автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Колориметрические приборы и системы на основе оптоэлектронных RGB-компонентов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И

ОПТИКИ л

На правах рукописи УДК 535.65

Смирнов Юрии Юрьевич

КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИОВ-КОМПОНЕНТОВ

Специальность: 05.11,07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013 005536663

Санкт-Петербург - 2013

005536663

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологии, механики и оптики».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Яськов Андреи Дмитриевич доктор технических наук, профессор Стафсев Сергей Константинович,

ФГБОУ ВПО "СПб НИУ ИТМО" кандидат физико-математических наук,

доцент Панов Михаил Фёдорович, ФГБОУ ВПО "СПб ГЭТУ (ЛЭТИ)"

Ведущая организация:

Научно-техническое предприятие "ТКА"

к

Зашита диссертации состоится «19» ноября 2013 года в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб НИУ ИТМО. Автореферат разослан 18 октября 2013 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург Кронверкский пр., д. 49, СПб НИУ ИТМО, секретарю диссертационного совета 212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 к. т. н., доцент

Красавцев В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Колориметрия, как одно из направлений фотометрии, представляет значительный интерес для различных областей науки и техники, таких как химия и химические производства, целлюлозно-бумажная промышленность, пищевые технологии и производства, экология, медицина и биология и др. Помимо лабораторных колориметрических приборов различного применения, все большую востребованность приобретают промышленные колориметрические системы, устанавливаемые непосредственно в технологический поток и обеспечивающие online мониторинг технологического процесса по цветовым параметрам. В качестве примеров таких систем здесь можно привести промышленные колориметры для нефтехимической, пищевой (производство сахара) и целлюлозно-бумажной отраслей.

Большинство используемых в современной практике колориметрических методов и средств основываются на измерениях оптических спектров пропускания или (и) отражения в области длин волн Х=3 80-760 им и расчете на основе спектральных данных координат цвета объекта в интересующей колориметрической системе. Включение в состав колориметров спектрофотометрических датчиков усложняет их конструкцию и необходимое регламентное техническое обслуживание, увеличивает массогабаритные характеристики прибора или системы, а также приводит к возрастанию общей стоимости изделия, которая зачастую становится недоступной отечественному пользователю. Поэтому может представлять интерес разработка колориметрических датчиков, приборов и систем на их основе, использующих технологически освоенные в последние годы оптоэлектронные компоненты (главным образом фотодетекторы и светодиодные излучатели), которые по своим техническим характеристикам могут обеспечить измерения параметров цвета различных объектов. Значимыми для колориметрии являются трехэлементные RGB-фотодиоды, имеющие три фотоприёмных площадки с оптическими

фильтрами для выделения красной, зеленой и синей составляющей в регистрируемом излучении. Колориметрические датчики, приборы и системы на основе таких компонентов могли бы иметь не только простую конструкцию и относительно малые массу и габариты, но и низкую стоимость в сравнении с аналогичными приборами, использующими спектрофотометры. В настоящее время в известной научно-технической литературе практически отсутствуют данные по колориметрам, использующим оптоэлектронные RGB- компоненты. Предположительно, в упомянутых выше колориметрических системах, например [1-3], применены такие датчики. Однако, приводимые в этих источниках данные (на уровне инструкции по эксплуатации для пользователей) не содержат каких-либо сведений по конструктивным и метрологическим параметрам этих систем.

Цель работы состояла в разработке колориметрических датчиков, приборов и систем на основе оптоэлектронных RGB-компонентов, а также исследовании их технико-эксплуатационных и метрологических параметров как в лабораторных условиях, так и в реальных практических применениях.

Задачи работы:

1. Разработка спектрофотометров для ультрафиолетовой (\=200-400 нм) и видимой областей спектра (Л=380-760 нм) в т.ч. технологии их настройки, калибровки и проверки, используемых как лабораторные средства независимой аттестации колориметрических приборов на основе RGB компонентов.

2. Теоретический расчет распределения освещенности в интегрирующих сферах различной геометрической конфигурации (в т.ч. использующих внутренний экран), а также анализ на основе расчетных данных фотометрической погрешности при измерении коэффициента диффузного отражения.

3. Разработка лабораторного колориметра с использованием RGB фотодиода для измерения параметров цвета прозрачных и диффузно отражающих объектов, включая сопутствующее программное обеспечение, а также настройку и калибровку прибора.

4. Верификация метрологических параметров лабораторного колориметра с RGB фотодиодом по результатам измерений спектрального диффузного отражения и колориметрических характеристик цветных стекол и диффузных ламбертовских отражателей (стандартов «серого» образцов белой бумаги с фотооптическими отбеливанием, тонированием и окрашиванием.

5. Разработка и лабораторные испытания колориметрических приборов (в т.ч. с использованием RGB фотодиода) для научных исследований и практического применения в области эстетической стоматологии.

6. Разработка и лабораторные исследования метрологических характеристик промышленных колориметрических систем с оптоэлектронными RGB компонентами для целлюлозно-бумажной промышленности.

Научная новизна работы:

1. Теоретически изучено распределение освещенности в интегрирующей сфере с различной оптогеометрической конфигурацией.

2. Теоретически и экспериментально исследованы фотометрические погрешности в оптических приборах с интегрирующей сферой, имеющий внутренний экран, при измерении коэффициентов диффузного отражения, пропускания и рассеяния.

3. Разработано три варианта колориметрических датчиков, приборов и систем на основе RGB-светодиодов и фотодиодов.

Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:

1. В интегрирующей сфере с внутренним экраном для подавления прямой засветки объекта при общей неравномерности распределение освещенности на внутренней поверхности полости сферы, распределение освещенности сохраняется равномерным на исследуемом объекте;

2. Фотометрические погрешности для интегрирующей сферы с традиционной конфигурацией (с внешним расположением излучателя и фотодетектора) остаются без изменений также и для сферы с внутренним экраном;

3. Погрешности измерений коэффициента диффузного отражения объектов с ламбертовекой индикатрисой в оптических приборах, использующих как интегрирующую сферу с внешними излучателем и фотодетектором, так и сферу с внутренними излучателем и экраном, определяются только геометрическим соотношением площадей внутренней поверхности сфер и внешних портов;

4. Колориметрические датчики, приборы и системы на основе оптоэлектронных RGB компонентов имеют такие же метрологические характеристики, как и колориметры на основе спектрофотометров со сходимостью по параметрам цветности не хуже 5 х;у < 0,3 % .

5. Представляемые на защиту колориметрические приборы в применении к измерениям параметров яркости и цветности в целлюлозно-бумажной промышленности не уступают зарубежным аналогам.

Достоверность научных н практических результатов подтверждается результатами лабораторных экспериментальных исследований спектров оптического пропускания или отражения и колориметрических параметров стандартов на основе цветных стекол и стандартов диффузного отражения (стандартов «серого»), сертифицированных во ФГУ «Тест-С-Петербург» (сертификат соответствия N 0904401 от 09 марта 2009 г. ), а также образцов белой бумаги с фотооптическим отбеливанием, тонированием и окрашиванием, предоставленных концерном Ciba AG (Company for Chemical Industry Basel) вместе с референтными данными по белизне и координатам цвета. Сходимость результатов измерений спектров пропускания или (и) отражения, а также колориметрических параметров исследованных в диссертационной работе прозрачных и диффузно отражающих объектов находилась на уровне заявленной фотометрической погрешности референтных данных. Кроме того достоверность научных и практических результатов подтверждена положительными данными по испытаниям представляемых колориметрических приборов в Санкт-Петербургском государственном медицинском университете им. акад. И.П.

Павлова и Северо-западном государственном медицинском университете им. И.И. Мечникова.

Внедрение результатов работы. Предложенные колориметрические датчики и приборы прошли клинические испытания на кафедре стоматологии Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова, а также использовались на кафедре медицинской информатики и физики Северо-западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова.

Личный вклад автора. Все основные результаты, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования проведена совместно с научным руководителем. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих научных конференциях: VII Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники» 7-15 ноября 2011 года в Польше в городе Przemysl Белов Н.П., Грисимов В.Н., Майоров Е.Е., Смирнов Ю.Ю., Шерстобитова A.C., Яськов А.Д. «Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода для определения параметров цвета диффузно отражающих объектов»; I Всероссийском конгрессе молодых ученых 10-13 апреля 2012 года в городе Санкт-Петербург Смирнов Ю.Ю., Хабарова А.Н., Шерстобитова A.C., Яськов А.Д. «Моделирование двухполостной интегрирующей сферы с экраном»; XIII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» 24-26 мая 2012 г. в городе Санкт-Петербург Белов Н.П., Смирнов Ю.Ю., Хабарова A.B., Шерстобитова А. С., Шишова К.А., Яськов А.Д. «Моделирование двухполостной интегрирующей сферы с экраном»; X Международной конференции «Прикладная оптика-2012» 15-19 октября 2012

7

года в городе Санкт-Петербург Ю.Ю. Смирнов, A.B. Хабарова, A.C. Шерстобитова, А.Д. Яськов «Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода с интегрирующей сферой»; Международной научно-практической конференции «Современные научные достижения» 5-6 февраля 2013 года в Чехии в городе Прага Авраменко Е.В., Камскова Е.А., Пестов И.Е., Смирнов Ю.Ю., Шерстобитова A.C., Яськов А.Д. «Временная зависимость спектра излучения ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12»; II Всероссийском Конгрессе молодых ученых 9-12 апреля 2013 года в городе Смирнов Ю.Ю., Шерстобитова A.C., Яськов А.Д. «Особенности различных конфигураций двухполостной интегрирующей сферы»; Международной научно - практическая конференции «Свет Петербурга - 2013» 14-15 февраля 2013 года в городе Санкт-Петербург Смирнов Ю.Ю., Шерстобитова A.C., Яськов А.Д.

«Колориметрический датчик на основе трёх элементного RGB-фотодиода»; конференциях профессорско-преподавательского состава НИУ ИТМО в 20112013 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, включая 4 научных статьи и 3 работы в трудах международных научных конференций, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 167 страниц машинописного текста, включая 67 рисунка, 14 таблиц и список литературы на 70 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и научная новизна диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены данные по апробации и практическому использованию результатов работы.

В первый раздел представляет собой обзор известной научно-технической литературы по колориметрии, а также действующих российских и международных стандартов. В этом разделе кратко рассмотрены общеизвестные данные по используемым в современной практике колориметрическим системам, принятым в этих системах стандартным излучателям с различной цветовой температурой и фотометрическим параметрам нормативных наблюдателей. Приводятся данные по влиянию фотооптического отбеливания и тонирования на колориметрические характеристики и параметры белизны («яркости») таких объектов. Рассматриваются основные технические и технико-эксплуатационные характеристики предлагаемых на внешнем рынке колориметрических приборов как лабораторного, так промышленного назначения, в том числе приведен анализ их достоинств и недостатков. На основании анализа опубликованных данных формулируются основные цели и задачи данной работы. Лабораторные колориметрические приборы, удовлетворяющие требованиям МКО, как правило используют интегрирующую фотометрическую сферу, где излучатель и фотодетектор расположены за пределами ее полости. В целом применение такой сферы в спектроколориметрических приборах приводит как к усложнению конструкции, так и возрастанию их общей стоимости.

