автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оценка погрешностей визуальных и фотоэлектрических методов измерения координат цвета

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ч На правах рукописи

УДК 535 6/681 7

Стороженко Алексей Иванович

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ВИЗУАЛЬНЫХ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА

Специальность 05 11 07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗи^ао-'^ _ „|Г>Г Ц1,\М

Санкт-Петербург 2007

003059392

Работа выполнена на кафедре Прикладной и Компьютерной Оптики Санкт-Петербургского Государственного Университета Информационных Технологий, Механики и Оптики и в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии Научно-Производственная Корпорация "Государственный Оптический Институт им С И Вавилова"

Научный руководитель - кандидат технических наук

КУВАЛДИН ЭДУАРД ВАСИЛЬЕВИЧ

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

МИХАЙЛОВ ОЛЕГ МИХАЙЛОВИЧ

доктор технических наук, профессор ПОЛОСИН ЛЕВ ЛЕОНИДОВИЧ

Ведущая организация - Санкт-Петербургский Государственный

Университет Технологии и Дизайна

Защита состоится 05 июня 2007 года в 17 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212 227 01 "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы" при Санкт-Петербургском Государственном Университете Информационных Технологий, Механики и Оптики по адресу пер Гривцовад 14 ауд 314а

Автореферат разослан " 04 " мая 2007 г

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим высылать по адресу 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр, д 49, секретарю диссертационного совета Д 212 227 01

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 212 227 01,

кандидат технических наук, доцент ' | j | В М КРАСАВЦЕВ

V-' АУ

Li

J

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Основными направлениями, где требуются колориметрические измерения, принято считать полиграфическую, текстильную и оптическую промышленности Кроме того, особое место занимает контроль цвета при производстве косметических средств и упаковок В настоящее время цветовые измерения получают все большее значение и в других направлениях, таких как измерение координат цветности дорожных знаков, разметки и светофоров

Методы измерений координат цветности делят на визуальный, расчетный (спектрофотометрический метод измерения с последующим расчетом) и объективный (фотоэлектрический) Особенности методов таковы, что хотя они и принципиально взаимозаменяемы, но каждому из них соответствуют некоторые условия, в которых применение одного метода предпочтительнее перед другим С развитием новых технологий визуальный метод перестали использовать, а расчетный и объективный методы практически объединились теперь расчет координат цветности для всех известных систем цветов производится автоматически по измеренному спектру пропускания или отражения Такой перевес в пользу спектрофотометрических измерений не всегда оправдан экономически, а, часто, и с точки зрения удобства работы Для большинства работ вне помещений более подходят компактные приборы, в основном использующие объективный метод измерений При оценке цвета глазом человека можно использовать визуальное измерение цвета Именно поэтому сравнение методов измерений координат цветности, их преимуществ и недостатков, позволяет более четко определить границы их применимости

При попытке сравнить погрешности разных существующих приборов чаще всего оказывается, что на все современные импортные приборы приводятся погрешности, измеренные в определенных условиях по своим методикам на своих комплектах эталонных образцов Кроме того, погрешности могут приводиться в разных системах цветов В нашей стране уже появляется тенденция к такому же способу представления погрешностей, но, пока чаще используется абсолютная погрешность измерений, что позволяет сразу отнести прибор к определенному классу рабочее средство измерений или рабочий эталон Следовательно, проблема оценки погрешностей различных методов измерений цвета весьма актуальна, так как исследование на основе испытаний различных типов приборов дает не только подробный анализ преимуществ и недостатков существующих методов измерений, но и позволит повысить точность измерений Снижения погрешности можно достичь устранением влияния основных составляющих погрешности на результат измерений координат цвета и цветности

Благодаря современной микроэлектронной технике, появляется возможность уменьшения стоимости изготовления новых колориметров На основе детального анализа методов измерений и наиболее распространенных в разное время приборов предложен макет нового компактного прибора с

погрешностью измерений координат цветности, достаточной для практического применения

Цель работы

Цель работы состояла в анализе составляющих погрешности измерений координат цветности различными методами на основе отобранных приборов Для снижения погрешности измерений координат цветности требовалось не только качественно описать и количественно оценить все составляющие, но и предложить способы для их уменьшения, сопоставить и сравнить возможности забытых классических методов измерений координат цвета и цветности с методами, получившими распространение только за последние годы Было необходимо попытаться снизить погрешность измерений координат цветности для источника В65, который уже много лет в рекомендации Международной Комиссии по Освещению существует только теоретически, а все известные модели этого типа источника очень дороги, имеют невысокую светоотдачу и очень часто годятся только в узкоспециализированных случаях

Выполнение данных целей потребовало

1 Провести теоретический и практический анализ методов измерений на основе разных приборов, а для визуального метода необходимо было привести в рабочее состояние классический визуальный колориметр Демкиной - фотометр ФМ-18а

2 Описать приборы и установки для измерения координат цветности, определить составляющие погрешности, провести количественные оценки всех составляющих и предложить способы для их снижения

3 Изучить методики измерений координат цветности на классических фотометрах, современных колориметрах и спектрофотометрических установках

4 Исследовать влияние геометрии измерения на координаты цветности

5 Определить спектральный состав излучения ламп с наиболее близкими цветовыми температурами к источнику типа 065 - дуговые ксеноновые лампы высокого давления ДКСШ и импульсные ксеноновые трубчатые лампы ИФП, а также рассчитать наиболее подходящий корригирующий светофильтр

6 Определить границы применимости метода пересчета для снижения погрешности измерений координат цветности

7 Модифицировать метод пересчета для применения в простом недорогом фильтровом колориметре

8 Разработать макет компактного колориметра, использующего метод пересчета для снижения погрешности измерения координат цветности

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в том, что в ней

1 Показано, что погрешносш измерений координат цветности на приборах и установках разных типов составляют один порядок величины Отмечено, что в зависимости от типа испытуемого объекта, применение одного прибора предпочтительнее, чем другого

2 На основе анализа методов снижения погрешности представлен способ применения метода пересчета для создания нового типа фильтровых колориметров

3 Предложен простой и недорогой в реализации макет объективного компактного колориметра, который может быть реализован в качестве компаратора цвета В нем используются достижения фотоэлектрической и визуальной колориметрии наряду с новой электронной элементной базой Это позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и вес, а также проводить все требуемые расчеты в приборе, включая алгоритм снижения погрешности измерений и вывод результатов измерений

4 Разработан макет импульсного варианта источника Б65 на основе ламп ИФП Лампы этой серии имеют большой диапазон мощностей и могут подойти для большого числа разнообразных задач

5 Показана возможность создания компактного источника излучения Б65 на основе набора светодиодов

Научная и практическая ценность работы

1 Выполнен обзор методов определения координат цветности образцов, работающих на пропускание и отражение, а также методов измерений координат цветности источников излучений

2 Проведен анализ влияния составляющих погрешностей на результат определения координат цветности на основе проведения измерений на приборах различного принципа действия Предложены способы снижения погрешности измерений

3 Предложен макет объективного переносного колориметра и схемные решения для его реализации в серийном производстве Показано, что схема прибора легко перестраивается под большинство задач

4 Предложен вариант импульсного источника Б65, а также представлен результат разработки источника излучения 065 на основе светодиодов

На защиту выносятся:

1 Результаты измерений, в которых показано что погрешности измерений координат цветности на приборах и установках разного принципа действия (визуальный колориметр ФМ-18а, спектрофотометры СФ-18 и СФ-26, объективный колориметр ФМ-104М), использующихся в качестве рабочих средств измерений, приблизительно одинаковы

2 Объективный компактный колориметр с произвольным набором светофильтров, который может применяться в качестве компаратора цвета или

рабочего средства измерений, методика его калибровки и способ снижения погрешности измерений на основе метода пересчета

3 Импульсный источник D65 на основе импульсной ксеноновой лампы с корригирующим стеклянным светофильтром, предназначенный для использования в переносных приборах и установках для измерений координат цветности

4 Экспериментальное подтверждение того, что погрешность измерений координат цветности источника излучения по эталонному приемнику на спектрофотометрической установке меньше, чем при сравнении с известным источником света

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы были применены при создании обучающей лабораторной установки на основе визуального колориметра Демкиной ФМ-18а в Санкт-Петербургском Институте Полиграфической Промышленности

В лаборатории ФГУП НИТИОМ "ГОИ им С И Вавилова" при разработке и производстве уникального цветного оптического стекла для Австрийской фирмы была внедрена компьютерная программа расчета и анализа координат цвета и цветности Программа позволяет рассчитывать координаты цвета и цветности в соответствии с требованиями государственных (ГОСТ) и международных стандартов (ISO/CIE), а также стандартов Германии (DIN)

