Оптические параметры

Оптические свойства СИД описываются группой оптических параметров. Опти­ческие параметры позволяют выбрать СИД нужного цвета свечения, который имел бы максимальную световую отдачу при заданном токе. К оптическим параметрам СИД относятся: длина волны излучения λтах, доминирующая длина волны излучения λдом, сила света Iυ и угол излучения θ.

Длина волны излучения λтах — это длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения СИД. Современные структуры имеют малый

разброс значений длины волны излучения для СИД одного типа.

В визуальных применениях СИД закрепляется на передней панели прибора. При этом он должен быть хорошо виден при окружающем освещении в месте установки СИД. Обычно окружающая освещенность достаточно высока.

Поэтому для улучшения восприятия необходимо усилить контраст между индикатором и фоном. Усиление контраста заклключается в обеспечении максимальной разности яркости включённых и выключенных СИД. Это условие обеспечивается двумя путями. Во-первых, уменьшают отражение окружающего света от поверхности СИД. Во – вторых, обеспечивают максимальное восприятие глазом света, излучаемого СИД.

В условиях искусственного освещения контраст усиливают с помощью избирательных оптических фильтров. Влияние такого фильтра на контрастность показано на примере знакового индикатора на рис. 1.28. Легко видеть, что визуальный контроль информации при наличии фильтра существенно улучшается.

Основное требование, предъявляемое к контрастному светофильтру, заключается в хорошей избирательности, т. е. в хорошем пропускании света только для длины волны излучения СИД. Спектральная характеристика филь­тра— это зависимость относительного пропускания филь­тра от длины волны света.

Рис. 1.28. Влияние избирательного фильтра на качество индикации (слева без фильтра,справа с фильтром)

Относительное пропускание Тф фильтра определяется соотношением

Тф=Lυ(λ)/Lυο (1.28)

где Lυ(λ)яркость излучения с фильтром на длине вол­ны λ; Lυο —яркость излучения без фильтра на длине вол­ны λтах.

Изменение относительного пропускания пластмассово­го фильтра в зависимости от длины волны света при раз­ных толщинах материала фильтра представлено на рис.1.29 (для кривой 1 толщина 1 -мм, для кривой 2 — 2,5 мм, показатель преломления 1,5). Относительное про­пускание фильтра, очевидно, зависит от показателя пре­ломления материала фильтра. Эта зависимость хорошо описывается выражением

Тф (n)=[2n/ (n²+1) ] T_ф, (1.29)

_Где n-показатель преломления материала фильтра; Тф—относительное пропускание фильтра при n= 1 на длине волны λ; Тф(п)—относитель­ное пропускание фильтра при п= 1 на длине волны λ.

Рис. 1.29. Спектральные характеристики фильтров

В визуальных применениях СИД совместно с фильтром доля светового потока, дохо­дящего до наблюдателя, рав­на относительному пропуска­нию фильтра на длине волны λmax СИД. Например, пусть λmaх применяемого СИД рав­на 655 нм. Тогда относитель­ное пропускание Тф пластмассового фильтра толщиной 1 мм при n= 1,5 и λmax =655 НМ составит 0,8 (рис.1.29). В результате примерно 80% светового потока, излу­чаемого СИД, будет проходить через фильтр к наблюда­телю, а остальные 20% будут поглощаться фильтром.

Для невизуальных применений параметр λтах опреде­ляет эффективность передачи оптического излучения от ИК-диода к фотоприемнику, потери сигнала в волоконно - оптическом световоде, выбор чувствительности фотоплен­ки и т.п.

Глаз реагирует не только на интенсивность, но и на цвет излучения. Поэтому при визуальной индикации кроме параметра λтах излучение еще характеризуют доминирующей длиной волны λдом. Этот пара­метр является количественной мерой цветового восприятия излучения человеческим гла­зом. Два СИД с различны­ми спектральными характеристиками будут иметь оди­наковый цвет свечения, если они имеют одинаковую λдом.

Доминирующая длина вол­ны λдом — это излучение та­кой длины волны, смешивание которого с излучением эталонного источника воспринимается глазом как свет излучения СИД. Излучение эта- лонного источника эквивалентно дневному свету от облачного неба.

Цвет любого источника света можно определить с помощью кривых цветовой чувствительности человеческого глаза V_x, V_y, V_z. Эти кривые описывают восприятие гла­зом трех основных цветов — красного, зеленого и синего (рис. 1.30). Следует подчеркнуть, что кривая чувствитель­ности для зеленого цвета V_y полностью совпадает с функ­цией относительной световой эффективности V(λ), изобра­женной на рис. 1.2 и характеризующей общую яркостиую реакцию глаза.

Рис. 1.30 Спектральная характеристика рецепторов глаза

Количественно цветовое восприятие излучения опреде­ляют цветовыми координатами излучателя. Для определе­ния .цветовых координат спектральная характеристика из­лучателя наносится на. кривые цветовой чувствительности глаза. Затем вычисляются для каждого из основных цве­тов интегралы вида

dP

X = ʃ — Vx•dλ

dλ

dP

Y = ʃ — Vy•dλ (1.30)

dλ

dP

Z = ʃ — Vz•dλ

dλ

Эти интегралы геометрически равны площади спек­тральной характеристики излучателя соответствующей кривой цветовой чувствительности (V_x, V_y, V_z). Результа­ты интегрирования представляют в относительных едини­цах, а число переменных уменьшают путем введения двух новых аргументов:

х = Х/(Х+У+Z)

у =У/(Х+У+Z) (1.30а)

Координаты х, у - это и есть цветовые координаты излучателя. Цвет источника света задается с помощью ос­новных цветов на двумерном цветовом графике (рис. 1.31). На этом графике жирная подковообразная кривая есть геометрическое место спектрально чистых (не смешанных) цветов. Она называется линией чистых цветов. Белый цвет, который получается путем смешения равных по яркости трех основных цветов, расположен в центре цветового графика — точка W с координатами x:=1/3 и y=1/3.

