цветочувствительная головка цветоанализатора

Формула изобретения

1. ЦВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ЦВЕТОАНАЛИЗАТОРА, содержащая корпус, оптическую систему формирования изображения объекта, включающую объектив, средство цветоделения в виде системы светофильтров основных цветов, а также средства преобразования разделенного света в информационные сигналы, отличающаяся тем, что объектив системы формирования изображения объекта установлен в корпусе, между объективом и средствами преобразования разделенного света в информационные сигналы в фокусе объектива дополнительно установлено матовое стекло, а светофильтры основных цветов средства цветоделения расположены перед средствами преобразования разделенного света в информационные сигналы.

2. Головка по п.1, отличающаяся тем, что светофильтры основных цветов и соответствующие им средства преобразования разделенного света в электрические сигналы расположены с одинаковым смещением относительно оптической оси объектива и продольно ориентированы к центру матового стекла.

3. Головка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что корпус выполнен конической формы, в узкой части которой установлены система формирования изображения, а в широкой части - средства преобразования разделенного света в информационные сигналы.

4. Головка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит сопрягаемую с корпусом крышку, на которой установлены средства преобразования разделенного света в информационные сигналы.

5. Головка по п. 4, отличающаяся тем, что крышка выполнена полой, а внутри полости крышки смонтирована система питания средств преобразования разделенного света в информационные сигналы.

6. Головка по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что оптическая система формирования изображения объекта содержит средство регулирования количества поступающего в цветоанализатор света.

7. Головка по п.6, отличающаяся тем, что средство регулирования количества поступающего в цветоанализатор света выполнено в виде установленной перед матовым стеклом диафрагмы.

8. Головка по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что оптическая система формирования изображения объекта дополнительно содержит установленную перед объективом насадку.

9. Головка по п.8, отличающаяся тем, что насадка дополнительно содержит средство освещения объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к колориметрии, а более конкретно к оборудованию для измерения и количественного выражения качества цвета в кодах или цифровых сигналах, и может быть использовано в различных областях промышленного производства, где необходимо анализировать или синтезировать цвет различных объектов, например в легкой промышленности.

В колориметрии известны различающиеся по принципу реализации способы и методы определения и измерения цвета, в частности способы зрительного сравнения цвета измеряемого объекта и цвета эталонных объектов, способы математического описания спектральных характеристик цвета, методы определения цветовых координат и построения цветовой координатной системы (ЦКС), фотоэлектрические способы измерения цвета. Все эти способы и методы позволяют с различной степенью точности и полноты определять качественные и количественные характеристики цвета, однако каждому из них присущи определенные недостатки, ограничивающие их широкое практическое использование.

Известно устройство в виде головки для цветовой коррекции (патент США N 4653902, кл. G 03 В 27/23, 1987). Головка включает два или более цветных фильтра, установленных внутри ее подвижно, а также несколько реверсивных двигателей, каждый из которых обеспечивает поочередное введение одного из фильтров на оптическую ось.

Известен способ цветоделения и трихроматический делительный фильтр, в котором три вида фильтров, определяющих три основных цвета, объединены в одну линзовую группу, которая может вращаться посредством управляющего мотора таким образом, что оптическая ось может перекрещиваться поочередно с одним из фильтров (патент ФРГ N 3624506, кл. G 03 B 11/00, 1988).

Общим техническим недостатком устройств данного типа является низкая точность измерений вследствие последовательного измерения цветовых характеристик через чередующиеся светофильтры на одном фотоприемнике.

Известно устройство сравнения тестового образца, содержащее корпус с входной прорезью для введения цветного тестового образца и блок воспроизведения образца при прилегании к нему различных оттенков, которые последовательно перемещаются и совмещаются с образцом с помощью ручного маховика (заявка ЕР N 0315972, кл. G 01 N 31/22, 1989).

Когда оператор определяет, что эталонный оттенок, прилегающий к образцу, совпадает с цветом образца, он нажимает переключатель считывания информации, соответствующий эталонному цветовому оттенку, совмещенному в этот момент с образцом. Считывание информации происходит с помощью двоичных комбинаций, которые формируются множеством переключателей преобразователя. Переключатели замкнуты и разомкнуты по-разному для различных комбинаций, что соответствует различным цветовым оттенкам. Кодирующая секция перемещается вместе с маховиком и возбуждает переключатели. Эта секция расположена так, чтобы переключатели замыкались и размыкались при вращении маховика.

