МНОГОЦВЕТНЫЙ КОЛОРИМЕТР

Изобретение относится к цветной фотометрии и колориметрии, в частности к устройствам измерения координат цвета и цветности и может быть использовано для контроля верности передачи и воспроизведения цветного изображения в телевидении, полиграфии, кино, цветной фотографии и т.д.
Известно устройство, в котором световое излучение от объекта преобразуют в три электрических сигнала, осуществляют нелинейное преобразование сигналов и векторное суммирование этих сигналов, полученная сумма образует сигнал, по которому измеряют цветовую яркость. Сигнал цветовой яркости подвергают специальному преобразованию и по полученному сигналу измеряют цветовую амплитуду. Эту амплитуду образуют первый и второй ортогональные сигналы цветности, из них методом векторного суммирования образуют сигнал цветности [1].
Недостаток известного устройства - сложность обработки сигналов фотоприемников, в связи, с чем невозможно получение высокой точности измерения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является колориметр [2], содержащий источник света, оптически связан с фотоэлектронным преобразователем, задающий генератор и блок регистрации. Это устройство содержит механически вращающую турель с интерференционными светофильтрами и три одинаковых канала для преобразования свет-сигнал, с пропорциональным усилением сигнала в соответствии с кривыми сложения. Математические вычисления измеренных данных для получения координат цвета и цветности в данном устройстве производится с помощью сумматоров
Недостаток известного устройства заключается в наличии механического узла, состоящего из вращающийся турели с интерференционными фильтрами, а также за счет достаточно широкой полосы пропускания интерференционных фильтров, порядка 5 нм принципиально не возможно получения высокой точности измерения цветовых координат некоторых объектов имеющих узкополосные (линейчатые) спектры излучения, в частности некоторые виды люминофоров.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения цветовых координат объектов, имеющие линейчатые узкополосные спектры излучения, в частности некоторые виды люминофоров, применяемых в телевидении, простота конструкции и процесса измерения.
Этот технический результат достигается тем, что в многоцветный колориметр, содержащий источник света, оптически связанный с фотоэлектронным преобразователем, задающий генератор и блок
регистрации, дополнительно введены регулируемая входная щель, первый объектив и стеклянная трехгранная призма, оптический спектр которой через второй объектив подан на фотоэлектронный преобразователь, с выхода которого видеосигнал подан на вход коммутатора, выход которого подан на вход цифрового вольтметра, при этом управляющие входы коммутатора, блока памяти, арифметического блока и цифрового вольтметра связаны с задающим генератором, который синхронизирован видеосигналом фотоэлектронного преобразователя, выходной код цифрового вольтметра соединен с блоком памяти, который в свою очередь связан с арифметическим блоком, и выход арифметического блока соединен с блоком регистрации координат цветности.
На фиг.1 приведена структурная схема многоцветного колориметра.
Измеряемое оптическое излучение источника света 1 через входную регулируемую щель 2 и первый объектив 3, попадает на стеклянную трехгранную призму 4, которая разлагает входное излучение в оптический спектр. Этот спектр с помощью второго объектива 5 подан фотоэлектронным преобразователем 6. Видеосигнал фотоэлектронного преобразователя 6 поступает на коммутатор 7, который служит для временного разделения по линиям оптического спектра на время, за которое возможно преобразование в цифровое значение и измерение электрического сигнала с помощью цифрового вольтметра 8. Управление коммутатором 7 происходит от задающего генератора 9. Этот же задающий генератор 9 вырабатывает импульс запуска цифрового вольтметра 8. Измеренный видеосигнал с цифрового вольтметра 8 поступает в блок памяти 10. Блок памяти соединен с арифметическим блоком 11, который обрабатывает по известным алгоритмам, например для МКО 1931 г. (x, у) [3], информацию об оптическом спектре. Арифметический блок 11 соединен с блоком регистрации 12, на котором регистрируется результат измерения координат цвета и цветности в системе МКО.
В приборе можно предусмотреть связь с компьютером посредством последовательного порта СОМ или USB 13. На фиг.1 это показано пунктиром.
Числами 14 - 20 на фиг.1 обозначены области оптического спектра, соответственно от «красной» до «фиолетовой». Устройство работает следующим образом.
