WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA INSTYTUT OPTOELEKTRONIKI LABORATORIUM DETEKCJI SYGNAŁÓW OPTYCZNYCH GRUPA:.. Skład podgrupy nr... PROTOKÓŁ DO ĆWICZENIA nr.. Temat ćwiczenia: Badanie czujnika koloru 1. 2.. 3.. 4.. 5.. 6.... Data wykonania ćwiczenia... Ocena Prowadzący ćwiczenie. Podpis prowadzącego ćw. Tabela 1. Dane urządzeń pomiarowych Lp. Nazwa urządzenia Marka/Typ Numer Podstawowe dane techniczne 1 2 3 4 5 6 1
1. Cel ćwiczenia Zapoznanie studentów z możliwościami zastosowania elementów optoelektro-nicznych do wykrywania i identyfikacji kolorów przedmiotów. 2. Opis ćwiczenia Ćwiczenie laboratoryjne składa się z dwóch stanowisk pomiarowych, na których zastosowano różne układy do identyfikacji koloru przedmiotów na podstawie analizy odbitego od ich powierzchni promieniowania. W pierwszym układzie pomiarowym zastosowano źródło promieniowania o zmiennej i kontrolowanej charakterystyce widmowej (kolorze). Sygnał odbity od badanej powierzchni jest rejestrowany przy użyciu jednego fotodetektora. W drugim przypadku zastosowane zostało szerokopasmowe (wielokolorowe) źródło promieniowania (lampa ksenonowa). Promieniowanie odbite od powierzchni przedmiotu jest następnie poddane rozszczepieniu na poszczególne kolory przy zastosowaniu elementu dyspersyjnego siatki dyfrakcyjnej. Obraz uzyskany z tej siatki jest rejestrowany przy użyciu matrycy detektorów. Na jego podstawie następuje ścisłe przyporządkowanie badanym kolorom odpowiednich zakresów długości fal promieniowania optycznego. 2.1. Badanie możliwości identyfikacji kolorów przy wykorzystaniu selektywnych źródeł światła Opis stanowiska Stanowisko laboratoryjne składa się z zasilacza, głowicy czujnika i woltomierza. Widok stanowiska przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Widok stanowiska pomiarowego Głównym elementem stanowiska jest głowica czujnika zbudowana z: diody RGB stanowiącej oświetlacz badanej powierzchni, 2
elementu fotoczułego (fotodiody) rejestrującego promieniowanie odbite od badanego przedmiotu, trzech przełączników pozwalających na zmianę koloru świecenia diody w konfiguracjach jednokolorowych R, G, B, a także kombinacjach R+B, R+G, G+B, R+G+B. Widok głowicy czujnika przedstawiono na rys.2. Rys. 2. Widok głowicy pomiarowej czujnika koloru Zasilacz laboratoryjny służy do zasilania głowicy pomiarowej, natomiast woltomierz do odczytywania wartości napięcia wyjściowego z fotodiody. Zasada działania zaprojektowanego czujnika polega na oświetleniu badanego obiektu promieniowaniem o określonym kolorze. Realizowane jest to przy użyciu diody LED - RGB o jasności 50 cd. Promieniowanie odbite od badanej powierzchni pada na fotodetektor. Wartość sygnału wyjściowego z fotodetektora zależy do poziomu odbitego światła oraz czułości widmowej fotodiody. W układzie zastosowano źródło z możliwością kontrolowanej zmiany koloru emitowanego promieniowania. Wybór koloru świecenia LED realizowany jest poprzez przełączniki, dzięki którym można uzyskać składowe RGB (czerwony, niebieski, zielony) oraz ich kombinacje (rys. 3). Rys. 3. Widok układu pomiarowego dla pięciu kolorów promieniowania 3
Widma wykorzystanego źródła RGB dla poszczególnych kolorów oraz ich połączeń zostały przedstawione na rys. 4. Rys. 4. Widma promieniowania diody RGB Jako przedmioty do badań zastosowano klocki LEGO o różnych kolorach (rys.5). Rys. 5. Widok badanych przedmiotów 4
