CC BY
88
УДК 535.243.25
Н. П. Белов, В. Н. Грисимов, Ю. Ю. Смирнов, А. С. Шерстобитова, А. Д. Яськов
КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ОСНОВЕ ТРЕХЭЛЕМЕНТНОГО RGB-ФОТОДИОДА
Рассмотрены конструктивные особенности и технико-эксплуатационные характеристики лабораторного колориметрического датчика на основе трехэлементного RGB-фотодиода. Датчик предназначен для измерения параметров цвета прозрачных и диффузно отражающих объектов. Обсуждается процедура калибровки датчика. Приведены результаты пробных измерений на образцах цветных стекол и диффузных отражателей.
Ключевые слова: колориметрический датчик, RGB-фотодиод, оптический фильтр, цветные стекла, диффузные отражатели, координаты цвета/цветности.
Постановка задачи. Современные колориметрические методы и приборы позволяют осуществлять измерения спектров пропускания и/или отражения исследуемого объекта в области длин волн X = 380... 760 нм и вычислять на основе спектральных данных параметры цвета (цветности) в любой из известных колориметрических систем. Использование спектрометров в составе колориметрических приборов, как показано, например, в работах [1—7], связано как с усложнением конструкции последних, так и существенным возрастанием их стоимости. 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 красного (R), зеленого (G) или синего (B) компонентов регистрируемого излучения. Три составляющие выходного сигнала фотоприемника определяются его относительной спектральной чувствительностью, типичный график Кпр(^) которой представлен на рис. 1. Очевидно, что использование такого фотодиода позволит упростить конструкцию колориметрического датчика, оптимизировать его массога-баритные характеристики (вплоть до создания миниатюрного варианта), а также снизить стоимость.
Рпр(Х), о.е.
0,8
0,6
0,4
0,2 0
400 450 500 550 600 650 X, нм Рис. 1
В связи с этим был разработан и экспериментально исследован лабораторный колориметр на основе трехэлементного RGB-фотодиода. В настоящей статье рассматриваются основные конструктивные особенности и технические характеристики датчика.
R
G
B
А / / / / / ч \ \ \
/ / \ N \ ч — — -- — — *****
Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода
77
Особенности конструкции и программного обеспечения датчика. Структурная схема датчика представлена на рис. 2. В осветителе использовалась галогенная лампа накаливания (20, 12 В), работающая на постоянном токе. Проходящее через исследуемый объект (образец) или отраженное от него излучение передавалось на фотоприемник через волоконно-оптический жгут, световой диаметр которого составлял 4 мм. Измерения коэффициента диффузного отражения производились в геометрии 0/45° (по стандарту фирмы "General Electric", США). Используемый фотодетектор имел высокую чувствительность в красной и ближней инфракрасной областях спектра при X > 660 нм (см. рис. 1). 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
Рис. 2
Электронная система сбора и обработки данных обеспечивала измерение уровня сигналов в каждом из трех оптических каналов, оцифровку этих сигналов и их усреднение. Для выведения данных измерений в цифровом и графическом виде, а также сохранения этих данных в виде текстового файла было разработано специальное программное обеспечение.
Рабочее окно программы пользователя показано на рис. 3. Результаты измерений представляются на экране монитора графически в виде трех кругов красного, зеленого и синего цвета, яркость которых пропорциональна сигналам Я, О, В фотодетектора. Пересечение этих кругов отображает цвет исследуемого образца (с учетом графических возможностей экрана монитора). В графическом окне программы выводятся также величины сигналов с фотодетектора.
[=®ЙЗ R О Н FT1"! ГГ1"' ЦЗ
G 1 я 1 о ! в |
1 R
Рис. 3
Калибровка датчика. Результаты тестовых измерений. Помимо спектрального отклика фотоприемника (см. рис. 1), путем спектрального пропускания и отражения компонентов
оптической системы, спектрального распределения энергии излучателя и анализа цветовых параметров образца определяются три составляющие выходного сигнала. Таким образом, для определения параметров цвета, близкого к цвету исследуемого объекта, необходимо произвести калибровку датчика по эталону „белого". При измерении коэффициента пропускания (Т) в качестве такого эталона использовался „свободный" канал (т = 1), а при измерении коэффициента отражения — диффузный отражатель (аттестованный в ФГУ „ТЕСТ-С-Петербург") на основе молочного стекла МС-22 с коэффициентом отражения R = 0,952 по всему цветовому диапазону спектра. Результаты измерений по эталону „белого" сохраняются после нажатия кнопки со стрелкой (см. рис. 3); при этом уровень сигнала в каждом из измерительных каналов принимается за единицу. При следующем измерении фиксируется изображение трех кругов максимальной яркости (256 ед. в 8-разрядном формате, принятом в системе RGB). На пересечении этих кругов формируется уровень „белого". Результаты каждого последующего измерения коэффициента Т или R для исследуемого образца воспроизводятся в графической форме на пересечении кругов, а также сохраняются в цифровом виде в правом окне (см. рис. 3). Параметры цвета R, G, B приводятся к значениям в диапазоне от 0 до 1 (калибровка по эталону „белого").
Для анализа метрологических возможностей представленного датчика были сопоставлены полученные результаты измерений с независимыми данными. В качестве объектов измерений использовались образцы каталогизированных цветных стекол [8] и специально изготовленные цветные диффузные отражатели на основе порошковых полимерных покрытий. Параметры цветности стекол приведены в каталоге [8]. Для диффузных отражателей эти параметры определялись на спектроколориметре с интегрирующей сферой, аналогичном рассмотренному в работе [9].
