Физика/7. Оптика

Белов Н.П.¹, д.м.н. Грисимов В.Н.², к.т.н. Майоров Е.Е.³, Смирнов Ю.Ю.¹, Шерстобитова А.С.¹, д.т.н. Яськов А.Д.¹

¹Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Россия

² Санкт-Петербургский Государственный Медицинский Университет им. акад. И. П. Павлова, Россия

³ Северо-Западный государственный заочный технический университет, Россия

Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода для определения параметров цвета диффузно отражающих объектов

В настоящее время определение параметров цвета (цветности) диффузно отражающих объектов в любой из колориметрических систем (RGB, XYZ, CIE Lab и др.) связано с измерением их спектров отражения в видимой области длин волн (λ = 380-760 нм). В составе большинства колориметрических приборов [1-3] используются спектрометры, что ведет к усложнению их конструкции и возрастанию стоимости. Поэтому цель настоящей работы состояла в разработке для колориметрических исследований оптико-спектрального датчика на основе фотодиода с тремя фотоприемными площадками, имеющими оптические фильтры для выделения красной, зеленой или синей компонент регистрируемого излучения, а также экспериментальном исследовании его основных технических характеристик.

Структурная схема датчика схематически изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема колориметрического датчика

Прибор включал в себя интегрирующую сферу 1 (диаметр полости 70 мм) с выходным портом (Ø = 12 мм) для установки образцов. Излучателем служил светодиод 2. Источник света был закрыт экраном 3, препятствующим прямому попаданию излучения на образец. Диффузно отраженный от образца 4 свет передавался на фотоприемник посредством волоконно-оптического жгута 5 (Ø = 4 мм). Используемый фотодетектор 6 имел высокую чувствительность в красной и ближней инфракрасной области спектра при λ > 660 нм, поэтому для подавления этих составляющих сигнала и формирования спектров фоточувствительности, приближенных к стандарту системы RGB, в датчике использовался дополнительный оптический фильтр 7 на основе цветного стекла СЗС-23. Электронная система сбора и обработки данных 8 обеспечивала измерение уровня сигналов в каждом из трех оптических каналов, оцифровку и усреднение этих сигналов. Специально разработанное программное обеспечение позволяло выводить данные измерений в цифровом и графическом виде в виде трех кругов красного, зеленого и синего цветов, яркость которых пропорциональна трем сигналам RGB-фотодетектора. Пересечение этих кругов давало цвет исследуемого образца.

Для определения параметров цвета, близкого к цвету исследуемого объекта, производилась калибровка датчика по эталону «белого», в качестве которого применялся диффузный отражатель на основе молочного стекла МС-22 с коэффициентом отражения по всему цветовому диапазону спектра R = 0.952 (аттестован в ФГУ «ТЕСТ-С-Петербург»). Результаты измерений параметров цвета R, G, B исследуемых образцов приводились к значениям в диапазоне от 0 до 1 (калибровка по эталону «белого»).

Объектами измерений служили специально изготовленные цветные диффузные отражатели на основе порошковых полимерных покрытий. Для анализа метрологических возможностей колориметрического датчика полученные здесь параметры цвета были сопоставлены с данными независимых измерений на спектроколориметре с интегрирующей сферой, аналогичного рассмотренному в [4].

Для преобразования экспериментальных результатов, получаемых здесь в системе RGB, в систему XYZ использовалось матричное уравнение:

(1)

Для определения элементов а₁₁, а₁₂, а₁₃, а₂₁, а₂₂, а₂₃, а₃₁, а₃₂, а₃₃ переходной матрицы использовалось три образца диффузных отражателей, координаты цветности x, y, z которых находились по результатам независимых измерений и переводились в координаты цвета X, Y, Z аналогично [1], а координаты цвета R, G, B – по данным спектральных измерений их коэффициента отражения. Используя переходную матрицу и измеренные с помощью колориметрического датчика параметры R, G, B, можно было получать координаты цвета для других образцов.

Экспериментальные исследования показали, что колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода обеспечивает измерение параметров цвета диффузно отражающих объектов на вполне приемлемом уровне.

Литература:

1. Джадд Д., Вышецкий Г. Цвет в науке и технике. – М.: Мир, 1978. – 592 с.

2. Юстова Е. Н. Цветовые измерения: Колориметрия. – СПб: Издательство СПб ГУ, 2000. – 397 с.

3. Ohta N., Robertson A. Colorimetry: Fundamentals and Applications. – John Wiley & Sons, Inc., 2005. – 350 р.

4. 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.