В ГОИ им СИ Вавилова была получена заявка на изобретение фильтрового колориметра с приоритетом от 03 04 07 (регистрационный № 2007112875) Макет на основе одной из предложенных схем был разработан, изготовлен и испытан Светофильтры в приборе изготовлены из широко распространенных цветных стекол

Апробадия работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на

1 XVI конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва 2007)

2 VI, VII международной конференции "Прикладная оптика" (Санкт-Петербург 2004, 2006),

3. четвертой международной конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2005" (Санкт-Петербург 2005),

4 II, III межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург 2005, 2006)

По теме диссертации опубликовано 6 работ

Личный вклад автора

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно Произведен подробный обзор методов определения координат цветности и анализ влияния составляющих погрешностей Проведенные измерения на различных приборах позволили

разработать макет нового компактного колориметра, методики калибровки и работы на приборе Предложен вариант импульсного источника Б65

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 4-х приложений Диссертация изложена на 104 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 12 таблиц и 55 библиографических ссылок

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены исторические данные о методах и приборах измерения координат цветности, определены актуальность темы, цели и задачи работы, а также научная новизна Здесь отражены основные направления исследования и результаты, которые необходимо получить для решения основных поставленных задач В диссертации проведены исследования и разработка методов измерений и измерительных устройств с точки зрения снижения составляющих суммарной погрешности измерений

В первой главе описаны методы и наиболее известные приборы для определения координат цветности Все когда-либо выпускавшиеся приборы можно в зависимости от метода определения цвета разделить на три категории визуальные, спектрофотометрические и объективные Существует еще одна особая категория - приборы непосредственного измерения координат цвета и цветности, в которых может быть заложена любая комбинация из всех представленных методов Особенность этих приборов заключается в том, что они выдают результат сразу и без участия оператора в каких-либо промежуточных операциях (снятие сигналов, проведение расчетов)

Первые визуальные колориметры были разработаны еще в начале 20 века Системы цветов этих приборов соответствовали физиологической системе цветов глаза С появлением системы цветов ХУХ изменялись методики работы и проведения расчетов, так был разработан принцип пересчета из системы цветов колориметра в стандартизованную систему Длительность и сложность визуальных измерений вместе с последующей трудоемкой обработкой результатов существенно ограничивали применение таких колориметров Индивидуальные различия в цветовых свойствах глаз наблюдателей приводят к расхождению результатов определения координат цветности, выполненных различными наблюдателями и спектрофотометрическими приборами Эти основные недостатки визуальных колориметров послужили основными причинами их замены

При спектральных цветовых измерениях определяются спектральные характеристики пропускания или отражения для несамосветящихся объектов или спектральные характеристики излучения источников света (абсолютные или относительные) По получаемым спектрофотометрическим данным координаты цвета и цветности определяются расчетом Цвет в этом случае считается получаемым при сложении множества спектральных цветов,

соответствующих монохроматическим излучениям, интенсивности которых оценивались в процессе спектрального измерения Относительный вклад этих спектральных цветов в суммарный измеряемый цвет определяется тремя стандартизованными взвешивающими функциями - кривыми сложения цветов Расчет координат цвета (Х,У,2) и цветности (х,у,г) в международной системе XYZ выполняется по формулам (1) Для этого необходимо определить спектральный коэффициент пропускания (отражения) образца в диапазоне длин волн 360-780 нм

780

Х = ¡Я(Л)/(Л)х(Л) М 360 780

360 780

/5(Я)/(Л)г(Я) С/Л

360

'х+у+г . (1)

У

х + у + г г

х+у + г

где 5(А) - относительное спектральное распределение энергии излучения источника света (например - А, С или Об5), /(Л) - спектр пропускания (отражения) испытуемого образца, х(Л),у(Л),г(Л) стандартизованные функции сложения цветов, АЛ - ширина спектрального интервала

Непосредственное измерение цвета проводится с использованием объективных колориметров Используемые при объективных измерениях фотоэлектрические приборы основаны на применении фотоэлектрических приемников с кривыми спектральной чувствительности, подобными кривым смешений стандартного наблюдателя (для системы ХУХ- х(л\у{л),2{л)) Так как не существует приемников с требуемыми спектральными кривыми, то необходимо проводить коррекцию их спектральной чувствительности Это можно сделать с помощью цветных стеклянных светофильтров или спектральными масками (фигурные диафрагмы, помещаемые в плоскость развернутого спектра и являющейся механическим светофильтром) При расчете спектральных характеристик пропускания корригирующих светофильтров учитываются спектральные характеристики всех элементов прибора Необходимо отметить, что расчет и подбор стеклянных светофильтров, являющийся длительным и трудоемким процессом, осложняется ограниченным ассортиментом цветных стекол

Результаты сравнительных измерений координат цветности на рабочих средствах измерений, использующих разные методы, показали, что погрешности измерений примерно равны Однако необходимо обратить внимание, что в зависимости от типа испытуемого объекта, применение одного прибора предпочтительнее, чем другого

Исследование показало, что существующий метод пересчета координат цвета и цветности из одной системы в другую, применявшийся при измерениях на визуальных колориметрах, может снизить погрешность измерений Для этого необходимо выбрать три градуировочных образца и задать системы цветов, из которой и в которую производится пересчет Измеренные координаты цвета или цветности в обеих системах сводятся в соответствующие матрицы, из которых выводится матрица пересчета Анализ погрешностей позволил предположить, что есть возможность свободно выбирать не только градуировочные образцы, но и системы цветов, значительно отличающихся от стандартизованных систем RGB, XYZ, LAB, и произвести пересчет в систему XYZ, в которой принято представлять результаты цветовых измерений Это позволяет существенно упростить схемные и конструктивные решения измерительных приборов и соответствует современным тенденциям, когда стараются уменьшить количество дорогостоящих оптических элементов, заменяя их средствами вычислительной техники Для большего снижения погрешности было предложено делить локус на области, каждая со своим набором градуировочных цветов Все полученные выводы были применены при разработке нового фильтрового колориметра, который подробно описан в четвертой главе

Отдельное внимание в первой главе уделено исследованию влияния геометрии измерений на координаты цветности При попытке определения координат цветности световозвращающих пленок на спектрофотометре СФ-18 были получены результаты, значительно отличающиеся от требуемых. Это расхождение было результатом того, что спектр отражения испытуемого образца был измерен при геометрии измерения 12°/Д, которая не соответствует требованиям в документации на данные образцы - 4570° Для оценки погрешности были сняты спектры отражений различных образцов на спектрофотометре и на специально собранной установке с параметрами, установленными нормативными документами Измерения показали, что расхождение координат цветности составляет примерно 0 1, что значительно превышает допустимые значения погрешности измерений координат цветности для рабочих средств измерения 0 02-0 05 Аналогичный результат был получен даже для стандартных цветных образцов Были измерены индикатрисы коэффициентов отражений на специальной установке и обнаружена зависимость расхождения от вида индикатрисы.

Исследование показало, что спектры отражений световозвращающих пленок и, следовательно, координаты цветности сильно зависят от геометрии измерения Даже для эталонных образцов координат цветности существует сильная зависимость от геометрии измерения

Вторая глава посвящена исследованию методов определения координат цветности источников излучений Определить погрешность при измерении координат цветности источников излучения часто очень сложно Большинство установок для определения координат цветности не предназначены для проведения измерений только источников света Погрешность измерений на таких установках обычно принимается равной погрешности при определении

координат цветности пропускающих и (или) отражающих объектов для той же области локуса

По известному спектру источника излучения определяют координаты цветности по формулам ГОСТ 13088-67 прил 1 Входящий в эти формулы спектр источника можно определить двумя способами методом относительных измерений при сравнении с известным источником излучения (чаще всего используется источник типа А) и определением спектрального состава источника по эталонному приемнику Оба способа определения координат цветности можно провести на одной и той же установке, включающей в себя монохроматор, приемник излучения, эталонную лампу и измеряемый источник, при этом нить эталонной лампы и тело свечения измеряемого источника поочередно изображаются на входную щель монохроматора

Спектр источника определяют по лампе с известным спектром излучения, например, источника А

ЬАЛ

где S'^ - спектр источника, зарегистрированный приемником через монохроматор, - спектр источника A, - спектр источника А,

зарегистрированный приемником через монохроматор

В методе непосредственного определения спектра излучения источника и расчета его координат цветности спектральные данные лампы можно получить, зная относительную спектральную кривую чувствительности приемника S]jp с учетом зависимости дисперсии монохроматора от длины

волны D ^

, D3

(3)

лПР

Определив спектр излучения источника, подставляют его в формулу (1) для расчета координат цветности