Istotnym elementem badań przy użyciu głowicy czujnika jest analiza wyników pomiarowych. Na podstawie poziomów sygnałów wyjściowych z fotodiody dla różnych kolorów oświetlenia klocków LEGO należy dopasować odpowiedni algorytm umożliwiający automatyczną identyfikację danego koloru. Jedną z matematycznych metod umożliwiający realizację takiej procedury jest opracowanie odpowiedniej macierzy transformacji sygnałów czujnika (napięciowych) na odpowiednie wagi składników RGB. Schemat blokowy procedury przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Schemat blokowy procedury wyznaczenia macierzy transformacji W procedurze tej zastosowany jest model liniowy poprzez operację mnożenia macierzy RGB przez macierz transformacji o wymiarze 3x3. Aby znaleźć macierz transformacji bardzo często stosuje się metodę statystyczną. Odbywa się to poprzez operację wzorcowania macierzy (rys. 7) według równania: Rys. 7. Rachunek macierzy transformacji kolorów gdzie - X n, Y n Z n wartości składowych poszczególnych kolorów, - R n, G n, B n sygnały zmierzone przy użyciu głowicy czujnika. 5
Macierz odwzorowania (współczynników a) spełnia następujący układ równań: X = a Y = a Z = a 11 12 13 R + a R + a R + a 21 22 23 G + a G + a G + a 31 32 33 B B B. [1] Macierz tę można wyznaczyć bezpośrednio ze wzoru T 1 = S C. [2] Po wyznaczeniu macierzy współczynników istnieje możliwość ustalenia składowych koloru RGB w oparciu o zmierzone sygnały z głowicy czujnika. Druga metoda bazuje na analizie odchylenia wyników pomiarów od wcześniej ustalonego wzorca. W pierwszym etapie badań dokonuje się procedury wzorcowania czujnika. Schemat ideowy tej procedury przedstawiono na rys. 8. Rys. 8. Schemat blokowy procedury wyznaczenia tablicy wzorcowej Promieniowaniem o ściśle określonym kolorze oświetla się przedmiot o znanym kolorze. Kolejno odczytuje się amplitudę sygnału z fotodetektora i zapisuje do tabeli stanowiącej wzorzec dla dalszych pomiarów. Całą procedurę przeprowadza się dla określonej liczby kolorów oświetlenia i przedmiotów. Przykładową tabelę przedstawiono na rys. 9. Wykrywany kolor LED 1 (zielona) LED 2 (biała) ODCZYT LED 3 (niebieska) LED 4 (czerwona) Żółty 70 178 121 191 Czerwony 3 80 83 160 Niebieski 12 90 120 60 Zielony 80 150 131 100 Brązowy 5 60 80 75 Pomarańczowy 8 135 100 186 Rys. 9. Przykładowa tabela wzorcowa 6
Opierając się na tak powstałej tablicy można przeprowadzać badania identyfikacyjne koloru wybranych przedmiotów. Wyznacznikiem koloru jest w tym przypadku minimalna odległość euklidesowa D E dla poszczególnych kolorów wyznaczona ze wzoru D E = m ( Xn Yn ) n= 1 2, [3] gdzie X oznacza wzorzec, a Y wynik pomiaru. Przykład: Tabela wzorcowania: LED 1 LED 2 LED 3 LED 4 65 130 150 90 Sygnały odczytane dla poszczególnych oświetleń: żół = 65 70 + 130 178 + 150 121 + 90 191 żół = 115,633 = 65 3 + 130 80 + 150 83 + 90 160 = 125,431 = 65 12 + 130 90 + 150 120 + 90 60 = 78,797 = 65 80 + 130 150 + 150 131 + 90 100 = 32,955 ą = 65 5 + 130 60 + 150 80 + 90 75 ą = 116,726 ń = 65 8 + 130 135 + 150 100 + 90 186 ń = 122,434 Najmniejszą wartość uzyskano dla koloru zielonego czyli można przyjąć, że jest on najbardziej prawdopodobny. Opis procedury pomiarowej Przed przystąpieniem do procedury pomiarowej należy ustawić napięcie zasilania zasilacza na wartość 3 V. Następnie zwierając zaciski zasilacza (kolor czarny i czerwony) należy ustawić prąd zwarcia na wartość ok. 0,3 A. Multimetr ustawić na pomiar napięcia stałego zakres mv. Podłączyć układ pomiarowy według schematu przedstawionego na rys. 10. Przeprowadzić pomiary napięcia wyjściowego fotodiody dla różnych warunków jej oświetlenia. tzn. 7
