автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка и исследование метода контроля цвета продукции с помощью датчиков на светодиодах и волоконной оптике

^ На правах рукописи

Аль-Савалмех Вайел Хасан

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ЦВЕТА ПРОДУКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ НА СВЕТОДИОДАХ И ВОЛОКОННОЙ ОПТИКЕ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича

Научный руководитель - к.т.н., проф. А.А.Гоголь Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Л.Н.Щелованов к.т.н., доц. Ч.Г. Постарнак

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича по адресу;191186, СПб, наб.реки Мойки, д.61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Защита диссертации состоится в ..¿г час. на заседании ди!

час. на заседании диссертационного совета К 118.01.01 при Санкт-

1998 г.

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т.н., доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стремительное развитие электроники и вычислительнс техники оказалась предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразт процессов в промышленности, в научных исследованиях, быту. Однако реализация этс предпосылки в значительной мере определяется возможностями датчиков для получен] информации о регулируемом параметре или процессе. С ростом автоматизации к датчике физических параметров стали предъявляться все более высокие требования. При этс особое значение придается следующим показателям.

- миниатюрность (возможность встраивания);

- дешевизна (серийное производство);

- механическая прочность.

Понятие «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригоднь для серийного изготовления. Не исключением является и датчик цветовых отличи который в последнее время начинает завоевывать рынок, так как такие датчики могут бы использованы в самых разнообразных отраслях промышленности для контроля сортировки изделий по цвету.

В этом аспекте становится весьма актуальной проблема всестороннего исследования разработки методов контроля цвета продукции.

Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование разработка метода обнаружения цветовых отличий с помощью светодиодов и волоконш световодов.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ известных методов и аппаратуры измерения цвета и обнаружен отличия цветов;

• определить требования к датчику цветовых отличий, в первую очередь, к отношен! сигнал/шум в измерительных каналах датчика цветовых отличий;

• рассчитать отношение сигнал/шум для выбранного метода построения датчика и, п необходимости, предусмотреть меры для повышения отношения сигнал/шум до допустим величины;

• разработать макет датчика;

• разработать методику проведения экспериментальных исследований и провести их.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей, цифровой обработки сигналов, математического моделирования, экспериментальные исследования.

Научная новизна.

1. Разработана методика расчета чувствительности датчика к цветовым отличиям образца от эталона.

2. Разработана методика расчета отношения сигнал/шум в каналах измерения Л,в,В сигналов датчика цветовых отличий на светодиодах и волоконных световодах.

3. Исследованы основные параметры датчика цветовых отличий: чувствительность датчика к цветовым отличиям, глубина дистанции и размер измерительного пятна.

Практическая ценность. Разработанные в диссертационной работе методы позволяют по параметрам источников и приемника излучения определить параметры датчика, или же подобрать светодиоды, параметры которых удовлетворяют требованиям к датчику. На основе проведенных исследований разработан шкет датчика.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технической конференции, посвященной Пятой Международной «Санкт-Петербургской видеоярмарке» (СПб, 1996 г.) и на 5-ой научно-технической конференции «Современное телевидение» (Москва, 1997 г.)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатные работы.

Основные новые результаты, полученные в работе и выносимые на защиту:

1. Показано, что наиболее перспективным методом создания датчиков цветовых отличий является метод, основанный на использовании светодиодов и волоконных световодов.

2. Предложенная методика расчета чувствительности датчика к цветовым отличиям образца от эталона позволяет установить требования к допустимому отношению сигнал/шум измерительного канала.

3. Разработанная методика расчета отношения сигнал/шум измерительного канала датчика цветовых отличий позволяет оценить его потенциальные возможности для достижения требуемой чувствительности к цветовым отличиям.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов заключения, и содержит 111 страниц текста, 35 рисунков, 11 таблиц, список литературы : 52 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулироваг цель и задачи исследования, перечислены основные новые результаты, полученные в работ приведены основные положения, выносимые на защиту, пояснены структура и объ< диссертации, приведены сведения об апробации работы.

