Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 12 )

2. Источники возбуждения люминесценции (ИВЛ)

Некоторые сведения из фотометрии. Классификация люминесцентных ламп. Стандартные люминесцентные лампы. Спектральные характеристики стандартных люминесцентных ламп. Специальные ультрафиолетовые люминесцентные лампы. Внешний вид и параметры некоторых ультрафиолетовых источников света. Схема включения люминесцентной лампы. Галогенные лампы (ГЛ). Внешний вид некоторых ГЛ, основные параметры, диаграммы распределения. Импульсные лампы. Спектр ртути. Устройство простейшей фотовспышки. Технические показатели фотовспышек. Светодиоды. Светофильтры. Основные характеристики светофильтров. Абсорбционные фильтры. Стеклянные светофильтры. Интерференционные фильтры.

ИВЛ в ТСС предназначены для создания светового потока в области спектра поглощения исследуемого объекта. ИВЛ, как правило, имеет источник света с достаточно широким спектром и полосовой светофильтр С1 со спектральной характеристикой для выделения спектра поглощения. Размеры исследуемых с помощью ТСС объектов обычно не превышают формата А4 из-за ограниченной разрешающей способности телевизионной системы. Оптимальное поле зрения для стандартной телевизионной системы составляет 120 ´ 160 мм с возможностью 10–16-кратного увеличения масштаба, что оказывается вполне достаточным для решения большинства практических задач. Размеры поля зрения определяют в свою очередь требования к ИВЛ по равномерности освещенности и световому потоку. Конструктивные особенности ТСС (прибор настольного исполнения) накладывают ограничения на габаритные размеры (особенно для трубчатых ламп) и на мощности источников света. Повышение мощности трубчатых ламп связано с увеличением их длины и, как следствие, ростом габаритов ТСС. При освещении относительно небольшого поля зрения длинная рабочая поверхность трубчатой лампы может использоваться неэффективно. Увеличение мощности ламп связано также с повышением тепловыделения, что негативно влияет как на сам объект исследования, так и на элементы конструкции ИВЛ и ТСС в целом. При недостаточном отводе тепла в ИВЛ возможны локальные перегревы светофильтров, приводящие к их разрушению.

Рассмотрим основные параметры, спектральные характеристики и конструктивные особенности следующих источников света, пригодных для использования в ИВЛ:

–  люминесцентные лампы;

–  металлогалогенные и галогенные лампы;

–  импульсные источники света;

–  светодиоды.

Некоторые сведения из фотометрии

Электрическая мощность измеряется в ваттах, которую потребляют лампы. Часть этой мощности теряется в лампе, часть излучается в виде видимого и невидимого (ультрафиолетового и инфракрасного) излучения. Причем большая часть в виде теплового, инфракрасного излучения. На долю видимого излучения приходится всего около 5% мощности в лампах накаливания и около 10–15% – в люминесцентных лампах.

Энергетический поток является величиной, аналогичной световому потоку. По определению поток (Ф) – это количество лучистой энергии в заданном интервале длин волн (l1–l2), протекающее в единицу времени сквозь некоторую площадку S. Поток имеет размерность мощности – ватт или микроватт. Часто наряду с интегральным потоком Ф используется спектральный поток, т. е. поток, приходящийся на единичный интервал длин волн j(l). Интегральный поток связан со спектральным соотношением:

Мощности соответствует световой поток, измеряемый в люменах. Один ватт, излучаемый на длине волны 555 нм, соответствует 683 лм. Для остальных длин волн надо просто умножить значение кривой чувствительности глаза на мощность, излучаемую на данной длине волны. Чтобы найти полное количество люменов, излучаемое лампой, надо просуммировать (или проинтегрировать) количество люменов для всех длин волн.

Для определения светового потока лампы можно воспользоваться каталогами. Для ламп используется понятие светоотдачи (efficacy), характеризующее количество излучаемых люменов на единицу потребляемой (но не излучаемой) мощности – например, для ламп накаливания она равна 17 Лм/Вт.

Лампы одинаковой мощности, но с разными спектрами излучают разный световой поток в люменах, даже если излучаемые мощности равны между собой. Наиболее эффективна в этом смысле люминесцентная лампа с цветовой температурой в диапазоне 5600 K–6500 K (соответствует холодно-белому и дневному цветам). Лампы с широким спектром (wide-spectrum), у которых улучшенный коэффициент цветопередачи, обладают более низкой светоотдачей, поскольку в спектре такой лампы должны более или менее присутствовать все спектральные компоненты, при этом голубые и красные цвета имеют малую «производительность» люменов на ватт.