przy braku oświetlenia z diody LED i badanej powierzchni, przy braku oświetlenia z diody LED ale przy zastosowaniu badanych przedmiotów, przy oświetleniu z diody LED i przy zastosowaniu badanych przedmiotów. Rys. 10. Schemat połączenia układu pomiarowego Wyniki pomiarów są zależne od warunków ich przeprowadzenia. Każda zmiana oświetlenia wywołana przemieszczaniem operatora, zmianą warunków oświetlenia całego pomieszczenia, dokładność i powtarzalność umieszczenia badanego przedmiotu wpływa zasadniczo na wyniki pomiarów. Dlatego też należy w trakcie pomiarów: możliwie zaciemnić pomieszczenie, starać się nie zmieniać lub zachować tę samą pozycję, dokładnie i precyzyjnie umieszczać badane przedmioty z zachowaniem odległości i kątów padania promienowania, pomiary wykonywać w seriach: zmiana przedmiotu pomiar napięcia dla różnych kolorów oświetlenia, zmiana przedmiotu pomiar napięcia dla różnych kolorów oświetlenia itd. Wyniki pomiarów umieścić w Tabeli 2. Na podstawie otrzymanych wyników należy stwierdzić możliwość wykrycia poszczególnych kolorów przy zastosowaniu głowicy czujnika. Szczególną uwagę należy zwrócić na wpływ tła oraz samego źródła promieniowania na amplitudę sygnału z fotodiody. W analizach oprzeć się o model RGB poszczególnych kolorów (źródło Internet, programy graficzne np. Corel). Wnioski z analizy zapisać w oznaczonym miejscu w protokole. 8
Tabela 2. Amplituda napięcia na wyjściu fotodiody dla różnych warunków oświetlenia i dla różnych klocków LEGO Kolor oświetlenia Napięcie wyjściowe z głowicy dla różnych kolorów klocka LEGO CZERWONY ZIELONY NIEBIESKI R G B R+B R+G B+G R+G+B Bez oświetlenia Przeanalizować otrzymane wyniki. Określić na podstawie wartości napięcia z głowicy możliwość identyfikacji poszczególnych kolorów podstawowych RGB dla różnych konfiguracji oświetlenia dioda LED. Wnioski:.................. Powtórnie dokonać pomiarów napięcia wyjściowego dla podstawowych kolorów oświetlenia RGB dla wszystkich dostępnych kolorów klocków LEGO. Wyniki zapisać do Tabeli 3. Odseparować z niej tabelę wzorcową kolorów RGB. Określić odległość euklidesową dla pozostałych kolorów. Wyniki zapisać do tab. 4. Na podstawie wyników analizy matematycznej określić prawdopodobieństwo zidentyfikowania poszczególnych kolorów. Porównać poszczególne wartości prawdopodobieństwa z danymi map RGB dla poszczególnych kolorów zawartych w nagłówkach kolumn. Opracować wnioski. 9
Badany przedmiot Tabela 3. Wyniki pomiarów dla identyfikacji koloru poszczególnych klocków LEGO Bez oświetlenia Napięcie wyjściowe z głowicy dla różnych kolorów klocka LEGO przy oświetleniu diodą LED o określonym kolorze Bezwzględne napięcie wyjściowe U=U KOL-UTŁO UTŁO U RED U GREEN U BLUE URED UGREEN UBLUE Tło Czerwony Niebieski Zielony Źółty Brązowy Zielony jasny Niebieski jasny Szary Czarny Na podstawie wzoru D E = m ( Xn Yn ) n= 1, przeprowadzić procedurę identyfikacji kolorów. Jako wzorzec przyjąć wartości otrzymane dla podstawowych kolorów RGB. Tabela 4. Wyniki pomiarów dla identyfikacji koloru poszczególnych klocków LEGO Odległość euklidesowa D RED Niebieski Jasny R123/G182/B225 Żółty R220/G180/B50 Przedmiot LEGO Brązowy R153/G102/B51 2 Szary R210/G210/B210 Zielony jasny R190/G230/B80 D GREEN D BLUE Dokonać porównania wartości poszczególnych parametrów D ze składnikami kolorów RGB podanymi w opisie kolumn. Wnioski:.............. 10
