средств увеличения прибыли в арсенале бизнесмена. Как правило, солидность того или иного магазина посетители оценивают именно по вывеске. Если в ней есть «прорехи» в виде потухших букв или цифр, магазин может легко приобрести репутацию второсортного, поскольку «у его владельцев не хватает внимания даже на хорошую вывеску». Аналогичным образом на восприятие потенциального потребителя может повлиять и неравномерная освещенность вывески.

Конечно, вышедшие из строя источники света можно быстро заменить. И тогда возникает вопрос — насколько равномерной должна быть используемая подсветка? В настоящее время нет общепринятых метрик, которые давали бы количественную оценку однородности яркости. Относительно недавно [1] был предложен метод для количественного определения качества пучка света рефлекторных галогенных ламп, основанный на анализе цифровых изображений.

Способность глаза различать едва заметные различия яркости обозначается термином «чувствительность к контрасту»

Чтобы иметь возможность использовать такую технику для анализа монохроматических цветных лучей, генерируемых светодиодными системами, необходимо знать функции чувствительности контраста 1 (*1 В российской литературе часто используется также название функции контрастной чувствительности) (ФЧК) для монохроматического света. Вообще говоря, данные функции измерялись для самых разнообразных источников света (угол наблюдения в диапазоне 2–20°). Однако экспериментальных данных по ФЧК для излучений красного, зеленого и синего цветов, генерируемых яркими светодиодами в углах наблюдения в диапазоне 2–20° и при освещенностях, типичных для задней подсветки, до выхода недавней работы [2] не существовало. Выбор указанного диапазона углов в [2] обусловлен тем, что в действительности человек смотрит на вывеску в диапазоне углов 2–20°. К примеру, вывески на крупных универсальных магазинах рассматриваются под углом примерно 2°, когда наблюдатель находится вдали от магазина, скажем, подъезжая к нему в автомобиле по шоссе, и под углом примерно 10°, двигаясь к магазину пешком от автостоянки.

В предлагаемой публикации заинтересованный читатель может кратко ознакомиться с понятием контрастной чувствительности глаза, подробностями эксперимента [2] по определению ФЧК для излучений монохроматических цветов и, разумеется, результатами этих исследований.

Чувствительность к контрасту

Прежде чем переходить к описанию экспериментальной установки и резуль­татов эксперимента [2], кратко напомним о такой характеристике глаза как его чувствительность к контрасту. Данный параметр характеризует различительную функцию глаза. Необходимым условием, позволяющим «разглядеть» какой-либо объект, является наличие яркостного контраста между ним и фоном. Способность же глаза различать едва заметные различия яркости и обозначается термином чувствительность к контрасту. Она характеризуется тем минимальным различием в уровнях яркости деталей объекта и фона, при котором глаз в состоянии воспринимать объект данного размера при заданной яркости фона с некоторого расстояния. Функция чувствитель­ности контраста (ФЧК) определяется минимальным (пороговым) контрастом. Так, величина, обратная пороговому значению контраста, и есть значение ФЧК для данной пространственной частоты. Пространственная же частота определяется характеристиками наблюдаемого объекта и выражается в циклах на градус [3] (несколько подробнее см. ниже).

рис. 1 | Функция чувствительности контраста [4] для различных яркостей от 2,9·10–4 до 2,9·102 кд/м2

рис. 1 | Функция чувствительности контраста [4] для различных яркостей от 2,9·10–4 до 2,9·102 кд/м2

Типичный вид ФЧК представлен на рисунке 1. Форма кривых данных функций объясняется тем, что зрительная система человека менее чувствительна к очень низким и очень высоким пространственным частотам. В промежуточных точках зрительная система имеет значительно более высокую чувствительность.

Обычно функция чувствительности контраста быстро спадает после того, как достигает пика в области примерно 3–7 циклов на градус. При этом с увеличением яркости, как показывает рисунок 1, значение максимума функции чувствительности контраста возрастает и он сдвигается в область более высоких пространственных частот [3, 4]. В [4] указано также, что на ФЧК существенно влияет и величина угла наблюдения. В этой связи следует отметить, что величина абсолютной чувствительности с увеличением угла наблюдения при низких пространственных частотах возрастает (см. также, напр. [5]). В то же время для более высоких пространственных частот этот эффект уменьшается и существенного различия между ФЧК уже не наблюдается.