Для определения λ_ДОм цветовые координаты излучателя (точка С на рис. 1.31) наносят на цветовой график. Затем
проводят прямую из точки W через точку С до пересечения линии чистых цветов. В точке пересечения определяется значение доминирующей длины волны λд₀м и соответствующий ей цвет излучения (рис. 1.32)—желтовато-оранжевый.

Чистоту (или насыщенность) цвета т характеризуют отношением отрезков a1 и a1+a2, т. е.

m= a1/(a1+a2) (1.31)

Рис. 1.31. К определению доминирующей длины волны и частоты светa

Цветовые координаты для большинства СИД располагаются очень близко к линии чистых цветов, и чистота
цвета близка у СИД к единице.

Для повышения зрительного восприятия многоцветных индикаторов важна различимость цветов. Многоцветные
индикаторы обычно указывают изменение режимов работы (например, включенное и выключенное состояния).
Спектральные характеристики шести основных цветов при низкой и высокой освещенности приведены на рис. 1.33.
Характеристики снимались следующим образом: доминирующая длина волны света, падающего на поверхность,
изменялась дискретно (шаг изменения 4—7 нм). Большо-

У

Рис.1.32 Диаграмма цветности — цвета излучения и соответствующие доминирующие длины волн:

R — красный; rO— красновато-оранже- вый; О — оранжевый; уО— желтовато- оранжевый; У — желтый; gY — эеленоаа- то-желтый; YG— желто-зеленый. yG - желтовато-зеленый; G — зеленый; bG-синевато-зеленый; BG — снне-зелеиыв; gB — зеленовато-синий; В — синий; рВ — фиолетово-синий; bР — синевато-фиолето- вый; Р— фиолетовый; гP —красиовато- фиолетовый; RP — красновато-фиолетовый, pK — фиолетово- красный; K-розовый OK — оранжево-розовый

му количеству наблюдателей предлагалось назвать цвет поверхности после каждого изменения. На рис. 1.33 отмечены также доминирующие длины волн типичных СИД. Данные, приведенные на. рис. 1.33, позволяют сделать вывод, что голубой, зеленый и красный — это хорошо определяемые цвета, занимающие широкие полосы спектра.

Фиолетовый. Оранжевый

Голубой Зеленый Желтый/ Красный

В качестве дополнительного (четвертого) цвета можно использовать оранжевый или желто-оранжевый цвет.

В справочниках данных обычно приводятся значения как λтах, так и λдом. Зная λдом и используя рис. 1.32, можно определить действительный цвет излучения СИД. Например, желтый СИД (λ_Дом=585 нм) оказывается желтовато-оранжевым (см. рис.1.32), а зеленый (λ_ДОм=572 нм) — на самом деле является зеленовато-желтым. Контрастный фильтр пропускает излучение с минимальными потерями, если он имеет цвет излучения СИД.

Количественно излучение СИД обычно характеризуют силой излучения. Однако сила I излучения зависит от направления излучения. Направленность излучения характеризуют диаграммой направленности или углом излучения Ц В пределах угла излучения сила излучения составляет не менее половины ее максимального значения.

С помощью диаграммы направленности и угла излуче­ния можно определить зрительно воспринимаемый свето­вой поток при взгляде под некоторым углом к геометриче­ской оси излучателя. Паспортная диаграмма направлен­ности позволяет определить значение силы света I_v при любом конкретном угле зрения. Например, на рис. 1.34 приведены диаграммы для двух различных СИД (кривые 1,2): угол излучения q для диаграммы 1 примерно 45 градусов, для диаграммы 2 примерно 15 градусов.

Рис.1.34. Диаграмма направленности СИД

4.4. Параметры СИД как элемента электрическойцепи

Параметры СИД как элемента электрической цепи постоянного тока определяются его вольт-амперной характеристикой. Различия прямых ветвей вольт-амперных ха­рактеристик СИД связаны с разницей в ширине запре­щенной зоны применяемых материалов (рис. 1.35). Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на светодиоде и потери электрической энергии в нём.

Рис. 1.35. Вольт-амперная характеристики СИД .

Рис. 1.36. Диаграммы пере­ключения СИД

Обратные ветви вольт-амперных характеристик имеют малое допустимое обратное напряжение, так как ширина р-п перехода в СИД незначительна. При работе в схемах с большими обратными напряжениями последовательно с СИД необходимо включать обратный (не излучающий) диод.

Быстродействие СИД - определяется инерционностью процесса излучения при подаче прямоугольного импульса

прямого тока (рис. 1.36). Время переключения t пер складывается из времени включения tвкл и выключения tвыкл излучения. Инерционность СИД определяется процессом перезаряда барьерной емкости (емкости р-я-перехода) и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области СИД. Для СИД, работающих и режиме визуальной индикации, быстродействие оказывается ммегея второстепенной характеристикой, так как инерционность человеческого глаза составляет около 50 мс, что много больше tпер СИД. Для систем записи и считывания информация без визуализации, например для излучателей в оптронах, время переключения ИК-диода входит составной частью в общее время переключения оптоэлектронного прибора.

Заключение