2.2. Badanie możliwości identyfikacji kolorów przy wykorzystaniu szerokopasmowego źródła światła. Opis stanowiska Na rysunku 11 przedstawiono schemat układu realizującego wykrywanie kolorów z wykorzystaniem szerokopasmowego źródła promieniowania. Układ taki zbudowany jest z następujących elementów: szerokopasmowego źródła światła (żarówka wolframowa bądź halogenowa) głowicy detekcyjnej. W tym przypadku głowicą detekcyjną jest minispektrometr firmy Hamamatsu. Spełnia on dwie zasadnicze funkcje. Pierwsza to widmowe rozszczepienie padającego promieniowania. Jest to pewna filtracja promieniowania szerokopasmowego, dzięki czemu może nastąpić identyfikacja poszczególnych kolorów. Druga funkcja to rejestracja uzyskanego sygnału za pomocą matrycy detektorów i przekształcenie go na sygnał cyfrowy. Rys. 11. Schemat ideowy czujnika koloru Fotografię stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 12. Rys. 12. Fotografia stanowiska pomiarowego 11
Zasada działania polega na oświetleniu badanej powierzchni (np. klocków LEGO, materiału) szerokopasmowym źródłem światła. Następnie, promieniowanie odbite od tej powierzchni zostaje przestrzennie rozseparowane za pomocą transmisyjnej siatki dyfrakcyjnej. Promieniowanie przechodząc przez układ optyczny trafia na linijkę detektorów. W rezultacie uzyskane jest widmo odbitego promieniowania, któremu można przypisać określony zakres długości fal. Na tej podstawie należy określić kolor badanej powierzchni. Urządzenie optoelektroniczne takie jak spektrometr może zostać zastosowane jako czujnik kolorów. Dzięki swoim właściwościom można zobrazować zależność pomiędzy danym kolorem a odpowiadającym mu zakresem długości fal. Opis procedury pomiarowej Przed przystąpieniem do pomiarów należy wykonać następujące czynności: sprawdzić połączenie pomiędzy minispektrometrem a komputerem (kabel USB), podłączyć minispektrometr do zasilania, podłączyć lampkę z żarówką halogenową do zasilania, uruchomić komputer, uruchomić oprogramowanie minispektrometru SpecEvaluation (ikona na pulpicie), Rys. 13. Ikona służąca do uruchomienia oprogramowania mini spektrometru oraz widok okna głównego po wyświetleniu głównego okna programu nacisnąć ikonę lub wybrać opcję Open spectrometer z zakładki File. Pojawi się okno Select Spectrometer. Po wybraniu opcji Open otwiera się okno wykresu a) 12
b) Rys. 14. Okno programu służące do uruchomienia połączenia (a) oraz widok okna wykresu (b) W celu rozpoczęcia pomiaru nacisnąć ikonę START znajdującą się w górnym pasku funkcyjnym Rys. 15. Ikony służące do rozpoczęcia procedury pomiarowej W celu poprawnego pomiaru widma promieniowania odbitego od badanego przedmiotu należy dokładnie i precyzyjnie umieszczać te przedmioty z zachowaniem odległości oraz kątów padania promieniowania pomiędzy badanym obiektem a światłowodem i źródłem promieniowania. ustawić światłowód podłączony do minispektrometru na ławie optycznej, ustawić badaną powierzchnię naprzeciwko czoła światłowodu, oświetlić badany obiekt żarówką halogenową tak aby amplituda sygnału rejestrowanego przez spektrometr przyjmowała wartość maksymalną, używając ikony STOP znajdującej się w górnym pasku funkcyjnym zatrzymać pomiar, uzyskane widma promieniowania odbitego od badanej powierzchni naszkicować w tab. 5a, 5b oraz 5c. (Badane będą kolory klocków LEGO. 13