Для измерения ФЧК используют черно-белые решетки с плавным синусоидальным профилем изменения яркости. Толщина полос, определяющая их пространственную частоту, выражаемую количеством черно-белых циклов на угол наблюдения в один градус, изменяется в ходе измерений.
Решетки различаются также по контрасту, который может плавно меняться. Напомним, что величина контрастности по Майкельсону [6] для некоторого периодического сигнала (в нашем случае — яркости изображения) определяется согласно
величина контрастности по Майкельсону

, где Lmax и Lmin — максимальная и минимальная яркости решетки. Таким образом, контрастность может изменяться от 0 до 1 (100%).

Напомним также, что в [7] с помощью решетки, освещаемой источниками света с красным, зеленым и синим цветом, изучались ФЧК фоторецепторов трех типов колбочек (L, M и S).
(*Эти буквы показывают, что данные колбочки имеют максимумы спектральной чувствительности в области, соответственно, длинных (L — Long), средних (M — Medium) и коротких (S — Short) длин волн излучения видимого спектра, соответственно.)

В ходе эксперимента наблюдатели были адаптированы к оппонентным цветам до просмотра тестовой решетки. Автор [7] пришел к выводу, что в этих условиях существует значительная разница как в абсолютных значениях, так и положениях максимумов ФЧК, измеренных для L, M и S колбочек.

В заключение следует отметить, что синусоидальный профиль решетки, несмотря на сложность ее изготовления, признан предпочтительным. На то существует ряд причин. Во-первых, согласно теореме Фурье, в серию синусоидальных волн может быть преобразован любой повторяющийся сигнал. Так, авторы [3] проводили измерение порогов контрастной чувствительности для решеток с синусоидальным и прямоугольным профилями освещенности. Оказалось, что чувствительность к прямоугольным решеткам превышает чувствительность к синусоидальным, что, по мнению авторов, обусловлено особенностями Фурье разложения зрительного сигнала для таких решеток. Это подтверждает способность зрительной системы реагировать на отдель­ные компоненты спектра изображения. (О применимости Фурье–анализа к исследованию зрительной системы первым заявил Э. Мах более 100 лет назад). Во-вторых, всякая дефокусировка, уменьшая контраст таких волн, не будет нарушать их форму.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка (см. рис. 2) состояла из светоизмерительного короба размерами 61х61х23 см, изготовленного из толстого белого пенокартона. Шаблоны решетки с синусоидальным профилем, напечатанные на белых листах, монтировались на задней части коробки. Они были собраны таким образом, что могли быть легко заменены в ходе эксперимента. Подсвет­ка (массив ярких светодиодов) была смонтирована на внутренней части лицевой панели светоизмерительного короба, излучение СД направлялось на заднюю стенку коробки, где находились решётки.

рис. 2 | Схема экспериментальной установки

рис. 2 | Схема экспериментальной установки

Лицевые панели также легко менялись, поскольку исследовались три типа светодиодов (красный, зеленый и синий). В ходе эксперимента соответствующая передняя панель монтировалась в зависимости от исследуемого цвета. Светодиоды при этом равномерно располагались вокруг проема размером 20х28 см на данной панели. Для контрольного воспроизведения ФЧК для широкополосного белого света внутри коробки были смонтированы две 40-Вт лампы накаливания — одна на левой, а другая на правой панели ближе к лицевой стороне коробки.

Питание источников света (как светодиодов, так и ламп накаливания) осуществлялось от блока питания постоянного тока. До и после эксперимента с каждым наблюдателем измерялась средняя яркость — [(Lmax+Lmin)/2] — синусоидальных решеток. Они были напечатаны на белых листах бумаги с использованием специального компьютерного программ­ного обеспечения.

Чувствительность к прямоугольным решеткам превышает чувствительность к синусоидальным, что обусловлено особенностями Фурье разложения зрительного сигнала для таких решеток

Наблюдатели рассматривали их с расстояний 2,9 и 0,6 м, что давало углы наблюдения, соответственно, 2 и 10°. Переменными величинами являлись контраст и пространственные частоты решеток. В одной серии тестов для всех испытуемых светодиодов (красного, зеленого и синего цветов) поддерживалась средняя яркость решеток, равная 45 кд/м2. Во второй серии испытаний средние яркости поддерживались равными типичным яркостям задней подсветки вывесок светодиодами данных цветов (красный — 125 кд/м2, зеленый — 35 кд/м2, синий — 5 кд/м2). Пространственные частоты решеток выбирались равными 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 и 32 циклов на градус.

