Загальні організаційно-методичні вказівки

Дата добавления: 2015-10-15; просмотров: 488

Basic design features and technical-performance characteristics of laboratory colorimetric detector based on three-element RGB-photodiode with three optical filters for a measuring of color parameters of transparent and diffuse reflective objects are considered. The procedure of detector calibration is discussed. Results of probationary measurement for colored glasses and diffuse reflectors are given.

Key words: colorimetric detector, RGB-photodiode, optical filter, colored glasses, diffuse reflectors, area of color, color coordinates (chromaticity coefficients).

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

а

б

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Сведения об авторах

Число страниц................................................................................................................................................................. 19

Размер файла............................................................................................................................................................ 88064

Дата последнего сохранения....................................................................................................... 11.04.2011 9:24:00

Фамилия: Белов

Имя: Николай

Отчество: Павлович

Должность: старший научный сотрудник

Название организации: Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики

Название кафедры: твердотельной оптоэлектроники

Ученая степень:

Звание:

Домашний адрес: 191124, Санкт-Петербург, ул. Бонч – Бруевича, д. 2

Домашний телефон: 271-49-93

Рабочий телефон: 595-41-26

Телефакс:

E-mail:

Last name: Belov

First name: Nikolay

Patronymic name: Pavlovich

Position: senior research engineer

The organization name: Saint-Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics

Department: solid state optoelectronics

Scientific degree:

Rank:

Personal address: 191124, Saint-Petersburg, Bonch-Bruevich street, h. 2

Work phone number: 595-41-26

Home phone number: 271-49-93

Fax:

E-mail:

Фамилия: Грисимов

Имя: Владимир

Отчество: Николаевич

Должность:

Название организации: Санкт-Петербургский Государственный Медицинский Университет им. акад. И. П. Павлова

Название кафедры: кафедра стоматологии

Ученая степень: доктор медицинских наук

Звание:

Домашний адрес: 196128, Санкт-Петербург, просп. Московский, д. 75

Домашний телефон: 746-81-70

Рабочий телефон:

Телефакс:

E-mail:

Last name: Grisimov

First name: Vladimir

Patronymic name: Nikolaevich

Position:

The organization name: Saint-Petersburg State I. P. Pavlov University of Medicine

Department: stomatology

Scientific degree: doctor of medicine

Rank:

Personal address: 196128, Saint-Petersburg, Moscovsky avenue, h. 75

Work phone number: 746-81-70

Home phone number:

Fax:

E-mail:

Фамилия: Смирнов

Имя: Юрий

Отчество: Юрьевич

Должность: ассистент

Название организации: Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики

Название кафедры: твердотельной оптоэлектроники

Ученая степень:

Звание:

Домашний адрес: 190031, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 6

Домашний телефон: 8-952-236-95-24

Рабочий телефон:

Телефакс:

E-mail:

Last name: Smirnov

First name: Yury

Patronymic name: Yuryevich

Position: assistant

The organization name: Saint-Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics

Department: solid state optoelectronics

Scientific degree:

Rank:

Personal address: 190031, Saint-Petersburg, Grivtsov lane, h. 6

Work phone number:

Home phone number: 8-952-236-95-24

Fax:

E-mail:

Фамилия: Шерстобитова

Имя: Александра

Отчество: Сергеевна

Должность: ассистент

Название организации: Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики

Название кафедры: твердотельной оптоэлектроники

Ученая степень:

Звание:

Домашний адрес: 197375, Санкт-Петербург, просп. Новоколомяжский,

д. 13

Домашний телефон: 304-93-69

Рабочий телефон: 8-904-615-59-74

Телефакс:

E-mail: [email protected]

Last name: Sherstobitova

First name: Aleksandra

Patronymic name: Sergeevna

Position: assistant

The organization name: Saint-Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics

Department: solid state optoelectronics

Scientific degree:

Rank:

Personal address: 197375, Saint-Petersburg, Novokolomyagsky avenue, h. 13

Work phone number: 8-904-615-59-74

Home phone number: 304-93-69

Fax:

E-mail: [email protected]