Техническими недостатками данного устройства являются его механическая сложность и, соответственно, низкая надежность в работе, а также зависимость результатов измерений от субъективных особенностей зрения оператора.

Известен аппарат для считывания цветного изображения с линейными датчиками, в которых для достижения цветового баланса определяют усилие усилителя во время считывания белой эталонной пластинки (патент США N 4734762, кл. G 03 F 3/08, 1988).

Аппарат имеет линейные датчики, каждый из которых фотоэлектрически считывает определенный участок строки цветного документа. Датчики генерируют цветовые сигналы, соответствующие цветам документа. Эти сигналы поступают на усилители. Для определения усиления усилителей используют эталонные цветовые сигналы, генерируемые в процессе считывания изображения элемента, имеющего эталонную оптическую плотность. Корректирующее устройство задает соответствующее усиление для каждого из усилителей и тем самым корректирует уровень каждого из цветовых сигналов, представляющих цвета документа.

Известен цветоанализатор, предназначенный для измерения интенсивности светового излучения по меньшей мере трех различных цветов в пределах спектра падающего света и корреляции этих измерений с заранее запрограммированными величинами (РСТ N 81/01203, кл. G 03 B 27/73, 1981). Те цветовые составляющие падающего света, которые нужно модифицировать в соответствии с заданной программой, указывают звездочкой, состоящей из трех рядов источников света соответствующих цветов. Модифицируя цветовую составляющую при помощи корректирующих фильтров, оператор одновременно видим происходящие изменения на цветовой звездочке. При достижении запрограммированного соотношения между цветами происходит отключение световых источников цветовой звездочки независимо от абсолютной величины интенсивности света. Анализатор имеет встроенный автоматический экспонометр, управляемый электрическим таймером.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является система для поэлементного анализа цветных киноизображений, содержащая последовательно расположенные осветитель, формирующий объектив, фильмовый канал, трехканальный цветоделитель, блок фотоприемников, светодиоды опорного света, оптически связанные с фотоприемниками, а электрически с выходами импульсного усилителя, логарифматоры, подключенные входами к выходам фотоприемников, а выходами к первым входам фиксаторов уровня, механизм транспортирования фильмового материала, связанный с первым электроприводом, второй электропривод и синхронизатор, подключенный первым выходом к входу импульсного генератора и вторым входам фиксаторов уровня, в которую для повышения качества и точности цветового денситометрического анализа киноизображений дополнительно введены измерительная диафрагма, корректирующие светофильтры, трехканальный аналоговый преобразователь, блок управления электроприводами, первый и второй параллельные интерфейсы, шина управления, шина адреса, двухнаправленная шина данных, центральный процессор, контроллер шин, генератор тактовых импульсов, программируемый таймер, блок запуска-сброса, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, программируемый связной адаптер, причем цветоделитель выполнен в виде диафрагмы с числом отверстий не менее трех и зональными светофильтрами в них, расположенными центрально симметрично относительно оптической оси, и установленной до формирующего объектива, при этом корректирующие светофильтры установлены перед фотоприемниками, расположенными центрально симметрично относительно оптической оси и центрально симметрично по отношению к отверстиям диафрагмы цветоделителя и с центром симметрии на цилиндрической поверхности фильмового канала измерительной диафрагмы, расположенной между формирующим объективом и фильмовым каналом, при этом осветитель, формирующий объектив с исполнительным механизмом, диафрагма цветоделителя с зональными светофильтрами, измерительная диафрагма, светодиоды опорного света, фотоприемники с корректирующими светофильтрами образуют оптические измерительные каналы, оптически сопряженные в центре измерительной диафрагмы на цилиндрической поверхности фильмового канала, а их число равно числу отверстий диафрагмы цветоделителя, причем оптические измерительные каналы установлены на одной оси качания, расположенной параллельно и симметрично относительно цилиндрической поверхности фильмового канала, а плоскость касания несущей расположена перпендикулярно цилиндрической поверхности фильмового канала (авт.св. СССР N 1420486, кл. G 01 N 21/23, G 03 B 27/73, 1988).

Техническими недостатками данной системы являются ее сложность в изготовлении и эксплуатации, а также предназначенность только для анализа качества цветных изображений на кинопленке и принципиальная непригодность для анализа цвета объекта в отраженном свете.