Исследование погрешности определения координат цветности, изложенными выше методами, проводилось в процессе исследования автомобильных ламп Eagleye NYB и Nova Н4, которые были предоставлены на экспертизу в связи с необходимостью определения цвета их свечения Определение координат цветности производилось обоими методами на описанной выше установке В качестве образцового источника света использовалась светоизмерительная лампа накаливания СИРШ 6-100 с цветовой температурой 2840 К, а приемника - эталонный фотодиод "Квант"с известной спектральной чувствительностью

Результаты испытаний показали, что в большинстве случаев разница между итоговыми усредненными значениями координат цветности каждым методом составила менее 0 005, а среднее квадратическое отклонение - 0 0025 При сравнении результатов измерения обоими методами, получается значительное систематическое расхождение - до 0 01 Детальное рассмотрение составляющих погрешности показало, что наиболее сильно влияющая на результат измерения составляющая погрешности связана со сложностью достаточно точного определения действительного спектра излучения образцовой лампы по цветовой температуре При использовании приемника, имеющего почти 100%-ный квантовый выход, его кривая спектральной чувствительности очень точно известна и, соответственно, влияние этой составляющей погрешности на результат значительно меньше Следовательно, как более простой в реализации и более точный, способ непосредственного определения спектра излучения исследуемого источника и последующего расчета координат цветности предпочтительнее в использовании, чем сравнение с известным источником света

Третья глава практически полностью связана с исследованием возможности воспроизведения стандартного источника D65, работающего или в непрерывном, или в импульсном режиме Этот тип источника применяется при измерении координат цвета и во многих колориметрических расчетах Он был рекомендован в 1967 году Международной Комиссией по Освещению (МКО) и должен представлять собой средний солнечный свет с коррелированной цветовой температурой 6504 К Спектр его излучения нормируется в диапазоне длин волн от 300 до 780 им

В последние годы источник D65 получает все большее распространение в различных стандартах используется для измерения цвета в бумажной, текстильной, лакокрасочной промышленности, для измерения цвета люминесцирующих материалов, а также в ряде измерений как имитатор солнечного излучения, например, этот источник требуется использовать для измерения коэффициента световозвращения дорожной разметки при дневном освещении по ГОСТ Р 51256-99 Однако до сих пор нет общепризнанного способа его реализации Средства воспроизведения не вошли в состав рекомендации МКО, так как имеются определенные трудности при реализации этого источника В ГОСТ 7721-89 "Источники света для измерений цвета Типы Технические требования Маркировка " также не дается рекомендаций для его корректного воспроизведения Несмотря на то, что точное воспроизведение источника D65 (рис 1) представляет собой трудную задачу из-за сложной зависимости спектральной плотности его мощности, то до сих пор нет общепризнанного метода получения этого источника, однако для реального воспроизведения все же имеется ряд предложений Одной из лучших в нашей стране признается модель Вершинского А Е (рис 1) В основу его модели положена йодно-кварцевая лампа КИМ 9-75 - одна из разновидностей галогенных ламп накаливания с цветовой температурой 3350 К Однако у нее есть ряд значительных недостатков лампа недолговечна, невысокая светоотдача и малое пропускание специального корректирующего

светофильтра, В национальном стандарте Германии по источникам излучений DIN 5033-8 есть комментарий, что, пока нет рекомендации МКО, можно применять ксеноновые лампы. В ГОСТ Р 12,4.026-2001 "Цвета сигнальные" для этой цели предлагается использовать дуговую ксеноновую лампу ДКСШ-150. Именно поэтому было проведено измерение спектра излучения лампы такой же марки, но большей мощности (ДКСШ-1000). Результаты измерений показали, что ее спектр излучения (рис. 1) близок к спектру источника D65.

В современном приборостроении широко применяется импульсный режим измерений, не требующий источника непрерывного излучения. Еще в 50-х годах были разработаны импульсные ксеноновые лампы для получения интенсивных импульсов света в оптических приборах широкого применения. Лампы создают разряд в кварцевой колбе между двумя электродами. Благодаря такой конструкции спектр излучения начинается от ближней ультрафиолетовой области. Так как лампа наполнена ксеноном, то спектр излучения такой лампы схож со спектром излучения источника D65. Для проверки этого утверждения была выбрана лампа ИФП-8000 и собрана установка для определения спектра ее излучения.

Результаты измерений показали, что спектр излучения лампы действительно подобен спектру источника D65 в ближней ультрафиолетовой и коротковолновой части видимого спектра. В длинноволновой области спектра лампа излучает больше чем источник D65. Расчет показал, что для корректировки спектра лампы наиболее хорошо подходит стекло марки СЗС17 толщиной 1 мм (рис. 1).

Рис. ] - Сравнение относительных спектральных распределений энергий излучений испытанных источников света с теоретическим спектром источника Б65

Такой импульсный источник Б65 имеет ряд преимуществ, таких как использование стандартной лампы и светофильтра из стекла обычной варки Кроме того, светофильтр имеет высокий коэффициент пропускания (не менее 60%)

Результаты исследований показали, что большинство ксеноновых ламп могут применяться в качестве источников Б65 при соответствующем подборе светофильтров

В третьей главе также было проведено исследование возможности создания компактного и легко реализуемого источника излучения 065 на основе цветных и "белого" светодиодов Результаты показали, что координаты цветности полученного источника излучения удовлетворяют требованиям ГОСТ 7721-89, но в спектре его излучения не будет ультрафиолетовой составляющей, хотя в целом спектральная кривая подобна требуемой Таким образом, светодиодный источник излучения Б65 может применяться для нелюминесцирующих образцов

В четвертой главе проведено детальное исследование метода пересчета как способа снижения погрешности измерений координат цвета и цветности

Несмотря на то, что этот метод раньше очень широко применялся, не удалось найти сведений о его собственной погрешности Также нет сведений о границах применимости метода насколько сильно спектры пропусканий светофильтров могут отличаться от кривых сложений системы цветов, в которую производится пересчет Для проверки метода было произведено теоретическое и практическое исследование алгоритма

Для исследования теоретической погрешности метода был взят произвольный образец 06-13-75 с известной спектральной кривой и рассчитаны его координаты цветности в двух представленных случаях система XYZ при источнике излучения типа А и угловом размере поля зрения 2° (табл 1, 1-ая строка) и в системе XYZ при источнике П65 и угловом размере поля зрения 10° (табл 1, 2-ая строка) Затем, считая что результаты расчета при источнике А уже даны, был произволен пересчет во вторую систему цветов (табл 1, 3-ья строка), по выведенным формулам пересчета Абсолютная погрешность -разность 2-ой и 3-ьей строк (табл 1, 4-ая строка)______

Образец X У Ъ X У г

06-13-75 А 2° 10 305 8 526 4 470 0 442 0 366 0 192

06-13-75 065 10° 9 570 8 505 15 455 0 285 0 254 0 461

06-13-75 пересчет в Б65 10° 8 688 8 959 13 506 0 279 0 287 0 434

Абс погрешность 0 882 -0 454 1 949 0 006 -0 033 0 027

Табл. 1 - Результаты пересчета из одной системы цветов в другую

Из табл 1 видно, что наибольшая абсолютная погрешность при пересчете координат цвета составляет 1 95, что не соответствует требованиям ГОСТ 8 205-90 По тем же требованиям абсолютная погрешность координат цветности осталась в пределах допустимых для рабочего средсгва измерения пределах - 0 03 Несложно показать, что выбор градуировочных светофильтров, на основе которых выводятся формулы пересчета, влияет на погрешность

Для проверки погрешности метода был выбран набор образцов цвета из 17 светофильтров с метрологическим свидетельством по результатам измерений на другой установке В свидетельстве приведены координаты цветности всех образцов для углового размера поля зрения 2° при источнике А Этот набор был промерен на визуальном колориметре ФМ-18а, а по 3 образцам из 17, были выведены формулы пересчета для остальных светофильтров Для 14-ти образцов погрешность координат цветности не превысила 0 03 Причина большей погрешности для трех образцов - результат того, что оптически плотные образцы очень сложно измерить на данном визуальном колориметре

Во время работы на колориметре было замечено, что большая часть результирующей погрешности - систематическая составляющая Для ее устранения было предложено разделить локус на отдельные области со своими основными цветами, составив формулы пересчета для каждой области Для исследования зависимости погрешности от количества областей были выбраны 33 светофильтра Результаты сравнения приведены в табл 2 Пример

Координаты цветности Пересчет по всему локусу Пересчет по 4 областям Пересчет по 8,областям

X У X У X У

Средняя погр-ть (27 образцов) 0 029 0 032 0 016 0 028 0 013 0 016

СКО (27 образцов) 0 009 0 021 0 004 0 004 0 005 0 004

Средняя погр-ть (33 образца) 0 101 0 106 0 045 0 044 0 022 0 029

СКО (33 образца) 0 045 0 047 0 014 0 009 0 005 0 006

Табл. 2 - Результаты пересчета из одной системы цветов в другую при делении локуса на области

