УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЦВЕТОВОГО ОБРАЗЦА В ЗАДАННОМ НАПРАВЛЕНИИ ЦВЕТОВОГО ПРОСТРАНСТВА
DEVICE FOR COLOUR PATTERN BUILDING IN INTENDED DIRECTION OF COLOUR SPACE

Устройство формирования цветового образца в заданном направлении цветового пространства относится к области медицины, к разделу офтальмологии и может быть использовано для качественной диагностики как врожденных, так и приобретенных отклонений цветового зрения, для выявления отклонений цветового зрения у пилотов, а также при проверке цветоощущения водителей автотранспорта. Изобретение направлено на увеличение точности постановки диагноза при определении незначительных отклонений цветового зрения.
В качестве аналога может быть рассмотрен поляризационный колориметр МакАдама [1], включающий призмы Френеля; сменные цветные светофильтры; разделяющую диафрагму; призму Волластона; черную ловушку; призмы Рошона; бипризмы; зрачок выхода прибора; фотометрический шар; светофильтры для подцветки фона.
Прибор представляет собой как бы сдвоенный поляризационный фотометр с общей призмой Волластона (поляризатором) и с двумя поворачивающимися призмами Рошона (анализаторами), снабженными лимбами с измерительными шкалами.
1
2
1
2
1
2
Особенность прибора заключается в способе формирования входных пучков фотометров. Два пучка света I и II, поступающие в прибор от общего источника (на рисунке не показан), разделяются каждый в вертикальном направлении двумя призмами Френеля П и П на два пучка. В верхнем пучке помещен светофильтр Ф одного цвета, в нижнем - светофильтр Ф другого цвета. Между призмами и светофильтрами находятся линзы, которые соответственно собирают все пучки на призме Волластона В. После выхода из призмы Волластона они следуют вдоль оптической оси прибора поляризованными в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. луч обыкновенный одного цвета и луч необыкновенный другого цвета поступают в соответствующие призмы Рошона P и Р. Оставшиеся пары поляризованных лучей поглощаются черными ловушками.
После прохождения призм Рошона, углы поворота которых фиксируют разнообразные смеси двух цветов, пучки света сводятся бипризмами и линзами в зрачок выхода прибора. Наблюдатель видит поле зрения, разделенное вертикальной границей на две равных половины. Цвет каждой половины образован смешением цветов соответственно в пучках I и II.
Окуляр окружен фотометрическим шаром Ш, побеленным внутри, с соответствующей подцветкой, которая по желанию может быть изменена выбором светофильтров f.
1
2
При известных характеристиках светофильтров Ф и Ф цвет каждого из полей сравнения прибора определяется по формулам:
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mover accent="true"><mi>y</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mover accent="true"><mi>y</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mover accent="true"><mi>z</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow />
Где
и
- координаты цветов светофильтров,
θ - угол поворота призмы анализатора.
1
2
Различные значения параметра θ характеризуют все цвета, которые лежат на прямой, соединяющей цвета светофильтров Ф и Ф. Закрепив одно из значений угла θ на обеих призмах Рошона, можно, нарушая и восстанавливая цветовое равенство поворотом одной из призм Рошона, определять разброс погрешности измерений по данному направлению и равным образом пороги цветоразличения.
<mrow><mover accent="true"><mi>y</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
К прибору прилагается набор из сотни светофильтров самых разнообразных цветов с разным значением координаты
, т.е. светлоты.
Основным недостатком поляризационного колориметра является сложная оптическая конструкция, которая требует подбора светофильтров для каждого отдельного измерения, кроме того, по причине такой конструктивной особенности при проведении измерений теряется информация о третьей координате цвета.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является визуальный колориметр [2], позволяющий синтезировать излучения в заданном направлении цветового пространства.
