СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЦВЕТА ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01J3/46 

Изобретение относится к оптике и предназначено для анализа цвета объектов. Может применяться для анализа цвета сложных диффузно-рассеивающих объектов с неоднородной внутренней структурой и произвольной поверхностью, в том числе зубов, окрашенного стекла, кожи, керамики, бумаги, цветных покрытий и т.п.

Известен способ измерения цвета зубов, патент РФ №2207528, который заключается в том, что на поверхность зуба устанавливается измерительный щуп, представляющий собой защищенный оптический световод, при этом поверхность зуба освещается световым потоком, сформированным коаксиально относительно оси световода, расходимость освещающего света при этом не превышает 25°.

К недостаткам данного способа стоит отнести точность измерения, потому что невозможно дважды точно позиционно и по углу к поверхности установить оптический щуп. При этом присутствует зона затемнения, приводящая к косвенному измерению цвета зуба. Также расходимость облучаемого поверхность объекта света не связана с условиями освещения объекта при определении цвета на глаз специалистом. Также диаграмма направленности приемника не совпадает с диаграммой направленности глаза человека. Все это приводит к ошибкам измерения цветовых параметров зубов.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ определения цвета объекта, описанный в заявке №2005139473, который заключается в поочередном освещении поверхности объекта, по крайней мере, двумя белыми источниками света, имеющими разную расходимость света, сбором фото- или видеокамерой данных о яркости, цветовом оттенке и насыщенности цвета и обработке полученных данных в соответствии с выражениями:

P_λ=P_λ1+P_λ2

где P_λ1, P_λ2 - яркость точки поверхности объекта, нормированная к эталону яркости при освещении его поочередно первым и вторым источником света соответственно и измеренные фотокамерой для длине волны λ из RGB (XYZ) - цветового разложения; α₁ и α₂ - расходимость света излучаемая разными источниками света.

К недостаткам этого способа стоит отнести наличие отраженного от поверхности блика света, который не позволяет определить цвет объекта на всей его поверхности, при этом достаточно трудно достигнуть равномерной и точной расходимости источника света.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - это создать такой способ измерения цвета поверхности объектов с объемным рассеянием света, при котором на результаты измерений не сказывается влияние отраженного от поверхности блика света и отсутствует проблема, связанная с формированием света, имеющего равномерную и точно измеренную расходимость.

Технический результат направлен на создание прибора, позволяющего определять цветовые характеристики объекта, такие как цветовой тон, цветовая насыщенность и яркость, независимо от расходимости освещающего объект источника света. Также избавиться от регистрации отраженного от поверхности объекта светового блика.

В предлагаемом способе и устройстве технический результат достигается поочередным освещением поверхности объекта, по крайней мере, двумя источниками света, имеющими минимальную расходимость, освещающими поверхность объекта под разными углами, которые точно определены относительно оптической оси фотоприемника, при этом фото- или видеокамера имеет минимальный входной зрачок.

Способ измерения цвета объектов и устройство для его осуществления поясняется чертежом, на котором показан способ и устройство для определения цвета поверхности объектов.

Способ измерения цвета объектов заключается в следующем. Поверхность объекта 4 поочередно освещается с помощью двух белых (полноцветных) источников света 5 и 6 таким образом, чтобы угол падения света на поверхность объекта от излучателя 5 отличалась от угла падения света излучателя 6, при этом расходимости источников 5 и 6 одинакова и минимальна. Изображение поверхности объекта регистрируется цветной фотокамерой 1 с объективом 3. Для того чтобы убрать отраженный блик от поверхности объекта, углы падения света на поверхность объекта от источников 5 и 6 должны быть согласованы с разворотом исследуемой поверхности объекта и положением фотовидеокамеры, а диаграмма направленности фотокамеры минимальна, как у глаза человека, для чего входной зрачок фотокамеры уменьшают до 1 мм с помощью диафрагмы 2. Производится измерение двух параметров, которые описаны выражениями (1) и (2).

P_λ=P_λ1+P_λ2

где P_λ1, P_λ2 - яркость точки поверхности объекта 4, поочередно освещенная первым 5 и вторым 6 источником света соответственно, нормированная к эталону яркости на определенной длине волны λ. RGB (XYZ) - разложения спектра цветной камерой 1; α₁ и α₂ - углы между оптической осью фотоприемника (фотовидеокамеры) и осями диаграммы направленности излучения света излучателей 5 и 6 соответственно; tg(φ) - крутизна зависимости яркости точки поверхности объекта от угла падения коллимированного света на эту поверхность. Параметры Р и tg(φ) необходимы для точного и правильного воспроизведения цветовых параметров объекта при его реставрации независимо от условий освещения объекта, при этом для точного анализа цветовых параметров необходимо использовать нормировку всех измерений относительно эталона белого объекта (матовое стекло).

Выражения (1) и (2) вытекают из математического анализа, проведенного автором для определения цветовых параметров многослойных объектов с объемным рассеиванием света, из которого было установлено, что цвет, яркость и цветовая насыщенность поверхности многослойного объекта с объемным рассеянием света зависят от угла падения света, падающего на поверхность объекта, толщины верхнего слоя и формы рассеивающих частиц среды, при этом данные параметры не зависят от угла разворота поверхности света и зависят от угла между оптической осью фотоприемника и осью диаграммы направленности излучения света.