Поэтому во втором разделе с целью выбора оптимальной конструкции интегрирующей сферы выполнены теоретические расчеты распределения освещенности в сферах с различной оптико-геометрической конфигурацией, схематически изображенных на рис.1. Здесь также дан анализ фотометрических погрешностей измерения коэффициентов отражения (рис. 1 а, б, в) или (и) пропускания (рис. 1 г, д) для различных объектов. Для расчетов распределения освещенности внутри сферы был использован матричный метод, который предполагает разбиение внутренней поверхности сферы на кольцевые зоны, имеющие одинаковые освещенность и коэффициент отражения и расчет обмена излучением между этими зонами. Если для интегрирующей сферы канонической геометрии (рис. 1а) конфигурационные факторы, определяющие этот обмен

9

известны, то для однополостной и двухполостной сфер (рис.1 б-д), имеющих внутренний экран, соответствующие конфигурационные факторы в данной работе определены впервые. В результате моделирования было установлено, что использование экрана приводит к существенной неравномерности распределения освещенности в полости интегрирующей сферы. При тех же условиях это распределение остается равномерным на поверхности исследуемого объекта на уровне 0.1% для ламбертовских отражателей с коэффициентами диффузного отражения в пределах R=10-90%. Анализ фотометрической погрешности измерения коэффициента диффузного отражения для R=10-90% показал, что для всех исследованных конфигураций интегрирующей сферы (в т. ч. использующих внутренний экран) ее величина остается одной и той же и определяется отношением площадей внутренней полости и внешних люков (портов). Если для традиционной геометрии интегрирующей сферы (рис. 1 а) этот результат был известен, то для сферы с экраном получен здесь впервые.

Расчетная величина фотометрической погрешности не превышала AR = 0.5%. Результаты расчетов были проверены экспериментально на образцах отражения (стандартах «серого»), сертифицированных в ФГУ «Тест - С. Петербург». В этих экспериментах были сопоставлены данные измерений R для двух геометрий интегрирующей сферы:

- традиционной конфигурации (рис 1а; диаметр внутренней полости 180 мм) с внешними излучателем и фотодетектором и

- сферы с экраном (рис 16; диаметр внутренней полости 70 мм).

Обе сферы имели близкое отношение площадей полости и внешних портов, соответственно 20.3 и 21.8. Поэтому можно предполагать, что и фотометрические погрешности измерения коэффициента диффузного отражения R здесь будут достаточно близкими. Измерения R на сертифицированных стандартах «серого» в целом подтвердили это предположение; сходимость референтных данных и результатов экспериментов для обеих конфигураций интегрирующей сферы (рис. 1 а и б) находилась на уровне AR = 1%.

Так как в сравнении с интегрирующей сферой традиционной геометрии сфера с внутренним экраном при таких же метрологических характеристиках обеспечивает большую эффективность светоотдачи излучателя и имеет более простую конструкцию, то эта сфера была использована в большинстве представляемы ниже разработок спектроколориметрических приборов.

(а) (б) (в)

Ошичссик*

Рис 1. Оптико-геометрические конфигурации однополостной (а. б. в) и двухполостной (г, д) интегрирующих сфер.

В третьем разделе диссертации представлены результаты разработок спектрофотометров для видимой и ближней ультрафиолетовой областей спектра. Дано краткое описание их конструктивных особенностей, методов калибровки и проверки. Приводятся их основные технико-эксплуатационные параметры.

Универсальный лабораторный спектрометр для видимой области спектра (X = 380-760 нм) предназначался для измерений спектров пропускания или отражения, соответственно прозрачных или диффузно отражающих объектов,

11

а также определения их колориметрических параметров. Его структурно-функциональная схема и внешний вид показаны на рис. 2.

(б) (в)

Рис. 2. Структурная схема спектрофотометра (а), схема осветителя на основе интегрирующей сферы с экраном (б) и его внешний вид (в).

Лабораторный спектрофотометр для ультрафиолетовой области спектра (Л = 380-760 нм) использовался для измерения спектров пропускания растворов исходных химических компонентов, применяемых в целлюлозно -бумажной промышленности для фотооптического отбеливания, тонирования и окрашивания бумажного полотна, соответственно: Ипора!, й^аШЬ и рещаво!. Его

I !м тггрир.ка да

ч-фсрг'о' О.'Оим)

СХииец

Конусный >и*ша:ор кхолюшо черного тела

Галогенная да) нахалки лнш

. 6.0 Г 0.7« А

оптико-электронная система схематически изображена на рис.3 с необходимыми пояснениями на поле этого рисунка; здесь же приведен внешний вид прибора.

(а) (б)

Рис.3 Оптико-электронная система (а) и внешний вид (б) ультрафиолетового

спектрометра

В этом же разделе приведены методы, средства и результаты калибровки спектрофотометров по длинам волн с использованием газоразрядной ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12, а также проверки линейности и фотометрической точности шкалы пропускания (отражения), для чего применялись стандарты пропускания на основе цветных стекол и сертифицированные образцы отражения.

