ФОТОМЕТР-КОЛОРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к фотометрии (в частности, к колориметрии) и может быть использован для измерения коэффициента диффузного отражения и координат цвета (цветности) различных объектов.
Известна установка для измерения коэффициента отражения диффузно рассеивающих поверхностей (Пат. RU 38059, опубл. 20.05.2004). Установка состоит из фотометрического шара, имеющего три отверстия, причем у первого из них установлен осветитель, в корпусе которого размещены источник излучения и оптическая система для преобразования пучка излучения, второе отверстие закрыто исследуемым образцом, в третьем установлен приемник излучения - фотоэлемент, соединенный с устройством регистрации. Внутренняя поверхность фотометрического шара покрыта люминофором. Приемник излучения снабжен фильтром.
Недостатками данной установки являются:
- использование для освещения образца только незначительной части светового потока от источника излучения, определяемого его числовой апертурой и апертурой формирующей оптической системы;
- отсутствие в оптической системе экранов, блокирующих прямую засветку образца;
- невозможность измерения цветовых параметров (координат цвета или цветности) исследуемого объекта с диффузным коэффициентом отражения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототип) является эталонное устройство для передачи размера единиц координат цветности самосветящихся объектов (Пат. RU 91761, опубл. 27.02.2010). Устройство включает в себя: фотометрический шар, набор источников излучения с излучением близким к монохроматическому излучению, источник питания источников излучения, спектрорадиометр, систему регистрации выходных сигналов и их обработки, набор стеклянных цветных оптических фильтров, посадочное место в фотометрическом шаре для размещения источников излучения, щиток для устранения направленного излучения от источников излучения, светорассеивающий экран в плоскости выходного отверстия фотометрического шара для равномерного распределения излучения по площади.
Недостатками данной установки являются:
- использование для освещения образца только незначительной части светового потока от источника излучения;
-
сложная конструкция с применением спекрорадиометра, что приводит к увеличению стоимости прибора в целом и возрастанию его массогабаритных характеристик;
- невозможность использования в жестких условиях эксплуатации (например, на производственных технологических линиях в режиме «on-line») и, тем более, создания портативного колориметра.
Задачей полезной модели является создание фотометра-колориметра, обеспечивающего измерение коэффициента диффузного отражения различных объектов и их цветовых параметров (координат цвета или цветности).
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение эффективности использования излучателя, снижение массогабаритных параметров фотометра-колориметра вплоть до возможности реализации портативных моделей, повышение долговременной временной стабильности приемно-регистрирующего тракта.
Фотометр-колориметр содержит фотометрический шар с одним отверстием, закрытым эталоном или исследуемым образцом. В центре фотометрического шара располагается непрозрачный экран, блокирующий прямую засветку эталона или образца. Плоскость экрана расположена по нормали к отверстию в шаре. На плоскости экрана, противоположной образцу, установлен излучатель вместе с электрической схемой его питания. На плоскости экрана, обращенной к образцу, расположен трехэлементный RGB ("red-green-blue") фотодиод со встроенными планарными светофильтрами для выделения красной, зеленой и синей составляющих в регистрируемом излучении. На той же плоскости экрана расположены электронная плата сбора, обработки и вывода данных измерений; оптическая система с объективом, формирующим изображение эталона или образца на приемных площадках RGB фотодиода, закрытая экранирующим внешнюю засветку корпусом, с оптическим фильтром из цветного стекла для подавления излучения в области длин волн более 660 нм.
Фотометр-колориметр отличается тем, что внутренняя поверхность фотометрического шара имеет белое матовое покрытие с равномерным по спектру коэффициентом диффузного отражения в области длин волн от 380 до 760 нм. Светофильтр приемника излучения выполнен в виде стеклянной пластины из цветного стекла, подавляющего излучение на длинах волн более 660 нм.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой изображена структурно-функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит: фотометрический шар 1, экран 2, исследуемый образец (или эталон) 3, фланцы 4, излучатель 5, электронную плату сбора, обработки и вывода данных измерений 6, RGB фотодиод 7, объектив 8, светофильтр 9, электрическую плату питания излучателя 10.
Фотометр-колориметр работает следующим образом.
