Измерение и расчет значений люкс, часть 2
Используйте данные от датчика RGB для повышения точности измерений освещенности.
Предыдущая статья в этой серии
Измерение и расчет значений люкс, часть 1
Вспомогательная информация
-
Понимание освещенности: что в Люкс "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/LUX3_Curve1.png" />
Один из способов измерения освещенности, как обсуждалось в предыдущей статье, заключается в использовании оптического датчика, который предназначен для аппроксимации спектрального отклика человеческого зрения. Таблицы данных этих устройств обычно содержат информацию, которая позволяет вам напрямую преобразовывать данные с вывода в люкс; однако из-за несоответствия между идеальным спектральным откликом (т. е. функцией светимости) и спектральным откликом датчика точность измерения будет варьироваться в зависимости от спектрального состава окружающего освещения.
Приближение RGB
Высокоточное измерение освещенности может быть выполнено следующим образом: во-первых, вам нужен оптический датчик с «плоским» спектральным откликом, т. Е. Чувствительность одинакова для каждой длины волны в видимом спектре. Назовите это широкополосным детектором. Кроме того, вы размещаете в непосредственной близости множество узкополосных детекторов, настроенных на определенную длину волны. Широкополосный детектор производит выход, пропорциональный общей интенсивности света, причем каждая длина волны способствует одинаково, а узкополосные детекторы показывают спектральный состав света. Затем вы можете применить функцию яркости на основе этой спектральной информации к выходу широкополосного детектора.
Точность, достигаемая при таком подходе, будет пропорциональна числу узкополосных детекторов - больше детекторов означает более точное представление фактического спектрального состава. Однако практические ограничения быстро вступают в игру, и, более того, как обсуждалось в первой статье, очень точные измерения освещенности не нужны и в определенном смысле невозможны.
Таким образом, мы можем реализовать этот подход, но в очень упрощенной форме: нам нужен широкополосный детектор с довольно плоским спектральным откликом и тремя узкополосными детекторами. Очевидный выбор для узкополосных детекторов - красный, зеленый и синий, поскольку датчики RGB легко доступны, а во-вторых, поскольку длины волн RGB делят видимый спектр на три более или менее равные части:
Image Это информация о спектральной чувствительности для IC IC датчика Rohm RGBC (p / n BH1745NUC), упомянутая в предыдущей статье. Как вы можете видеть, синий детектор соответствует примерно одной трети видимого спектра, зеленый детектор соответствует средней трети, а красный детектор соответствует верхней трети. Отметим также, что реакция прозрачного детектора довольно плоская - на самом деле, она очень плоская по сравнению с кривыми, представленными в предыдущей статье, например, для фототранзистора Fairchild (p / n KDT00030TR):
Image Тем не менее, ответ части Рома значительно падает на более низких длинах волн.,, Я полностью понимаю трудности, которые это вызывает для тех, кто склонен к перфекционизму, - но помните, что недорогие измерения низкой освещенности не являются точными!