В четвертом разделе приводятся результаты разработок колориметрических приборов и систем на основе оптоэлектронных RGB компонентов.

(а)

(б)

Рис. 4 Структурная схема (а) и внешний вид (б) колориметрического прибора на основе трехэлементного RGB фотодиода.

Структурная схема и внешний вид лабораторного колориметра с трехсекционным RGB- фотодиодом показаны на рис.4, где даны также необходимые пояснения. Использованный фотодиод имел высокую чувствительность в красной и ближней инфракрасной области спектра при /> 660 нм. Для формирования спектров фоточувствительности, приближенным к нормативному наблюдателю в системе RGB, в осветитель прибора устанавливался дополнительный оптический фильтр на основе цветного стекла C3C-23. Измерение коэффициента диффузного отражения проводилось в геометрии 0°/45° («стандарт General Electric»).

Приведение сигналов АЦП в трех каналах измерений фотодиода к уровню «1» производилась по эталонам «белого», в качестве которых использовались или свободный измерительный тракт (Т=100%) при измерении коэффициента пропускания, или же сертифицированный образец отражения на основе

молочного стекла МС-22 с коэффициентом диффузного отражения Я=0.952 по всему цветовому диапазону (к = 380-760 нм).

Калибровка прибора по цветовым параметрам производилась по цветным стеклам в соответствии с [4] или по специально изготовленным диффузным отражателям на основе порошковых полимерных покрытий, аттестованных на представленном выше лабораторном спектрометре (рис.2). В обоих случаях (цветные стекла и диффузные отражатели) данные, использованные для калибровки и принимаемые за эталоны, представляли собой параметры цветности х и у в системе X, У, Ъ для источника излучения типа В.

Рис. 5. Рабочее окно программы пользователя Для преобразования калибровочных результатов, получаемых здесь в системе RGB в систему X Y Z необходимо было найти переходную матрицу 3x3:

/ «11 «12 N «13 ч х2 \ Х3 (R>

«21 «22 «23 = У\ У2 У 3 G, g2 G3

,«31 «32 «33 , Z2 z3 , u B2

Для определения элементов переходной матрицы использовалось три образца цветных стекол или диффузных отражателей, координаты цветности х, у, г которых находились по данным [4], или по результатам спектральных

измерений. Используя найденную переходную матрицу и данные измерений с использованием колориметрического датчика, можно было получить координаты цвета для других объектов.

Сходимость экспериментальных и референтных данных была близка к пределу чувствительности к оттенкам цвета нормативного наблюдателя МКО.

В этом же разделе дано краткое описание колориметрических систем на основе RGB компонентов с однополостной (рис.6) интегрирующей сферой с внутренним экраном и аналогичной по геометрии двухполостной сферой для измерения, соответственно, параметров цвета диффузно отражающих объектов и объектов с диффузным отражением, пропусканием и рассеянием света.

(а) (б)

Рис. 6. Структурная схема (а) и внешний вид (б) осветителя на основе интегрирующей сферы с внутренним экраном для RGB колориметрической

системы

В пятом разделе приведены результаты практических применений разработанных спектрофотометрических и колориметрических приборов и систем.

Одним из значимых в прикладном отношении применений спектрофотометрии в области А. = 380-760 нм и колориметрии является выходной контроль параметров белизны (яркости) В и цветности бумаги в производствах, использующих фотооптические отбеливатели, тонирующие добавки и непрерывное окрашивание.

Для исследований здесь были использованы образцы белой бумаги, предоставленные концерном Ciba AG и аттестованные на приборе Datacolor по параметру белизны В и координатам цвета в колориметрической системе XYZ. В качестве отбеливателя в этих образцах применялся Tinopal АВР с концентрацией в исходной массе до 1 %. Тонирующей добавкой являлся Irgalith Violett М с концентрацией до 400 г/т.

Измеренные спектры отражения R(k) для 3 образцов из 18, предоставленных в наше распоряжение для проверки прибора, показаны на рис. 7. Количественное сопоставление параметра белизны В, определенного из спектров R(К) (рис.7), и его референтное значение, измеренное на приборе Datacolor, представлено на рис.

По сравнению с референтными данными Вг результаты проведенных измерений Вс занижены, что связано с различием ультрафиолетовой составляющей в спектре использованной здесь галогенной лампы накаливания и с импульсной ксеноновой лампой прибора Datacolor. Это подтверждается также измерениями цветовых параметров. Если координаты X, Y с погрешностью б X,Y < 0,3 % совпадали в обоих измерениях, то координата Z (близкая к параметру белизны В) была занижена по сравнению с референтной величиной.

Вместе с тем, как видно из данных рис.7 результаты измерений Вс могут быть приведены к референтному значению Вг линейной интерполяцией. Интерполяционное выражение приводится на поле рис.8. Погрешность интерполяции не превышает 5В < 1 %, что удовлетворяет требованиям лабораторного контроля технологических процессов тонирования и фотооптического отбеливателя.

Примеры влияния окрашивания на спектры диффузного отражения бумаги даны на рис. 9.