Контрольные измерения

Фактически, первый эксперимент [2] был контрольным и заключался в по­вторении результатов работы [8] для широкополосного источника белого света в близких экспериментальных условиях. Участие в нем принимали семь наблюдателей — три женщины и четыре мужчины, все в возрастной группе от 20 до 30 лет. Первоначально добровольцы были протестированы на качество их цветового зрения, и участие в дальнейших экспериментах принимали только лица с нормальным цветовым зрением.

В ходе контрольных измерений наблюдатели рассматривали синусоидальные решетки, освещенные лампами накаливания, с расстояния 2,9 м. Угол наблюдения для этого случая составлял 2°. Эксперимент проводился при яркости 45 кд/м2. Вначале каждому наблюдателю давалось две минуты для адаптации глаза к темноте. Синусоидальные решетки для каждой пространственной частоты показывались наблюдателям в течение двух секунд, при этом выбор величины контраста решетки происходил случайным образом.

рис. 3 | Функции чувствительности контраста, измеренные в экспериментах [2] и [8]

рис. 3 | Функции чувствительности контраста, измеренные в экспериментах [2] и [8]

При показе каждой решетки с каким-либо контрастом наблюдатели опрашивались, различают ли они в ней все вертикальные полосы. Когда это условие не выполнялось, данное значение контраста учитывалось для дальнейшего усреднения. Значение порогового контраста было получено усреднением (для каждого значения пространственной частоты) данных по всем наблюдателям. На рисунке 3 сравниваются результаты эксперимента [2] с результатом, полученным в работе [8] для широкополосного источника белого света при яркости 20 кд/м2 и угле наблюдения 2,5°. Рисунок 2 показывает, что представленные функции чувствительности контраста практически идентичны для высоких пространственных частот, но слегка отличаются в области более низких частот. Это небольшое отклонение может быть связано с тем, что угол наблюдения, используемый в эксперименте [2] (2°), несколько меньше, чем в эксперименте [8] (2,5°), что приводит к меньшему количеству наблюдаемых циклов. Известные же данные показывают (см., напр. [9]), что при низких пространственных частотах значения контрастной чувствительности уменьшаются, когда угол наблюдения охватывает меньшее количество циклов.

В ходе контрольных измерений наблюдатели рассматривали синусоидальные решетки, освещенные лампами накаливания, с расстояния 2,9 м. Угол наблюдения составлял 2°. 

Таким образом, контрольный эксперимент показал, что применяемая экспериментальная установка для измерений ФЧК вполне соответствовала требованиям намеченных исследований.
Как уже говорилось выше, для разработки метрики, которая позволила бы количественно оценить однородность яркости подсветки знаков на вывесках (табло), необходимо знание функции чувствительности контраста. И целью последующих экспериментов являлось измерение ФЧК при подсветке, осуществляемой яркими светодиодами красного, зеленого и синего цветов. Максимум излучения используемых светодиодов приходился на длины волн, соответственно, 625, 525 и 475 нм.

Процедура измерений была подобна опи­санной выше. В эксперименте участвовало уже 14 наблюдателей (равное количество мужчин и женщин в возрастной группе от 20 до 30 лет). Первоначально были проведены измерения для угла наблюдения 2°. В ходе этих измерений яркость поддерживалась одинаковой для всех трех цветов и равной 45 кд/м2. Затем эксперимент был повторен при различных яркостях — 125 кд/м2 для красного, 35 кд/м2 для зеленого и 5 кд/м2 для синего цвета. И, наконец, измерения были повторены для угла наблюдения 10° — наблюдатели просто перемещались ближе к измерительной решетке, как это показано на рисунке 2.