Шаг за шагом
Давайте рассмотрим процесс вычисления измерения люкс с использованием BH1745NUC. Одна часть информации, в которой мы нуждаемся, - это чувствительность прозрачного детектора, которую мы вычислили в предыдущей статье как
{ frac {160 \ counts} {0.2 \ \ frac {W} {m ^ 2}} = \ frac {800 \ counts} { frac {W} {m ^ 2}} = \ frac {1 \ count } {0, 00125 \ гидроразрыва {W} {м ^ 2}} )
1. Нам необходимо отрегулировать измерения RGB, чтобы компенсировать основные различия в чувствительности. Из приведенного выше графика видно, что R составляет около 0, 72, а B составляет около 0, 56, когда G равно 1. Таким образом, мы умножаем значения R и B на соответствующий поправочный коэффициент:
(CF_R = \ frac {1} {0.72} = 1.39, \ \ \ CF_B = \ frac {1} {0.56} = 1.79 )
2. Определите «часть» окружающего света, содержащегося в полосах R, G и B, путем суммирования трех значений и деления каждого на общее. Этот подход предполагает предположение о том, что значения R, G и B представляют все излучение в верхней, средней и нижней трети видимого спектра. Например, допустим, что исправленные выходы RGB выглядят следующим образом:
(R = 75 \ counts, \ \ G = 100 \ counts, \ \ B = 75 \ counts )
Таким образом, «часть облучения» (IP) для каждого цвета
(IP_R = \ frac {75} {250} = 30 \%, \ \ IP_G = \ frac {100} {250} = 40 \%, \ \ IP_B = \ frac {75} {250} = 30 \% )
3. Найдите коэффициент преобразования освещенности к освещенности для каждого цвета:
Image Из этого графика наложения можно оценить следующие коэффициенты освещенности к освещенности, напомнив, что максимум при 555 нм составляет 683:
(IRtoIL_R = 683 \ times0.3 = 205, \ \ IRtoIL_G = 683 \ times0.9 = 615, \ \ IRtoIL_B = 683 \ times0.06 = 41 )
4. Умножьте части облучения на соответствующий коэффициент IRtoIL и добавьте результаты, чтобы определить общий коэффициент IRtoIL для конкретного спектрального состава измеряемой в настоящее время освещенности:
(IRtoIL_ {общая} = \ влево (205 \ times0.3 \ справа) + \ влево (615 \ times0.4 \ справа) + \ влево (41 \ times0.3 \ справа) = 320 )
5. Используйте чувствительность чувствительного датчика для определения независимой от длины волны облучения. Допустим, что чистый результат равен 300 подсчетам:
(300 \ counts \ div \ frac {800 \ counts} { frac {W} {m ^ 2}} = 0.375 \ \ frac {W} {m ^ 2} )
6. Наконец, умножьте облучение на общий коэффициент преобразования освещенности в освещенность:
(0, 375 \ \ frac {W} {m ^ 2} times320 = 120 \ lux )
Обсуждение и вывод
Если вы прочитаете этот процесс несколько раз, я думаю, вы обнаружите, что он довольно интуитивно понятен. Один из способов задуматься над фундаментальной концепцией заключается в следующем: если бы прозрачный детектор был освещен чистым красным светом, а затем чистым зеленым светом той же интенсивности, выход не изменился бы (при условии, что прозрачный детектор одинаково чувствителен ко всем длины волны). Это означает, что по крайней мере одно из соответствующих значений люкс не может быть где-то близко, потому что коэффициент освещенности к освещенности для красного намного ниже, чем для зеленого - в этом случае 205 против 615. Так что мы здесь делаем нахождение «среднего» коэффициента преобразования в зависимости от того, сколько R, G и B-излучения находится в окружающем свете. Если свет был чисто красным, IR R составлял бы 100%, а IP G и IP B составляли бы 0%. Таким образом, общий коэффициент преобразования будет таким же, как коэффициент преобразования для красного, т. Е. 205. Если бы свет был наполовину чистым красным и наполовину чистым зеленым, общий коэффициент преобразования был бы средним коэффициентом пересчета красного и зеленого, т. Е., (205 + 615) / 2 = 410.
Вам может быть интересно, нужен ли здесь прозрачный детектор. Это сложный вопрос. Мы могли бы игнорировать прозрачный детектор и просто интерпретировать сумму трех измерений RGB как общую освещенность, но мы бы проигнорировали облучение, которое падает на длины волн, не охваченных полосами чувствительности RGB. Однако, если длины волн этого игнорируемого облучения направлены к краям функции светимости, было бы лучше проигнорировать его - если детекторы RGB не видят его и прозрачный детектор, он сделает ошибочно большой вклад в конечное значение люкс. Я полагаю, что нижняя линия заключается в том, что оба подхода возможны, причем один или другой более точный, в зависимости от спектральных характеристик условий освещения и прозрачного детектора - игнорирование прозрачного детектора - это простой способ устранить ошибку, вызванную ее неидеальным (т. е. не зависящей от длины волны) чувствительности.
Процедура, описанная здесь, возможно, является скорее отправной точкой. Он должен обеспечивать достаточно точные измерения освещенности с минимальными затратами времени и денег, но вы должны определенно рассмотреть способы уточнения вашего алгоритма на основе эмпирических наблюдений или, что еще лучше, путем сравнения ваших результатов с результатами высококачественного люкса.