Многоцветные индикаторы. Различимость цветов

Элементы колориметрии были рассмотрены в гл. 1, а спек­тральное распределение излучения светодиодов обсуждалось в разд, 6.2.3. В колориметрии информация о цвете описывается такими понятиями, как оттенок, чистота и яркость цвета, при­чем определяющую роль играет длина волны. В субъективном различении цветов важную роль играют другие факторы, такие, как удобство наименования цветов, цвет и яркость фона и спектр рассеянного излучения. На спектральный выход элек­тролюминесцентных ламп, кроме того, влияют оптические ха­рактеристики полупроводника, рефлектора и светофильтра. Важ­но также не смешивать такие понятия, как названия и различи­мость цветов.

При рассмотрении различимости цветов очень важно не сме­шивать различие в длинах волн и различие в насыщенности цве­тов. Различимость по длинам волн обычно характеризуется «минимальной различимой разностью» полностью насыщенных монохроматических источников света с одинаковой яркостью. Применительно к светодиодам это соответствует сравнению цве­тов двух ламп с одинаковой яркостью на темном фоне. Резуль­таты опытов по различимости длин волн, полученные для пяти наблюдателей с нормальным зрением, показаны на рис. 7.11а [5а]. Сначала наблюдателям показали две половинки поля фо­тометра, освещенные одинаково ярко светом одной длины волны. Затем им было предложено изменять длину волны света, освещающего одну из половинок, до тех пор, пока разница в от­тенках цвета не станет едва различимой. Результаты этих опы­тов хорошо согласуются с многочисленными аналогичными на­блюдениями [6, 7] и показывают, что различимость цветов быстро растет при приближении к границам видимого спектра. Различимость максимальна в двух четко определенных обла­стях вблизи 490 и 590 нм и уменьшается при 530 нм приблизи­тельно втрое. Поскольку серийно выпускаемые светодиоды не могут работать в первой области, предполагается, что идеаль­ный цвет излучения светодиода — желтый (570—590 нм) [1]. Ошибочность подобного вывода станет очевидной, если рассмо­треть зависимость различимости цветов от их насыщенности. При этом уже сравниваются не насыщенные цвета, расположен­ные по периметру цветового графика (рис. 6.24), а цвета при, движении от спектрально чистого цвета с длиной волны К на пе­риметре к центру графика (к белому цвету). Различимость из­меряется количеством минимально различимых шагов между белым цветом и данным спектрально чистым цветом. Малое ко­личество шагов означает плохую различимость между спек­трально чистым цветом и белым рассеянным цветом (например,

Многоцветные индикаторы. Различимость цветов

Рис. 7.11а. Минимально различимая разность длин волн, полученная для пяти наблюдателей с нормальным зрением.

Многоцветные индикаторы. Различимость цветов

Длина Волны спек/трально истого цВета А, нм

Рис. 7.116. Число минимально различимых шагов между белым цветом (4800 К) и полностью насыщенным спектрально чистым цветом с длиной волны Л

[7а, 76].

от света люминесцентной лампы). Как показано на рис. 7.116, определенная таким образом различимость имеет хорошо выра­женный минимум в желтой области приблизительно при 570 нм [7а, 76]. Это означает, что монохроматический свет с длиной волны 570 нм кажется менее насыщенным и хуже всего разли-

Многоцветные индикаторы. Различимость цветов

Длина Волны, нм

Рис. 7.12. Спектральное распределение частоты названий шести основных цве­тов при низкой ( ) и высокой ( ) освещенности.

Стрелками показаны доминирующие длины волн трех наиболее распространенных свето­диодов без светофильтров.

чимым на белом фоне, чем свет любой другой длины волны. При переходе по длине волны к 550 или к 600 нм различимость цвета на белом фоне возрастает втрое. Поскольку в большинстве прак­тических применений светодиодов важнее достичь большего кон­траста по сравнению с рассеянным белым светом, нежели по сравнению с другим светодиодом, то для повышения зритель­ного воздействия нужно сдвигать длину волны источника чисто желтого цвета в сторону зеленого или оранжевого цве­тов. ;г