a) Kolory: czerwony, zielony, niebieski, szary, czarny Tabela 5. Widma promieniowania odbitego od badanej powierzchni (klocki LEGO) b) Kolory : brązowy, czerwony, żółty 14
c) Kolory: jasny zielony, zielony, jasny niebieski, niebieski Wnioski Na podstawie przeprowadzonych pomiarów widma promieniowania odbitego od badanego przedmiotu należy odpowiedzieć na pytanie; jaka jest zależność pomiędzy barwą a długością fali? W tym celu należy porównać wyniki uzyskane dla kolorów podstawowych: czerwonego, zielonego oraz niebieskiego oraz dla kolorów mieszanych np. żółtego....................... 15
......................................................................... 16
3. Wstęp teoretyczny Według definicji zamieszczonej w encyklopedii PWN barwa jest to wrażenie psychofizjologiczne wywołane falami świetlnymi o długości 400-760 nm, a odczuwane za pomocą zmysłu wzroku. Zakres widmowy tych fal elektromagnetycznych został przedstawione na rys. 16. Rys.16. Zakres promieniowania widzialnego Technikami oceny wrażeń wzrokowych na podstawie parametrów fizycznych, opisem ilościowym oraz charakterystyką postrzeganych barw zajmuje sie dział optyki zwany kolorymetrią. Pojęcie barwy może zostać opisane na dwa sposoby. Pierwszy przypadek dotyczy wrażenia wzrokowego powstającego w mózgu obserwatora. Jest to tzw. barwa postrzegana. Nie jest ona mierzona tylko zostaje określona na podstawie porównania z pewnym wzorcem np. katalogiem barw. Z kolei w przypadku barwy psychofizycznej dokonywana jest między innymi analiza spektralna promieniowania docierającego do obserwatora, badane są współczynniki transmisji lub odbicia obiektów znajdujących się pomiędzy źródłem promieniowania a okiem, dokonywany jest także pomiar luminancji obserwowanego obiektu i jego otoczenia. Barwa ta jest więc zmierzona i ściśle określona ilościowo oraz jakościowo. Głównymi cechami określającymi barwę chromatyczną jest jej kolor, jasność oraz nasycenie. Chromatyczność to pojęcie oznaczające barwę charakteryzującą się określonym odcieniem oraz nasyceniem. Barwy mające taką samą chromatyczność cechują się inną jasnością. W przypadku barw achromatycznych (biały, czarny oraz odcienie szarości) określania jest jedynie ich jasność. Kolor (odcień) jest cechą wrażanie wzrokowego na dany zakres promieniowania optycznego. Określa ona barwy chromatyczne powstałe w wyniku rozszczepienia światła białego takie jak fioletowy, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy, czerwony. Jasność określana jest na podstawie porównania odbicia pomiędzy szarą powierzchnią a umieszczoną na niej powierzchnią kolorową. Obie oświetlone są tą samą wiązką promieniowania polichromatycznego (białego). W przypadku gdy powierzchnia badana odbija słabiej niż jej otoczenie mamy do czynienia z barwą ciemniejszą. Oznacza to, że dla kolorów np. zielonego lub czerwonego obserwuje się ich przyciemnione odcienie: oliwkowy i brązowy. Jasność barwy zależy od ilorazu luminancji obserwowanej 17