Результаты эксперимента

рис. 4 | Функции чувствительности контраста для различных яркостей, угол наблюдения 2°

рис. 4 | Функции чувствительности контраста для различных яркостей, угол наблюдения 2°

а) — угол наблюдения 2°
Рисунки 4 а,б показывают ФЧК, измеренные для различных цветов и экспериментальных условий, с углом наблюдения 2°. Так, рисунок 4а показывает ФЧК, определенные для уровня яркости 45 кд/м2. Как видно из этого рисунка, при данной яркости функции чувствительности контраста для красного, зеленого и синего цветов довольно близки в области высоких пространственных частот. В то же время в области низких частот они заметно различаются. Рисунок 4б показывает ФЧК для каждого из цветов уже при заметно различающих­ся яркостях. Как уже упоминалось ранее, это уровни яркости, типичные для задней подсветки вывесок с СД данных цветов (красный — 125 кд/м2, зеленый — 35 кд/м2, синий — 5 кд/м2). Значения ФЧК в максимуме увеличились с повышением уровня яркости и сдвинулись в область более высоких пространственных частот. Эти результаты согласуются с известными измерениями ФЧК.

рис. 5 | Функции чувствительности контраста для различных яркостей, угол наблюдения 10°.

рис. 5 | Функции чувствительности контраста для различных яркостей, угол наблюдения 10°.

б) — угол наблюдения 10°
Рисунки 5 а,б иллюстрируют результаты измерений при яркости, равной 45 кд/м2 (рис. 5а), и яркостей 125 кд/м2, 35 кд/м2 и 5 кд/м2, соответственно, для красного, зеленого и синего цветов (cм. рис. 5б), уже для угла наблюдения 10°. В этом случае ФЧК для всех трех цветов практически совпадают. Вариации яркости и цвета, как видно из данных рисунков, почти не влияют на функции чувствительности контраста. Отметим лишь, что если для такого угла наблюдения максимумы ФЧК приходятся на пространственные частоты 2–3 цикла на градус, то для угла наблюдения 2° максимумы приходятся на частоты 6–7 циклов на градус. Кроме того, значения функции чувствительности контраста для угла наблюдения 10└° больше, чем для угла наблюдения 2é°, для всех пространственных частот. Это также не противоречит известным исследованиям.
Таким образом, полученные в [2] данные качественно полностью согласуются с имеющимися результатами и могут быть использованы для количественного определения однородности яркости монохроматических пучков света светодиодов.

Литература

  1. Simonson K., Narendran N., Boyce P. and Bierman A. «Development of a metric to quantify beam quality of reflectorized lamps.» Journal of the Illuminating Engineering Society, 32, no. 1, 63–72, 2003.
  2. Ramamurthy V., N. Narendran, J.P. Freyssinier, R. Raghavan, and P. Boyce. 2004. Determining contrast sensitivity functions for monochromatic light emitted by high-brightness LEDs. Third International Conference on Solid State Lighting, Proceedings of SPIE 5187: 294–300.
  3. Campbell F.W. and Robson J.G., «Application of fourier analysis to the visibility of gratings,» J. Physiol., 197, 551–566, 1968.
  4. Van Nes F.L. and Bouman M.A., «Spatial modulation transfer in the human eye,» Journal of the Optical Societyof America, 57, 401–406, 1967.
  5. Carlson C.R., «Sine-wave threshold contrast-sensitivity function: Dependence on display size,» RCA Review, 43, 675–683, 1982.
  6. Michelson A. Studies in Optics. U. of Chicago Press, 1927.
  7. Kelly D.H., «Spatio-temporal frequency characteristics of color-vision mechanisms,» J. Opt Soc Amer 64, no. 7, 983 — 990, 1974.
  8. Robson J.G., «Spatial and temporal contrast-sensitivity functions of the visual system, J. Opt. Soc. Am. 56(8), 1141–1142, 1966.
  9. Savoy R.L. and McCann J.J., «Visibility of low-spatial-frequency sine-wave targets: Dependence on number of cycles,» Journal of the Optical Society of America, Vol. 65, no. 3, 343–350, 1975.

Похожие Записи

Комментарии закрыты.

« »

(function (d, w, c) { (w[c] = w[c] || []).push(function() { try { w.yaCounter33329553 = new Ya.Metrika({ id:33329553, clickmap:true, trackLinks:true, accurateTrackBounce:true, webvisor:true }); } catch(e) { } }); var n = d.getElementsByTagName("script")[0], s = d.createElement("script"), f = function () { n.parentNode.insertBefore(s, n); }; s.type = "text/javascript"; s.async = true; s.src = "https://mc.yandex.ru/metrika/watch.js"; if (w.opera == "[object Opera]") { d.addEventListener("DOMContentLoaded", f, false); } else { f(); } })(document, window, "yandex_metrika_callbacks");