СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И КАЛИБРОВКИ ЦВЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING AND CALIBRATING COLOUR AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Заявляемое решение относится к области колориметрии для измерения и количественного выражения качества цвета (анализа изображения объекта) в различных областях промышленного производства, где необходимо анализировать или синтезировать цвет объектов.
Известны устройства, предназначенные для указанной цели: спектрофотометры и калориметры (1).
Аналогом является также патент РФ №2063063, в котором защищается способ подачи на датчики рассеянного и перемешанного света от светового пятна (2). Однако ограничением решения по указанному патенту являются недостаточная чувствительность системы, искажение измеряемого света в зависимости от угла падения света источника освещения.
Наиболее близким аналогом является патент на изобретение №2405130 от 31.03.2009, в котором описаны способ и устройство для измерения цвета в виде построения точки на полусфере по координатам цвета (3). Однако с помощью данного изобретения возможно сделать замеры отраженного или проходящего света в абсолютных и/или относительных единицах, но не представляется возможным производить калибровки и замеры со сменными наборами фильтров, имеющие разные функции пропускания светового излучения основных цветов R, G, В, а также возможность измерять цвет между зонами пропускания фильтров R, G, В, строить и откладывать на геометрической сфере трехмерные модели фигуры, построенные от точек измерений, отражающих сложные изменения в исследуемом материале, в отраженном и/или поглощающем световом излучении.
Технической задачей изобретения является повышение точности и достоверности измерения и/или количественного выражения качества цвета объектов, а техническим результатом - возможность калибровать данное цветоизмерительное устройство по любым цветовым эталонам, относительно которых осуществляются цветоизмерения, производить калибровки и замеры со сменными наборами фильтров, имеющими разные функции пропускания светового излучения основных цветов R, G, В, а также возможность измерять цвет между зонами пропускания фильтров R, G, В, строить и откладывать на геометрической сфере или внутри сферы трехмерные модели от точек измерений, отражающих сложные измерения в исследуемом материале, в отраженном и/или поглощающем световом излучении.
Способ цветоизмерения предназначен для измерения цвета в видимом диапазоне спектральной чувствительности от 410 нм-760 нм.
В указанном патенте №2405130 показан способ построения цвета на цветовом треугольнике и в полусфере в виде точки внутри ее пространства.
Предложен способ измерения и калибровки цвета по эталонам цветов, по которым используют принцип электронного запоминания цветовых эталонов и измерение относительно эталонов основных цветов, при этом в качестве эталона к цветоизмерительному окну ставят по очереди эталонные образцы красного R, зеленого G, синего цвета В, а на таблице на мониторе выводят цвет каждого из основных цветов в сочетании с другими основными цветами, значения цвета соседних каналов вычитаются, а пропорции вычитания запоминают для дальнейших измерений и сохраняют, а в качестве средств измерения количества измеряемого света используется блок считывания цвета объекта, который выполнен в виде системы трех светофильтров основных цветов R, G, В, диафрагмы и расположенных за ними светочувствительных датчиков, измерение цвета осуществляют контактно или бесконтактно, механическим путем или электронным сканированием поверхности в видимом диапазоне спектральной чувствительности, в отраженном и в проходящем свете в статике или в движении, характеризующийся тем, что производят калибровку и замеры со сменными наборами фильтров, имеющих разные функции пропускания светового излучения основных цветов R, G, В, а также измеряют цвет между зонами пропускания фильтров R, G, В, строят и откладывают на геометрической сфере трехмерные модели от точек измерений, отражающих сложные изменения в исследуемом материале в отраженном или проходящем световом излучении, и в виде поглощения световой энергии цвета, калибруют данное цветоизмерительное устройство по любым эталонам, относительно которых осуществляют цветоизмерения.
Способ характеризуется тем, что используют принцип запоминания пропорции сложного цвета и ввод его в базу данных в виде пропорции количеств цветов R, G, В, и при обнаружении такого цвета в базе во время измерения цвета и воспроизведения параметров этого цвета в таблице (вывода этого цвета в таблицу) в виде названия цвета и его параметров в нанометрах или в стандартах, необходимых пользователю.
Способ характеризуется тем, что производят переключение фильтров R, G, В с разными функциями пропускании светового излучения.
