Использование цифровой фотокамеры для фотометрических исследований

Рис. 8. Калибровка фотоаппарата для определения освещенности

Калибровка камеры как люксметра. Интерпретации результатов измерений различных методов значительно различаются. Поэтому необходим простой и доступный способ калибровки камеры (рисунок 8). Для этого вам нужен источник света с хорошо повторяемыми характеристиками. Доступным источником света с ранее известными характеристиками является обычная лампа накаливания. Световой поток ламп и номинальное напряжение указывают на их упаковку. Ни в коем случае нельзя использовать лампу для калибровки. В светильнике из-за потолка интенсивность освещения может возрасти в два и более раз. Лампа должна быть завинчена в обычный патрон.
Кривая силы света (КСС) ламп накаливания имеет максимум в направлении, противоположном цоколю. Для лампы со световым потоком Ф=1000 люмен (лм) сила света I в этом направлении равна 100 кандел (кд). Для ламп с другими значениями светового потока Ф сила света I в направлении, противоположном цоколю рассчитывается по формуле:
I=100Ф/1000=Ф/10
Освещенность Е на рабочей плоскости определяется соотношением:
Е=Icosα/r2,
здесь r – расстояние в метрах от спирали лампы до рабочей плоскости, на которой необходимо создать калиброванный уровень освещенности; α –угол между направлением силы света и нормалью к рабочей плоскости. Для нашего случая угол α близок к нулю, и соответственно можно принять cosα=1.
Тогда освещенность рабочей плоскости вычислим по формуле:
Е=Ф/(10r2), лк
Например, для лампы накаливания мощностью 95 Вт, имеющей световой поток 1250 лм при расстоянии от спирали лампы до рабочей плоскости 0,65 м освещенность Е=1250/10•0,652=1250/4,225=296 лк.
Схема осветительной установки для выполнения измерений показана на рис. 9. Лампа подвешена в центре комнаты к потолку (проще всего подвес закрепить к люстре, если она имеется в комнате). Что бы ни допустить возникновения больших погрешностей необходимо выполнить следующие условия:
- лампа накаливания должна быть новой. После 500 – 700 часов работы ее световой поток может упасть на 15 и даже 20%.
- расстояние r от спирали лампы до рабочей плоскости должно быть как минимум в 5 раз меньше, чем расстояние от лампы до стен и потолка. В противном случае свет, отраженный от потолка и стен, попадая на рабочую плоскость, увеличит ее освещенность.

Рис. 9. Схема осветительной установки для выполнения измерений освещенности
Если расстояние r превышает расстояние до стен и потолка только в 2–3 раза, то погрешность может составлять десятки процентов. Эту ошибку можно значительно уменьшить, используя защитный экран из материала с низким коэффициентом отражения. Черная бумага имеет коэффициент отражения ρ около 0,05. Черный бархат имеет ρ, близкий к 0,01. В следующей главе будет объяснено, как измерить коэффициент отражения. Кроме того, защитный экран защитит камеру от прямого излучения лампы.
- если напряжение в сети значительно отличается от номинального напряжения лампы, то необходимо внести поправку. Величина номинального напряжения ламп накаливания подается на колбу рядом с маркировкой номинальной мощности (эти символы также присутствуют на упаковке лампы). Когда напряжение сети превышено на 5% выше номинального напряжения лампы, ее световой поток увеличивается на 17,5% (изменение напряжения на 1% изменяет световой поток на 3,5%). Соответственно, световой поток уменьшается, если номинальное напряжение сети ниже, чем номинальное напряжение лампы.
То есть если номинальное напряжение лампы 220 В, а измеренное напряжение в сети составляет 230 В (превышение напряжения на 4,5%), то для лампы накаливания мощностью 95 Вт, и номинальным световым потоком 1250 лм фактический световой поток увеличится на 4,5•3,5=15.75% и приблизительно равен 1250•1,16=1450 лм. При расстоянии от спирали лампы до рабочей плоскости 0,65 м (как в предыдущем примере) освещенность в этом случае будет равна:
Е=1450/10•0,652=1250/4,225=343 лк.
Введение поправок описано в п. 7.1.7 ГОСТ Р 54944-2012. Целесообразно использовать лампу с номинальным напряжением, близким к напряжению в сети (как правило, лампы накаливания выпускают на 220, 230 и 235 В).
Измерение коэффициента отражения поверхности. При помощи фотоаппарата так же можно измерить коэффициент отражения, например, обоев. Коэффициент отражения входит в расчетные формулы при расчете освещенности и представляет собой отношение отраженного от исследуемой поверхности светового потока Фотр к падающему на поверхность потоку Фпад.
Отсутствие информации о коэффициенте отражения поверхностей зачастую приводит к большим ошибкам в светотехнических расчетах. Для этого можно сфотографировать (обязательно при выключенной вспышке) фрагмент исследуемых поверхностей и лист белой бумаги. Бумага и исследуемые поверхности во время фотосъемки должны находиться на одном и том же месте. Условия освещения фотографируемых поверхностей должны быть одинаковыми. Для повышения точности можно выполнить несколько измерений и результаты усреднить. Диафрагма и чувствительность ISO в обоих случаях должны быть неизменными. Вычислить коэффициент отражения исследуемой поверхности ρиссл можно по формуле:
ρиссл = 0,82 t1/ t2
Здесь число 0,82 – коэффициент отражения эталонной поверхности (листа ватмана),
t1- знаменатель выдержки при фотографировании исследуемого образца,
t2- знаменатель выдержки при фотографировании листа белой бумаги.
Если фотоаппарат позволяет определять выдержку после его наведения на исследуемую плоскость по экрану дисплея фотоаппарата, то саму фотосъемку производить не обязательно.
Далее на место сфотографированных исследуемых поверхностей помещается лист белой бумаги и так же фотографируется. Положение фотоаппарата в обоих случаях должно быть зафиксировано в одном месте.
Коэффициент отражения белой бумаги ρ можно принять равным 0,82. Тогда искомый коэффициент отражения исследуемых поверхностей ρ определим как: ρ = 0,82•10/13=0,63. После усреднения серии измерений при естественном и искусственном освещении коэффициент отражения данного образца обоев снижен до 0,55.
При измерении коэффициента отражения исследуемых материалов следует учитывать светопропускную способность таких материалов. Чтобы свести к минимуму эффект отражения света от поверхности, желательно использовать лист черной бумаги в качестве этой поверхности.
Погрешность измерения довольно велика и определяется в первую очередь шагом переключения выдержки камеры. А также разница в отражательных свойствах образцов и бумаги для рисования.
При измерении отражающих свойств поверхностей в осветительных лабораториях используются специальные фотометрические сферы, позволяющие выполнять измерения с высокой точностью. Для измерений, не требующих высокой точности измерений методы, описанные в данной работе, вполне приемлемы.
В то же время, фотоаппарат может давать намного более точные результаты измерения, чем стандартные приборы, такие, как люксметр, если убрать причины, по которым возникают такие погрешности.
Примерные коэффициенты отражения поверхностей различных цветов показаны на Рис.10. Измерения выполнены при солнечном свете.