¡90 9Q SO 70 K> Я! 40 ¿9

Рис. 7. Влияние фотооптического отбеливания (Tinopal АВР) и тонирования на спектры диффузного отражения белой бумаги без тонирования (Irgalith Violett М) с концентрацией 200 г/т (б). Концентрация отбеливателя, (%): 1 - 0; 2 — 0,5; 3 — 1,0

110 IOS

190

£

9Í 9Й 85

S2 Ы Ж № Ж 92 т 9 8

Рис. 8. Сходимость измеренного параметра белизны Ве и его референтного значения Вг. Точки — экспериментальные данные, сплошная линия - результат

линейной интерполяции Для проверки прибора использовались образцы (всего 40 образов), также предоставленные концерном Ciba вместе с референтными координатами цвета. Применялся краситель Pergasol различных оттенков с концентрацией 0,15; 0,30; 0,60; 1,20 и 2,40 %. Референтные данные по координатам цвета X, Y, Z были получены на приборе Datacolor.

Зависимости этих координат от концентрации красителя, полученные в настоящей работе, практически точно соответствовали референтным данным

18

(AX,Y,Z < 0,7). Для образцов, окрашенных Pergasol Blau 2R Fl (рис. 10), эти зависимости приведены на рис. 10.

100 90

JO

° 408 45$ $00 ¡НО Ш> Ш> Дш» ВОЙНЫ, и«

Рис. 9. Спектры отражения образцов бумаги, окрашенной жидкими красителями Pergasol Blau 2R Fl с концентрацией (%): 1 - 0,15; 2 - 0,30;3 - 0,60; 4 - 1,20; 5-2,40

Рис. 10. Зависимость координат цвета образцов бумаги от концентрации

красителя Pergasol Blau 2R Fl В заключении сформулированы основные результаты работы: 1. Фотометрические погрешности оптических приборов с интегрирующей сферой в различных оптико-геометрических конфигурациях (в т.ч. использующих внутренний экран для подавления прямой засветки исследуемого объекта)

определяются только соотношением площадей внутренней поверхности сферы и ее портов:

2. Разработаны лабораторные спектрофотометры для ультрафиолетовой и видимой областей спектра, обеспечивающие измерения коэффициентов пропускания или (и) диффузного отражения жидкофазных и твердотельных объектов на уровне требований научных и заводских лабораторий в биологии и медицине, химии и химических технологиях, целлюлозно - бумажной промышленности, колориметрии и др.;

3. Разработаны колориметрические приборы и системы на основе оптоэлектронных RGB компонентов, включая методики и алгоритмы их калибровки и проверки;

4. Практическая апробация представляемых спектральных и колориметрических приборов и систем в биомедицииских технологиях и целлюлозно - бумажной промышленности показала, что их метрологические параметры не уступают зарубежным аналогам.

Литература

1. Datacolor, Inc.: Datacolor Elrepho [Electronic resource] - Mode of access: http://industrial.datacoIor.com/products/, free. Eng. (Date of access: 05.05.2013).

2. Iteca Socadei, Inc.: Spectrophotometers SPECTROBSERVER SL 100 [Electronic resource] — Mode of access: http://wvvw.iteca.fr/index.php?option=com content&vie\v=arlicle&id=::91&Itemid=93& lang=en , free. Eng. (Date of access: 15.09.2013).

3. Optec, Inc.: Color Sensors AF16-F and AF26 [Electronic resource] — Mode of access: http://www.optek.com/pdf/pi/optek-Brochure-1005-1001-02-PI-C4000-C8000-US.pdf, free. Eng. (Date of access: 15.09.2013).

4. Каталог цветного стекла. — M.: Машиностроение, 1967. - 63 с.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах по перечню ВАК:

1. Белов Н. П., Гайдукова О. С., Панов И. А., Патяев А. Ю., Смирнов Ю. Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д. Лабораторный спектрофотометр для ультрафиолетовой области спектра // Известия ВУЗов. Приборостроение. - СПб,

2011.-Т. 54, №5.-С. 81-87.

2. Белов Н. П., Грисимов В. Н., Смирнов Ю. Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д. Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода // Известия ВУЗов. Приборостроение. - СПб, 2013. - Т. 56, № 3. - С. 76-80.

3. Акмаров К. А., Белов Н. П., Смирнов Ю. Ю., Щербакова Е. Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д. Лабораторный спектрофотометр для видимой области спектра // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - СПб, 2013. - Т. 87, № 5. - С. 39-44.

4. Белов Н. П., Грисимов В. Н., Смирнов Ю. Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д., Яськов С. A. Modeling of the integrating sphere with a baffle //Международный научно-исследовательский журнал. - Екатеринбург, 2013. - Т. 15, №8, 4.2.-С. 74-78.

Другие публикации:

1. Белов Н.П., Грисимов В.Н., Майоров Е.Е., Смирнов Ю. Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А.Д. Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода для определения параметров цвета диффузно отражающих объектов // Материалы VII международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники». - Пшемысль: «Наука и исследования», 2011. - Т. 50. - С. 64-66.

2. Смирнов Ю. Ю., Хабарова А. Н., Шерстобитова А. С., Яськов А.Д. Моделирование двухполостной интегрирующей сферы с экраном // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. - СПб: Изд-во СПб НИУ ИТМО,

2012.-Выпуск 2.-С. 26-27.

3. Акмаров К. А., Артемьев В. В., Белов Н. П., Лапшов С. Н., Майоров Е. Е„ Патяев А. Ю., Смирнов Ю. Ю., Шеретобитова А. С., Шишова К. А., Яеьков А. Д. Промышленные рефрактометры и их применение для контроля химических производств // Приборы. - Москва, 2012. - № 4. - С. 1-8.