Фамилия: Яськов

Имя: Андрей

Отчество: Дмитриевич

Должность: профессор

Название организации: Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики

Название кафедры: твердотельной оптоэлектроники

Ученая степень: доктор технических наук

Звание: профессор

Домашний адрес: 197372, Санкт-Петербург, просп. Богатырский, д. 29, корп. 2

Домашний телефон: 347-41-93

Рабочий телефон: 595-41-26

Телефакс:

E-mail:

Last name: Yaskov

First name: Andrey

Patronymic name: Dmitrievich

Position: professor

The organization name: Saint-Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics

Department: solid state optoelectronics

Scientific degree: doctor of technology

Rank: professor

Personal address: 197372, Saint-Petersburg, Bogatirsky avenue, h.29/2

Work phone number: 595-41-26

Home phone number: 347-41-93

Fax:

E-mail:

Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGb-фотодиода

Рассмотрены основные конструктивные особенности и технико-эксплуатационные характеристики лабораторного колориметрического датчика для измерения параметров цвета прозрачных и диффузно отражающих объектов, использующего трехэлементный R- , G- , B- фотодиод. Обсуждается процедура калибровки датчика. Приведены результаты пробных измерений на образцах цветных стекол и диффузных отражателей.

:

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.Современные колориметрические методы и средства предполагают измерения спектров пропускания и/или отражения исследуемого объекта в области длин волн λ = 380-760 нм и вычисление на основе спектральных данных параметров цвета (цветности) в любой из интересующих колориметрических систем. Использование спектрометров в составе колориметрических приборов, например [ ], связано как с усложнением их конструкции, так и существенным возрастанием стоимости прибора. В связи с этим представляет интерес применение для колориметрических исследований оптико-спектральных датчиков на основе фотодиода с тремя фотоприемными площадками, имеющими оптические фильтры для выделения красной, зеленой или синей компонент регистрируемого излучения. Три составляющие выходного сигнала фотоприемника определяются его относительной спектральной чувствительностью, типичный вид которой представлен на рис . Очевидно, что использование такого фотодиода может упростить конструкцию колориметрического датчика, оптимизировать массогабаритные характеристики (вплоть до создания портативного варианта), а также снизить его стоимость.

В связи с этим цель настоящей работы состояла в разработке и экспериментальном исследовании основных технических характеристик лабораторного колориметра, использующего трехэлементный RGB-фотодиод.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ. Структурная схема датчика схематически изображена на рис. (а), его внешний вид показан на рис. (б). В осветителе использовалась галогенная лампа накаливания (20 Вт, 12 В), работающая на постоянном токе. Проходящее через образец или отраженное от него излучение передавалось на фотоприемник через волоконно-оптический жгут, световой диаметр которого составлял 4 мм. Измерения диффузного отражения производилось в геометрии («стандарт General Electric»). Использованный фотодетектор имел высокую чувствительность в красной и ближней инфракрасной области спектра при λ > 660 нм (рис. ). Для подавления этих составляющих сигнала и формирования спектров фоточувствительности, приближенных к стандарту системы RGB, в осветителе был использован дополнительный оптический фильтр на основе цветного стекла СЗС-23.

Электронная система сбора и обработки данных обеспечивала измерение уровня сигналов в каждом из трех оптических каналов, оцифровку этих сигналов и их усреднение. Специально разработанное и использованное программное обеспечение позволяло выводить данные измерений в цифровом и графическом виде, а также сохранять эти данные в виде текстового файла.

Рабочее окно программы пользователя показано на рис. . Результаты измерений представляются на экране монитора графически в виде трех кругов красного, зеленого и синего цветов, яркость которых пропорциональна трем сигналам R-, G-, B- фотодетектора. Пересечение этих кругов изображает цвет исследуемого образца. В графическом окне программы тремя строками выводятся также величины сигналов с фотодетектора и значения, использованные для изображения графической картины с тремя кругами.

