ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДЛЯ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ RGB-КОМПОНЕНТЫ

В настоящее время огромный интерес представляют методы и средства измерений параметров исследуемых объектов с применением фотометрии, реализующей принцип сравнения с эталонными значениями [1, 2]. Колориметрия, являясь одним из направлений фотометрии, нашла свое применение в различных учебных и научных направлениях, таких как химия, биология, медицина, светотехника, а также в промышленности — химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, автомобильной, оптической и т.д. [3, 4]. Современные колориметрические приборы и системы дают возможность получать параметры цвета и цветности различных образцов в интересующих колориметрических системах (XYZ, CIELAB, RGB) [5, 6].

На сегодняшний день эти приборы и системы включают в себя спектрофотометры или спектрофотометрические датчики, которые определяют спектры отражения или пропускания исследуемого твердотельного, жидкофазного или газообразного вещества в диапазоне длин волн от 380 до 760 нм [7, 8]. Используя специализированное программное обеспечение, по полученным спектральным данным рассчитываются координаты цвета исследуемого образца или среды в необходимой системе XYZ, CIELAB или RGB [9, 10].

В зависимости от поставленных задач колориметры имеют разные геометрические размеры интегрирующих фотометрических сфер, в которых источники излучения и фотоприемные устройства или элементы располагаются либо внутри полости сферы, либо вынесены за полость сферы [11, 12]. Колориметрические приборы и системы в таком исполнении имеют высокую точность измерений, хорошую автоматизацию и защиту [13, 14].

Спектрофотометр или спектрофотометрический датчик являются частью колориметрического прибора или системы. Иностранного производства колориметры, в состав которых входят спектрофотометры, имеют большую стоимость и порой недоступны для отечественного потребителя [15].

Поэтому может представлять интерес разработка спектрофотометрического датчика для отечественных колориметров, построенных на оптоэлектронных RGB-компонентах.

Цель работы состояла в исследовании разработанного спектрофотометрического датчика для коло- риметрических приборов, использующих оптоэлектронные RGB-компоненты.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Цветовые расчеты необходимы в тех областях знаний, где цель — описание самого цвета: полиграфия, колориметрия, графика и т.д. В промышленности же главная задача применения колориметрических систем — контроль качества продукции. Определение цветового изменения — один из инструментов соблюдения требований ГОСТ и СанПиН.

Решалась задача исследовать разработанный спектрофотометрический датчик, который при перенастройке мог бы проводить измерения спектров пропускания ДЯ) и отражения 7?(Я) веществ различного агрегатного состояния. Получить спектральное распределение сигнала аналогоцифрового преобразователя (АЦП) при полном экранировании и засветке. Откалибровать шкалу длин волн по нормированным линиям излучения ртутно-гелиевой лампы (ДРГС-12). Выявить результирующую погрешность калибровки шкалы длин волн. Цветными стеклами марки НС (нейтральное стекло) подтвердить линейность шкалы пропускания и оценить фотометрическую погрешность.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

В экспериментальной практике до сих пор используются отечественные спектрофотометры, построенные по схеме с изменением угла плоской дифракционной решетки (СФ-26, СФ-46). Спектрофотометры нового поколения российского производства (СФ-56, СФ-2000), а также иностранные аналоги (Unico 2800, WTW Photolab 7100 VIS, Merck Spectroquant Prove 100 VIS), имея высокую стоимость, для российского потребителя порой бывают недоступными для исследований. А значит, необходимо создать такой спектрофотометрический датчик, который мог бы соответствовать зарубежным аналогам и определять спектральные параметры с высокой точностью для колориметрических приборов, построенных на оптоэлектронных RGB-компонентах.

На рис. 1, 2 представлены структурная схема спектрофотометрического датчика и подключаемая система освещения (осветитель) с фотометрической интегрирующей сферой. В данной работе датчик был доработан, что позволило расширить область применения (обеспечена возможность менять осветители).

Рис. 1. Структурная схема спектрофотометрического датчика с подключенным рабочим осветителем

Получайте e-mail уведомления о выходе нового номера журнала. Подписка на странице

Рис. 2. Схема осветительной системы (осветителя) с фотометрической интегрирующей сферой

На рис. 3 приведен внешний вид спектрофотометрического датчика. В отличие от существующих, в данном датчике выходной торец оптического волоконного жгута имеет диаметр 0.1 мм [14, 15]. Изменена фотоприемная часть, где линейный размер составил 11.5 мм, что позволило использовать ПЗС-линейку российского производителя. В датчике используется в качестве источника излучения галогенная лампа накаливания.

