Усиление яркостного контраста

Из приведенной выше формулы (5.1) следует, что увеличе­ние яркостного контраста может быть достигнуто путем сниже­ния яркости фона индикатора. Решение этой задачи обеспечива­ется применением широкополосных (нейтральных, нейтрально-серых) и узкополосных светофильтров. Нейтральные светофильт­ры усиливают контраст за счет двойного ослабления излучения внешнего источника света (в момент прохождения света через светофильтр к индикатору и в момент прохождения отраженного от передней панели индикатора света через светофильтр в сторо­ну наблюдателя). При этом ослабление излучения индикатора происходит один раз.

Узкополосные фильтры усиливают контраст, пропуская энер­гию излучения светодиода с определенной длиной волны и в зна­чительной степени поглощая излучение источника засветки с другой длиной волны.

При использовании светофильтров (5.1) принимает вид

К= (L_э.с + L_о.э.с+L_о.с)/(L_ф.с+L_о.с), (5.2)

где L-_t. с — яркость излучения светящегося элемента через свето­фильтр; L₀. ч. с — яркость излучения, отраженного от светящегося элемента через светофильтр; L$._c — яркость излучения, отражен­ного от фона через светофильтр; L_{0 c} — яркость излучения, от­раженного от светофильтра.

Все указанные составляющие формулы (5.2) зависят от ко­эффициента адаптации, а кроме того, L₃._c зависит от спектра излучения светящегося элемента и относительного пропускания светофильтра на его длине волны, L_{0 э с} — от спектра излучения источника внешней засветки, относительного пропускания свето­фильтра и относительного отражения светоизлучающего элемен­та, L_ф.с — от спектра излучения источника засветки, относитель­ного пропускания светофильтра и относительного фона, L₀. с — от спектра излучения источника засветки, относительного отраже­ния передней поверхности светофильтра.

Из (5.2) следует, что надежность считывания индицирован­ной информации в значительной степени зависит от яркости от­раженного поверхностью светофильтра света внешнего источ­ника. Действительно, при больших значениях L₀. _c коэффициент яркостного контраста будет стремиться к 1 и светящиеся элемен­ты станут малоразличимы.

В зависимости от типа и условий освещения отражение света от поверхности светофильтра может быть рассеянным или зер­кальным.

Рассеянное отражение, при котором распространение света подчиняется закону Ламберта, дает для наблюдателя диффузно-светящуюся поверхность. Зеркальное отражение, при котором глаз наблюдателя расположен на линии отраженных от поверх­ности типа зеркала лучей, дает для наблюдателя яркое отраже­ние источника света.

Поэтому количество отраженного света зависит, в первую очередь, от относительного положения внешнего источника света, светофильтра и глаз наблюдателя. Необходимо по возможности располагать устройство отображения информации так, чтобы блики зеркального отражения источника засветки не попадали в глаза наблюдателя. Возможен вариант использования качаю­щейся рамки, в которой закреплен светофильтр, для обеспечения возможности отклонения бликов отраженного света от наблюда­теля (например, вниз).

Потери света в системе излучатель — светофильтр + индика­тор.Прохождение излучения сквозь светофильтр (от индикатора в пространство и от источника внешнего излучения к индикатору и обратно в пространство после отражения) связано со свето­выми потерями. Падающий [23] на преломляющую поверхность световой поток Ф₀ в общем случае можно представить как сумму потоков: отраженного Ф_р, поглощенного Ф_а и пропускаемого Ф_т, т. е.

Ф₀₌₌ф_{(1 +} Ф_а +Ф_т. (5.3)

Количественная оценка указанных составляющих опреде­ляется их отношением к значению падающего потока Ф₀:

р = Ф_р/Ф₀; а = Ф_а/Ф₀; т = Ф_т/Ф₀, (5.4)

где р, а и т — коэффициенты отражения, поглощения и про­пускания.

Сумма указанных коэффициентов равна единице.