Таким образом, существует практическая изобретательская задача, связанная с тем, что актуальная потребность в высокоточном измерении и количественном выражении цвета различных окрашенных объектов в настоящее время может быть удовлетворена при использовании известных способов и известных измерительных систем только при наличии сложного специального оборудования или сложных методов обработки и преобразования результатов измерения. При этом при использовании сравнительно более простого оборудования резко снижаются точность и достоверность измерения цвета, а также проявляются субъективные погрешности измерения, связанные с индивидуальными особенностями зрения наблюдателя.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности измерения и/или количественного выражения качества цвета окрашенных объектов и создание относительно простого устройства для практического осуществления измерения и количественного выражения качества цвета.

Технический результат достигается тем, что в цветочувствительной головке цветоанализатора, содержащей корпус, оптическую систему формирования изображения объекта, включающую объектив, средство цветоделения в виде системы светофильтров основных цветов, а также средства преобразования разделенного света в информационные сигналы, согласно изобретению объектив системы формирования изображения объекта установлен в корпусе, между объективом и средствами преобразования разделенного света в информационные сигналы в фокусе объектива дополнительно установлено матовое стекло, а светофильтры основных цветов средства цветоделения расположены перед средствами преобразования разделенного света в информационные сигналы.

Кроме того, в головке цветоанализатора светофильтры основных цветов и соответствующие им средства преобразования разделенного света в электрические сигналы расположены с одинаковым смещением относительно оптической оси объектива и продольно ориентированы к центру матового стекла, а корпус выполнен конической формы, в узкой части которой установлена система формирования изображения, а в широкой части средства преобразования разделенного света в информационные сигналы.

При этом головка цветоанализатора дополнительно содержит сопрягаемую с корпусом крышку, на которой установлены средства преобразования разделенного света в информационные сигналы. Причем крышка выполнена полой, а внутри полости крышки смонтирована система питания средств преобразования разделенного света в информационные сигналы.

Кроме того, оптическая система формирования изображения объекта содержит средство регулирования количества поступающего в цветоанализатор света, выполненное в виде установленной перед матовым стеклом диафрагмы, и дополнительно содержит установленную перед объективом насадку, позволяющую формировать изображение объекта в отраженном или проходящем свете и дополнительно содержащую средство освещения объекта.

Использование матового стекла в фокусе изображения объекта измерения позволяет снизить погрешности измерения за счет равномерного распределения цвета на все фотоприемники одновременно.

Выполнение оптической системы формирования изображения объекта в виде объектива и расположенного за ним в фокусе изображения объекта матового стекла, а средств цветоделения и преобразования разделенного света в информационные сигналы в виде системы трех светофильтров основных цветов и расположенных за ними средств преобразования разделенного света в информационные сигналы позволяет производить измерение цвета объекта одновременно на трех фотоприемниках, что также повышает точность измерения.

Использование дополнительных блока обработки информационных сигналов и/или преобразования информационных сигналов в коды или цифровые сигналы, средств индикации и/или хранения показателей измерения позволяет автоматизировать процесс обработки результатов измерений и упростить эксплуатацию устройства.

Использование в системе измерения количества света средств регулирования чувствительности средств измерения количества света, например средства регулирования чувствительности фотоприемников, а в узле формирования изображения объекта средств для регулирования количества анализируемого света, выполненных, например, в виде одной или нескольких диафрагм или группы дополнительных светофильтров, позволяет повысить точность измерений и расширяет сферу использования системы путем обеспечения возможности изменения чувствительности системы в зависимости от степени освещенности объекта измерения.

Проведение перед измерением операции балансировки системы измерения путем выравнивания показателей измерения количества света на соответствующих основным цветам средствах измерения количества света, например на фотоприемниках, до базового значения количества света позволяет повысить точность измерений и упростить обработку и преобразование в коды результатов измерения за счет регулирования чувствительности средств измерения и получения единой базы сравнения, а также дает возможность получать безразмерные (в смысле отсутствия размерности величин) цифровые характеристики качества цвета.

Выбор в качестве базового показателя количества света значения количества одного или несколько основных цветов эталонного образца или образца сравнения позволяет повысить точность измерений за счет обеспечения возможности сравнения результатов измерений со стандартными и эталонными образцами.

Одновременное измерение количества разделенных цветов измеряемого или эталонного (образца сравнения) объектов позволяет повысить точность измерений за счет исключения влияния внешних воздействий, например колебаний освещенности измеряемого объекта.

Использование дополнительного блока обработки электрических сигналов при определении цветовых характеристик в области видимой части спектра по трем основным цветам обеспечивает дополнительную обработку информации о цвете с приведением ее к стандартной форме цветовых характеристик. При этом дополнительная обработка результатов измерения включает следующие операции:

определение характеристик чистого тона цвета объекта путем вычитания нейтральной (белой) составляющей цвета;

компенсацию изменений яркости источника света.