В первом разделе работы содержится анализ известных методов и аппарату} измерения цвета. Для выбора наиболее перспективных методов построения датчик цветовых отличий в диссертации рассмотрены принципы измерения ивеп систематизированы и проанализированы существующие методы и оптические схемы, многом определяющие достижимые параметры.

Предложено существующие методы измерения и контроля цвета пролукц] классифицировать по следующим основным признакам: методу измерения спектрофотометрические и колориметрические; принципу действия - одновременные поочередного действия; способу разделения спектра - на передающей или прием» стороне. На основе предложенной классификации рассмотрены методы и устройст контроля цвета. Показано, что в настоящее время ни одному из известных методов нел1 отдать безусловное предпочтение. Однако, учитывая колоссальный прогресс, достигнуть» последние два-три года в совершенствовании светодиодов, а также их преимущества отношению к другим источникам света (малые размеры, возможность высокочастотн модуляции светового потока, что позволяет устранять влияние окружающего света пут его фильтрации, а не повышением мощности излучения, большой срок службы), диссертационной работе предпочтение отдано датчикам цветовых отличий на светодиодах

Основными недостатками тахих датчиков являются: - несоответствие спектральных характеристик светодиодов кривым сложения, ч вызывает необходимость более детально исследовать зависимость показаний датчика отличия цветов.

- недостаточная мощность источников излучения, что требует, особенно, в условиях применения в оптической системе волоконных световодов, дополнительных исследований отношения сигнал/шум датчика цвета;

В значительной мере параметры датчика определяются выбором оптической системы. В работе выделены три варианта оптических систем: без совмещения оптических осей источников и приемника излучения, с совмещением оптических осей источников излучения и совмещением оптических осей источников и приемника излучения. Проанализированы преимущества и недостатки датчиков, использующих ту или иную оптическую систему. Показано, что все они могут быть реализованы на волоконных световодах, при этом предпочтение следует отдать оптическим системам с частичным или полным совмещением оптических осей.

Второй раздел диссертационной работы посвящен исследованию зависимости показаний датчика от цветовых отличий.

Анализ параметров распознающих датчиков цветовых отличий показывает, что к этим датчикам предъявляются во многом противоречивые требования, что, в значительной мере, обусловлено их широким применением. Среди всех этих параметров следует особо выделить чувствительность датчика к цветовым отличиям, так как, именно, для этой цели он и предназначен. Обзор существующих в настоящее время датчиков цветовых отличий, показал, что для характеристики чувствительности используются самые разнообразные определения, такие как разрешающая способность по RGB уровням сигнала, определяемая в количестве уровней квантования (обычно она составляет 256 уровней); высокая, средняя и низкая чувствительность; а также величина отличия цветов ДЕ„ь. Такая неопределенность вызывает затруднения как при проектировании датчиков, так и при их сравнении и установке допуска. Во многом, отсутствие определенности в этом вопросе вызвано тем, что из-за требований к стоимости и по ряду других причин, сквозные спектральные характеристики этих датчиков не соответствуют, кривым сложения, речь идет лишь об обнаружении цветовых отличий. Для определения требований к отношению сигнал/шум в измерительных каналах датчика цветовых отличий, а также для установки допуска при сортировке разных объектов, при демонстрациях прибора потребителю возникает необходимость иметь представление о зависимости показаний датчика от цветовых отличий.

Для решения этих вопросов во втором разделе диссертации рассмотрены параметры характеристики источников и приемников излучения и оптические свойства материале установлена зависимость между показаниями датчика и цветовым отличием эталона образца в равноконтрастной системе; определены требования к отношению сигнал/шум каналах измерения RGB сигналов.

Сравнительный расчет показаний датчика с отличием координат цвета образцов эталонов производился в системе L*a*b, при этом в качестве эталонных в расчет использованы цвета, имеющие спектральную характеристику П-образной формы.