Визуальный колориметр для измерения цветовых характеристик предметов содержит: малоинерционные источники красного 4, зеленого 5 и синего 6 излучений системы формирования двух полей зрения измеряемого и синтезируемого цветов и систему регулирования соотношения цветов, отличающийся тем, что изменение соотношения основных цветов происходит таким образом, что генератор импульсов 11 генерирует импульсы частотой ƒ=1/t, причем его выход соединен с запускающими входами регуляторов скважности 12, при этом одновременно с передним фронтом запускающего импульса на выходе регуляторов 12 скважности появляется потенциал, который поступает на выходы стабилизаторов 9 мощности излучения источников 4-6 излучения.
Визуальный колориметр работает следующим образом. Изображение объекта при помощи объектива 1 проецируется в плоскости, проходящей через фотометрический кубик 2 и делящей левое и правое поля зрения пополам. При помощи окуляра 3 рассматриваются наблюдателем одновременно оба поля зрения - измерительное и сравнительное.
Источники излучения 4-6, образующие вместе со светофильтрами 7 основные цвета, при помощи зеркал 8 смешиваются на сравнительном поле зрения фотометрического кубика 2.
Малоинерционные источники излучения работают в импульсном режиме с частотой включения больше критической, так что наблюдатель перестает замечать мелькания и воспринимает излучение как непрерывное.
Для используемых уровней яркостей критическая частота лежит в пределах 40-50 Гц.
u
В зависимости от положения задатчиков 13, соединенных с управляющими входами регуляторов 12 скважности, устанавливается соответствующая длительность импульсов t, а следовательно, и скважности импульсов. Стабилизаторы 9 мощности излучения имеют отрицательную обратную связь по мощности излучения, которая образована, фотоприемниками 10, связанными с соответствующими источниками излучения. При этом на выходе стабилизаторов мощности поддерживается такая амплитуда прямоугольных импульсов напряжения, которая обеспечит постоянство мощности излучения источников.
Недостатком прототипа является то, что в нем реализован устаревший вариант построения, основанный на аналоговом способе управления излучением, и при этом прибор не предназначен для диагностирования цветового зрения.
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении точности диагностирования различных форм нарушения цветоощущения, увеличении количества синтезируемых цветов и точности их воспроизводства.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в том, что в устройстве формирования цветового образца в заданном направлении цветового пространства, содержащем оптические каналы с блоками формирования эталонного и тестового цветовых стимулов, узел совмещения цветовых стимулов в поле зрения испытуемого, источники красного, зеленого и синего излучений расположены за каждым из экранов, а в блок формирования тестового цветового стимула введен регулятор отношений скважностей импульсов источников излучения, выходы которого соединены с управляющими входами ШИМ - модулятора тестового поля, а входы регулятора соединены с выходами вычислителя отношений скважностей импульсов m и n, причем входы вычислителя отношений соединены с задатчиками координат цветности x1, y1, x2, у2; х3, у3 и угла направления α синтезируемого излучения, при этом отношения скважностей импульсов источников излучения устанавливаются регулятором.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства формирования цветового образца в заданном направлении цветового пространства, где показаны:
1 - матовый экран;
2 - непрозрачная перегородка;
3 - усилитель сигнала;
4, 5, 6 - спектрозональные источники излучения;
7 - широтно-импульсные модуляторы (ШИМ);
8 - регулятор скважностей импульсов;
9 - вычислители отношений скважностей импульсов;
10 - задатчики координат цвета;
11 - задатчики координат цветности;
12 - задатчик направления угла синтеза цвета.
На фиг. 2 приведено графическое пояснение к синтезу цвета в заданном направлении, где показаны:
x1, y1; х2, у2; х3, у3 - координаты цветности излучения красного, зеленого и синего излучателей;
xp1, yp1; xp2, ур2 - координаты цветности точек, между которыми проходит линия синтеза цвета;
α - угол направления синтеза цвета;
х, у - координаты цветности синтезируемого цвета.
На фиг. 3 приведена оптическая схема колориметра МакАдама (аналог), где показаны:
I и II - пучки света;
1
2
П и П - призмы Френеля;
1
Ф - светофильтр одного цвета;
2
Ф - светофильтр другого цвета;
Д - разделяющая диафрагма;
В - призма Волластона;
Ч - черная ловушка;
1
2
P и Р - призмы Рошона;
О - окуляр;
Ш - фотометрический шар;
f - выбор светофильтров.