При этом каждая из перечисленных операций обработки результатов измерения может осуществляться независимо или в комбинации друг с другом.

На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема системы измерения и/или количественного выражения качества цвета окрашенных объектов; на фиг. 2-4 варианты конструктивного исполнения цветоизмерительной головки, включающей блок формирования изображения объекта и блок считывания цвета объекта; на фиг. 5 сечение А-А на фиг. 2-4; на фиг. 6 гистограмма сопоставления результатов измерения цветоделенных цветов.

Система для измерения и/или количественного выражения качества цвета различных объектов содержит источник 1 освещения объекта, измеряемый объект 2, узел 3 (оптическую систему) формирования изображения объекта, блок 4 считывания цвета объекта и преобразования излучения в электрические или иные (например, электромагнитные или аналоговые) информационные сигналы, блок 5 обработки информационных (т.е. несущих информацию о количестве измеряемого света) сигналов и получения выходных сигналов. Дополнительно система может содержать блок 6 индикации или хранения (в специальном запоминающем устройстве) показателей измерения и/или привода исполнительных механизмов устройств регулирования (фиг. 1).

Узел формирования изображения измеряемого объекта и блок считывания цвета и преобразования излучения в электрические или иные информационные сигналы выполнен в виде единой цветочувствительной головки различных модификаций (фиг. 2-4).

Блок индикации показателей измерения может быть выполнен в виде средств аддитивной индикации (работающих по принципу получения белого цвета путем сложения основных цветов: красного, зеленого и синего) индикации или субстрактивной индикации или совокупности средств аддитивной и субстрактивной индикации (работающих по принципу получения черного цвета путем вычитания дополнительных цветов).

Система может дополнительно содержать блок диагностики и балансировки (калибровки) цветочувствительной головки и средств измерения, предназначенный для балансировки (калибровки) системы в начале каждой серии измерений и диагностики неисправности в светочувствительной головке и средствах измерения или средствах обработки и преобразования информационных сигналов.

Блок обработки электрических сигналов может быть снабжен дополнительным блоком диагностики и/или настройки системы на источник света.

Цветоизмерительная головка системы (фиг. 2-4), включающая узел формирования изображения объекта и блок считывания цвета объекта, содержит конический корпус 7, в узкой части которого установлены объектив 8 и расположенное в фокусе изображения объекта матовое стекло 9; а в широкой части крышка 10 с установленными на ней фотоприемниками 11 и светофильтрами 12 основных цветов. При этом фотоприемники 11 расположены с одинаковым смещением относительно оптической оси 13 объектива (фиг. 5) и продольно ориентированы в центр матового стекла 9.

Для расширения возможностей использования система может дополнительно содержать расположенные перед объективом 8 насадку 14 для проведения измерения цвета объекта в проходящем свете (фиг. 3) или насадку 15 для проведения измерения цвета объекта в отраженном свете (фиг. 4).

При этом насадка 14 для проведения измерений цвета объекта в проходящем свете может дополнительно содержать кювету для помещения объекта 16, автономный источник 17 освещения с отражающим сферическим зеркалом 18 и дополнительным матовым стеклом 19 (фиг. 3), а насадка 15 для измерения цвета объекта в отраженном свете может дополнительно содержать один или несколько дополнительных источников 17 освещения, сферические зеркала 18 и дополнительные оптические линзы 20 (фиг. 4). Кроме того, для регулирования количества измеряемого света цветочувствительная головка может дополнительно содержать средства регулирования количества измеряемого света, выполненные, например, в виде дополнительных диафрагм 21 (фиг. 3) или дополнительных светофильтров (не показаны).

Цветочувствительная головка функционирует следующим образом.

Излучение от источника 17 света, проходящее через измеряемый объект 16 (в случае измерений в проходящем свете) или отраженное от поверхности измеряемого объекта 16 (в случае измерений в отраженном свете), направляют через объектив 8 на матовое стекло 9. При этом на матовом стекле формируется цветное изображение измеряемого объекта. Отображенное на матовом стекле цветное изображение объекта через светофильтры основных цветов воспринимается средствами преобразования излучения, например фотоприемниками 11, которые преобразуют излучение в электрические или иные информационные сигналы (например, аналоговые), которые, в свою очередь, обрабатывают блоком обработки электрических сигналов по определенному алгоритму (программе). После этого результаты измерения, а именно информацию об измеренных цветовых характеристиках объекта, выдают на индикаторы и/или направляют на исполнительные механизмы и/или передают в каналы связи и/или направляют для дальнейшей обработки в ЭВМ.