Расчет проводился для двух вариантов формирования цветовых отличий:

- в первом случае вводились изменения спектрального коэффициента отражения области минимума спектральной плотности излучения светодиодов;

- во втором случае вводились изменения в спектральную область излучен светодиодов, осуществляемые таким образом, чтобы увеличение коэффициента отражени одной области спектра компенсировалось его уменьшением в другой области спект) соответствующей спектру излучения того же светодиода.

Для первого случая, отличие цветов осуществлялось путем изменения спектральнс коэффициента отражения р^Х) шириной АХ. = 20 нм в пределах от р^ = 0 до роб = * шагом Др = 0,00IX в разных областях спектра для различных эталонных цветов.

Для второго случая расчет проводился следующим образом. Эталонный щ формировался способом аналогичным первому случаю, а цвет образца формировался пут равномерного изменения спектрального коэффициента отражения робМ через Ар. = 0,0i трех областях спектра общей протяженностью АХ = 70 нм, примерно, соответствуют! ширине спектра излучения светодиодов на уровне 0,1-0,2.

Использовалась следующая методика расчета.

1. Дтя выбранных тест-цветов рассчитывалась координаты XYZ

п _

W = к £ P(X);p(A)jW(X)i ДА., (1

i=l _ где Р(Я) - спектральная плотность излучения источника; w(X) - удельные координаты.

2. Пересчитывались координаты XYZ в систему L*a*b*.

3. Вводились измененные коэффициенты отражения.

4. По найденным A L*, Да* и ДЬ* рассчитывались цветовые отличия

ДЕ = (AL*2 + Да*2 + ДЬ*2)1/2

5. Для тех же цветов по соответствующим спектральным коэффициентам р(И;) рассчитывались уровни сигналов в измерительных каналах датчика цвета Ur, Ug, Ц, для эталонов и образцов

Для приближения показаний датчика к истинным, ясно, что необходимо использовать в датчике алгоритмы аналогичные (1). Однако, в силу специфики, используемых источников освещения и задач, стоящих перед конструкторами датчиков, целесообразно использовать более простые алгоритмы измерения.

Измерения организовывались следующим образом: • перед датчиком устанавливался эталон белого цвета, для которого коэффициент отражения р» 1; коэффициент усиления в канале к регулировался таким образом, чтобы уровень сигнала от эталона U»e = const. Для определенности было принято, что U^e = 1000 мВ.

П

IU = kZPwРб(ХХМХ); S(A), ДА. = 1000 мВ, (2)

i-i

где Кш(А.) - спектральный коэффициент оптической передачи; S(К) - спектральная характеристика чувствительности фотоприемного устройства; Откуда,

1000

2 PwWipoWiKon(X),S().)iAX. ¡=1

(3)

• устанавливался перед датчиком эталон цвета и запоминались его координаты

и„ „ = к I р^цр^цм^^уа; (4)

¡=1

• определялся цвет образца и^ов, аналогично (4)

• рассчитывались показания датчика цветовых отличий

ДЕдц = (|и„1-иге6| + ^-и,*! + ^ьт-июв!). (5)

Как видно из соотношения (3), максимум ДЕдц соответствует отличию белого цвета от черного и равен максДЕдц = 3000 мВ (при использовании трех светодиодов).

Полученные в результате расчетов данные могут быть интерпретированы по-разному в зависимости от предполагаемых условий работы датчика.

В диссертационной работе определена наиболее жесткая, с точки зрения требований к чувствительности датчика, зависимость его минимальных показаний от изменения

к

спектрального коэффициента отражения в диапазоне длин волн от 400 нм до 700 нм для t = 4 и ДЕ = 8. Показано, что минимальные показания датчика располагаются в облас минимумов спектральной плотности излучения светодиодов и в области синих тоно составляя АЕдч2 « 4,7 мВ для ДЕ = 4 и ДЕ.к3 «13 мВ для ДЕ = 8. Разброс показаний датчм в зависимости от эталонного цвета, составляет порядка 2-3 раз.