В обоих случаях (цветные стекла и диффузные отражатели) данные, использованные для сравнительного анализа и принимаемые за эталоны, представляют собой параметры цветности x, y, z в системе XYZ для источника излучения типа „В" [8]:
x = X /(X + Y + Z); y = Y /(X + Y + Z); z = Z /(X + Y + Z
где координаты X, Y, Z цвета определяются как интегралы в области спектра X = 380.. .760 нм:
760
X = к J x(X)x(X)dX;
380
760
Y = к J y (X)i(X)dX;
380
760
Z = к J z (X)i(X)dX,
380
760
к = 100/ J S(X)y(X)dX.
380
В системе (2) x (X), y (X), z (X) — функции удельных координат цвета, S (X) — спектральное распределение энергии излучателя, т(Х) — спектральная зависимость коэффициента пропускания прозрачного образца (или р(Х) — коэффициента отражения диффузного отражателя), к — нормирующий коэффициент.
Для преобразования экспериментальных получаемых в системе RGB результатов в систему XYZ необходимо найти переходную 3 х 3-матрицу:
(1)
(2)
Колориметрический датчик на основе трехэлементного ЯОБ-фотодиода
79
' а11 а12 а13 ^ Г X Х2 Х31 Г Б2 *3 1
а21 а22 а23 = У У2 У3 01 02 03
V а31 а32 а33 ) V г г 2 г3) V б1 Б2 Б3)
-1
(3)
Для определения элементов а^ переходной матрицы использовались три образца цветных стекол или диффузных отражателей, координаты цветности х, у, 2 которых определялись по данным каталога [8] или в результате независимых измерений и переводились в координаты X, У, Z цвета, а координаты Я, О, В цвета определялись по результатам спектральных измерений коэффициента пропускания или отражения этих стекол. В соответствии с найденной переходной матрицей (3) и данными измерений, полученных с использованием колориметрического датчика, можно определить координаты цвета для других образцов:
(4)
Значения X, У, Z преобразовывались в координаты цветности х, у, г [10]. Для цветных стекол эти результаты сопоставлены на рис. 4, где представлен Цифровой график МКО (Международной комиссии по освещению) 1964 г. [8, 10]; здесь параметры цветности эталонных образцов цветных стекол обозначены как „*", а результаты измерений (2 отсчета) тех же параметров с использованием ЯОВ-колориметрического датчика — как „+" и „х". Анализ графика показывает, что измеренные и принимаемые за эталон [8] параметры цветности совпадают. Аналогичные результаты были получены также и для цветных диффузных отражателей.
Г X > Г а11 а12 а13 ^ Гк)
У = а21 а22 а23 0
Vг ) V а31 а32 а33 ) VБ )
у
0,7 ЖЗС18
0,6
0,5 ЗС6 1 х + + ЖС12
0,4 т X ОС14 КС11
0,3 СС2 ■ ПС7 Х.х + X
0,2 \ 4
0,1 1 1 [ I ■ ■ ■
0,1 0,2
0,3 0,4 Рис. 4
0,5 0,6
0,7
Заключение. Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что разработанный колориметрический датчик на основе ЯОВ-фотодиода обеспечивает измерение параметров цветности прозрачных и диффузно отражающих объектов на уровне различимых визуально оттенков цвета. Представляется целесообразным использовать такой датчик для получения цифровой информации о цвете объекта в таких, например, областях, как спектроскопия, фотометрия и даже медицина.
0
х
список литературы
1. Юстова Е. Н. Цветовые измерения: Колориметрия. СПб: Изд-во СПбГУ, 2000.
2. Ohta N., Robertson A. Colorimetry: Fundamentals and Applications. NJ, USA:Wiley-Blackwell, 2005.
3. Malacara-HernandezD. Color vision and colorimetry: theory and applications // Proc. of SPIE. 2011.
4. Koenderink J. J. Color for the Sciences. MA, USA: MIT Press, 2010.
5. Seve R. Colour Physics: From Appearance to Colorimetry Techniques. London: John Wiley and Sons, 1999.
6. Green P., MacDonald L. W. Colour Engineering: Achieving Device Independent Colour. London: John Wiley and Sons, 2002.
7. MacAdam D. L. Selected papers on colorimetry-fundamentals // Proc. of SPIE. 2006.
8. Каталог цветного стекла. М.: Машиностроение, 1967.
9. Белов Н. П., Яськов А. Д., Грисимов В. Н. Лабораторный спектрометр для исследования коэффициента отражения и определения параметров цветности диффузно отражающих объектов // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 7. С. 74—78.
10. Джадд Д., Вышецкий Г. Цвет в науке и технике. М.: Мир, 1978.
Николай Павлович Белов Владимир Николаевич Грисимов Юрий Юрьевич Смирнов Александра Сергеевна Шерстобитова
Андрей Дмитриевич Яськов
Рекомендована кафедрой твердотельной оптоэлектроники
Сведения об авторах
— Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектроники; ст. науч. сотрудник
— д-р мед. наук; Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова, кафедра стоматологии
— аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектроники
— канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектроники; E-mail: ashev87@mail.ru
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектроники
Поступила в редакцию 25.04.11 г.