Блок обработки информационных сигналов преобразует полученные сигналы по определенному алгоритму, выделяя заключенную в них информацию о цвете и приводя ее к кодовой форме, пригодной для дальнейшей обработки, индикации и хранения. Далее эту информацию передают на устройство субстрактивной индикации и/или устройство аддитивной индикации, после преобразования в которых подают на блок индикации, соответственно на индикаторы, работающие по субстрактивному способу и по аддитивному способу, и/или используют в устройстве управления для привода исполнительных механизмов, которое управляет на основании информации, полученной от прибора и по цепи обратной связи от исполнительного механизма, этим исполнительным механизмом (роботом).

Перед началом измерений цвета объекта осуществляют балансировку системы, которая заключается в том, что перед объективом цветочувствительной головки цветоанализатора помещают эталонный образец или образец сравнения, например барий сернокислый или объект любого другого цвета, относительно которого требуется осуществить измерение цвета. Средствами регулирования чувствительности средств измерения разделенных цветов, управляющими усилениями или ослаблениями чувствительности каждого из каналов измерения, устанавливают на всех каналах любое одинаковое базовое значение количества измеряемого света, например 70% от максимальной величины количества измеряемого света.

Затем осуществляют измерение цвета объекта. Вместо эталонного образца или образца сравнения перед объективом головки цветоанализатора помещают измеряемый объект. Если цвет объекта отличается от эталона, то отраженный свет от объекта выведет устройство из состояния баланса и на средствах индикации появятся значения, характеризующие это отклонение. Например, по красному каналу 50, по зеленому каналу 35, по синему 15 (фиг. 6).

При включении режима вывода процентных соотношений блока 5 обработки сигналов цвет измеряемого объекта будет формироваться эталонным блоком как отношение показаний каждого из составляющих основных цветов к значению балансировочной настройки, умноженное на 100% в нашем условном случае

красный цвет 50/70 100% 71%

зеленый цвет 35/70 100% 50%

синий цвет 15/70 100% 21%

Полученное подобным образом процентное соотношение количества разделенных цветов, выведенное на средства индикации, заложенное в память или направленное к исполнительным механизмам системы регулирования, будет количественно выражать качество цвета измеряемого объекта.

Физическая сущность предлагаемого изобретения основана на том, что любой сложный цвет образуется из трех основных цветов: красного, зеленого, синего. Из них вполне достаточную для точного выражения качества цвета информацию могут нести только два цвета. Третий цвет, который имеет наименьшее значение (в нашем случае синий), несет информацию о количестве в цвете измеряемого объекта белого цвета. Поэтому, если по наименьшему значению одного из цветов на гистограмме количества основных цветов в цвете измеряемого объекта провести линию, пересекающую изображение количеств остальных основных цветов (величина А на фиг. 6), то нижняя часть гистограммы будет представлять равные значения количества основных цветов (красного, зеленого, синего) в цвете измеряемого объекта, т.е. количество белого цвета в цвете измеряемого объекта. Таким образом, вычитая из значений каждой составляющей количеств основных цветов составляющую минимального количества одного из цветов, производят определение количества белого цвета и его вычитание из цвета измеряемого объекта.

Вычитание белого цвета необходимо производить также тогда, когда необходимо осуществить цветоделение, например в цветной фотографии для получения цветоделенных негативов, определения развития цвета при смешивании красок, когда получается какой-нибудь сложный цвет.

В качестве конкретных примеров возможности реализации и использования изобретения приводим результаты измерения цветовых характеристик различных (все известных) примеров: сырой свеклы, спелого красного помидора, среза моркови, куска пшеничного хлеба, сыра, патисона, среза картофеля. При этом балансировку осуществляли по значению 70% от максимальной величины количества света, отраженного от эталонного образца (в качестве которого использовали белую пластинку из оксида бария), а результаты измерения приводили в к данному значению (т.е. результаты измерения приводили и преобразовывали в безразмерные величины). Результаты измерений приведены в таблице.

Так как в целом система характеризует цвет цифрами, отражающими, соответственно, количество трех составляющих для красного, зеленого и синего, то данный способ измерения цвета объектов и, соответственно, цветоанализатор по изобретению могут быть универсальным инструментом для количественного измерения качества цвета и превращения информации о цвете в цифровой код.