Рис.2 - Пример разделения локуса на 8 областей

Из табл. 2

следует, что применение метода пересчета с делением локуса на области может

значительно уменьшить погрешность для

большей, реально

воспроизводимой, части локуса (табл 2, строки для 27 образцов) Погрешность координат цветности для

большинства образцов не превышает 0 015, но для 6 из 33 образцов, абсолютные погрешности координат цветности получились значительными,

005 0 1 015 0 2 0.25 0 3 0 35 0 4 045 05 055 06 065 07 075

что связано с областью применения используемого визуального колориметра Увеличение числа областей еще больше снижает погрешность измерений, но усложняет расчет В каждой области должен быть свой набор трех линейно независимых градуировочных образцов Кроме того, при измерении дополнительного набора эталонных образцов есть возможность математически построить зависимость погрешности от координат цветности, а уже при проведении измерений производить учет этой систематической составляющей Так как вывод формул пересчета производится только один раз, то этот способ увеличения точности экономически оправдан

В питой главе описано применение всех полученных ранее результатов и представлен макет серийного компактного объективного колориметра

При изготовлении фильтрового колориметра в настоящее время расчетчики стараются разрабатывать и изготавливать светофильтры, спектры пропусканий которых подобны общепризнанным кривым сложений XYZ, хотя решить эту задачу с требуемой погрешностью очень сложно Причина состоит в том, что стекол с требуемым спектральным составом не существует Добиться достаточно близкого спектрального состава возможно используя нескочько различных, часто редких и очень дорогих цветных оптических стекол В тоже время светофильтры, спектры пропусканий которых подобны другим кривым сложения, например - системе RGB, изготовить относительно просто

Известно, что некоторые приборы специально разрабатывались с кривыми сложений, не соответствующими стандартизованным системам цветов Например, в колориметре ФМ104М, изготовленном в ГОИ, была применена система цветов Шкловера При попытке провести прямые измерения на таком приборе координаты цвета и цветности испытуемого образца будут иметь значительную погрешность Поэтому, в методике измерений таких приборов всегда есть пересчет результатов измерений из системы цветов колориметра в стандартизованную систему по приводимым формулам Этот метод применялся еще при измерениях на визуальных колориметрах, но, с переходом на более новые (в основном, спектральные) приборы, этот способ был забыт Современная тенденция приборостроения состоит в том, что все составляющие элементы прибора должны быть воспроизведены наиболее точно, но такой подход не всегда оправдан Есть ряд задач, где требуется произвести оценку попадания координат цветности в выбранную область цветового локуса, причем погрешность прибора такого класса может быть значительной, но все же приемлемой

Было предположено, что макет фильтрового колориметра может иметь либо любую достаточно легко воспроизводимую известную систему цветов, либо свою специально разработанную систему Очевидно, что если есть возможность разработать собственную систему цветов, то это даст ряд преимуществ, таких как

• в качестве регистрирующих устройств можно использовать любые приемники оптического излучения,

• светофильтры можно изготавливать из наиболее распространенных марок стекол,

• есть возможность увеличить сигналы с приемников без использования дополнительного усиления, изменяя спектральный состав соответствующего светофильтра

Учитывая все вышеизложенное, предложен принцип работы фильтрового колориметра (рис 3) ____

-Ш Г0 Г001

Измерение Пересчет Вывод рез-

сигналов по тов на

АЦП формулам дисплей

К= 3 Х= К 3 Х=

3= У= 3 У=

С= ъ= с ъ=

Рис. 3 - Принцип работы фильтрового колориметра

1 - Оптический блок, 2 - Электронный блок регистрации сигналов,

3 - Пересчет сигналов из системы цветов колориметра в заданную систему,

4 - Дисплей

В оптическом блоке (рис 3) устанавливается источник излучения, испытуемый образец и три приемника излучения В качестве источника излучения можно использовать, например, небольшую импульсную трубчатую ксеноновую лампу ИПО-75 Образец, работающий на отражение, устанавливается в положение А Если образец работает на пропускание, то его устанавливают в положение Б, а в положении А устанавливают эталонный образец белого цвета из стекла МС-20 Для расчета координат цвета и цветности необходимо три приемника излучения, спектральные чувствительности которых разделяют все видимое излучение на три области красных, зеленых и синих цветов Например, для использования кремниевого приемника и лампы накаливания в режиме источника излучения А были подобраны такие три корригирующих светофильтра СС2+СЗС22, ЭС8+СЗС23, ОС17+СЭС23 (рис 4) Электронный блок регистрации должен обеспечить аналоговое усиление, фильтрацию и измерение аналого-цифровым преобразователем полученных с фотоприемников сигналов По трем цифровым отсчетам производится пересчет координат цвета из системы цветов колориметра в заданную систему по заложенной в микропроцессоре устройства программе, а затем результаты выводятся на дисплей Очевидны преимущества такой схемы

• простота изготовления,

• универсальность,

• компактность,

• невысокая стоимость комплектующих элементов

Все эти преимущества достигаются за счет применения метода пересчета на основе современной вычислительной техники

Во время исследования метода пересчета анализ погрешностей позволил предположить, что есть возможность свободно выбирать не только градуировочные образцы, но и системы цветов, значительно отличающихся от стандартизованных систем RGB, XYZ, LAB, и производить пересчет в систему XYZ, в которой принято представлять результаты цветовых измерений Это позволяет существенно упростить схемные и конструктивные решения измерительных приборов и соответствует современным тенденциям, когда стараются уменьшить количество дорогостоящих оптических элементов, заменяя их средствами вычислительной техники Использование метода пересчета позволяет разрабатывать существенно более простые, но в тоже время достаточно точные приборы Поэтому были исследованы три принципиальные схемы построения компактного объективного колориметра для образцов, работающих на отражение

1 схема с одним источником (например источник А), который освещает испытуемый образец, и тремя корригированными приемниками (рис 4),

2 поочередное освещение тремя цветными источниками поверхности испытуемого образца, сигналы регистрируются одним приемником,

3 несколько светодиодов, перекрывая весь видимый спектр, излучают поочередно, а один приемник регистрирует полученные сигналы (при использовании данной схемы было предложено сначала проводить измерения по трем основным светодиодам с предварительным определением координат цветности, по которым выбираются три наиболее подходящих светодиода для второго более точного пересчета)

Рис. 4 - Кривые сложений системы ХУ2 и подобранные кривые спектральных чувствительностей трех корригированных приемников (для источника А)

17

Испытания проводились на 100 случайно выбранных образцах В разное время на разных установках были измерены их спектральные данные и получены координаты цвета и цветности для источника А в системе цветов ХУ21931 г

Результаты всех расчетов сведены в табл 3, в которой в соответствующих полях приведены количества образцов, удовлетворяющих выбранному диапазону погрешности__

1-ый способ 2-ой способ 3-ий способ

1 ист -3 приемника 3 ист -1 приемник 8 светодиодов

Погрешность до после до после после 1-го после 2-го

пересчета пересчета пересчета

±0 002 0 35 0 15 9 10

±0 005 0 67 0 37 15 25

±0 01 0 84 1 56 28 46

±0 03 6 97 3 89 48 76

Табл. 3 — Количество образцов (из 100), попадающее в указанный диапазон погрешности (до и после пересчета для каждого способа)

Из табл 3 видно, что наименьшую погрешность имеет колориметр по схеме, предложенной в первом способе Причина этого в том, что в этом способе кривые сложения наиболее подобны кривым сложений системы, в которую производится пересчет (система ХУ7 1931 г, источник А) Можно показать, что нет разницы каким из первых двух способов получены кривые сложений (1 источник и 3 приемника или 3 источника и 1 приемник), но чем более точно они воспроизведены тем меньшая будет погрешность Несмотря на то, что погрешность измерений координат цветности таким колориметром не превышает 0 01 для большей реально воспроизводимой части локуса она все же остается значительной Поэтому для ее снижения прибор предпочтительнее использовать в качестве компаратора или в качестве рабочего средства измерений координат цветности для выбранной части цветового локуса Это позволяет специализировать прибор для определенных нужд, разработав специальную систему цветов для повышения точности измерений в требуемой области локуса

Использование восьми светодиодов с одним приемником не дало приемлемого результата, так как их спектральные кривые широки, чтобы пытаться рассчитать координаты цветности спектрофотометрическим методом Системы цветов для каждой части локуса значительно отличаются от стандартизованной системы, в которую производится пересчет, и погрешность после второго более точного пересчета остается все же значительной Для реализации спектрофотометрического метода необходимо использовать как минимум 16 узкополосных светодиодов, равномерно распределенных по спектру.

