The Colorimetric DETECTOR BASED ON three-element RGB-PHOTODIODE

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 основные конструктивные особенности и технико-эксплуатационные характеристики лабораторного колориметрического датчика для измерения параметров цвета прозрачных и диффузно отражающих объектов, использующего трехэлементный фотодиод с R- , G- , B-оптическими фильтрами. 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, цветовое пространство, координаты цвета (цветности).

ВВЕДЕНИЕ. Международная комиссия по освещенности (МКО) в 1931 г. утвердила колориметрическую систему для определения цвета, которая c небольшими изменениями и дополнениями применяется и в настоящее время [1]. Система МКО основана на функциях сравнения , , , определяющих величины красного, зеленого и синего в прошедшем через объект или отраженном от него излучении, смешение которых визуально совпадает с монохроматическим излучением в области длин волн λ = 380-760 нм. Для практического использования функции , , были преобразованы в функции , , (рис. 1) [2, 3], которые используются для вычисления координат цвета X, Y, Z. Математически величины X, Y, Z определяются как интегралы по области спектра λ = 380-760 нм:

(1)

где , , — функции удельных координат цвета, — спектральное распределение энергии излучателя, — спектральная зависимость коэффициента пропускания (или отражения). В системе МКО принято несколько стандартных излучателей (A, B, C, D₆₅) с различной цветовой температурой [1—3], величина Y в этой системе является мерой яркости. Используются также координаты цветности x, y, z, которые представляют собой приведенные значения:

(2)

соответствующие в сумме 1. При использовании координат цветности x, y, z происходит «потеря» величины яркости, так что эти координаты для образцов «белого» и «серого» совпадают.

В трехмерном цветовом пространстве основных цветов можно выделить единичную плоскость (начало координат в точке с координатами цветности x = 0.33333, y = 0.33333). Каждый вектор цвета или его продолжение пересекают эту плоскость в точке с соответствующими координатами. График цветности показан на рис. 2. Эллипсами показаны различимые глазом разности цвета (оттенки). Пунктирная кривая на графике представляет цветности стандартных излучателей МКО. Температура увеличивается справа налево. Стандартный излучатель D₆₅ имеет координаты x = 0.313, y = 0.329 [3] и близок к спектру дневного солнечного цвета.

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 [4], 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. 3. Очевидно, что использование такого фотодиода позволяет упростить конструкцию колориметрического датчика, оптимизировать массогабаритные характеристики (вплоть до создания миниатюрного варианта), а также снизить его стоимость.

В связи с этим цель настоящей работы состояла в разработке и экспериментальном исследовании основных технических характеристик лабораторного колориметра на основе трехэлементного RGB-фотодиода.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ. КАЛИБРОВКА ДАТЧИКА. Структурная схема датчика схематически изображена на рис. 4 (а), его внешний вид показан на рис. 4 (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 диаметров 4 мм. Измерения диффузного отражения производилось в геометрии («стандарт General Electric»). Используемый фотодетектор имеет высокую чувствительность в красной и ближней инфракрасной области спектра при λ > 660 нм (рис. 3). Для подавления этой составляющей сигнала и формирования спектров фоточувствительности, приближенных к стандартным (рис. 1), в осветителе был использован дополнительный оптический фильтр на основе цветного стекла СЗС-23.

Рабочее окно программы пользователя показано на рис. 5. Результаты измерений выводились на экран монитора в графической форме в виде трех кругов красного, зеленого и синего цветов, яркость которых пропорциональна трем сигналам R, G, B фотодетектора. Пересечение этих кругов давало цвет измеренного образца. В графическом окне программы тремя строками выводились также величины сигналов с фотодетектора и значения, использованные для изображения графической картины с тремя кругами.

Помимо спектрального отклика фотоприемника (рис. 3) 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 с коэффициентом отражения по всему цветовому диапазону спектра R = 0.952, аттестоваггый в ФГУ «ТЕСТ-С-Петербург». Результаты измерений на «белом» сохранялись после нажатия кнопки со стрелкой (рис. 5), при этом уровень сигнала в каждом из каналов принимался за единицу. Следующее измерение дает три круга максимальной яркости (255), пересечение которых формирует уровень «белого». Результаты каждого последующего измерения на исследуемых образцах воспроизводились в графической форме на пересечении R, G, B кругов, а также сохранялись в виде строки (правое окно, рис. 5) 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. 5) могло выводиться двадцать строк, затем первая строка заменялась новой и т. д. Данные измерений можно было сохранить в текстовом файле после нажатия кнопки с дискетой.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ. Для анализа метрологических возможностей представленного датчика были сопоставлены полученные здесь результаты измерений с независимыми данными. В качестве объектов измерений использовались образцы каталогизированных цветных стекол [5] и специально изготовленные цветные диффузные отражатели на основе порошковых полимерных покрытий. Для стекол параметры цветности приведены в [5]. Для диффузных отражателей эти параметры определялись здесь с использованием спектроколориметра, аналогичного рассмотренному в [6]. В обоих случаях (цветные стекла и диффузные отражатели) данные, использованные для сравнительного анализа и принимаемые за эталоны, представляли собой параметры цветности x и y в системе X, Y, Z для источника излучения типа В.

Для преобразования экспериментальных результатов, получаемых здесь в системе R, G, B, в систему X, Y, Z необходимо было 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 [5], а координаты цвета R, G, B — по результатам спектральных 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. 6, где видно, что измеренные и принимаемые за эталон [5] параметры цветности совпадают в пределах различимых глазом оттенков цвета (рис. 2). 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.

Рекомендована кафедрой твердотельной оптоэлектроники

Поступила в редакцию

The Colorimetric DETECTOR BASED ON three-element RGB-PHOTODIODE

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

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 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 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: ashev87@mail.ru

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: ashev87@mail.ru

Фамилия: Яськов

Имя: Андрей

Отчество: Дмитриевич

Должность: профессор

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:

Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 89; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!