Широко используемым фотометрическим понятием является освещенность, измеряемая в люксах и определяющая экспозицию. Освещенность равна отношению величины светового потока, проходящего через плоскую площадку, к площади этой площадки, подразумевая, что поток параллельный и постоянный по площадке. Отсюда и единица измерения освещенности – люкс, равный одному люмену, деленному на один квадратный метр. Иногда в англоязычной литературе встречается единица footcandle (fc), которая равна одному люмену на квадратный фут (примерно 10 люкс).

Правило косинусов – освещенность площадки, наклоненной на определенный угол между перпендикуляром к поверхности и направлением параллельного потока, равна освещенности площадки, находящейся под углом 90° к направлению потока, умноженному на косинус этого угла.

Правило обратных квадратов – для точечных источников света освещенность площадки обратно пропорциональная квадрату расстояния между источником и площадкой.

Яркостью источника в данном направлении называется поток, посылаемый единицей видимой поверхности в пределах единичного телесного угла:

,

где S – площадь излучающей поверхности, – телесный угол, в котором излучается поток , j – угол между нормалью к площадке S и направлением наблюдения.

Для широкого класса источников яркость не зависит от направления наблюдения. В этих случаях индекс j не учитывается и яркость обозначается через В. Правильнее называть эту величину интегральной яркостью. Спектральная яркость связана с интегральным соотношением:

.

Интенсивность спектральных линий I определяется как мощность, излучаемая единицей объема источника в интервале длин волн, соответствующем полной ширине данной спектральной линии:

,

где – спектральная мощность излучения, соответствующая данной линии. Пределы интегрирования выбираются до таких длин волн, где практически падает до нуля. Так как это падение происходит достаточно быстро, то пределы интегрирования можно расширить:

.

Во многих каталогах ламп можно встретить значения CCT, CRI и цветовые координаты.

CCT (Correlated Color Temperature – цветовая температура) и CRI (Color Rendering Index – коэффициент цветопередачи) – два параметра, используемые для характеристики цвета источников света.

Цветовая температура ССT – это температура абсолютно черного тела, которое имеет «ближайший» цвет к данной лампе. Она ничего не говорит о том как нагрето тело накала или дуга лампы, а характеризует только цвет, например, лампы с CCT – 2 880–3 200 K имеют желтоватый оттенок («теплый», «warm» цвет), лампы с CCT 3 500 K – «нейтральный» белый цвет, лампы с CCT 4 100 K – «холодный», «cool» белый цвет, лампы с CCT – 6 500–10 000 – голубоватый оттенок.

Коэффициент цветопередачи CRI характеризует насколько близко к «истинным» будут видны цвета объектов в результате рассматривания их при свете лампы. Под «истинными» понимаются цвета при рассматривании с использованием тестового источника. Для определения CRI вычисляется среднее значение отклонения цветовых координат (x, y) при рассматривании набора тестовых цветов. CRI принимает значения от 0 до 100. CRI, равный 0, соответствует свету, который не передает цветов вообще. CRI, равный 100, соответствует источнику, который передает цвета так же как и тестовый источник – лампа накаливания (для источников с CCT < 5 000 K) или «daylight» (для ламп с CCT > 5 000 K).

Сравнивать значения CRI можно только для ламп с одинаковым значением CCT, иначе такое сравнение теряет смысл [37].

Люминесцентные лампы

По своему спектральному составу излучения все люминесцентные лампы можно условно разделить на три типа:

1. Стандартные люминесцентные лампы. В лампах этой серии применяются однослойные люминофоры, позволяющие получить различные оттенки белого света. Лампы этого типа широко используются в установках общего освещения.

2. Люминесцентные лампы улучшенной цветопередачи. В этих лампах используется высокоэффективный трех - или пятислойный люминофор, который позволяет хорошо передавать цвет различных искусственных и естественных объектов. При этом световой поток у ламп улучшенной цветопередачи примерно на 12% выше чем у стандартных люминесцентных ламп.

3. Специальные люминесцентные лампы могут иметь различные добавки или особый тип люминофора, что позволяет выделить из спектра определенные линии или полосы заданной частоты в зависимости от назначения лампы.