Для сравнения с мировыми аналогами результаты испытания макета со схемой, предложенной в первом способе, были пересчитаны в систему цветов LAB В настоящее время именно в этой системе наиболее часто приводят основную погрешность практически любого колориметра При этом измерения обычно проводятся на комплекте из 12-13 образцовых стекол Например, для компактного денситометра фирмы X-Rite, измеряющего координаты цветности, приводится значение средней погрешности АЕ = 0 4 В предложенном макете погрешность измерений координат цветности оказалась АЕ = 0 5, но испытания проводились на основе 100 спектров пропусканий и отражений Несмотря на то, что погрешности приборов примерно равны себестоимость изготовления разработанного колориметра существенно меньше импортного аналога

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Главное достижение исследования состоит в детальном анализе и проведении испытаний методов измерений координат цветности, а также в разработке нового типа переносного колориметра

В ходе диссертационной работы проведены исследования и решены следующие задачи

1 Выполнен обзор и проведены испытания методов определения координат цветности образцов, работающих на пропускание и отражение, а также методов измерения координат цветности источников излучепия Результаты исследования показали, что погрешности измерений на приборах и установках разных типов для определения координат цветности, использующихся в качестве рабочих средств измерений, примерно одного порядка

2 В результате рассмотрения и испытания методов измерения координат цветности источников излучения показано, что измерения по эталонному приемнику на спектрофотометрической установке точнее, чем при сравнении с известным источником света

3 Проведен анализ влияния составляющих погрешностей на результат определения координат цветности на основе измерений на приборах разного принципа действия и предложены способы снижения погрешности измерений

4 Предложен принцип построения объективного компактного колориметра с произвольным набором светофильтров, методика его калибровки и способ снижения погрешности измерений

5 Построен простой и недорогой в реализации макет переносного колориметра, использующего одновременно достижения фотоэлектрической и классической визуальной колориметрии и новые микросхемы для миниатюризации и проведения всех расчетов, включая алгоритмы снижения погрешности измерений и вывода результатов Результаты испытаний показали, что прибор может применяться как в качестве рабочего средства измерения, так и в качестве компаратора Показано, что принципиальная схема прибора легко перестраивается под большинство задач, а сам он может выпускаться серийно

6 Предложен вариант импульсного источника D65 на основе импульсной лампы ИФП со стеклянным светофильтром для использования в переносных приборах и установках Испытания макета показали его соответствие требованиям нормативных документов, высокую эффективность и возможность применения для разнообразных задач.

7 Произведены сравнительные измерения координат цветности отражающих образцов при разных геометриях измерений и показано, что результаты сильно зависят от геометрии измерений даже для стандартных цветных образцов

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Стороженко А И, Метод измерения коэффициента отражения короткофокусных собирающих линз малого размера // Сборник трудов VI международной конференции "Прикладная оптика". - СПб СПБГУИТМО, 2004г -Т 1,4 2 -С 431-432

2 Стороженко А И Особенности определения координат цветности световозвращающих материалов // Сборник научных трудов II межвузовской конференции молодых ученых - СПб СПБГУИТМО, 2005г -Т 3 - С 119-124.

3 Стороженко А И Определение координат цветности световозвращающих материалов при различных геометриях измерений // Труды 4-ой международной конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2005" - СПб СПБГУИТМО, 2005г. - С 161-162

4 Стороженко А И Исследование погрешности метода пересчета координат цветности из системы цветов колориметра в систему XYZ. // Сборник трудов УП международной конференции "Прикладная оптика-2006". -СПб СПБГУИТМО,2006г - Т 1 -С 236-240

5 Стороженко А И. Исследование применимости лампы ИФП-8000 в качестве источника излучения D65 // Сборник трудов VII международной конференции "Прикладная оптика - 2006" - СПб СПБГУИТМО, 2006г - Т 1 -С 258-260

6 Стороженко А И, Пересчет координат цветности из системы цветов колориметра в систему XYZ //Научно-технический вестник, СПб СПБГУИТМО, 200бг - Вып 26 Исследования в области приборостроения. -С 196-200

Тиражирование и броппоровха выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул, 14 Тел (812) 233 4669 Объем 1 у пл Тираж 100 экз

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ КООРДИНАТ ЦВЕТА И ЦВЕТНОСТИ

1.1 Общие сведения о принципах, методах и приборах определения цвета

1.2 Визуальное измерение цвета

1.3 Расчетный (спектрофотометрический) метод

1.4 Принципы объективного измерения цвета

1.4.1 Метод компарирования

1.4.2 Метод непосредственного измерения координат цвета и цветности

1.5 Приборы для определения координат цвета и цветности

1.5.1 Приборы для визуального измерения цвета

1.5.2 Приборы для расчетного способа определения координат цвета и цветности

1.5.3 Приборы для объективного измерения цвета

1.6 Сравнительный анализ погрешностей методов измерений координат цвета и цветности

1.7 Исследование зависимости координат цветности от геометрии измерений

ГЛАВА

ИСТОЧНИКИ СВЕТА ДЛЯ ЦВЕТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Виды источников света для цветовых измерений

2.2 Исследование погрешностей методов измерений координат цветности источников излучений

2.2.1 Метод определения координат цветности источника при сравнении с известным источником

2.2.2 Метод непосредственного определения спектра источника и расчета координат цветности

2.2.3 Исследование погрешностей методов измерений координат цветности источников

2.2.4 Особенности измерений координат цветности автомобильных ламп и выбор цветов в светодиодных светофорах

ГЛАВА

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЦВЕТА

3.1 Стандартные источники света

3.2 Цветность стандартных источников А, В, С, D

3.3 Воспроизведение стандартных источников А, В, С

3.4 Воспроизведение источника D

3.5 Исследование возможности воспроизведения источника D65 с помощью импульсной лампы

3.6 Оценка возможности разработки требуемого источника излучения, состоящего из нескольких светодиодов

3.7 Источник D65, состоящий из нескольких светодиодов

ГЛАВА

СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ КООРДИНАТ ЦВЕТА И ЦВЕТНОСТИ МЕТОДОМ ПЕРЕСЧЕТА

4.1 Вывод формул пересчета

4.2 Теоретическое исследование погрешности метода

4.3 Исследование погрешности метода пересчета

ГЛАВА

РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРОВОГО КОЛОРИМЕТРА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО МЕТОД ПЕРЕСЧЕТА

5.1 Принцип работы фильтрового колориметра

5.2 Оценка теоретической погрешности прибора

В настоящее время все более и более широкое распространение получают колориметрические измерения в различных областях применений. Так исторически основными направлениями таких измерений принято считать полиграфическую, текстильную, а также оптическую промышленности. С появлением новых материалов в области дорожных знаков, разметки и светофоров и, соответственно, новых стандартов цветовые измерения получили и здесь очень большое значение. Кроме того, особое место занимает контроль цвета при производстве косметических средств и упаковок, где требуется получать одинаковый выбранный цвет для каждого типа продукции.

С расширением колориметрических измерений появляются новые автоматические приборы для проведения цветовых измерений, а морально устаревающие приборы просто заменяются. Так перестали применяться визуальные колориметры, для работы с которыми требуется и хорошее цветовое восприятие оператора, и специальные навыки работы с такими приборами. Однако чаще всего основная причина замены оборудования связана с распространенным мнением, что все современные приборы должны обязательно иметь связь с компьютером и быть максимально автоматизированными. Такой перевес в сторону автоматизации ведет к тому, что одни методы получают большее распространение, а другие -исчезают. Однако если попытаться сравнить погрешности разных приборов, то чаще всего оказывается, что на большинство современных приборов приводятся погрешности, измеренные в разных системах цветов. Кроме того, на зарубежные приборы практически всегда приводятся погрешности, измеренные в своих лабораторных условиях, по своим методикам и на своих комплектах эталонных образцов. В Российской Федерации пока еще используется абсолютная погрешность измерений в наиболее распространенной системе цветов XYZ, что позволяет сразу отнести прибор к определенному классу: рабочее средство измерений или рабочий эталон. Однако уже наблюдается тенденция к зарубежному способу представления погрешностей.

В настоящее время проблема оценки погрешностей различных методов измерений цвета очень актуальна: исследование на основе испытаний приборов различных типов может дать не только подробный анализ преимуществ и недостатков существующих методов измерений, но и возможность качественно описать и количественно оценить все составляющие погрешности измерений, а также предложить способы для уменьшения погрешности.

Следовательно, для выполнения поставленной проблемы необходимо:

1. сравнить возможности и сопоставить погрешности забытых классических методов измерений координат цвета и цветности с методами, получившими распространение только за последние годы;

2. провести испытания методов измерения цвета источников излучений;

3. исследовать влияние геометрии измерений на координаты цветности;

4. по результатам анализа наиболее существенных составляющих погрешностей измерений координат цвета и цветности различными методами предложить алгоритмы и схемные решения отдельных узлов и элементов измерительных установок и приборов, позволяющих повысить точность измерений.