КАЛИБРОВКА ДАТЧИКА. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. Помимо спектрального отклика фотоприемника (рис. ) три составляющие выходного сигнала определялись спектральным пропусканием и отражением компонент оптической системы, спектральным распределением энергии излучателя и цветовыми параметрами образца. Таким образом, для определения параметров цвета, близкого к цвету исследуемого объекта, необходимо было произвести калибровку датчика по эталону «белого». При измерении пропускания в качестве такого эталона использовался «свободный» канал (Т = 1), а при измерении отражения — диффузный отражатель на основе молочного стекла МС-22, имевшего коэффициент отражения по всему цветовому диапазону спектра R = 0.952, который был аттестован в ФГУ «ТЕСТ-С-Петербург». Результаты измерений на «белом» сохранялись после нажатия кнопки со стрелкой (рис. ); при этом уровень сигнала в каждом из каналов принимался за единицу. Следующее измерение дает три круга максимальной яркости (256 ед. в восьмиразрядном формате, принятом в системе RGB ), пересечение которых формирует уровень «белого». Результаты каждого последующего измерения на исследуемых образцах воспроизводятся в графической форме на пересечении R-, G-, B- кругов, а также сохраняются в виде строки (правое окно, рис. ) со значком цвета и тремя параметрами цвета R-, G-, B-, приведенными к значениям в диапазоне от 0 до 1 (калибровка по «белому» образцу). Всего в правом окне (рис. ) может выводиться двадцать строк, затем первая строка заменяется новой и т. д. Для сохранения данных измерений в текстовом файле используется кнопка со

значком «дискета».

Для анализа метрологических возможностей представленного датчика были сопоставлены полученные здесь результаты измерений с независимыми данными. В качестве объектов измерений использовались образцы каталогизированных цветных стекол [ ] и специально изготовленные цветные диффузные отражатели на основе порошковых полимерных покрытий. Для стекол параметры цветности приведены в каталоге [ ]. Для диффузных отражателей эти параметры определялись на спектроколориметре с интегрирующецй сферой, аналогичном рассмотренному в [ ]. В обоих случаях (цветные стекла и диффузные отражатели) данные, использованные для сравнительного анализа и принимаемые за эталоны, представляли собой параметры цветности x, y, z в системе X, Y, Z для источника излучения типа В [ ]

(1)

где координаты цвета X, Y, Z определяются как интегралы по области спектра λ = 380-760 нм :

(2)

В (2) , , — функции удельных координат цвета, — спектральное распределение энергии излучателя, — спектральная зависимость коэффициента пропускания прозрачного образца (или отражения диффузного отражателя).

Для преобразования экспериментальных результатов, получаемых здесь в системе R G B в систему X Y Z необходимо найти переходную матрицу 3 3:

(3)

Для определения элементов переходной матрицы использовалось три образца цветных стекол или диффузных отражателей, координаты цветности x, y, z которых находились по данным [ ] или в результате независимых измерений , а координаты цвета R, G, B — по результатам измерений их коэффициента пропускания или отражения. Используя найденную переходную матрицу и данные измерений с использованием колориметрического датчика, можно было получить координаты цвета для других образцов:

(4)

Значения X, Y, Z преобразовывались в координаты цветности x, y, z, после чего определялась метрологическая погрешность для этих образцов. Для цветных стекол эти результаты сопоставлены на рис. , где видно, что измеренные и принимаемые за эталон [ ] параметры цветности совпадают в пределах различимых стандартным наблюдателем оттенков цвета, которые на рис. 2 показаны в виде эллипсов. Аналогичные результаты были получены также и для цветных диффузных отражателей.

ВЫВОДЫ. Колориметрический датчик на основе R, G, B-фотодиода обеспечивает измерение параметров цветности прозрачных и диффузно отражающих объектов на уровне различимых визуально оттенков цвета.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гуторов М. М. Основы светотехники и источники света. М.: Энергоатомиздат, 1983.

2. Джадд Д., Вышецкий Г. Цвет в науке и технике. М.: Мир, 1978.

3. Айзенберг Ю. Б. Справочная книга по светотехнике. М.: Энергоатомиздат, 1983.

4. Юстова Е. Н. Цветовые измерения: Колориметрия. СПб: Издательство СПбУ, 2000 г.

5. Каталог цветного стекла. М.: Машиностроение, 1967.

6. Белов Н. П., Грисимов В. Н., Яськов А. Д.Лабораторный спектрометр для исследования коэффициента отражения и определения параметров цветности диффузно отражающих объектов//Известия вузов. Приборостроение. 2010. №7. С. 74—78.