В диссертации также рассмотрен случай, когда возможные изменения цвета образ! лежат в пределах от 4ДЕ до 8ДЕ, что соответствует малым отличиям цвета образца ■ эталона. Показано, что для функции распределения показаний датчика F = 0,05 д. эталонного цвета, которому соответствуют минимальные показания датчик ДЕд„2 приблизительно составляет 5 мВ, то есть в данном случае они мало отличаются < минимальных.

Аналогичные расчеты были выполнены для случая изменения спектрально коэффициента отражения в трех участках спектра для тех же эталонных цвете Приведенные данные были получены для F = 0,05 и двух случаев отличия цветов эталона образца 4<ДЕ<8и8<ДЕ< 12. Такие соотношения были выбраны исходя из того, что i практике чувствительность датчика удобно оценивать по атласу цветов Манселла, г, цветовое отличие двух соседних образцов, отличающихся по насыщенности (chroma) на д единицы с; - Cj= 2, примерно, равно 4ДЕ, а отличающихся по насыщенности на четыре рав) 8ДЕ. Таким образом, выбранное отличие соответствует обнаружению отличия меж, соседними образцами или через один. Установлено, что при F = 0,05 минимальш показания датчика составляют ДЕд,а« 2 мВ для 4 < ДЕ < 8 и ДЕЛЧ2К 5 мВ для 8 < ДЕ < 1 Если рассматривать случай, когда 8 < ДЕ < ДЕМ>КС, где ДЕ»ак - максимальное рассчитанных значений ДЕ, что соответствует случаю изменения цвета образца в болыш пределах, то вероятность больших показаний датчика возрастает. Поскольку д определения требований к отношению сигнал/шум, при неизвестном конкретш использовании датчика приходится рассчитывать на худший вариант, то для дальнейш) расчетов принято АЕдад®2 2 мВ для ДЕ > 4 и ДЕОТ2« 5 мВ для ДЕ > 8.

Исходя из рассчитанных показаний датчика, определены требования к допустим! величине шума в канале измерения U„. Показано, что допустимое значение шумов в кана измерения RGB сигналов составляет для АЕ > 4 aw * 0,4мВ и, аналогично, для ДЕ > 8 < » 1мВ. Следовательно, учитывая, что максимальная величина RGB сигналов, принятая п] расчетах составляет 1000 мВ, отношение размаха сигнала от эталонного белого цвета

среднеквадратическому значению помехи должно быть более ЧР й 2500 для ДЕ>4 и У > 1000 для ЛЕ>8. Соответственно, в датчике цвета, в зависимости от требуемой чувствительности, необходимо использовать 8 - 9-разрядное АЦП.

Выполненные теоретические исследования зависимости показаний датчика от отличия цвета эталона от образца показали;

• Отношение размаха сигнала от эталона белого цвета к среднеквадратическом значению помехи в канале измерения должно быть не менее V > 1000 +2500 для АЕ > 8 и ЛЕ > 4, соответственно.

• Показания датчика при одном и том же отличии цветов в системе Ь*а*Ь* в зависимости от эталонного цвета и формы спектрального коэффициента отражения изменяются в значительных пределах. Следовательно, допуск на чувствительность датчика к цветовым отличиям необходимо устанавливать исходя из конкретного применения

• В зависимости от требуемой чувствительности датчика к цветовым отличиям необходимо использовать 8 - разрядное АЦП.

Третий раздел диссертации посвящен вопросам расчета потерь при прохождении потока излучения от источника до фотоприемника, и оценке величины шумов в измерительных каналах датчика цвета.

Датчик цветовых отличий, в общем случае, представляет собой устройство, состоящее из двух основных блоков: оптического и электронного. При этом, его чувствительность определяется выбором и построением как оптических схем и элементов, так и электронных.

Сигнал генерируемый фотоприемником под воздействием потока, излученного светодиодами и отраженного от образца, зависит от большого количества параметров, учет которых представляет собой весьма сложную задачу. Для ее решения необходимо определить освещенность объекта под действием потока излучения от светодиодов, и, далее, освещенность фотоприемника, создаваемую потоком излучения отраженным от объекта. В диссертации раздельно рассмотрено прохождение потока излучения в приемной и передающей секциях.