Рис. 10 Пример исследуемых материалов
Синие и зеленые цвета в зависимости от их насыщенности (светлые тона, темные тона) могут иметь коэффициент отражения от 0,15 до 0,6. Красные цвета имеют коэффициент отражения от 0,1 до 0,3.
Следует обратить внимание, что фотографии одних и тех же поверхностей, снятых при естественном и искусственном освещении могут иметь различный вид.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе изучена возможность применения цифрового фотоаппарата в качестве прибора для измерения световых величин, таких как, освещенность, коэффициент отражения и поглощения, коэффициент пропускания.
Проведен обзор истории, современного состояния и перспектив развития в области создания приборов с ПЗС. Изучено устройства современных цифровых фотоаппаратов и основные характеристики фототехники, такие, как, время выдержки, экспозиция.
Проведен анализ и приведены примеры возможностей использования цифровых фотоаппаратов в области измерения фотометрических величин.
В результате можно сделать вывод, что возможности применения цифрового фотоаппарата для исследования световых процессов и явлений являются весьма широкими даже при использовании стандартной конфигурации с обычным объективом.
В случае использования различных фильтров, стекол объективов, фильтров матрицы можно значительно расширить измерительные возможности фотоаппарата.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Секен К., Томсет М., Приборы с переносом заряда, пер. с англ., М., 1978.
Носов Ю. Р., Шилин В. А., Основы физики приборов с зарядовой связью, М., 1986.
Пресс Ф. П., Фоточувствительные микросхемы с зарядовой связью, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Электроника, т. 18, М., 1986.
Стенин В.Я. Применение микросхем с зарядовой связью. -М: Радио и связь, 1989.
Полупроводниковые формирователи сигналов изображения/Пер. с англ. Под ред. П. Йесперса, Ф. Ван де Вилле и М. Уайта. -М.: Мир, 1979.
Кузнецов Ю.А. Приборы с зарядовой связью и матричные фотоприемные устройства//Электронная промышленность. 1993.-№ 6-7.-С.8-10.
Ракитин В.В., Сафонов А.Г., Седунов Б. И., Тишин Ю.И. Функциональные фотоприемники на приборах с зарядовой связью//Сб. Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. -1989, вып.10.-М.:"Радио и связь".-С.41-51.
Ракитин В.В., Сафонов А.Т., Седунов Б.И., Тишин Ю.И. Фотоприемники на ПЗС для датчиков координат.//Шестая всесоюзная школа-семинар по оптической обработке информации. Тезисы докладов, часть 2, сент.1986г.-Фрунзе.-С.204-205.
Тишин Ю.И. , Зимогляд В. А. Опыт по созданию приборов с зарядовой связью//Электронная промышленность.-1994.-№ 6-7.-С.75-77.
Сафонов А.Г., Ракитин В.В., Тишин Ю.И. Матричный ФПЗС со встроенной обработкой информации//Сборник тезисов докладов конференции «Новые принципы формирования телевизионных изображений». -Ленинград, сент.1990.-С.8-10.
Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/pribory-s-zaryadovoi-svyazyu-so-vstroennoi-obrabotkoi-signalov#ixzz5g6LP7eMv











30