На фиг.1 приведено устройство для измерения цвета объектов, которое состоит из цветной фотокамеры 1, которая оптически связана с диафрагмой 2, объективом 3 и поверхностью объекта 4, при этом с поверхностью объекта 4 оптически связаны излучатели света 5 и 6, с помощью которых под разными углами освещается поверхность объекта.

Устройство для измерения цвета объектов работает следующим образом

С помощью цветной фотокамеры 1, оснащенной диафрагмой 2 и объективом 3, производится фото- или видеосъемка поверхность исследуемого объекта 4, которая поочередно освещается двумя полноцветными излучателями 5 и 6 таким образом, чтобы их оси диаграмм направленности излучения излучателей 5 и 6 имели разные углами падения на поверхность объекта, при этом расходимости источников 5 и 6 одинакова и минимальна. Для того чтобы убрать отраженный блик от поверхности объекта, углы падения света на поверхность объекта от источников 5 и 6 должны быть согласованы с разворотом исследуемой поверхности объекта и положением фотовидеокамеры, а диаграмма направленности фотокамеры минимальна, как у глаза человека, для чего входной зрачок фотокамеры уменьшают до 1 мм с помощью диафрагмы 2. При этом цветная камера 1 производит спектральный анализ поверхности объекта с помощью RGB (XYZ) - разложения спектра излучения поверхности. Производится измерение двух параметров на каждой длине волны, которые описаны выражениями (1) и (2), при этом для точного анализа цветовых параметров необходимо использовать нормировку всех измерений относительно эталона белого объекта (матовое стекло).

Для точного определения яркости поверхности объекта необходимо знать расстояние до объекта либо при проведении измерении около объекта располагать эталон поверхности с априорно известной яркостью, цветовым тоном и насыщенностью цвета (например, молочное стекло) и производить его съемку одновременно со съемкой поверхности объекта. Способ определения расстояния до поверхности объекта описан в заявке №2005139473/20 и вполне подходит к данному изобретению.

В качестве полноцветных (белых) источников света с одинаковой и малой расходимостью можно использовать белые светодиоды. При этом необходима коррекция спектра излучения светодиодов по белому эталону (молочному стеклу), так как спектр излучения светодиодов неравномерен в видимой области спектра.

Изобретение относится к измерительной технике. В изобретении проводят освещение поверхности объекта двумя полноцветными (белыми) источниками света, сбор цветной фото-, видеокамерой данных о яркости, цветовом оттенке, соответствующим лучам света, отраженным от заданного множества точек освещенной поверхности объекта, и обработку данных о яркости, цветовом оттенке и насыщенности цвета объекта. Освещение осуществляется поочередно с помощью, по крайней мере, двух источников света, освещающих поверхность объекта под разными углами. Технический результат - на результаты измерений не влияет отраженный от поверхности объекта световой блик. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения цвета объектов, состоящий в освещении поверхности объекта двумя полноцветными (белыми) источниками света, сбором цветной фото-, видеокамерой данных о яркости, цветовом оттенке, соответствующим лучам света, отраженным от заданного множества точек освещенной поверхности объекта, и обработке данных о яркости, цветовом оттенке и насыщенности цвета объекта, отличающийся тем, что освещение осуществляется поочередно с помощью, по крайней мере, двух источников света, освещающих поверхность объекта под разными углами, при этом для анализа цвета объекта необходимо использовать следующие выражения:
Р_λ=Р_λ1+Р_λ2,
tg(φ)=|(Р_λ2-P_λ1)/(α₂-α₁)|,
где P_λ1, Р_λ2 - яркость точки поверхности объекта, поочередно освещенной первым и вторым источниками света соответственно, нормированная к эталону яркости на определенной длине волны λ RGB разложения спектра цветной камерой; α₁ и α₂ - углы между оптической осью фотоприемника (фото-, видеокамеры) и осями диаграммы направленности излучения света излучателей.

2. Устройство для определения цвета объекта, содержащее, по меньшей мере, два полноцветных источника света, цветную камеру, предназначенную для определения цветового оттенка, яркости и насыщенности цвета, отличающееся тем, что освещение объекта осуществляется раздельно во времени, по крайней мере, двумя полноцветными источниками света, установленными таким образом, чтобы их оси диаграмм направленности излучения имели разные углы падения на поверхность объекта, при этом для анализа цвета объекта используются следующие выражения:
Р_λ=Р_λ1+Р_λ2,
tg(φ)=|(Р_λ2-P_λ1)/(α₂-α₁)|,
где P_λ1, Р_λ2 - яркость точки поверхности объекта, поочередно освещенной первым и вторым источниками света соответственно, нормированная к эталону яркости на определенной длине волны λ RGB разложения спектра цветной камерой; α₁ и α₂ - углы между оптической осью фотоприемника (фото-, видеокамеры) и осями диаграммы направленности излучения света излучателей, при этом входной зрачок камеры не превышает 1 мм.