powierzchni barwnej oraz jej otoczenia. Jasność maleje wraz z domieszką światła białego. Nasycenie inaczej czystość barwy jest wrażeniem wzrokowym odbieranym przez obserwatora jako barwa zmieszana ze światłem białym, np. cyjan jest małonasyconą barwą niebieską. Przedział nasycenia obejmuje zakres od bieli do dowolnej barwy monochromatycznej. Porównanie nasycenia dla dwóch barw można przeprowadzić jedynie w przypadku, gdy mają one taką samą jasność. Czystość barwy maleje wraz ze zbliżaniem się do czerni, np. barwa czerwona, czerwonobrązowa, czerń). Kolory odgrywają istotną rolę w życiu ludzi. Wpływają zarówno na aspekt estetyczny jak również psychofizyczny. Obecnie popularne jest stosowanie terapii kolorem w leczeniu i przeciwdziałaniu depresji. Określenie koloru jest niezwykle istotne z punktu widzenia producentów farb czy barwników wykorzystywanych między innym w przemyśle włókienniczym, poligraficznym czy budowniczym. Żądane kolory można uzyskać w wyniku mieszania barw podstawowych. Wyróżnia się trzy sposoby mieszania barw: addytywne, subtraktywne. Mieszanie addytywne, przedstawione na rys. 17a, polega na tworzeniu barwnych wrażeń wzrokowych w wyniku mieszania promieniowania o różnych długościach fal. Z techniką tą związany jest układ kolorów RGB (ang. Red, Green, Blue), w którym wyróżnia się trzy barwy odniesienia: czerwoną, zieloną oraz niebieską (rys. 17b). W wyniku ich zmieszania powstaje barwa biała. Mieszanie dwóch z trzech kolorów powoduje powstanie barw dopełniających. W układzie RGB stosuje się barwy monochromatyczne o długościach fali równych 700 nm dla barwy czerwonej, 546,1 nm dla zielonej oraz 435,8 dla niebieskiej. a) b) Rys. 17. Addytywne mieszanie kolorów podstawowych (a), przestrzeń barw RGB wizualizowana jako sześcian w przestrzeni parametrów R, G i B (b) http://www.fizyka.umk.pl/~milosz/pspizk/graf/kolor.html 18
Idea mieszania subtraktywnego zobrazowana na rys. 18 polega na tworzeniu barwnych wrażeń wzrokowych w wyniku absorpcji określonych barw ze światła białego. Z tej techniki wywodzi się przestrzeń barw CMY (ang. Cyjan, Magenta, Yellow), w którym wyróżnia się trzy barwy odniesienia: turkusowy, purpurowy i żółty. Są to tzw. barwy dopełniające odpowiednio do kolorów czerwonego, zielonego oraz niebieskiego. W wyniku mieszania tych trzech kolorów (CMY) powstaje pozorna barwa czarna, która w rzeczywistości jest barwą ciemnobrązową. Rys. 18. Subtraktywne mieszanie kolorów dopełniających http://www.fizyka.umk.pl/~milosz/pspizk/graf/kolor.html Pierwsze prawo Grassmann a mówi o tym, że w wyniku mieszania addytywnego lub subtraktywnego możliwe jest otrzymanie niemal każdej barwy przy zastosowaniu jedynie trzech kolorów podstawowych (RGB) lub też kolorów dopełniających (CMY). Do opisu kolorów wykorzystuje się najczęściej składowe trójkolorowe umieszczone w tzw. przestrzeni kolorów. Standardy te bazują głównie na trójchromatycznym modelu percepcji barw CIE 1931 XYZ, przedstawionym na rys. 19, opracowanym przez Komisję Oświetleniową CIE (fr. Commision Intemationale de 1'Eclairage) w 1931 r. Rys. 19. Trójchromatyczny model percepcji barw CIE 1931 XYZ www.tecgraf.puc-rio.br/.../img/diagciexy1931.png. 19
Model ten wynika bezpośrednio z budowy oka ludzkiego, w którym znajdują się pręciki odpowiedzialne za tzw. widzenie zmrokowe (bezbarwne) oraz czopki odpowiedzialne za widzenie barwne. Postrzeganie kolorów wynika z faktu, iż czopki występują w trzech rodzajach, przy czym każdy z nich ma inną charakterystykę widmową. Znormalizowaną czułość dla poszczególnych typów czopków przedstawiono na rys. 20. Rys. 20. Znormalizowana czułość dla poszczególnych typów czopków. Cambridge in Colour; Diffraction and photography http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/diffraction-photography.htm