При расчетах коэффициента оптической передачи приемной секции были сделаны некоторые допущения. Во-первых, учитывая, что для оценки цвета используют диффузную составляющую потока излучения отраженного от объекта, объект представлялся как рассеивающая поверхность. При этом поток, отраженный от объекта, подчиняется закону

Ламберта. Во-вторых, учитывая ориентировочный характер светотехнических расчетов, оптическая система считалась идеальной.

Принималось, что торец приемного световода расположен в фокусе линзы. Показано, что при выполнении условия, что размер освещенной поверхности объекта на расстоянии 1» между объектом и приемной линзой с1„ < 211,,, где Кз = г- г- размер освещающего пятна на объекте, при котором лучи, отраженные от объекта, будут проходить через края линзы и фотоприемника; гл - радиус линзы; Гф„ - радиус приемного торца световода; выражение для

коэффициента передачи приемной части оптического блока может быть представлено в виде

» 2

Гфс

Кпр= - . (б)

Гф„2 + /2

Для реальных значений Гф„ = 1 мм и / = 10 мм, К„р « 0,01, т.е. поток, достигший фотоприемника, с учетом того, что коэффициент отражения обычно заметно меньше 1, составляет доли процента от потока излучения, падающего на объект.

Установлено, что максимальная глубина дистанции для случая совмещения оптических осей источника и приемника излучения составит 1от — Г-г//Гфп .

При тех же значениях Гф„ = 1 мм, / = 10 мм и радиусе линзы г„ = 5 мм максимальная глубина дистанции равна Ц, = 50 мм при бесконечно малом световом пятне. При увеличении светового пятна глубина дистанции уменьшается. То же происходит и при разносе оптических осей источника и приемника излучения, из-за смещения положения освещающего пятна на объекте.

Очевидно, что уменьшение потерь при вводе светового потока в волновод можно достичь, располагая светодиоды как можно ближе к оптической оси световода (тем самым уменьшая наклон торца световода относительно оптической оси светодиода) и приближением светодиода к торцу. Представляются возможными три варианта реализации указанных требований;

- использование светодиодов возможно меньших габаритов, располагаемых оптимальным образом, учитывая их разную мощность излучения;

- использование дихроичных зеркал или иных способов совмещения оптических осей светодиодов с оптической осью световода;

- использование, появляющихся в настоящее время светодиодов белого свечения.

Коэффициент оптической передачи передающей секции К„ определяется коэффициентом оптической передачи при вводе потока излучения в световод К,, а также потерями, зависящими от коэффициента заполнения волоконно-оптического кабеля, отражения потока излучения от торца световода, потерь в световоде, которые обычно учитываются коэффициентом Кр, равным, как известно,

Кр = г, (1 - р.УвА,, (7)

где Эо - общая площадь входного торца световода;

б, - суммарная полезная площадь торцов волокон;

т, - коэффициент пропускания световода;

р, - коэффициент отражения света от границ раздела воздух-волокно на торцах световода.

При бЛ, = 0,8; т, = 0,9 и (1 - р.)2= 0,96; Кр» 0,69.

Для определения коэффициента оптической передачи передающей секции К„ учтено, что в качестве источника излучения используются светодиоды с узкой диаграммой направленности (0 2 15°). Тогда при размещении светодиода вплотную к торцу световода, с достаточной для практики точностью, можно считать, что коэффициент оптической передачи К„ определяемый потерями при вводе потока излучения в световод, равен отношению площади торца световода Б, к площади излучателя Б,

К, = Б^и = (Яц/К«)2. (8)

Для типичных размеров светодиода В* = 5 мм и многожильного световода Л, = 2 мм К, = 0,16.

При значительных расстояниях между светодиодом и световодом, 1>> Я,, коэффициент оптической передачи передающей секции будет определяться диаграммой направленности источника излучения.