Применение современной микроэлектронной техники может снизить себестоимость изготовления новых колориметров. Для этого требуется провести анализ существующих методов снижения погрешности и модернизировать их для возможности встраивания в микропроцессорное устройство. Использование всех существующих достижений значительно упрощает схему прибора, а погрешность измерений координат цветности остается приемлемой для практического применения.

Результаты теоретического и практического исследований метода

пересчета показывают, что алгоритм работает с некоторой погрешностью,

но абсолютная погрешность координат цветности остается в пределах

допустимых для рабочего средства измерения пределах - 0.02-0.03. Однако

для некоторых образцов были получены несколько большие значения

погрешности. Это связано с тем, что исследования проводились на

визуальном колориметре и, следовательно, на результируюшую

погрешность измерений еще влияет цветовая адаптация глаза,

восприимчивость глаза к цвету, усталость глаза и другие субъективные

причины. Исследование применимости метода пересчета показало, что данный

алгоритм может быть применен для снижения погрешности измерений при

изготовлении объективного фильтрового колориметра, в котором кривые

сложения неточно соответствуют или даже значительно отличаются от

стандартизованной системы XYZ. Колориметр, калиброванный таким

способом и измеряюпций только координаты цветности, может использоваться в качестве рабочего средства измерения, а, при

оптимальном выборе градуировочных фильтров, прибор может также

измерять и координаты цвета. Применение метода пересчета с делением

локуса на области позволяет еще больше уменьшить погрешность, но

усложняет расчеты. Так как, вывод формул пересчета производится только

один раз, то этот способ повышения точности оправдан экономически. Следовательно, метод пересчета позволяет разрабатывать суш;ественно

более простые, но в тоже время достаточно точные приборы.ГЛАВА 5

РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРОВОГО

КОЛОРИМЕТРА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО

МЕТОД ПЕРЕСЧЕТА

5.1 Принцип работы фильтрового

колориметра

При изготовлении фильтрового колориметра, в настоящее время,

расчетчики стараются разрабатывать и изготавливать светофильтры,

спектры пропусканий которых подобны общепризнанным кривым

сложений XYZ [10], [44], Создание светофильтров, подобных кривым

сложения XYZ, возможно, но решить эту задачу с требуемой

погрешностью очень сложно, так как стекол с требуемым спектральным

составом не существует. Добиться достаточно близкого спектрального

состава возможно используя несколько различных, часто редких и очень

дорогих, цветных оптических стекол. Однако, цветные фильтры, спектры

пропусканий которых подобны другим кривым сложения, например -

системе RGB [15], изготовить относительно просто. Известно, что некоторые приборы специально разрабатывались для

обеспечения решения особых задач. В них спектральные коэффициенты

пропусканий трех светофильтров полностью охватывают видимую часть

спектра, но не подобны каким-либо общепринятым кривым сложений

(например - колориметр ФМ104М [27], [31], изготовленный в ГОИ, с

системой цветов Шкловера). При попытке провести прямые измерения на

таком приборе координаты цвета и цветности испытуемого образца будут

иметь значительную погрешность. Поэтому, в методике измерений таких иметь значительную погрешность. Поэтому, в методике измерений таких

приборов всегда есть пересчет результатов измерений из системы цветов

колориметра в стандартизованную систему XYZ по приводимым

формулам. Этот способ еще пятьдесят лет назад был описан как метод

градуировки по трем образцам в описании визуального колориметра ФМ 18а [42]. Однако с переходом на новые (в основном спектральные)

приборы этот метод был забыт и отброшен в сторону - современная

тенденция приборостроения состоит в том, что все составляющие

элементы прибора должны быть, воспроизведены наиболее точно. Такой

подход не всегда оправдан - есть ряд задач, где требуется произвести

измерения только как "индикатор" цвета, а погрешность для прибора

такого класса может быть довольно значимой, но приемлемой. Таким образом, макет фильтрового колориметра может иметь либо

более легко воспроизводимую известную систему цветов, либо

специальную систему цветов. Очевидно, что, если есть возможность

разработать собственную систему цветов, то это даст ряд преимуществ,

таких как:

- в качестве регистрирующих устройств можно использовать любые

приемники оптического излучения,

- светофильтры можно изготавливать из наиболее распространенных

марок стекол,

- можно увеличить сигналы с приемников без использования

дополнительного электрического усиления изменяя спектральный

состав соответствующего светофильтра. Так как математический пересчет не представляет сложностей для

современной электроники, то, учитывая все выщеизложенное, была

предложена принципиальная схема работы (рисунок 5.1.1) фильтрового

колориметра. образец

Измерение

сигналов

Пересчет

формулам:

Вывод

рез-тов на

дисплей:

1 - Оптический блок, 2 - Электронный блок регистрации сигналов, 3 - Пересчет

сигналов из системы цветов колориметра в заданную систему, 4 -Дисплей

Рисунок 5.1.1 -Принципиальная схема работы фильтрового колориметра

Оптический блок (рисунок 5.1.1) может быть реализован под

различные задачи. Поэтому предложена одна из самых распространенных

на сегодня схема, где в оптическом блоке устанавливается один источник

излучения и испытуемый образец, а три корригированных приемника

излучения регистрируют сигналы. В качестве источника излучения можно

использовать, например, менее мощную, чем испытанная выше лампа

ИФП-8000, импульсную трубчатую ксеноновую лампу ИПО-75. Образец,

работающий на отражение, устанавливается в положение А. Если образец

работает на пропускание, то его устанавливают в положение Б, а в

положение А устанавливают эталонный образец белого цвета из стекла

МС-20. Предложенный оптический блок макета может быть изменен для

обеспечения возможности измерения координат цветности источников

излучений, а также можно изменить и предложенную геометрию

измерений на любую другую. Для расчета координат цвета и цветности

необходимо три приемника излучения, спектральные чувствительности

которых разделяют все видимое излучение на три области красно оранжевых, желто-зеленых и сине-фиолетовых цветов. Папример можно

выбрать такие сочетания приемников и светофильтров: Se+CC-8, Se+3C-

11, Se+OC-5. Электронный блок регистрации должен обеспечить

аналоговое усиление и фильтрацию, а также измерение аналого-цифровым

преобразователем полученных с фотоприемников сигналов. По трем

цифровым отсчетам производится пересчет координат цвета из системы цветов колориметра в заданную систему по заложенной в

микропроцессоре устройства программе. После пересчета результаты

сразу же выводятся тем же микропроцессором на дисплей. Очевидны преимущества такой схемы:

- простота изготовления,

- универсальность,

- компактность,

- невысокая стоимость комплектующих уже при мелкосерийном

производстве. Основа всех преимуществ - это применение метода пересчета на

основе современной электроники. Несмотря на то, что такой метод раньше

очень широко применялся, не удалось найти сведений о теоретической

погрешности метода, то есть его собственной погрешности, вызванной

именно неточностью самого пересчета. Также не было обнаружено

никаких сведений о границах применимости метода, то есть насколько

сильно спектры пропусканий светофильтров могут отличаться от кривых

сложений системы цветов, в которую производится пересчет. 5.2 Оценка теоретической погрешности

прибора

Основная часть любого объективного фильтрового колориметра -

оптико-электронная схема, в которую входят:

- источник(и) излучения,

- светофильтры,

- приемники излучений. В разработке любого прибора необходимо всегда учитывать его

предполагаемую стоимость. Значительный вклад в обшую цену

фильтрового колориметра вносит использование цветных стеклянных

светофильтров, а также стоимость фотоприемников.Анализ погрешностей позволил предположить, что есть возможность

свободно выбирать не только градуировочные образцы, но и системы

цветов, значительно отличающихся от стандартизованных систем RGB,

XYZ, LAB, и произвести пересчет в систему XYZ, в которой принято

представлять результаты цветовых измерений. Это позволяет существенно

упростить схемные и конструктивные рещения измерительных приборов и

соответствует современным тенденциям, когда стараются уменьщить

количество дорогостоящих оптических элементов, заменяя их средствами

вычислительной техники. Именно поэтому потребовалось провести

теоретическое исследование предполагаемых схем. Это позволило не

создавая несколько разных рабочих макетов приборов, оценить

погрещности и диапазоны измерений координат цветности предложенных

схем колориметров. Наиболее распространенной схемой [27], [31] любого фильтрового