При наличии зеркального и диффузного отражения соответст-

вующие коэффициенты равны:

р = р_r + р_d и т = т_r+т_d,

где р_r и p_d — коэффициенты зеркального и диффузного отраже­ния соответственно; т_r и т_d — коэффициенты направленного и диффузного пропускания соответственно.

Потери на отражение могут быть определены по известной формуле Френеля:

(5.5)

где е и е' — углы падения и преломления.

Для малых углов падения (до 30°) с достаточной точностью коэффициент отражения может быть вычислен по упрощенной формуле

р = (n₂ — n₁ )²/(n₂ + n₁ )², (5.6)

где п₂ и п₁ — показатели преломления до и после преломления, в частности, при прохождении света из пространства в свето­фильтр п₁ и n₂ будут показателями преломления воздуха (n₁ =1) и материала светофильтра.

Поскольку находящаяся в числителе разность коэффициентов преломления сред (п1 — п2) входит в формулу квадратично, то френелевские потери не зависят от направления перехода луча из среды с меньшим показателем преломления в среду с боль­шим показателем или, наоборот, из среды с большим показате­лем в среду с меньшим показателем преломления. Из этого сле­дует, что относительные потери на обеих границах раздела сред будут одинаковы.

В соответствии с (5.6) светофильтр, имеющий однородный показатель преломления, равный, например, 1,5 в диапазоне волн излучения светодиодов, отражает от каждой поверхности 4% падающего светового потока. Коэффициент пропускания через границу раздела сред будет равен 7=1 — р. С учетом потери на отражение на обеих сторонах светофильтра и коэф­фициента внутреннего пропускания формула светового потока, потерянного в результате отражения, примет вид

дI₀ = p+[1-р]T_лр, (5.7)

где ДI_о — световой поток, характеризующий потери на отраже­ние; рI₀ — коэффициент отражения от первой поверхности раздела сред; T_л — коэффициент пропускания светофильтра.

Потери светового потока на отражение [1 — р]T_лр определяют потери светового потока у второй поверхности раздела. Если принять коэффициент пропускания T_л =0,875 на частоте свечения светодиода, то общие потери на отражение на двух границах раздела составят в соответствии с (5.7) примерно 7%.

Необходимо отметить, что коэффициент отражения для мате­риала светофильтров принимают для каждой марки стекла за постоянную величину, зависящую только от показателя прелом­ления этого стекла в видимой области спектра. Фактически по­казатель преломления зависит от длины волны проходящего све­та (наиболее значительные отклонения в ИК и УФ-областях спектра [23]). Поэтому при применении светофильтров в гранич­ных областях спектра при высоких уровнях внешней освещен­ности необходимо учитывать отклонение этого параметра.

Значительное снижение величины Ф_р [23], т. е. потерь на отражение, а следовательно, и увеличение доли потока пропуска­ния Ф_т достигается просветлением поверхностей светофильтров. Просветление поверхностей заключается в нанесении на них тон­ких прозрачных пленок, позволяющих в результате интерферен­ции волн света значительно снизить величину Ф,,. Для этого при нормальном падении луча необходимо, чтобы разность хода лу­чей Д была равна половине длины волны, т. е.

Д = л/2 = 2hn₂,

где h — толщина одинарного слоя пленки, а п₂ — ее показатель преломления.

Для различных условий и материалов разработаны одно-, двух-, трех- и многослойные просветляющие покрытия, позво­ляющие снизить потери на отражении с 4 до 0,5%. В общем слу­чае толщина многослойного покрытия d = (2k+ l)л/4 (k = =0, 1, 2, ...).

Изменяя оптическую толщину пленок, можно смещать в раз­личные участки спектра минимум отражения, при этом поверх­ность с просветляющим (антибликовым) покрытием приобретает различную окраску (голубую, пурпурно-фиолетовую, красно-ко­ричневую). При выборе покрытий необходимо помнить о соот­ветствии прочности (устойчивости) антибликовых покрытий тре­бованиям, предъявленным к устройствам отображения информа­ции, в частности, требованию необходимости обеспечения устой­чивости к воздействию пыли и песка.