Если различимость оттенков важна для повышения зритель-* ного восприятия в целом, то для конструирования многоцвет­ных индикаторов важна различимость цветов. Многоцветные индикаторы обычно указывают различные режимы работы или включенное и выключенное состояния. Обычно требуется, чтобы любой наблюдатель мог правильно назвать цвета согласно ин­струкции. Частотные границы основных цветов стали известны лишь недавно [8]; для двух уровней освещенности они приве­дены на рис. 7.12. Эти границы устанавливаются следующим образом: доминирующая длина волны света, освещающего по­верхность, изменялась дискретно с шагом 4—7 нм, и ряду на­блюдателей предлагали назвать цвет поверхности после каж­дого шага. Отметим, что здесь показано цветовое восприятие среднего наблюдателя, и поэтому эта диаграмма значительно проще, чем график с двойным обозначением цветов, приведен­ный на рис. 6.24. Например, двигаясь от зеленого цвета к жел­тому, лишь немногие наблюдатели называют свет с длиной вол­ны 565 нм желтым. С ростом длины волны процент наблюдате­лей, называющих данный цвет желтым, возрастает, достигая почти 100% при 575 нм. При длине волны — 580 нм число наблюдателей, называющих цвет излучения желтым, начинает уменьшаться и соответственно растет число наблюдателей, на­зывающих этот цвет оранжевым. На рис. 7.12 приведен процент наблюдателей, определяющих цвет тем или иным термином при меньшем (3100 млм — сплошная линия) и большем (7410 млм—• штриховая линия) уровне освещенности. На рисунке отмечены также доминирующие длины волн наиболее распространенных полупроводниковых материалов, из которых изготавливают све­тодиоды. Из ^того рисунка видно, почему цвет излучения свето­диода из GaP : N назван здесь желто-зеленым, хотя обычно этот диод называют зеленым светодиодом из GaP. Впрочем, ниже показано, что, используя излучение этого светодиода и подбирая соответствующим образом светофильтры, можно по­лучать как желтые, так и зеленые лампы. Как следует из рис. 7.12, зеленый цвет занимает довольно широкую спектраль­ную область: примерно до 556 нм при слабом и до 562 нм при сильном освещении. С другой стороны, желтый цвет занимает намного меньшую спектральную область с максимумом прибли­зительно при 580 нм при слабом освещении, которая расши­ряется примерно до 575 нм при сильном освещении. Излучение с длиной волны 610 нм, рекомендованное в качестве идеально красного [1], довольно часто называют оранжевым. На осно­вании результатов, приведенных на рис. 7.12, можно сделать вывод, что голубой, зеленый и красный — это хорошо опреде­ляемые цвета, занимающие широкие спектральные полосы. В ка­честве четвертого цвета можно использовать оранжевый или желто-оранжевый. Вместе с тем необходимость различать жел­тый и оранжевый цвета предъявляет очень жесткие требования к конструкции светодиодов и фильтров, особенно в случае трой­ных твердых растворов, таких, как GaAsi_,(P*, где для этого величину х необходимо контролировать в каждом процессе эпи­таксии. Кроме того, как указано выше, желтый цвет плохо раз­личим на белом фоне.

В заключение обсудим вопрос о том, как влияют на домини­рующую длину волны и на относительную яркость желто-зеле­ного светодиода из GaP : N несколько последовательно постав­ленных светофильтров с идеально резкими краями полосы про­пускания и с идеально узкими полосами пропускания, если взять за основу спектр внешнего излучения типичного свето­диода Р пластмассовом корпусе. Доминирующая длина волны

-50 нм

Зе/гетш *^(силь— то&ще- ние) ^-Зеяе - > иый! слабое освещение)

Коротко-i ІОМО-- 1ый d - то - фияьтр/

- Оранжевый

- Область желтого цбета (сильное

30

освещение)

Желтый, (слабое освещение) Ширина полосы пропуска - ^ния идеального узкою умного светофильтра ДлинноболноВьш светофильтр

550 560 570 Доминирующая

540

580 590 600 610 длина болны Лс, нм

Рис. 7.13. Относительное изменение силы света желто-зеленой лампы из GaP: N в зависимости от доминирующей длины волны при использовании ряда идеальных фильтров с резким краем полосы пропускания и ряда иде­альных узкополосных фильтров [9, 10].

Лс для электролюминесцентной лампы с фильтром определяется как

I

(7.8)

_0__________

Ї

где все обозначения уже использовались в уравнении (6.65), а 7—коэффициент пропускания фильтра. На рис. 7.13 пока­зано относительное изменение яркости в зависимости от доми­нирующей длины волны при смещении ее в зеленую [9] и жел­тую [10] часть спектра. Верхняя кривая описывает влияние фильтров с идеально резким краем полосы пропускания, а ниж­ние кривые относятся к идеальным узкополосным фильтрам. В табл. 7.3 приведены некоторые характеристики светофиль­тров и параметры лампы. Как и прежде, Т описывает относи­тельное уменьшение яркости лампы из-за светофильтра, а Т'а представляет собой коэффициент пропускания светофильтром окружающего света, который проходит через фильтр дважды. Отношение Тг/Т'а является мерой цветовой эффективности свето­фильтра. Границы желтого и зеленого цветов определены по данным рис. 7.12 [8].

Из рис. 7.13 видно, что, поглощая приблизительно половину излучения желто-зеленого светодиода из GaP •. N соответствую­щим фильтром, можно сместить доминирующую длину волны либо в зеленую, либо в желто-оранжевую область. Вместе с тем

Таблица 7.3

Расчетные характеристики лампы в зависимости от параметров идеальных светофильтров (окружающий свет от лампы накаливания с температурой нити 2560° С)

І.1, нм

ИМ

Тип

фильтра

Цвет

Я. с, нм

т

т'

а

Г/г'

540

ик

Длинновол­

Желто-зе-

569

0,993

0,805

1,22

550

ик

новый

леиый

570

0,945

0,728

1,23

560

ик

574

0,751

0,642

0,88

570

ик

Желтый

582

0,479

0,550

0,42

УФ

570

Коротко­

Зеленый

557

0,521

0,450

0,60

УФ

580

волновый

561

0,745

0,544

1,02

УФ

590

Зелено-

желтый

565

0,878

0,637

1,21

УФ

600

Желто-зе­

леный

567

0,944

0,720

1,24

УФ

610

»

568

0,975

0,795

1,20

530

560

Узкополос­

Зеленый

551

0,248

0,228

0,27

540

570

ный

557

0,514

0,255

1,04

550

580

Зелено­

желтый

563

0,690

0,273

1,74

560

590

Желто-зе­

леный

570

0,630

0,279

1,42

570

600

Желтый

578

0,423

0,270

0,66

580

610

»

587

0,231

0,250

0,21

из данных табл. 7.3 следует, что полная эффективность лампы меняется слабее, чем ее яркость. Например, при сдвиге в зеле­ную область спектра и узкополосный, и коротковолновый свето­фильтры дают величину T2jT'a больше 1; это означает, что по­теря яркости компенсируется увеличением контраста. Соответ­ственно возрастает и цветовая различимость лампы на белом фоне.

Оставить комментарий