колориметра для определения координат цвета и цветности прозрачных

или отражающих образцов является схема с одним источником и тремя

корригированными приемниками, В качестве источника излучения обычно

используют лампу накаливания, которая работает в режиме источника А и

освещает испытуемый образец, но в данном макете прибора можно легко

установить импульсный источник D65 на основе исследованной лампы

ИФП, Такая схема можно, нанример, реализовать в следующей

комбинации:

- лампа накаливания включается в таком режиме, чтобы ее цветовая

температура была 2856 К, то есть ее спектр соответствует спектру

излучения источника А;

- в качестве трех приемников используются кремниевые

фотоприемники со светофильтрами из стекол СС-2*СЗС-22, ЗС 8*СЗС-23 и ОС-17*СЗС-23 (спектральные характеристики при

использовании источника А приведены на рисунке 5,2,1),

A * Si * CC2

A * Si * 3C8 *

аэ^ооспосмоч'псогсосз)Осдэт^тцэгооспогчпгю(огсоо5Осм<оч-'П(0гоо

Рисунок 5.2.1 -Кривые сложений системы XYZ и подобранные кривые спектральных

чувствительностей трех корригированных приемников (для источника А)

Возможен и другой подход, который состоит в том, чтобы

поочередно освещать тремя цветными источниками поверхность

испытуемого образца, а сигналы регистрировать одним приемником. С

появлением разнообразных цветных светодиодов этот способ очень легко

реализовать. При их использовании можно работать в импульсном режиме

и тем самым дополнительно снизить влияние фоновой засветки. Спектры

излучений цветных светодиодов не очень широкие, но, благодаря

большому выбору по длинам волн, можно включать сразу несколько

источников для обеспечения необходимого спектрального состава. Получить спектр, подобный кривой сложения Z при угловом размере поля

Для кривой сложения Y - белый светодиод со светофильтром из стекла

марки ЖЗС-18, для X - белый светодиод со светофильтром из стекол

марок ОС-17 и СЗС-23 вместе с уже упомянутым синим светодиодом, но

при значительно меньшей мощности. Полученные спектральные кривые

при использовании кремниевого приемника показаны на рисунке 5.2.2.Белый св-д * 0С17

* СЗС23 +

0.08*Синий св-д

ооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооо

Рисунок 5.2.2 -Кривые сложений системы XYZ и подобранные кривые спектральных

чувствительностей трех корригированных приемников (для источника А)

Второй способ может быть несколько изменен: несколько

светодиодов, перекрывая весь видимый спектр, излучают поочередно, а

один приемник их регистрирует. На рисунке 5.2.3 показаны спектральные

характеристики семи цветных светодиодов и одного белого. Координаты

цветностей в стандартизованной системе XYZ 1931 г. отмечены на

рисунке 5.2.4. Такая схема представляет не что иное, как реализацию методов

многоцветной колориметрии. Для работы с таким колориметром

необходима более сложная система расчета, состоящая из четырех этапов:

1. Предварительное измерение сигналов, получаемым от трех, наиболее

полно охватывающих видимый спектр, светодиодов (например: синий

440 нм + белый + красный 690 нм);

2. Приближенное определение координат цветности испытуемого

образца по формулам пересчета для выбранных светодиодов;

3. Измерение трех сигналов от тех трех светодиодов, в область цветов которых попали предварительно определенные координаты цветности

(пример выбора областей показан на рисунке 5.2.4);

4. Окончательный пересчет сигналов по формулам для выбранных

светодиодов в координаты цветности в требуемой системе. ооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооо

Рисунок 5.2.3 - Спектральные кривые светодиодов

о 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75

Рисунок 5.2.4- Координаты цветности светодиодов в системе XYZ1931 г.Испытания проводились на основе сравнения расчетных координат

цветности с пересчитанными значениями случайно выбранных 100

образцов. В разное время на разных установках были измерены их

спектральные данные и получены координаты цвета и цветности для

источника А в системе цветов XYZ 1931 г. В первом способе, составив кривые сложений, спектральные

характеристики которых приведены на рисунке 5.2.1, были рассчитаны

координаты цветности в полученной системе цветов, подобной

стандартизованной системе XYZ. Затем был произведен пересчет из

системы цветов колориметра в стандартизованную систему XYZ. Расчетные значения и полученные координаты цветности до и после

пересчета показаны на рисунке 5.2.5 (приведены только составляющие

"х"). Результаты для второго и третьего способа приведены,

соответственно, на рисунках 5.2.6 и 5.2.7. • Расчетные значения

• Коорд. цветности до пересчета

• Коорд. цветности после пересчета

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100

Рисунок 5.2.5 - Координаты цветности до и после пересчета в первой схеме

• Расчетные значения

• Коорд. цветности до пересчета

• Коорд. цветности после пересчета

о Fi'i'i'i'i'i'.'.'P

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97

Рисунок 5.2.6 - Координаты цветности до и после пересчета во второй схеме

• Расчетные значения

• Коорд. цветности после предварит, пересчета

• Коорд. цветности после второго пересчета

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97

Рисунок 5.2.7 - Координаты цветности после предварительного и более точного

пересчетов в схеме с восемью светодиодами

Результаты всех расчетов сведены в одну таблицу 5.2.1, в которой в

соответствующих полях приведено количество образцов,

удовлетворяющих установленному диапазону погрешности.Таблица 5.2.1 -Количество образцов (из 100), попадающее в диапазон погрешности

Диапазон

погрешности

1-ый способ

1 ист.-З приемника

пересчета

после

пересчета

2-ой способ

3 ист.-1 приемник

пересчета

после

пересчета

3-ий способ

8 светодиодов

после 1-го

пересчета

после 2-го

пересчета

Из таблицы 5.2.1 видно, что наименьшую погрешность имеет

колориметр по схеме, предложенной в первом способе. Причина этого в

том, что в этом способе кривые сложения наиболее нодобны кривым

сложений системы, в которую производится пересчет (система XYZ

1931 г., источник А). Можно показать, что нет разницы каким из первых

двух способов получены кривые сложений (1 источник и 3 приемника или

3 источника и 1 приемник), но чем более точно они воспроизведены тем

меньшая будет погрешность. Несмотря на то, что погрешность измерений

координат цветности таким колориметром не превышает 0.01 для большей

реально воспроизводимой части локуса она все же остается значительной. Ноэтому для ее снижения прибор предпочтительнее использовать в

качестве компаратора или в качестве рабочего средства измерений

координат цветности для выбранной части цветового локуса. Это

позволяет специализировать прибор для определенных нужд (например -

[9], [11], [17]-[20], [30], [33], [34]), разработав специальную систему цветов

для повышения точности измерений в требуемой области локуса. Использование восьми светодиодов с одним приемником не дало

приемлемого результата, так как их спектральные кривые широки, чтобы

пытаться рассчитать координаты цветности спектрофотометрическим

методом. Системы цветов для каждой части локуса значительно

отличаются от стандартизованной системы, в которую нроизводится

пересчет, и погрешность после второго более точного пересчета остается

все же значительной. Для реализации спектрофотометрического метода

необходимо использовать как минимум 16 узкополосных светодиодов, равномерно распределенных по спектру, как это было реализовано в

некоторых фильтровых колориметрах с интерференционными

светофильтрами [27]. В таком случае, можно считать, что измерен

спектральный состав образца, и, на этих данных, рассчитать координаты

цветности в требуемой системе. Для сравнения с мировыми аналогами результаты испытания макета

со схемой, предложенной в первом способе, были пересчитаны в систему

цветов LAB. В настоящее время именно в этой системе наиболее часто

приводят основную погрешность практически любого колориметра. При

этом измерения обычно проводятся на комплекте из 12-13 образцовых

стекол. Например, для компактного денситометра фирмы X-Rite,

измеряющего координаты цветности, приводится значение средней

погрешности ДЕ = 0.4. В предложенном макете погрешность измерений

координат цветности оказалась АЕ = 0.5, но испытания проводились на

основе 100 спектров пропусканий и отражений. Несмотря на то, что

погрешности приборов примерно равны себестоимость изготовления

разработанного колориметра существенно меньше импортного аналога.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главное достижение исследования состоит в детальном анализе и

проведении испытаний методов измерений координат цветности, а также в

разработке нового типа переносного колориметра,

В ходе диссертационной работы проведены и решены следующие

исследования и задачи:

1. Выполнен обзор и произведены испытания методов определения

координат цветности образцов, работающих на пропускание и

отражение, а также методов измерения координат цветности

источников излучения. Результаты исследования показали, что

пофешность измерений на приборах и установках для определения

координат цветности разных типов, использующихся в качестве

рабочих средств измерений, - примерно одинаковы, но, в зависимости

от типа испытуемого объекта, применение одного прибора

предпочтительнее, чем другого. 2. В результате рассмотрения и испытания методов измерения координат