Другим способом снижения яркости отраженного от свето­фильтра света является текстурирование поверхности свето­фильтра. Наибольший эффект текстурирование поверхности свето­фильтра дает при слабых и умеренных засветках индикаторов близко расположенными источниками света. Однако текстуриро-ванная поверхность светофильтра рассеивает не только падаю­щий извне свет, но и свет, излучаемый индикатором, поэтому необходимо осторожно относиться к применению текстурирован-ных светофильтров.

Потери света на поглощение.Часть светового потока (как внешнего источника света, так и светодиода), попавшая в толщу материала светопровода, частично поглощается им и умень­шается на величину Фа-

В соответствии с (5.3) количество прошедшего через свето­фильтр света, излученного ППИ, равно Ф_Т = Ф₀ — ф_а — ф_р. Ха­рактеристики поглощения света определяются цветом и плот­ностью окраски материала светофильтра. Изменяя эти величины, можно получить светофильтр с различным пропусканием для данной длины волны. Если окраска светофильтра имеет постоян­ную плотность, то коэффициент внутреннего пропускания свето­фильтра на данной длине волны является показательной функ­цией от толщины материала:

т_a= e^al где т_а — коэффициент внутреннего пропускания; l — толщина светофильтра; а — коэффициент поглощения, равный In т_л; т_л. — внутреннее пропускание для единичной толщины материала светофильтра.

При коэффициенте внутреннего пропускания тя, равном 0,875 на длине волны 655 нм, значение пропускания [22] светофильтра толщиной 2,5 мм будет равно

т_a =е ^{(-In 0,875)2,5} =е^{-(0,1335) 2,5} =0,716.

На рис. 5.5 показаны кривые пропускания светофильтров раз­личной толщины.

Значение коэффициента поглощения для различных катего­рий оптических стекол регламентируется ГОСТ 3514-76, в частно­сти, для стекол 000 — 4 категорий оно равно 0,2 — 3%.

Коэффициент пропускания среды толщиной 1 см [23] при учете только потерь на поглощение определяется по формуле

т_а = (1-а)^l.

Рис. 5.5. Кривые пропускания светофильтров:

1 — для толщины 1 мм; 2 — для толщины 2,5 мм

При приближенных расчетах можно принять а за 0,01, т. е. 1% на 1 мм пути осевого пучка в ма­териале светофильтра. В этом-случае коэффициент пропускания можно рассчитывать по выраже­нию

т_а = 0,99^l.

Для повышения контраста изоб­ражения светофильтры подбира­ются по полосе пропускания час­тоты излучения и по коэфициенту пропусканчя.

Цветовой контраст

Как было указано выше, чистота цвета излучения полупро­водниковых индикаторов близка к монохроматическому излуче­нию. Однако наличие внешней освещенности снижает показа­тель чистоты цвета за счет смещения координат цветности к центру цветового треугольника, при котором увеличивается доля серого. Согласно теории различимости цветовое расстояние меж­ду красным излучением и серым фоном при высоких уровнях внешней освещенности в три раза больше цветового расстояния между желтым излучением светодиода и серым фоном. Разница цветовых расстояний между зеленым и серым и красным и серым еще больше, т. е. при равной яркости красный цвет свечения светодиодов в смысле цветовой контрастности предпочтительней светодиодов с желтым и зеленым цветами свечения. Исследо­вания [21] надежности считывания информации с индикато­ров различных цветов свечения подтверждают этот вывод.

Повышение цветового контраста достигается использованием светофильтров, задачей которых является обеспечение различия видимого цвета корпуса и цвета свечения индикатора. Например, пурпурный светофильтр обеспечивает синий цвет отраженного от корпуса излучения внешнего источника света; красный цвет индикатора контрастно выделяется на этом фоне. Нейтральные фильтры также повышают контраст индицируемой информации за счет обеспечения черного видимого цвета корпуса индикатора; на этом фоне контрастно выделяется излучение светодиодов.

МАТЕРИАЛЫ СВЕТОФИЛЬТРОВ

Для повышения надежности считывания информации с ППИ в настоящее время применяются светофильтры из оптического стекла и из пластмасс.