Устройство для осуществления способа, содержащее корпус, оптический блок восприятия и передачи света на три разделенных канала, светофильтры основных цветов, блок считывания цвета объекта, источники света, волоконно-оптический разветвитель, средства регулировки светом, светочувствительные датчики, электронный усилитель сигналов и кабель передачи сигналов на аналогово-цифровой преобразователь, при этом три канала разветвителя обеспечивают передачу светового излучения от измеряемого объекта, а блок считывания цвета объекта включает средства регулировки светом, три светофильтра и расположенные за ними светочувствительные датчики, характеризуется тем, что оно имеет набор фильтров R, G, В с зональными функциями пропускания либо набор фильтров R, G, В с пересекающимися функциями пропускания света, блок математической обработки сигналов, математическое и геометрическое построения цвета по координатам измерения внутри поверхности полной сферы в виде точек с положительными или отрицательными значениями цвета.
Устройство характеризуется тем, что оно имеет кассеты со сменными наборами фильтров R, G, В и переключатель для установки необходимых наборов фильтров в кассете.
Предлагаемый способ построения цвета в цветоизмерительном устройстве, в котором для разделения света использованы фильтры основных цветов "R", "G", "В", вариант набора фильтров R, G, В с зональными функциями пропускания и варианты набора фильтров R, G, B с пересекающимися функциями пропускания света, их математической обработки, построении цвета по координатам измерения внутри поверхности полной сферы в виде точки или набора точек, где в одной половине сферы, на поверхности сферы или внутри сферы откладываются точки координат цвета излучения или отражения света, а в другой, противоположной половине сферы откладываются точки, описывающие поглощения световой энергии - цвета и использование на практике этих принципов. Использование разных наборов фильтров R, G, В дает возможность использовать сменные кассеты с наборами этих фильтров и при необходимости использовать переключатель в кассете для установки необходимых наборов фильтров R, G, B.
На фиг.1-3 изображено: фиг.1 - пропускание светового излучения через фильтры, фиг.2 - схема построения координаты точки цвета на цветовой сфере или внутри ее, фиг.3 - построение трехмерных фигур от точек координат цвета.
На фиг.1 в позиции А показана функция пропускания светового излучения через три зональных фильтра: красный-“R”, зеленый-“G”, синий-“В”, которые имеют области пропускания светового излучения каждого фильтра в своей зоне, и с функциями пропускания светового излучения с соседними фильтрами эти области не пересекаются. На Фиг.1 В и С показаны варианты функции пропускания светового излучения через три фильтра красный-“R”, зеленый-“G”, синий-“В”, с пересекающимися зонами пропускания светового излучения с зонами пропускания светового излучения каждого с соседним фильтром. Фильтр R имеет пик пропускания светового излучения в области длины волны 700 нм и заходит в область пропускания светового излучения соседнего фильтра “G” до зоны 546,1нм, фильтр “G” имеет пик пропускания светового излучения в области 546,1нм и заходит в области соседних фильтров “R” и “В”, где в фильтре “R” доходит до зоны пропускания светового излучения 750 нм, а в фильтре “В” до зоны пропускания излучения 410 нм. Фильтр “В” имеет пик пропускания светового излучения в области 435,8 нм и заходит в область пропускания светового излучения фильтра “G” и “В” и доходит до зоны пропускания светового излучения до 546,1нм.