4. Белов Н.П., Смирнов Ю. Ю., Хабарова A.B., Шеретобитова А. С., Шишова К.А., Яеьков А. Д. Моделирование двухполостной интегрирующей сферы с экраном // Сб. статей XIII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике». - СПб: Изд-во Политехнического ун-та, 2012. - Т. 1. - С. 27-29.

5. Смирнов Ю. Ю., Хабарова А. В., Шеретобитова А. С., Яеьков А. Д. Колориметрический датчик на основе трехэлементного ЛСД-фотодиода с интегрирующей сферой // Сб. трудов X Международной конференции «Прикладная опгика-2012». - СПб: Оптическое общество им. Д. С. Рождественского, 2012. - Т. 2. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 35-37.

6. Авраменко Е. В., Камскова Е. А., Пестов И. Е., Смирнов Ю. Ю., Шеретобитова А. С., Яеьков А. Д. Временная зависимость спектра излучения ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12 // Материалы IX международной научно-практической конференции «Современные научные достижения». - Прага: «Образование и наука», 2013. - Т. 70. - С. 7-10.

7. Смирнов Ю. Ю., Шеретобитова А. С., Яеьков А. Д. Особенности различных конфигураций двухполостной интегрирующей сферы // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. - СПб: Изд-во СПб НИУ ИТМО, 2013. - Выпуск 2. -С. 52-54.

8. Смирнов Ю. Ю., Шеретобитова А. С., Яеьков А. Д. Колориметрический датчик на основе трёх элементного RGB-фотодиода // Сборник тезисов Международной научно - практической конференции «Свет Петербурга - 2013» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://facultv.ifmo.ru/svetspbl3/nploads/sbomik.pdf. - С. 26-27.

22

Подписано в печать: 16.10.13 Формат: 60x84 1/16 Печать цифровая Бумага офсетная. Гарнитура Times. Тираж: ЮОэкз. Заказ: 398 Отпечатано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул, д.14 +7(812)9151454, zakaz@tibir.ru, www.tibir.ru

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

На правах рукописи

04201452110

Смирнов Юрий Юрьевич

Колориметрические приборы и системы на основе оптоэлектронных И.ОВ-

компонентов

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Яськов А. Д.

Санкт-Петербург - 2013

г

Оглавление

Введение...................................................................................................................- 4 -

1. Методы и средства современной колориметрии...........................................- 12 -

1.1 Стандартные колориметрические системы..................................................- 12 -

1.2 Стандартные излучатели по МКО.................................................................- 20 -

1.3 Нормативные наблюдатели по МКО............................................................- 23 -

1.4 Белизна (яркость) как нормируемые параметры диффузно отражающих объектов..................................................................................................................- 27 -

1.5 Лабораторные колориметрические приборы...............................................- 31 -

1.6 Промышленные колориметрические системы.............................................- 38 -

Выводы:..................................................................................................................- 46 -

2. Применение матричного метода для моделирования интегрирующей сферы..-462.1 Моделирование интегрирующей сферы с внешним излучателем и фотоприёмником...................................................................................................- 48 -

2.2 Моделирование интегрирующей сферы с внутренним экраном...............- 49 -

2.3 Моделирование двухполостной интегрирующей сферы............................- 58 -

Выводы...................................................................................................................- 61 -

3. Спектрофотометры для ультрафиолетовой и видимой областей спектра..- 62 -

3.1 Спектрофотометр для ультрафиолетовой области спектра Л = 200 -г 400 нм .................................................................................................................................- 63 -

3.2 Лабораторный спектрофотометр для видимой области спектра...............- 75 -

3.2.1. Конструктивные особенности....................................................................- 76 -

3.2.2. Калибровка и проверка прибора................................................................- 79 -

Выводы:..................................................................................................................- 84 -

4. Колориметрические приборы и системы на основе оптоэлектронных RGB компонентов...........................................................................................................- 85 -

4.1 Лабораторный колориметр на основе трёхэлементного RGB-фотодиода.- 85 -

4.2 Колориметрическая система на основе RGB излучателя и фотодиода с интегрирующей сферой, имеющий внутренний экран.....................................- 92 -

4.3 RGB колориметр с двухполостной интегрирующей сферой......................- 94 -

5. Применение лабораторных колориметрических приборов для исследования фотооптического отбеливания, тонирования и окрашивания бумаги.............- 99 -

5.1 Общая поставка задачи и использованные образцы...................................- 99 -

5.2 Влияние фотооптического отбеливания и тонирования на коэффициент диффузного отражения бумаги..........................................................................- 102 -

5.3. Колориметрические параметры окрашенной бумаги...............................- 110-

Выводы.................................................................................................................- 115-

Заключение..........................................................................................................-117-

Литература...........................................................................................................- 118 -

Приложение. Спектры диффузного отражения образцов окрашенной бумаги ....125-

Приложение. Спектры отражения бумаги с фотооптическим отбеливанием и тонированием.......................................................................................................- 136 -

Приложение. Программа расчета освещенности на внутренней поверхности образца и однополостной сферы трёх конфигураций.....................................- 141 -

Приложение. Программа расчета освещенности на внутренней поверхности образца и двухполостной сферы двух конфигураций.........................................154

Введение.

Колориметрия, как одно из направлений фотометрии, представляет значительный интерес для различных областей науки и техники, таких как химия и химические производства, целлюлозно-бумажная промышленность, пищевые технологии и производства, экология, медицина и биология и др. Помимо лабораторных колориметрических приборов различного применения, все большую востребованность приобретают промышленные колориметрические системы, устанавливаемые непосредственно в технологический поток и обеспечивающие online мониторинг технологического процесса по цветовым параметрам. В качестве примеров таких систем здесь можно привести промышленные колориметры для нефтехимической [56], пищевой (производство сахара) [57] и целлюлозно-бумажной [15] отраслей.