Перед включением прибора отверстие (входной люк) в фотометрическом шаре закрывают эталоном или исследуемым образцом. Фотометрический шар имеет два полушария, устанавливаемых крепежными стяжками на фланцах. После включения прибора световой поток от излучателя, подключенного к источнику электрического питания на плате, обеспечивает засветку внутренней поверхности фотометрического шара и верхней поверхности экрана. Непрозрачный экран, установленный в центре фотометрического шара, блокирует прямое попадание светового потока от излучателя на эталон или исследуемый образец. Составляющая светового потока, диффузно отраженная от внутренней поверхности фотометрического шара и экрана частично попадает на эталон или образец. Часть отраженного от эталона или образца светового потока передается через оптическую систему, включающую в себя объектив и оптический фильтр на основе цветного стекла, на трехэлементную фотоприемную площадку RGB фотодиода со встроенными планарными светофильтрами для выделения красной, зеленой и синей составляющих в регистрируемом световом потоке. Оптическая система приемного тракта в составе RGB фотодиода, объектива и оптического фильтра на основе цветного стекла закрыта светозащитным корпусом, экранирующим внешнюю засветку элементов. Дополнительный оптический фильтр на основе цветного стекла частично подавляет или полностью блокирует поток регистрируемого излучения на длинах волн более 660 нм, что позволяет сформировать чувствительность приемно-регистрирующего тракта фотометра-колориметра, близкую к чувствительности нормативного наблюдателя в RGB ("red-green-blue") колориметрической системе. Три выходных аналоговых сигнала с фотоприемных площадок RGB фотодиода измеряются, обрабатываются (усредняются и оцифровываются) и выводятся на персональный компьютер электронной платой сбора, обработки и вывода данных. Прилагаемое программное обеспечение позволяет выводить результаты измерений в графической форме соответственно основным цветам RGB колориметрической системы в виде трех пересекающихся цветных кругов, пересечение которых воспроизводит цвет исследуемого объекта, или же в виде числового массива из трех чисел в восьмиразрядном формате, принятом в системе RGB.
После включения прибора необходимо произвести его калибровку по принятому эталону. При калибровке отверстие (входной люк) в фотометрическом шаре закрывают эталоном и производят измерения, обработку и вывод на персональный компьютер одновременно трех сигналов с фотоприемных площадок RGB фотодиода. Результаты калибровки сохраняются в памяти электронной платы сбора, обработки и вывода данных измерений до выключения прибора. При повторном включении калибровка должна быть произведена заново. После калибровки производятся измерения цветовых параметров исследуемых образцов. При этом эталон замещается исследуемым образцом и воспроизводится описанная выше процедура измерений. За один цикл измерений может быть исследовано до 16 образцов.
Распределение относительной освещенности на внутренней поверхности верхней (зона 1) и нижней (зона 2) полусфер фотометрического шара, поверхности образца (зона 3), а также нижней (зона 4) и верхней (зона 5) поверхностях экрана для образцов с коэффициентом диффузного отражения в пределах от 0,1 до 0,9 представлено на фиг. 2. Это распределение на внутренней поверхности верхней полусферы, обращенной в сторону излучателя, имеет значительную неоднородность. На внутренней поверхности нижней полусферы, обращенной в сторону эталона или образца, а также на обеих поверхностях внутреннего экрана и самом образце это распределение остается равномерным. Поэтому фотометрические свойства фотометрического шара с внутренним экраном остаются такими же, как и для шара с внешним расположением излучателя и фотодетектора.
Определение фотометрических погрешностей измерения коэффициента диффузного отражения проводится расчетом соотношения площадей внутренней поверхности фотометрического шара и отверстия (люка) для установки образца (или эталона). Сопоставительный анализ фотометрических погрешностей измерения коэффициента диффузного отражения в этих двух конфигурациях фотометрического шара дан в таблице.
Коэффициент диффузного отражения образца
Относительные фотометрические погрешности
Фотометрический шар с внутренним экраном
Фотометрический шар без экрана
0,1
0,0467
0,0458
0,3
0,0453
0,0444
0,5
0,0439
0,0430
0,7
0,0425
0,0416
0,9
0,0411
0,0402