На фиг.1, в позиции С, показан другой вариант пропускания светового излучения через три фильтра красный-“R”, зеленый-“G”, синий-“В”, с функциями пропускания светового излучения, пересекающимися с зонами соседних фильтров. Фильтр “R” имеет пик пропускания светового излучения в области длины волны 700 нм и заходит в область пропускания светового излучения соседних фильтров “G” и “В”, доходит до зоны пропускания светового излучения 410 нм, фильтр “G" имеет пик пропускания в области длины волны 546,1нм и заходит в области пропускания светового излучения соседних фильтров “R” и “В”, в “R” до зоны пропускания светового излучения 750 нм, а в фильтре "В" до зоны пропускания излучения 410 нм. Фильтр “В” имеет пик пропускания светового излучения в области 435,8 нм и заходит в область пропускания светового излучения фильтра G и фильтра R и доходит до зоны пропускания светового излучения 750 нм. Таким образом, каждый из трех фильтров по пропусканию световых излучений имеет пики пропускания светового излучения согласно функциям R, G, В, а начинается и заканчивается каждый фильтр от 750 нм до 410 нм, проходя каждый по пропусканию светового излучения по всему видимому спектру светового излучения. Такое использование трех фильтров “R”, “G”, “В” в цветоизмерительном устройстве с пересекающимися функциями пропускания светового излучения с соседними фильтрами необходимо для измерения цвета не только в области участков пропускания измеряемого цвета через фильтры R, G, В, но и в областях между ними, между красным-R, зеленым-G и синим-В и в дальнейшем для программирования измеренных цветов или основных эталонных цветов или для калибровки цветоизмерительного устройства по эталонным цветовым образцам или по эталонным фильтрам. Например, если на просвет по очереди поместить перед светоприемным окошком цветоизмерительной головки эталонные метрологические фильтры: красный-R, зеленый-G, синий-В и их по очереди померить цветоизмерительным устройством, то после измеренного красного эталонного фильтра R, в графе R, в котором будут отображены значения количества красного цвета R, получим некоторое число, например: в графе красного цвета, R=80, в графе зеленого, G=50, а в графе синего цвета, В=10. Если при этом в качестве эталона красного цвета был метрологический эталон красного цвета, то все значения соседних цветов обнуляем и операции вычитания при этом цветов из значений соседних фильтров при помощи программы запоминаем для последующих измерений и вычитаний для получения значения красного цвета "R". Пример показан на таблице 1.
Таблица 1
R
G
В
80
50
10
После вычитания значений цветов G и В, по каналу красного цвета останется только чисто красный цвет, соответствующий эталону, таблица 2.
Таблица 2
R
G
В
80
Такие же операции с вычитанием соседних цветов делаются и при калибровке устройства по зеленому метрологическому фильтру “G” и по синему фильтру “В”. При калибровке устройства вводятся в систему построения цвета метрологические эталоны цветоизмерительных RGB фильтров или цветов на образцах. Таким образом можно ввести в систему измерения и сложные смешанные цвета и каждому цвету дать шкалу значений длины волны излучения, показанные в таблице 3. Можно и после калибровки основных измеряемых фильтров RGB делать измерения сложных смешанных цветов и отобразить их координаты на шкале длины волны, таблица 3.,
Калибровка белого цвета в относительных единицах делается по эталону белого цвета перед цветоизмерениями, где все значения красного-“R”, зеленого-“G” и синего цвета-“В”, принимаются за 100% и относительно их делаются измерения. За эталон белого цвета можно принять любой цвет и относительно его делать дальнейшие измерения. Можно делать замеры и в абсолютных единицах.
После измерения цвета по полученным координатам цвета в относительных или абсолютных единицах согласно патенту №2405130 можно в виде точки построить цвет на полусфере, в отличие от данной заявки, где точка по координатам цвета строится на полусфере.
Предлагаемый способ построения цвета строится внутри поверхности полной сферы, при этом задействовано все пространство сферы и верхняя, и нижняя часть.