цветности источников излучения показано, что измерения по

эталонному приемнику на спектрофотометрической установке точнее,

чем при сравнении с известным источником света. 3. Проведен анализ влияния составляющих погрешностей на результат

определения координат цветности на основе измерений на приборах и

предложены способы снижения погрешности измерений. 4. Используя методы уменьшения погрешности, предложен принцип

построения объективного компактного колориметра с произвольным

набором светофильтров, который может применяться в качестве

компаратора цвета или рабочего средства измерений, методика его

калибровки и способ снижения погрешности измерений на основе

метода пересчета.5. Предложен простой и недорогой в реализации макет переносного

колориметра, использующего одновременно достижения

фотоэлектрической и классической визуальной колориметрии и новые

микросхемы для миниатюризации и проведения всех расчетов,

включая алгоритмы снижения погрешности измерений и вывода

результатов. Результаты испытаний показали, что прибор может

применяться в качестве рабочего средства измерения и выпускаться

серийно. Кроме того показано, что принципиальная схема

колориметра легко перестраивается под большинство задач. 6. Предложен вариант импульсного источника D65 на основе

импульсной лампы ИФП со стеклянным светофильтром для

использования в переносных приборах и установках. Испытания

макета показали его соответствие требованиям, высокую

эффективность и возможность применения для разнообразных задач. 7. Произведены сравнительные измерения координат цветности

отражающих образцов при разных геометриях измерений и показано,

что результаты сильно зависят от геометрии измерений даже для

стандартных цветных образцов.

1. Вершинский А, Е. Источник D65 для цветовых измерений - Л.: ОМП, 1978, №4, стр. 72.

2. Вершинский А. Е. Относительное спектральное распределение излучения ламны КИМ 9-75 - Л.: ОМП, 1977, № 12, стр. 55.

3. Вершинский А. Е. Оценка точности воспроизведения источника D65 - Л.: ОМП, 1978, №4, стр. 5.

4. ГОСТ 8.205-90 Государственный поверочная схема для средств измерений координат цвета и координат цветности.

5. ГОСТР 12.4.026-2001 Система стандартов безопасности труда. Цвета сигнальные и знаки безопасности.

6. ГОСТР41.7-99 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения подфарников, задних габаритных(боковых) огней, стоп-сигналов и контурных огней механическихтранспортных средств (за исключением мотоциклов) и их прицепов.

7. ГОСТР41.20-99 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения автомобильных фар с ассиметричнымиогнями ближнего света и (или) огнями дальнего света,предназначенными для использования с галогенными лампаминакаливания (лампы П4).

8. ГОСТР41.37-99 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения ламп накаливания, предназначенных дляиспользования в официально утвержденных огнях механическихтранспортных средств и их прицепов.

9. ГОСТ 6593-76 Краски печатные. Метод определения цвета.

10. ГОСТ 7721-89 Источники света для измерений цвета. Типы. Технические требования. Маркировка.10011. г о с т 8933-58 Нефтепродукты. Метод определения цветафотоэлектроколориметром.

11. ГОСТ 10807-78 Знаки дорожные. Общие технические условия.

12. ГОСТ 11583-74 Материалы полимерные строительные отделочные. Методы определения цветоустойчивости под воздействием света,равномерности окраски и светлоты.

13. ГОСТ 12083-78 Колориметры фотоэлектрические лабораторные. Типы. Основные параметры. Технические требования.

14. ГОСТ 13088-67 Колориметрия. Термины, буквенные обозначения.

15. ГОСТ 14313-69 Колориметры визуальные лабораторные концентрационные. Типы. Основные параметры.

16. ГОСТ 15821-70 Материалы белые нелюминесцирующие. Метод измерения показателя белизны и разнооттеночности.

17. ГОСТ 16873-78 Пигменты и наполнители неорганические.

18. ГОСТ 16872-78 Пигменты неорганические. Методы определения красящей способности.

19. ГОСТ 22133-76 Покрытия лакокрасочные станков, кузнечно- прессовых и литейных машин, инструмента. Требования к внешнемувиду.

20. ГОСТ 23198-94 Лампы газоразрядные. Методы измерения спектральных и цветовых характеристик.

21. ГОСТ 25695-91 Светофоры дорожные. Типы. Основные параметры.

22. ГОСТ Р 51256-99 Технические средства организации дорожного движения. Разметка дорожная. Типы и основные параметры. Общиетехнические требования.

23. ГОСТ Р 52282-2004 Технические средства организации дорожного движения. Светофоры дорожные. Типы и основные параметры.Общие технические требования. Методы испытаний.101

24. Груздева Н, И., Гуревич М. М., Демкина Л. В. Стеклянные светофильтры для воснроизведения излучения источников В и С - Л.:ОМП, 1977, №2, стр. 3-6.

25. Инструкция И 01-76 Цветовая гамма и контрольные образцы (эталоны) цвета эмалей и красок. Порядок разработки, согласования,утверждения и нормирования - М.: ВНИИТЭ, 1976.

26. Инструкция И 04-80 Инструментальные методы определения цвета декоративных материалов - М.: Отдел оперативной полиграфииВНИИТЭ, 1980,25 с.

27. Курицын А. М., Шляхтер Е. М. Универсальный переносной колориметр НР1КФИ типа ПКГ - М.: типография НР1КФИ, 1981,Вып. 105, стр. 31-44.

28. Лагутин В. И. Оценка погрешности определения координат цветности объектов - М.: Измерительная техника, 1987, N2 2, стр. 27-29.

29. Лакокрасочные материалы. Цветовой ассортимент и его нормирование-М.: ВНИИТЭ, 1978.

30. Луизов А. В. Цвет и свет - Л.: Энергоатомиздат, 1989,256 с.

31. Методические рекомендации по инструментальным методам определения цвета лакокрасочных покрытий - М.: Методическиематериалы/ВПИИТЭ, 1979.

32. МИ 25-74 Методика поверки образцов цвета - М.: Изд-во стандартов, 1975.

33. МИ 31-75 Методика поверки образцов белой поверхности - М.: Изд- во стандартов, 1975.

34. МИ 34-75 Методика поверки компараторов - М.: Изд-во стандартов, 1976.

35. МИ 141-77 Методика поверки спектрофотометров типа СФ-18 - М.: Изд-во стандартов, 1978.102

36. Порядок разработки, согласования и утверждения эстетически полноценного ассортимента декоративных материалов - М.: ВНИИТЭ,1975.

37. РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения.

38. РМГ 43-2001 Применение "Руководства по выражению неопределенности измерений".

39. Фотометр постоянных источников света ФПИ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации - Л.: изд-во "ГОИ им. СИ. Вавилова",1979,37 с.

40. ЮстоваЕ. П. Таблицы основных колориметрических величин - М.: Изд-во комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1967.

41. Юстова Е. П. Цветовые измерения (Колориметрия) - СПб.: Издательство СПбГУ, 2000,399 с.

42. Billmeyer F. W., Jr., Marcus R. Т. Effect of illuminating and viewing geometry on the color coordinates of samples with various surface textures- Applied Optics, 1969, №8, pp. 1763-1768.

43. CIE, CIE Publication 15.2, Colorimetry, 3nd ed. - Vienna: Commission International de l'Eclairage (CIE), Central bureau of the CIE, 2004.45. nunt R. W. G. Measuring colour (3rd ed.) - Chichester: Fountain Press,1998,344 р.

44. Mabon T. J. Color measurement of plastics: which geometry is best. - The Regional Technical Conference of the Society of Plastics Engineers,Cherry nill,NJ, 1992.

45. Malacara-nemandez D., Color vision and colorimetry: Theory and applications. - Bellingham: SPIE Optical Engineering press, 2002,176 p.

46. Marcus R. T. Colorimetry. - CRC Press LLC, 2000.

47. Ohno y . Color issues of white LEDs. - OIDA workshop preliminary report, 2000.103

48. Rich D. The effect of measuring geometry on computer color matching. - Color research and application, 1988, №13, pp. 113-118.

49. RiesH., Leikel., Muschaweck J. Optimized additive mixing of colored light-emitting diode sources. - Optical engineering, 2004, Vol. 43, JST» 7,pp.1531-1536.

50. Ryer A. D. Light measurement handbook. - Newburyport: Technical publications dept. International Light Inc., 1998, 64 p.

51. Shevell S. The science of color (2nd ed.). - Washington: OSA and Elsevier Science, 2003,336 p.

52. Zukauskas A. et al. Optimization of white polychromatic semiconductor lamps. - Applied phys., 2002, №80, p. 234.

53. Zukauskas A., Ivanauskas F., Vaicekauskas R., Shur M. S., Gaska R. Optimization of multichip white solid state source with four or more LEDs.-Proc. SPIE 4445, 2001, pp. 148-155.104