Этим датчиком возможно проводить исследования прозрачных, высокополированных, а также рассеивающих объектов с индикатрисой рассеивания в пределах угла 135°. Датчик работает в диапазоне длин волн от 380 нм до 760 нм с шагом длины волны 2 нм. В состав датчика включен оптический светофильтр СС6 (синее стекло) для устранения длинноволновой составляющей светового потока.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В измененном спектрофотометрическом датчике появилась возможность проводить измерения коэффициента пропускания T ( λ ) прозрачных или рассеивающих образцов с индикатрисой рассеивания 135°, а также измерять спектры диффузного отражения твердотельных объектов (интегрирующая фотометрическая сфера с внутренним экраном). Оба осветителя используют одно и то же оптическое волокно для подключения к полихро-матору. А это означает, что дополнительной настройки датчика при замене одного осветителя на другой не требуется.

Спектральное распределение сигнала I ( λ ) в измерительном канале при уровне 0 (полное экранирование) и при уровне 1 (полная засветка) показано на рис. 4. Из рисунка видно, что во всем измеряемом диапазоне длин волн разница этих уровней не хуже 0.05 отн. ед. При полной засветке наблюдается периодичность сигнала, вызванная интерференцией на входе ПЗС-линейки.

Для калибровки шкалы длин волн использовались нормированные линии излучения ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12. С применением СС6 толщиной 2.4 мм был получен спектр излучения.

Рис. 3. Внешний вид спектрофотометрического датчика

Рис. 4. Графическое представление сигнала в канале измерений.

а — при экранировании; б — при засветке

Рис. 5. Экспериментальные результаты.

а — спектральное распределение ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12; б — калибровочная характеристика; в — погрешность калибровки спектрофотометра. Точки — измеренные значения, сплошная линия — расчет

а

На рис. 5, а, стрелки обозначают нормативные линии излучения для калибровки спектрофотометрического датчика. N pix — номер элемента ПЗС-линейки. На рис. 5, б, показана калибровочная зависимость λ и = f ( λ н ), где λ и — измеренное спектральное положение линии, а λ н — нормативное спектральное положение линии. В исследуемой области спектра 380–760 нм зависимость λ и = = f ( λ н ) может быть интерполирована следующим выражением: λ и = 1.001 λ н – 0.20609. На рис. 5, в, дана зависимость ∆ λ = f ( λ ), которая показывает результирующую погрешность калибровки шкалы длин волн. В эксперименте она составила ∆ λ = = 0.5 нм. Спектр "желтого" дуплета ртути ( λ =

= 577 нм и λ = 579 нм) использовался для определения предела спектрального разрешения, который не превышал 3 нм, что удовлетворяет требованиям производственного контроля (использованию датчика в видимой области спектра).

Для исследования линейности шкалы пропускания и оценки фотометрической погрешности сравнивались измеренные и рассчитанные значения пропускания Т ( λ ) для цветных нейтральных стекол (НС) (рис. 6, а). На рис. 6, б, показана зависимость Т и = f ( Т н ), которая практически линейна. Измеренные Т и и рассчитанные Т н коэффициенты пропускания были получены при λ = 450 нм, λ = = 550 нм и λ = 650 нм.

а

б

Рис. 6. Эксперимент.

а — спектры пропускания цветных нейтральных стекол: 1 — НС1, 2 — НС2, 3 — НС3. Точки — измеренные значения, сплошная линия — расчет;

б — сходимость рассчитанных T н и измеренных T и коэффициентов пропускания. Точки — измеренные значения, сплошная линия — расчет

Сходимость линейной интерполяции можно представить следующей формулой:

Т и = 1.0071· Т н + 0.55217.

Погрешность измерений ∆ Т = ( Т н – Т и ) ≤ 0.5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе исследован спектрофотометрический датчик для колориметров, в состав которых входят оптоэлектронные RGB-компоненты. Получено спектральное распределение сигнала в измерительном канале при засветке и экранировании.

Датчик был откалиброван по нормированным линиям излучения ДРГС-12 с применением светофильтра СС6. В области спектра 380–760 нм определена погрешность калибровки шкалы длин волн. Получен предел спектрального разрешения по спектру "желтого" дуплета ртути. В работе использовались цветные стекла серии НС для подтверждения линейности шкалы пропускания. Экспериментальные результаты могут представлять интерес для оптического приборостроения, в частности для создания колориметров, построенных на оптоэлектронных RGB-компонентах.