На фиг. 4 приведена функциональная схема визуального колориметра (прототип), где показаны:
1 - объектив;
2 - фотометрический кубик;
3 - окуляр;
4, 5, 6 - источники излучения;
7 - светофильтры;
8 - зеркала;
9 - стабилизаторы мощности;
10 - фотоприемники;
11 - генератор импульсов;
12 - регулятор скважности;
13 - задатчики скважности.
Устройство формирования цветового образца в заданном направлении цветового пространства состоит из двух прозрачных матовых экранов 1. За двумя прозрачными матовыми экранами, разделенными непрозрачной перегородкой 2, расположены две триады красных 4, зеленых 5, синих 6 источников излучения. Световой поток от одной триады источников излучения равномерно освещает левый экран, а от второй триады правый экран. Источники излучения через усилители 3 соединены с трехканальными 12 - разрядными ШИМ модуляторами 7. ШИМ модулятор эталонного канала соединен с вычислителем скважности 9. Данные о необходимой для синтеза координате цвета задаются задатчиком координат цвета 10, подключенным к вычислителю отношений скважностей. В тестовом канале ШИМ модулятор соединен с регулятором соотношений скважностей импульсов 8. Вычислитель соотношений скважностей 9 соединен с задатчиками координат цветности 11 и задатчиком направления угла синтеза 12 и подключен к регулятору скважностей импульсов.
Задача повышения точности диагностирования цветового зрения может быть решена применением предлагаемого конструктивного решения, когда синтез цвета ведется по всей области цветового пространства методом широтно-импульсной модуляции излучения.
В эталонном канале при помощи задатчика координат цвета задаются координаты цвета, данные о которых поступают в вычислитель отношений скважностей 6. Полученные согласно формулам (1) и (2) отношения передаются на ШИМ модулятор по шине передачи данных I2C в виде цифрового кода, который формирует необходимый сигнал для получения нужного излучения источников:
к
з
c
где N, N, N - коэффициенты заполнения импульсов излучения красного, зеленого, синего источников излучений;
xк, yк, zк; хз, уз, zз, хс, ус, zc - координаты цветности излучений красного, зеленого и синего источников излучений;
xi
yi
zi
C C C - коэффициенты пропорциональности, связывающие координаты цветности с соответствующими координатами цвета.
Направление синтеза задается линией между точками с координатами цветности, которые определяются следующими выражениями:
где xp1, yp1; хр2, ур2 - координаты цветности точек, между которыми проходит линия, задающая направление синтеза цвета;
x1, у1; х2, у2; х3, у3 - координаты цветности излучения красного, зеленого и синего излучателей;
α - угол направления синтеза цвета;
х, у - координаты цветности синтезируемого цвета.
В тестовом канале изначально задаются координаты цветности и угол синтеза, данные о которых с вычислителя отношений скважностей поступают на ШИМ модулятор. Таким образом, задается направление синтеза цвета в цветовом пространстве. Между вычислителем отношений скважностей и ШИМ модулятором включен трехканальный регулятор соотношений скважностей, который позволяет управлять излучением каждого источника излучения. За счет этого становится возможным изменять цвет излучения и уравнивать два цветовых поля, сформированных на матовом экране. Пройдя ШИМ модулятор, сигналы попадают на усилитель сигнала, выходы которого соединены с контактами источников излучения. Полученный сигнал зажигает три цвета (красный, синий, зеленый) в заданной пропорции, в результате чего на экране формируется необходимый цветовой образец путем аддитивного сложения трех цветов.
Источники информации
1. MacAdam D.L., Visual sensitivities to color differences, // J. Opt. Soc. Am. http://1943.vol.33p.18/;
2. Авторское свидетельство SU 1554554/A1 на изобретение «Визуальный колориметр», МПК G01J 3/46, опубликовано 08.10.1987.