Для описания распределения излучения в диссертации использовано модифицированное распределение Ламберта 1 = соэ"1©, где 9 - угол, измеренный от нормали к излучающей поверхности; т - параметр масштабирования.

Коэффициент оптической передачи К, в этом случае определяется следующим выражением

К,= 1-со8т+19.

Для расчета коэффициента оптической передачи К, на промежуточных расстояниях! в диссертации, исходя из радиуса освещающего пятна на максимальном расстоянии линейной аппроксимации размера пятна по дистанции, получено следующее выражение U R.

K.= R.V(-(--R„) + R,)2, С

Ьмакс (1 -COSm+19)W

где cose = L ,J( LMaK2 + R,2)"2

Для случая ввода потока излучения с помощью светодиодов, не совмещенных на одн( оси, коэффициент оптической передачи уменьшится и составит

KBi = К, cose, (1<

где е - угол, образованный осью свегодиода и нормалью к торцу световода.

Расчеты показали, что, в лучшем случае, при использовании свегодиода бело свечения, содержащего кристаллы красного, зеленого и синего свечения, диаметром 5 м коэффициент оптической передачи К» « 0,16. Для других вариантов ввода К, падае примерно в два раза.

Результирующий коэффициент оптической передачи составляет

Коп Р КпрКдКд, (1

где К, - коэффициент, равный 1 для раздельных приемного и передающего световодов равный 0,5 для совмещенного световода; К2Р - учитывает двойное прохождение пото излучения через световод (от светодиодов к образцу и от образца к фотоприемнику).

Для реальных значений параметров К„п = 0,692«0,01*0,16*0,5 » 4«!О"4 для совмещенно световода и = 0,692*0,01*0,16 « 8*'0"* для раздельных световодов при использован! одного свегодиода, уменьшаясь в два раза для других вариантов ввода излучения в свеггово

Исходя из рассчитанной величины коэффициента оптической передачи, определе: величина тока ic фотоприемника для случая использования совмещенного световода

|ф = 15(Цр(х)1Р«(ЦКопД^ (1:

1=1

Для фотодиода BPW 34В (кремниевый pin фотодиод) и светодиодов красного, зелено и синего свечения типа NSCM величина тока составит а 210 нА, я 87 н

1фь » 71 нА.

В диссертации показано, что отношение сигнал/шум в каналах измерения RGB сигнал! будет, в основном, определяться флуктуационными шумами датчика *Р = U /Оф,

где U - номинальное значение RGB сигналов при отражении от эталона белого цвета,

W - отношение сигнал/шум.

Отношение сигнал/шум рассчитывалось по известному соотношению 1Ф

-, (13)

((2е(1т + 1¥а + 1ф) + 4kTKB/R)B)0'5

где К= 1,38-Ю"23 дж/к - постоянная Больцмана; Т - температура в К; В - шумовая полоса пропускания; е= 1,5-10'19 - заряд электрона; 1г - темновой тока фотодиода; 1ф - фототок, обусловленный потоком излучения от светодиодов; 1фо» - фототок, обусловленный окружающим светом; R - сопротивление нагрузки усилителя.

При отсутствии фоновой засветки окружающим светом дробовый шум будет определяться величиной фототока 1ф, обусловленной потоком излучения от светодиода. Очевидно, что с точки зрения отношения сигнал/помеха, наихудшим будет случай минимального фототока. В том случае, когда окружающий свет значительно сильнее света от светодиодов, квантовый дробовой шум будет определяться фототоком 1фо«, генерируемым под воздействием окружающего света.

Показано, что при выбранных в диссертации лучших образцов источников и приемника излучения, отношение сигнал/шум в разных каналах составит « 480, «210, « 170 при наличии окружающей засветки с освещенностью образца Е = 1000 лк. Увеличение сигнал/шум можегг быть достигнуто путем увеличения тока через светодиод, что допускается в импульсном режиме, и использования усреднения результатов измерения. При этом необходимо учитывать, что увеличение тока светодиода приводит к необходимости уменьшения коэффициента заполнения К„„ % = i00nt„/TK1Ml где п - количество импульсов тока длительностью t, через светодиод в течение периода ТШм.