Входное излучение от источника света 1 попадает на входную регулируемую щель 2, установленную перед первым объективом 3 за которым находится стеклянная трехгранная призма 4, которая разлагает входное излучение в оптический спектр по длинам волн от "красного" до "фиолетового" диапазона. Далее полученный спектр поступает через второй объектив 5 на фотоэлектронный преобразователь 6. В качестве фотоэлектронного преобразователя в устройстве используется телевизионная черно-белая передающая камера, выполненная на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС в предлагаемом приборе ориентирована относительно спектра так, чтобы линии спектра совпадали с линиями
строчной развертки, т.е. телевизионная камера относительно спектра повернута на 90°, а вся оптическая система настроена так, чтобы геометрическая ширина спектра (от "красного" до "фиолетового") укладывалась на длине квадрата, соответствующей высоте телевизионного кадра. Таким образом, в каждой строке видеосигнала на выходе телевизионной камеры присутствует информация об интенсивности линии спектра на всех длинах волн, определенных с точностью до разрешающей способности телевизионной камеры. Полученный видеосигнал с телевизионной камеры 6 поступает на вход коммутатора 7, служащий для временного разделения строк телевизионного раста на время, за которое возможно преобразование в цифровое значение и измерение видеосигнала телевизионной строки с помощью цифрового вольтметра 8. Управление коммутатором происходит от задающего генератора 9, синхронизация которого осуществляется с помощью строчных и кадровых импульсов развертки телевизионного растра, присутствующих в видеосигнале телевизионной камеры 6. Этот же задающий генератор 9 вырабатывает импульс запуска цифрового вольтметра 8. Выход цифрового вольтметра 8 соединен с блоком памяти 10, адрес ячейки памяти определяется порядковым номером строки телевизионного растра и управляется задающим генератором 9. Блок памяти дополнительно содержит область энергонезависимой памяти (на фиг.1. эта область не показана). В этой области хранятся значения кривых сложения МКО, например,
и корректирующие коэффициенты k(λ), учитывающие неравномерность спектральной характеристики по длинам волн. Этот массив констант заноситься в область энергонезависимой памяти во время калибровки и настройки прибора.
После измерения и занесения в блок памяти всех ординат оптического спектра начинает работать арифметический блок 11. Его роль заключается в выполнении вычислений по известным формулам, например, для МКО 1931 г. (x,у) [3]:
Координаты цветности x и y выводятся на блок регистрации 12. На этом работа прибора заканчивается.
Относительно выбора телевизионной камеры. Согласно литературным данным [4, 5] квантовая эффективность ПЗС самая высокая. Квантовая эффективность - это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на коэффициент преобразования заряда фотоэлектрона в зарегистрированный полезный сигнал. Поскольку этот коэффициент всегда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода. Особенно велико это различие для приборов с низкоэффективной системой регистрации сигнала. По квантовой эффективности ПЗС не имеют себе равных. Кроме того, большим преимуществом ПЗС - является большая стабильность чувствительности. Стабильность - неотъемлемое свойство ПЗС как твердотельного прибора. Здесь, прежде всего, подразумевается стабильность чувствительности во времени [4].
Спектральная характеристика чувствительности ПЗС имеет очень широкий диапазон по спектру длин волн и далеко заходит в инфракрасный диапазон. Это явление не отражается на работе устройства, так как инфракрасная область спектра прибором не регистрируется (см. фиг.1), кроме того, кривые сложения на этом участке длин волн равны нулю [3].
Кроме того ПЗС обладают высокой степенью линейности характеристики свет-сигнал. Другими словами, число электронов, собираемых в пикселе, строго пропорционально числу фотонов, попавших на ПЗС. К выбору ПЗС особых требований не предъявляется. Четкость не должна быть меньше 400-500 линий по вертикали, при этом оптический спектр будет сканироваться приблизительно через 1 нм. (780-380=400 нм - оптический диапазон спектра). Такое сравнительно низкое разрешение четкости значительно удешевляет телекамеру.
В ближайшем аналогичном приборе сканирование оптического излучение в спектр осуществляется за счет поочередной механической смены интерференционных светофильтров и регистрация сигналов ординат спектра производится тремя идентичными каналами, но каждый из которых имеет коэффициент передачи пропорциональный кривым сложения МКО.
Таким образом, новые признаки предложенного устройства обеспечивают детального измерения ординат оптического спектра, а значит, повышают точность измерений цветовых координат, а за счет электронного сканирования спектра - увеличивается надежность, уменьшаются габариты прибора, и процесс измерения становиться более удобным и легким.
Источники информации:
1.Пат. РФ №2087879, МПК G01J 3/46
2.Авт. свид. СССР №881539, МПК G 01 J 3/50
3.Кустарев А. К. " Колориметрия цветного телевидения". М.: Связь, 1967.
4.Неизвестный С. И., Никулин О. Ю. «Приборы с зарядовой связью основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС. В Жур. "Специальная Техника" №5,1999.
5. Уваров Н. Секреты высокой чувствительности ТВ камер. В Жур. "Алгоритм безопасности" №6,2002.