Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGb-фотодиодаКолориметрический 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 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 [ ]
где координаты цвета X, Y, Z определяются как интегралы по области спектра λ = 380-760 нм:
В (2)
Для преобразования экспериментальных результатов, получаемых здесь в системе R G B в систему X Y Z необходимо найти переходную матрицу 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:
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.
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.
|
(«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.
(1)
(2)
, 
, 
— функции удельных координат цвета, 
— спектральное распределение энергии излучателя, 
— спектральная зависимость коэффициента пропускания прозрачного образца (или 
отражения диффузного отражателя).
3:
(3)
(4)