Большинство используемых в современной практике колориметрических методов и средств основываются на измерениях оптических спектров пропускания или (и) отражения в области длин волн А,=3 80-760 нм и расчете на основе спектральных данных координат цвета объекта в интересующей колориметрической системе. Включение в состав колориметров спектрофотометрических датчиков усложняет их конструкцию и необходимое регламентное техническое обслуживание, увеличивает массогабаритные характеристики прибора или системы, а также приводит к возрастанию общей стоимости изделия [30, 49-54], которая зачастую становится недоступной отечественному пользователю. Лабораторные колориметрические приборы, удовлетворяющие требованиям МКО, как правило используют интегрирующую фотометрическую сферу, где излучатель и фотодетектор расположены за пределами ее полости. В целом применение такой сферы в спектроколориметрических приборах приводит как к усложнению конструкции, так и возрастанию их общей стоимости.

Поэтому может представлять интерес разработка колориметрических датчиков, приборов и систем на их основе, использующих технологически освоенные в последние годы оптоэлектронные компоненты (главным образом фотодетекторы и светодиодные излучатели), которые по своим техническим характеристикам могут обеспечить измерения параметров цвета различных объектов. Значимыми для колориметрии являются трехэлементные RGB-фотодиоды, имеющие три фотоприёмных площадки с оптическими фильтрами для выделения красной, зеленой и синей составляющей в регистрируемом излучении.

В диссертации проанализированы данные по используемым в современной практике колориметрическим системам, принятым в этих системах стандартным излучателям с различной цветовой температурой и фотометрическим параметрам нормативных наблюдателей, опубликованные результаты по влиянию фотооптического отбеливания и тонирования на колориметрические характеристики и параметры белизны («яркости») таких объектов, основные технические и технико-эксплуатационные характеристики предлагаемых на внешнем рынке колориметрических приборов как лабораторного, так промышленного назначения, в том числе проведен анализ их достоинств и недостатков. На основе анализа можно сделать вывод, что колориметрические датчики, приборы и системы на основе оптоэлектронных компонентов могли бы иметь не только простую конструкцию и относительно малые массу и габариты, но и низкую стоимость в сравнении с аналогичными приборами, использующими спектрофотометры. В настоящее время в известной научно-технической литературе практически отсутствуют достоверные сведения по колориметрам, использующим оптоэлектронные RGB- компоненты. Предположительно, в упомянутых выше колориметрических системах, например [15,56,57], применены такие датчики. Однако, приводимые в этих источниках данные (на уровне инструкции по эксплуатации для пользователей)

не содержат каких-либо сведений по конструктивным и метрологическим параметрам этих систем.

Цель работы состояла в разработке колориметрических датчиков, приборов и систем на основе оптоэлектронных RGB-компонентов, а также исследовании их технико-эксплуатационных и метрологических параметров как в лабораторных условиях, так и в реальных практических применениях. Задачи данной работы составляли:

1. Разработка спектрофотометров для ультрафиолетовой (^=200-400 нм) и видимой областей спектра (А,=380-760 нм) в т.ч. технологии их настройки, калибровки и проверки, используемых как лабораторные средства независимой аттестации колориметрических приборов на основе RGB компонентов.

2. Теоретический расчет распределения освещенности в интегрирующих сферах различной геометрической конфигурации (в т.ч. использующих внутренний экран), а также анализ на основе расчетных данных фотометрической погрешности при измерении коэффициента диффузного отражения и (или) пропускания.

3. Разработка лабораторного колориметра с использованием RGB фотодиода для измерения параметров цвета прозрачных и диффузно отражающих объектов, включая сопутствующее программное обеспечение, а также настройку и калибровку прибора.

4. Верификация метрологических параметров лабораторного колориметра с RGB фотодиодом по результатам измерений спектрального диффузного отражения и колориметрических характеристик цветных стекол и диффузных ламбертовских отражателей (стандартов «серого»), а также образцов белой бумаги с фотооптическими отбеливанием, тонированием и окрашиванием.

-75. Разработка и лабораторные испытания колориметрических приборов (в т.ч. с использованием RGB фотодиода) для научных исследований и практического применения в области эстетической стоматологии. 6. Разработка и лабораторные исследования метрологических характеристик промышленных колориметрических систем с оптоэлектронными RGB компонентами для целлюлозно-бумажной промышленности. При решении данных задач было впервые теоретически изучено распределение освещенности для различных оптогеометрических конфигураций интегрирующей сферы, имеющей внутренний экран для подавления прямой засветки образца, и определены фотометрические погрешности измерений коэффициента диффузного отражения, пропускания и рассеяния частично прозрачных объектов в оптических приборах с такой конфигурацией интегрирующей сферы.

Для теоритического изучения распределения освещенности в различных конфигурациях одно- и двух- полостной сферы были выполнены теоретические расчеты распределения освещенности внутри сферы. При этом был использован матричный метод, который предполагает разбиение внутренней поверхности сферы на кольцевые зоны, имеющие одинаковые освещенность и коэффициент отражения, и расчет обмена излучением между этими зонами. Если для интегрирующей сферы канонической геометрии конфигурационные факторы, определяющие этот обмен известны, то для однополостной и двухполостной сфер, имеющих внутренний экран, соответствующие конфигурационные факторы в данной работе определены впервые. В результате моделирования было установлено, что использование экрана приводит к существенной неравномерности распределения освещенности в полости интегрирующей сферы. При тех же условиях это распределение остается равномерным на поверхности исследуемого объекта на уровне 0.1% для ламбертовских отражателей с коэффициентами диффузного отражения в пределах R= 10-90%.