Половинная часть сферы, например верхняя - полусфера, предназначена для построения координаты цвета в виде точки, характеризующей проходящий или отраженный свет. Противоположная часть сферы, например нижняя часть сферы - полусфера, предназначена для построения координаты цвета в виде точки, характеризующей поглощение цвета. Если на сфере откладывать точки изменения координат цвета в зависимости от изменения состояния объекта, например, старения объекта, изменения влажности, разложения или любых других изменений, то на сфере будет выстроена функция этих изменений в виде геометрической трехмерной фигуры. Если взаимозависимые явления отражаются на математической сфере, то строится фигура или несколько объемных фигур - математических тел. А если надо показать относительные изменения одних математических тел от других, то строится третья геометрическая фигура от разницы сравнения двух математических тел фигур. Может быть построено множество основных математических фигур на сфере и множество математических фигур тел от сравнения этих фигур, как в статике, так и в динамике от относительного их изменения в пространстве. Эти фигуры от относительных изменений объектов, отражающие сложные явления в проявлении этих объектов, строятся, например, на верхней половинной части полусферы, а в противоположной части полусферы симметрично он нее можно строить те же фигуры с отражением противоположных свойств поглощения светового излучения. Такие построения можно делать внутри сферы, используя, как относительные единицы измерения, так и абсолютные. Если в патенте №2405130 между цветом R и цветом G поворот вектора от максимального значения цвета R=60, вектора r=60, в сторону наименьшего значения цвета G=30, вектора g=30. Так как при сложении двух векторов образуется третий вектор, то направление поворота вектора r по направлению RG, отложенному на нем по максимальному значению этого вектора=60 единиц и перемещенному в сторону цвета наименьшей величины G=30, на расстояние, равное половине этого значения 30/2=15. Формула: при векторе R=60, при векторе G=30. LR1=LR+RR1. r1=r+g/2. r1=r+30/2. g=RR1=30/2=15. Поворот вектора r до вектора r1 будет r1=r+15. Векторный способ будет давать координаты цвета на поверхности цветового треугольника, диаграмме цветности или поверхности круга с высокой степенью градации или разрешения при построении на полной сфере или внутри ее, как с положительными значениями в одной половине сферы, так и с отрицательными значениями в противоположной половине сферы, где W и -W являются значением количества белого цвета от центра сферы - нулевым значением, где вектор, идущий вверх, это положительное значение белого цвета, а вектор, идущий в противоположную сторону вниз, это отрицательное значение белого цвета, характеризующее значение количества поглощения белого цвета, при этом на сфере точки R, G, В являются координатами основных цветов на цветовом круге, относительно которых строятся точки измеряемых цветов на плоскости цветового круга R, G, В, где R и -R на фигуре - обозначение противоположного отрицательного значения по основному красному цвету R, и такие же действия можно осуществлять с цветами как G и В, так и с любыми сложными цветами на цветовом круге. Векторы R1 и -R, R2 и -R2 являются векторами, которые от R1 до R2 осуществляют поворот для построения точки координаты цвета на сфере с положительными значениями. Точка R2 и в противоположной части сферы точка -R2 являются положительными и отрицательными значениями координаты измеренного цвета на сфере (фиг.2, 3).
На фиг.3 изображено построение от множества измеренных точек сложных трехмерных фигур внутри сферы с положительными значениями в одной половине сферы и в противоположной половине сферы с отрицательными значениями. Rn обозначает трехмерную фигуру, построенную от множество точек с положительными значениями цвета, а в противоположной части сферы -Rn обозначает построенную трехмерную фигуру от данных измерений с отрицательными значениями цвета.
Таким образом, можно калибровать и вводить в базу данных большое количество названий цветов или указывать их координаты в нанометрах или других единицах.
В предлагаемом нами способе построения цвета кроме половинной части от сферы в полусфере, например верхняя полусфера, предназначенной для построения координаты цвета в виде точки, характеризующей излучения проходящего или отраженного света, строится симметричная точка цвета в противоположной части сферы с отрицательными значениями и со свойствами, противоположными излучению - поглощение цвета, которые могут быть построены как в относительных, так и в абсолютных единицах (фиг.2). Построение цвета излучения и цвета поглощения в виде точек и построение из этих точек пространственных трехмерных фигур показано на фиг.3.
Предлагаемое цветоизмерительное устройство компактное, имеет маленькие габариты, повышенную чувствительность и может настраиваться и программироваться в широком диапазоне применения и в разных системах измерения. Имеется возможность калибровать данное цветоизмерительное устройство по любым эталонам, относительно которых осуществляются цветоизмерения, производить калибровки и замеры со сменными наборами фильтров, имеющие разные функции пропускания светового излучения основных цветов R, G, В, а также возможность измерять цвет между зонами пропускания фильтров R, G, В, строить и откладывать на геометрической сфере трехмерные модели-фигуры от точек измерений, отражающих сложные изменения в исследуемом материале, в отраженном, излучающем или поглощающем световом излучении. Одновременно на геометрической сфере можно откладывать множество пространственных фигур и производить вычисления относительных их изменений, исследуя сложные свойства этих материалов как в статике, так и во временном изменении.
Источники информации
1. http://www.econix.com/catalog.html
http://www.inergo.ru/catalog/section.php?SECTION_ID=335 http://td-kip.ru/katalog/index.php http://vta.ru/production/lab/analit/optical/spectrofotometruniko/
2. Патент РФ №2063063, 1996 г.
3. Патент на изобретение РФ №2405130, 2009 г.