В диссертации показано, что выигрыш в отношении сигнал/шум Q„ для светодиодов, аналогичных NSCM, достигает для светодиодов синего и зеленого свечения 10 раз и 35 раз для светодиода красного свечения за счет усреднения и увеличения импульсного тока через светодиод.

Полученные результаты позволили сделать выводы: • Отношение сигнал/шум в каналах измерения RGB сигналов, которого можно добиться путем увеличения импульсного тока через светодиод и использования усреднения, обеспечивает возможность обнаружения отличия цветов ЛЕ > 8.

• Наиболее существенно на отношение сигнал/шум датчика влияет фоновая засветка.

• Глубина дистанции датчика при соблюдении определенных требований к элемент* оптической системы может достигать более десяти мм.

• Оптимальное увеличение тока светодиода в импульсном режиме и усреднение отсчеп при приемлемом времени измерений позволяют в 10 раз увеличить отношение сигнал/шум

В четвертой разделе диссертации представлено описание аппаратной части маке датчика цветовых отличий, его программного обеспечения, а также результат экспериментальных исследований датчика цвета.

Основной целью проведения экспериментальных исследований являлась оцен основных параметров датчика цветовых отличий.

Исследовалась глубина дистанции различных вариантов датчика. Для этой uej образец автоматически сканировался по дистанции с помощью специального устройства, показания считывались в компьютер. Обработанные данные представлялись в виде графи: зависимости относительного уровня сигнала от расстояния между образцом и датчико: Эксперименты проводились при использования двух вариантов ввода потока излучения световод: с помощью втулки, необходимой для фиксации положения светодиод( относительно световода, или с помощью дихроичных зеркал. Полученные результат позволили сделать следующие выводы:

• чувствительность датчика практически не зависит от выбора оптической схе& сложения потоков излучения от светодиодов (с помощью втулки или дихроичных зеркал);

• размер пятна при использовании дихроичных зеркал уменьшается. При этс улучшается восприятие пятна, ю кольцеообразного оно становится сплошным;

• только совмещение источников излучения на одной оси (дихроичные зеркала ш светодиод, содержащий три чипа) позволяет обеспечить требуемую глубину дистанции nj использовании раздельных кабелей с регулярной структурой для приема и переда' светового потока. Это обусловлено тем, что при использовании втулки оптическая схе« соответствует схеме без совмещения оптических осей источников излучения со всех присущими ей недостатками.

В диссертации показано, что оптическая система с частичным совмещением оптичесю осей позволяет достичь глубины дистанции порядка ±17% от оптимального расстояни составляющего 24 мм при выбранных параметрах линз.

Оптическая система с полным совмещением оптических осей обеспечивает глубину дистанции более 40% от оптимального расстояния 6-13 мм. Значительный уровень сигнала на конце дистанции при испытании белого образца говорит о том, что для таких систем характерно заметное влияние отражения светового потока от выходной линзы.

Результаты, полученные для одной и той же линзы, но при разных системах ввода излучения в кабель, позволили сделать вывод, что использование дихроичных зеркал позволяет заметно увеличить глубину дистанции. Это, вероятнее всего объясняется тем, что мощность в световом потоке, выходящем из световода, распределена в виде кольца, и, при увеличении расстояния от образца до датчика, ограничение угловых размеров принимаемого потока сильнее сказывается на мощности попадающей на фотоприемник.

Исследования чувствительности датчика к отличию цветов (обнаруживаемая цветовая разность) проводились следующим образом. Перед датчиком устанавливались образцы цветов из атласа Манселла. Измерялись значения сигналов и„ иг, Ць и запоминались в компьютере. Затем по выбранным алгоритмам рассчитывались отличия цветов для карточек, имеющих небольшое отличие по цвету АЕ в системе координат Ь*а*Ь*.