Do najpopularniejszych przestrzeni kolorów bazujących na modelu percepcji barw CIE 1931 XYZ zalicza się wcześniej wspomniane układy RGB CIE 1931 oraz CMY. Na rysunku 21 uwidocznione zostały różnice pomiędzy barwami uzyskiwanymi dla tych dwóch przestrzeni. Jak widać są one dosyć duże. Wynika to ze znacznych różnic pomiędzy gamutami czyli zakresami barw możliwymi do odwzorowania przez dane urządzenie. Rys. 21. Reprodukcja barw w przestrzeniach RGB i CMYK http://www.fizyka.umk.pl/~milosz/pspizk/graf/kolor.html Czujniki koloru Odbiciowe czujniki koloru mogą pracować w dwóch trybach. W pierwszym przypadku przedstawionym na rys. 22, badany obiekt oświetlony zostaje promieniowaniem o określonej 20
długości fali. Następnie promieniowanie odbite od badanej powierzchni trafia na fotodetektor (fotodioda, fotorezystor, fototranzystor), który pełni rolę czujnika natężenia oświetlenia. Rys. 22. Schemat ideowy odbiciowego czujnika koloru wykorzystującego źródła chromatyczne (o określonej barwie) Wartość napięcia na fotodetektorze jest zależna od ilości odbitego światła oraz czułości widmowej użytego detektora. Na rysunku 23 przedstawiono charakterystykę czułości widmowej fotodiody krzemowej. Rys. 23. Względna czułość widmowa fotodiody krzemowej W tym przypadku wymagane jest zastosowanie trzech źródeł światła o odpowiednich kolorach bądź też jednego źródła z możliwością zmiany koloru emitowanego promieniowania. W drugim przypadku, przedstawionym na rys. 24, obiekt oświetlany jest światłem polichromatycznym (białym). Wykorzystany fotodetektor powinien posiadać odpowiednie filtry pozwalające na wyselekcjonowanie tylko jednej składowej promieniowania odbitego od badanego obiektu. To rozwiązanie wymaga zastosowania jednego źródła światła szerokopasmowego oraz trzech fotodetektorów. Stosując tylko 1 detektor należy dodatkowo zastosować urządzenie pozwalające na zmianę filtrów. 21
Rys. 24. Schemat ideowy odbiciowego czujnika koloru wykorzystującego źródło polichromatyczne (białe) Przykładem komercyjnie dostępnego czujnika kolorów, jest czujnik typu C9331 firmy Hamamatsu. Jego schemat przedstawiono na rys. 25. Rys. 25. Schemat czujnika kolorów typu C9331 Elementem detekcyjnym są trzy fotodiody posiadające filtry transmisyjne na zakres spektralny odpowiadający kolorom: czerwonemu, zielonemu oraz niebieskiemu. Charakterystyka czułości widmowej tych fotoelementów została przedstawiona na rys. 26. Sygnał z fotodiod zostaje wzmocniony a następnie podany na wyjście analogowe. Pozwala to na dalsze przetwarzanie uzyskanego sygnału np. za pomocą kart pomiarowych. Rys. 26. Charakterystyka czułości widmowej fotodiod stosowanych w czujniku koloru C9331 22
Literatura 1. Józef Mielicki, Zarys wiadomości o barwie, Fundacja Rozwoju Polskiej Kolorystyki, Łódź 1997. 2. W. Felhorski, W. Stanioch, Kolorymetria trójchromatryczna, WNT Warszawa 1973. 3. Florian Ratajczyk, Kolorymetria Praktyczna (pierwopis książki), Wrocław 2008. 4. http://www.fizyka.umk.pl/~milosz/pspizk/graf/kolor.html 5. www.tecgraf.puc-rio.br/.../img/diagciexy1931.png. 6. Cambridge in Colour; Diffraction and photography www.cambridgeincolour.com/tutorials/diffraction-photography.htm 7. www.hamamatsu.com 8. www.edw.com.pl, Szkoła konstruktorów. Elektronika dla Wszystkich, maj 2006. Ćwiczenie opracowali: mgr inż. Beata Rutecka brutecka@wat.edu.pl dr inż. Janusz Mikołajczyk jmikolajczyk@wat.edu.pl 23