Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Строго говоря, экран должен иметь форму сферического сегмента площадью один квадратный метр, а не плоского квадрата со сторонами в один метр. В таком случае каждая точка экрана будет расположена на одинаковом расстоянии (1 м) от источника. Это важно, так как освещенность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. В указанных условиях область пространства, ограниченная прямыми, которые соединяют источник с линией, образующей периметр экрана, представляет собой «телесный угол» в один стерадиан и заключает световой поток в один люмен. Следовательно, освещенность в один люкс соответствует световому потоку в один люмен, падающему на один квадратный метр площади.

Освещенный подобным образом экран будет отражать, по меньшей мере, часть падающего на него света. Таким образом, он обладает некоторой яркостью, выражаемой в канделах на квадратный метр единицах, называемых нит (нт). Именно эту яркость измеряют экспонометрами в фотографии, тогда как люксметрами измеряют количество света, падающего на поверхность (например, на рабочий стол).

Связь между этими двумя величинами весьма сложна, поскольку основана на отражающих свойствах экрана и зависит от его альбедо (белизны) — величины, характеризующей способность тела отражать падающий на него световой поток, — а также от угла наблюдения экрана. К примеру, в фотографии обычно предполагают, что «средний» объект отражает не более 18 % падающего на него света.

Для того чтобы читатели правильно поняли процесс калибровки нижеописанного прибора, в табл. 6.2 приведены некоторые величины освещенности, получаемые определенной поверхностью в различных природных условиях. Можно убедиться, что динамический диапазон освещенностей достаточно велик.

Таблица 6.2. Некоторые реперные точки фотометрии

В табл. 6.3 приводятся соотношения между основными единицами яркости, применяемыми на практике.

Таблица 6.3. Соотношение между основными единицами яркости

Как с инженерной точки зрения, так и с точки зрения практической электроники все фотометрические измерения производятся с помощью фотоэлектрической ячейки. Однако когда из результатов этих измерений, полученных в вольтах, нужно получить величины силы света, освещенности, светового потока или яркости, надо подходить к этому с точки зрения физика.

Один из самых простых фотометрических датчиков — это фотодиод. Если его включить как фотовольтаическую ячейку, то его ток короткого замыкания будет почти прямо пропорционален освещенности. Значит, он в полном смысле является люксметром. Но все не так просто, поскольку следует учитывать спектральную чувствительность фотодиода.

PIN-фотодиод из монокристаллического кремния — например, широко распространенный элемент BPW 34 — имеет максимальную чувствительность в красной и инфракрасной областях спектра. Это значит, что для применения такого типа ячейки в прецизионной фотометрии надо предусмотреть специальный сине-зеленый фильтр. Фотоэлементы на основе аморфного кремния, напротив, имеют спектральную чувствительность, очень близкую к чувствительности человеческого глаза (как общепринятого образца). В таких случаях говорят, что датчик и человеческий глаз «фототипичны».

Из подобных элементов строятся ячейки солнечных батарей, которые обычно предназначены для использования в системах электропитания малой мощности, но эти фотоэлементы также могут быть отличными фотометрическими датчиками!

Несмотря на ощутимую разницу в размерах, фотодиод BPW 34 и самая маленькая из ячеек SOLEMS имеют сопоставимую чувствительность. Так, при освещенности 1000 люкс BPW 34 формирует ток короткого замыкания около 65 мкА, а ячейка SOLEMS 05/048/016 — около 95 мкА.

Различие заключается в том, что батарея SOLEMS состоит из пяти обычных диодов, включенных последовательно, что позволяет увеличить генерируемое ею напряжение. При коротком замыкании напряжения нет вовсе, тогда как отдаваемый ток определяется элементом батареи с наименьшей площадью (в среднем около 1,2 см 2).

Отметим, однако, что фотодиод BPW 34 имеет гораздо большую эффективность преобразования, так как указанные характеристики достигаются при площади чувствительного слоя всего в 7 мм 2.

Все это означает, что, применяя нестандартную схему подстройки, в нижеописанном устройстве можно использовать и фотодиод BPW 34 (производства компании Siemens или Centronic ), и солнечную батарею SOLEMS. Последний вариант более предпочтителен при измерениях освещенности, результат которых, выраженный в люксах, должен быть точным, a BPW 34 — в случаях, когда нужен датчик очень маленьких размеров (в частности, при измерениях оптической плотности).

При условии работы с монохроматическим излучением (красный светодиод, полупроводниковый или иной лазер) люксметр позволяет определять светопередачу любого полупрозрачного объекта (фильтр, пластмассовая пленка, определенная область на фотонегативе и т. п.). Достаточно отрегулировать измерительную цепь так, чтобы обеспечить индикацию светопередачи, равную 1,00 при прямой видимости, и тогда после размещения объекта между источником света и фотодиодом с индикатора можно считывать непосредственно показания уровня светопередачи.

Используя полученный результат, легко рассчитать оптическую плотность светового потока: она с точностью до знака равна десятичному логарифму величины светопередачи.

Принципиальная схема люксметра, приведенная на рис. 6.16, повторяет классическое схемное решение, описанное в различных руководствах по применению операционных усилителей.

Рис 6.16. Принципиальная схема люксметра

Разность напряжений на входах дифференциального усилителя всегда близка к нулю, следовательно, фотодиод работает в режиме короткого замыкания. При этом входной ток усилителя также имеет очень малую величину, что определяется высоким входным сопротивлением, а ток через резистор обратной связи равен по величине току фотодиода, но противоположен по направлению.

Выходное напряжение каскада U в таком случае будет определяться как U = R· I, где R — сопротивление резистора в цепи обратной связи, а I — фототок, формируемый фотодиодом.

С учетом коэффициента усиления второго каскада, регулируемого в пределах от 1 до 11, четыре переключаемых резистора в цепи обратной связи первого каскада позволят успешно перекрыть пределы 50, 500,5000 и 50 000 люкс при выходном напряжении 5 В. Естественно, эти величины могут быть переопределены пользователем — путем изменения либо номиналов резисторов, либо коэффициента усиления второго каскада.