Полученные результаты экспериментальных исследований показали:

• Датчик позволяет уверенно обнаруживать отличие цветов при АЕ > 4, что несколько лучше по сравнению с теоретическими расчетами. Однако при этом надо учитывать, что расчеты проводились исходя из поиска наиболее жестких условий работы.

• Наилучшие результаты, с точки зрения потерь при вводе светового потока в световод, достигаются при использовании одного светодиода. Использование дихроичных зеркал заметно усложняет конструкцию, и, практически, не увеличивает коэффициент передачи, но заметно уменьшает размеры светового пятна и увеличивает глубину дистанции;

• Использование одного световода для приема и передачи светового потока позволяет достичь глубины дистанции порядка 10 мм при минимальном расстоянии 0-1 мм. Однако при такой конструкции заметное влияние на показания датчика оказывает обратное отражение светового потока освещающего образец от линзы в световод. Несколько уменьшить отражение позволяет наклон линзы и применение двояковыпуклой линзы;

• Использование раздельных световодов для приема и передачи светового потока позволяет обеспечить глубину дистанции такого же порядка (около 10 мм), но на больших расстояниях. Такая конструкция свободна от обратного отражения, но имеет существенно большие размеры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью работы в диссертации теоретически и эксперименталы исследованы основные проблемы, возникающие при разработке датчика цветовых отлич! на светодиодах и волоконной оптике. Основные результаты работы заключаются следующем:

1. Проанализированы известные методы и аппаратура измерения и обнаружен отличия цветов. Показано, что наиболее перспективным для целей контроля продукции процессе производства на данном этапе является метод, основанный на использован! светодиодов и волоконных световодов.

2. Предложена методика расчета чувствительности датчика цветовых отличи позволяющая определить требования к отношению сигнал/шум . Показано, что д выполнения требования обнаружения цветовых отличий ДЕ > 4-ь8 необходимо обеспечи отношение сигнал/шум = 1000-^2500 в каналах измерения RGB сигналов.

3. Теоретически и экспериментально исследована модель датчика с использованш волоконных световодов. Показано, что реально достижимая глубина дистанции составля 10-15 мм.

4. Теоретически исследована зависимость отношения сигнал/шум от влияющ факторов. Показано, что реально достижимое отношение сигнал/шум составляет поряд ¥« 1500.

5. В соответствии с результатами проведенных исследований разработан макет датчи цвета,

6. Разработана методика проведения экспериментальных исследований датчика цвета.

7. По результатам экспериментальных исследований установлено, что разработанш макет датчика цвета позволяет обнаруживать отличие цветов порядка ДЕ S 4 при достаток высоком быстродействии (не более 1 мс).

8. Дальнейшее развитие датчиков цветовых отличий связано с оптимизаци спектральных характеристик источников излучения и параметров оптической систе» датчика, что позволит значительно улучшить его технические и эксплуатационн характеристики

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аль-Савалмех В.Х., Гоголь A.A., Черный В.Я. Распознающие датчики цвета //5-я международная Санкт-Петербургская видеоярмарка; Тез.докл. - СПб, 1996. - С.57.

2. Аль-Савалмех В.Х., Гоголь A.A., Гарамов Д.Б., Черный В.Я. Датчик цвета на светодиодах//5- я НТК "Современное телевидение". - М., 1997. - С.21.

3.Аль-Савалмех В.Х., Гоголь A.A., Гарамов Д.Б., Черный В.Я. Датчики для контроля и сортировки объектов по цвету. Датчик цвета на светодиодах//5- я НТК "Современное телевидение". - М., 1997. - С.22.

4. Аль-Савалмех В.Х., Гоголь A.A., Черный В.Я. Исследование оптической системы распознающего датчика цвета. //5-я международная Санкт-Петербургская видеоярмарка: Тез.докл. - СПб, 1996. - С.57.

Подписано к печати 23.03.98 г. Объем 1 печ.л. Тираж 60 экз. Зак

Тип СПб ГУТ. 191186. СПб, наб.р, Мойки, 61