Например, Бобцов

КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ОСНОВЕ ТРЕХЭЛЕМЕНТНОГО RGB-ФОТОДИОДА

76 Н. П. Белов, В. Н. Грисимов, Ю. Ю. Смирнов и др.
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 об-

ласти длин волн λ = 380…760 нм и вычислять на основе спектральных данных параметры

цвета (цветности) в любой из известных колориметрических систем. Использование спектро-

метров 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 иссле-

дований оптико-спектральных датчиков на основе фотодиода с тремя фотоприемными пло-

щадками, имеющими оптические фильтры для выделения красного (R), зеленого (G) или си-

него (B) компонентов регистрируемого излучения. Три составляющие выходного сигнала фо-

топриемника определяются его относительной спектральной чувствительностью, типичный

график Vпр(λ) 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.

Vпр(λ), о.е.

R

0,8

G 0,6
B
0,4

0,2

0

400 450 500 550 600 650

λ, нм

Рис. 1

В связи с этим был разработан и экспериментально исследован лабораторный колори-

метр на основе трехэлементного RGB-фотодиода. В настоящей статье рассматриваются ос-

новные конструктивные особенности и технические характеристики датчика.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3

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 отра-
жения производились в геометрии 0/45° (по стандарту фирмы “General Electric”, США). Используемый фотодетектор имел высокую чувствительность в красной и ближней инфракрасной областях спектра при λ > 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 СЗС-23.

Объектив

Осветитель

RGB-фотодиод

Галогенная лампа Образец

Оптический фильтр

Электронная плата сбора и обработки

данных

Персональный

Волоконно-оптический

компьютер

жгут

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 R, G, B фотодетектора. Пересечение этих кругов отображает цвет исследуемого образца (с учетом графических возможностей экрана монитора). В графическом окне программы выводятся также величины сигналов с фотодетектора.

RG B

Рис. 3
Калибровка датчика. Результаты тестовых измерений. Помимо спектрального отклика фотоприемника (см. рис. 1), путем спектрального пропускания и отражения компонентов
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3

78 Н. П. Белов, В. Н. Грисимов, Ю. Ю. Смирнов и др.

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 произве-

сти калибровку датчика по эталону „белого“. При измерении коэффициента пропускания (Т)

в качестве такого эталона использовался „свободный“ канал (Т = 1), а при измерении коэф-

фициента отражения — диффузный отражатель (аттестованный в ФГУ „ТЕСТ-С-Петербург“)

на основе молочного стекла МС-22 с коэффициентом отражения R = 0,952 по всему цветово-

му диапазону спектра. Результаты измерений по эталону „белого“ сохраняются после нажа-

тия 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 этало-

ну „белого“).

Для анализа метрологических возможностей представленного датчика были сопостав-

лены полученные результаты измерений с независимыми данными. В качестве объектов из-

мерений использовались образцы каталогизированных цветных стекол [8] и специально из-

готовленные цветные диффузные отражатели на основе порошковых полимерных покрытий.

Параметры цветности стекол приведены в каталоге [8]. Для диффузных отражателей эти па-

раметры определялись на спектроколориметре с интегрирующей сферой, аналогичном рас-

смотренному в работе [9].

В обоих случаях (цветные стекла и диффузные отражатели) данные, использованные

для сравнительного анализа и принимаемые за эталоны, представляют собой параметры цвет-

ности 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 ), ⎪⎭

(1)

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

760
X = k ∫ x (λ)τ(λ)dλ; 380
760
Y = k ∫ y(λ)τ(λ)dλ;

⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪

380
760
Z = k ∫ z (λ)τ(λ)dλ,

⎪ ⎬ ⎪ ⎪

380 ⎪

760 ⎪

∫k = 100 380 S(λ) y(λ)dλ.⎪⎪⎭

(2)

В системе (2) x (λ) , y(λ) , z (λ) — функции удельных координат цвета, S(λ) — спек-

тральное распределение энергии излучателя, τ(λ) — спектральная зависимость коэффициен-

та пропускания прозрачного образца (или ρ(λ) — коэффициента отражения диффузного от-

ражателя), k — нормирующий коэффициент.

Для преобразования экспериментальных получаемых в системе RGB результатов в сис-

тему XYZ необходимо найти переходную 3× 3-матрицу:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3

Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода

79

⎛ a11 a12 a13 ⎞ ⎛ X1 X 2 X3 ⎞ ⎛ R1 R2 R3 ⎞−1

⎜ ⎜

a21

a22

a23

⎟ ⎟

=

⎜ ⎜

Y1

Y2

Y3

⎟ ⎟



⎜ ⎜

G1

G2

G3

⎟ ⎟

.

⎜⎝ a31 a32 a33 ⎠⎟ ⎝⎜ Z1 Z2 Z3 ⎟⎠ ⎜⎝ B1 B2 B3 ⎠⎟

(3)

Для определения элементов aij переходной матрицы использовались три образца цветных стекол или диффузных отражателей, координаты цветности x, y, z которых определялись по данным каталога [8] или в результате независимых измерений и переводились в координаты X, Y, Z цвета, а координаты R, G, B 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:

⎛ X ⎞ ⎛ a11 a12 a13 ⎞ ⎛ R ⎞

⎜ ⎜⎜⎝

Y Z

⎟ ⎟⎟⎠

=

⎜ ⎜

a21

⎝⎜ a31

a22 a32

a23 a33

⎟ ⎟ ⎟⎠



⎜ ⎜⎜⎝

G B

⎟ ⎟⎠⎟

,

(4)

Значения X, Y, Z преобразовывались в координаты цветности x, y, z [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 RGB-колориметрического датчика — как „+“ и „×“. Анализ графика показывает, что измеренные и принимаемые за эталон [8] параметры цветности совпадают. Аналогичные результаты были получены также и для цветных диффузных отражателей.

y

0,7 ЖЗС18 0,6

0,5

ЗС6 ЖС12

0,4

0,3 ПС7
СС2 0,2

0,1

ОС14 КС11

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 x
Рис. 4
Заключение. Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что разработанный колориметрический датчик на основе RGB-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.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3

80 Н. П. Белов, В. Н. Грисимов, Ю. Ю. Смирнов и др.

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-Hernandez D. 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

Сведения об авторах — Санкт-Петербургский национальный исследовательский уни-
верситет 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

Рекомендована кафедрой твердотельной оптоэлектроники

Поступила в редакцию 25.04.11 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3