Анализ фотометрической погрешности измерения коэффициента диффузного отражения для R= 10-90% показал, что для всех исследованных конфигураций интегрирующей сферы (в т. ч. использующих внутренний экран) ее величина остается одной и той же и определяется отношением площадей внутренней поверхности и внешних люков (портов). Если для традиционной геометрии интегрирующей сферы этот результат был известен, то для сферы с экраном получен здесь впервые.

Таким образом установлено, что фотометрические погрешности для интегрирующей сферы с традиционной конфигурацией (с внешним расположением излучателя и фотодетектора) остаются без изменений для интегрирующей сферы, использующей внутренний экран, при этом погрешности измерений коэффициента диффузного отражения объектов с ламбертовской индикатрисой в оптических приборах, использующих как интегрирующую сферу с внешними излучателем и фотодетектором, так и сферу с внутренними излучателем и экраном, определяются только геометрическим соотношением площадей внутренней поверхности сфер и внешних портов.

Расчетная величина фотометрической погрешности не превышала AR = 0.5%. Результаты расчетов были проверены экспериментально на образцах отражения (стандартах «серого»), сертифицированных в ФГУ «Тест-С.Петербург». В этих экспериментах были сопоставлены данные измерений R для двух геометрий интегрирующей сферы:

- традиционной конфигурации (диаметр внутренней полости 180 мм) с внешними излучателем и фотодетектором и

- сферы с экраном (диаметр внутренней полости 70 мм).

Обе сферы имели близкое отношение площадей полости и внешних портов, соответственно 20.3 и 21.8. Поэтому можно предполагать, что и фотометрические погрешности измерения коэффициента диффузного отражения R здесь будут достаточно близкими. Измерения R на сертифицированных

стандартах «серого» в целом подтвердили это предположение; сходимость референтных данных и результатов экспериментов для обеих конфигураций интегрирующей сферы на уровне AR = 1%.

Так как в сравнении с интегрирующей сферой традиционной геометрии сфера с внутренним экраном при таких же метрологических характеристиках обеспечивает большую эффективность светоотдачи излучателя и имеет более простую конструкцию, то эта сфера была использована в большинстве наших разработок спектроколориметрических приборов, приведенных в диссертации.

Для поверки и аттестации на предмет соответствия действующим стандартам представляемых на защиту колориметрических приборов и систем, использующих оптоэлектронные RGB компоненты, были разработаны спектрофотометры для ультрафиолетовой и видимой областей спектра.

Универсальный лабораторный спектрометр для видимой области спектра (X = 380-760 нм), который предназначался для измерений спектров пропускания и (или) отражения, соответственно прозрачных или диффузно отражающих объектов, а также определения их колориметрических параметров.

Лабораторный спектрофотометр для ультрафиолетовой области спектра (к = 200-400 нм), который был использован для измерения спектров пропускания растворов исходных химических компонентов, применяемых в целлюлозно -бумажной промышленности для фотооптического отбеливания, тонирования и окрашивания бумажного полотна. Калибровка спектрофотометров по длинам волн проводилась с использованием газоразрядной ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12. Для поверки линейности и фотометрической точности шкалы пропускания (отражения) применялись стандарты пропускания на основе цветных стекол [29] и сертифицированные образцы отражения.

В диссертации представлен лабораторный колориметрический прибор на основе оптоэлектронных компонент - колориметр с трехсекционным RGB-фотодиодом. В данном приборе использован фотодиод, который имел высокую

чувствительность в красной и ближней инфракрасной области спектра при Х> 660 нм. Для формирования спектров фоточувствительности, приближенным к нормативному наблюдателю в системе RGB, в осветитель прибора устанавливался дополнительный оптический фильтр на основе цветного стекла C3C-23. Проведены также измерения коэффициента диффузного отражения стандартов серого в геометрии о° / 45° (стандарт «General Electric»).

Приводятся также результаты разработок двух других колориметрических систем полностью на основе оптоэлектронных RGB-компонентов, которые предполагается использовать для макетирования колориметрических исследований в лабораторной практике и пищевом производстве. Установлено, что эти приборы и системы имеют такие же метрологические характеристики, как и колориметры на основе спектрофотометров со сходимостью по параметрам цветности не хуже 5 х;у < 0,3 % .

Представлены результаты практических применений разработанных спектрофотометрических колориметрических приборов и RGB колориметров.

Достоверность всех полученных научных и практических результатов подтверждается результатами лабораторных экспериментальных исследований спектров оптического пропускания или отражения и колориметрических параметров стандартов на основе цветных стекол [29] и стандартов диффузного отражения (стандартов «серого»), сертифицированных во ФГУ «Тест-С-Петербург» (сертификат соответствия N 0904401 от 09 марта 2009 г. ), а также образцов белой бумаги с фотооптическим отбеливанием, тонированием и окрашиванием, предоставленных концерном Ciba AG (Company for Chemical Industiy Basel) вместе с референтными данными по белизне и координатам цвета. Сходимость результатов измерений спектров пропускания или (и) отражения, а также колориметрических параметров исследованных в диссертационной работе прозрачных и диффузно отражающих объектов находилась на уровне заявле