Введение к работе
Актуальность темы. Колориметрия, как одно из направлений фотометрии, представляет значительный интерес для различных областей науки и техники, таких как химия и химические производства, целлюлозно-бумажная промышленность, пищевые технологии и производства, экология, медицина и биология и др. Помимо лабораторных колориметрических приборов различного применения, все большую востребованность приобретают промышленные колориметрические системы, устанавливаемые непосредственно в технологический поток и обеспечивающие online мониторинг технологического процесса по цветовым параметрам. В качестве примеров таких систем здесь можно привести промышленные колориметры для нефтехимической, пищевой (производство сахара) и целлюлозно-бумажной отраслей.
Большинство используемых в современной практике колориметрических методов и средств основываются на измерениях оптических спектров пропускания или (и) отражения в области длин волн Х=380-760 нм и расчете на основе спектральных данных координат цвета объекта в интересующей колориметрической системе. Включение в состав колориметров спектро фотометрических датчиков усложняет их конструкцию и необходимое регламентное техническое обслуживание, увеличивает массогабаритные характеристики прибора или системы, а также приводит к возрастанию общей стоимости изделия, которая зачастую становится недоступной отечественному пользователю. Поэтому может представлять интерес разработка колориметрических датчиков, приборов и систем на их основе, использующих технологически освоенные в последние годы оптоэлектронные компоненты (главным образом фотодетекторы и светодиодные излучатели), которые по своим техническим характеристикам могут обеспечить измерения параметров цвета различных объектов. Значимыми для колориметрии являются трехэлементные RGB-фотодиоды, имеющие три фотоприёмных площадки с оптическими
фильтрами для выделения красной, зеленой и синей составляющей в регистрируемом излучении. Колориметрические датчики, приборы и системы на основе таких компонентов могли бы иметь не только простую конструкцию и относительно малые массу и габариты, но и низкую стоимость в сравнении с аналогичными приборами, использующими спектрофотометры. В настоящее время в известной научно-технической литературе практически отсутствуют данные по колориметрам, использующим оптоэлектронные RGB- компоненты. Предположительно, в упомянутых выше колориметрических системах, например [1-3], применены такие датчики. Однако, приводимые в этих источниках данные (на уровне инструкции по эксплуатации для пользователей) не содержат каких-либо сведений по конструктивным и метрологическим параметрам этих систем.
Цель работы состояла в разработке колориметрических датчиков, приборов и систем на основе оптоэлектронных RGB-компонентов, а также исследовании их технико-эксплуатационных и метрологических параметров как в лабораторных условиях, так и в реальных практических применениях.
Задачи работы:
-
Разработка спектрофотометров для ультрафиолетовой (А=200-400 нм) и видимой областей спектра (А=380-760 нм) в т.ч. технологии их настройки, калибровки и проверки, используемых как лабораторные средства независимой аттестации колориметрических приборов на основе RGB компонентов.
-
Теоретический расчет распределения освещенности в интегрирующих сферах различной геометрической конфигурации (в т.ч. использующих внутренний экран), а также анализ на основе расчетных данных фотометрической погрешности при измерении коэффициента диффузного отражения.
-
Разработка лабораторного колориметра с использованием RGB фотодиода для измерения параметров цвета прозрачных и диффузно отражающих объектов, включая сопутствующее программное обеспечение, а также настройку и калибровку прибора.
-
Верификация метрологических параметров лабораторного колориметра с RGB фотодиодом по результатам измерений спектрального диффузного отражения и колориметрических характеристик цветных стекол и диффузных ламбертовских отражателей (стандартов «серого» образцов белой бумаги с фотооптическими отбеливанием, тонированием и окрашиванием.
-
Разработка и лабораторные испытания колориметрических приборов (в т.ч. с использованием RGB фотодиода) для научных исследований и практического применения в области эстетической стоматологии.
-
Разработка и лабораторные исследования метрологических характеристик промышленных колориметрических систем с оптоэлектронными RGB компонентами для целлюлозно-бумажной промышленности.
Научная новизна работы:
-
Теоретически изучено распределение освещенности в интегрирующей сфере с различной оптогеометрической конфигурацией.
-
Теоретически и экспериментально исследованы фотометрические погрешности в оптических приборах с интегрирующей сферой, имеющий внутренний экран, при измерении коэффициентов диффузного отражения, пропускания и рассеяния.
-
Разработано три варианта колориметрических датчиков, приборов и систем на основе RGB-светодиодов и фотодиодов.
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:
-
В интегрирующей сфере с внутренним экраном для подавления прямой засветки объекта при общей неравномерности распределение освещенности на внутренней поверхности полости сферы, распределение освещенности сохраняется равномерным на исследуемом объекте;
-
Фотометрические погрешности для интегрирующей сферы с традиционной конфигурацией (с внешним расположением излучателя и фотодетектора) остаются без изменений также и для сферы с внутренним экраном;
-
Погрешности измерений коэффициента диффузного отражения объектов с ламбертовской индикатрисой в оптических приборах, использующих как интегрирующую сферу с внешними излучателем и фотодетектором, так и сферу с внутренними излучателем и экраном, определяются только геометрическим соотношением площадей внутренней поверхности сфер и внешних портов;
-
Колориметрические датчики, приборы и системы на основе оптоэлектронных RGB компонентов имеют такие же метрологические характеристики, как и колориметры на основе спектрофотометров со сходимостью по параметрам цветности не хуже 5 х;у < 0,3 % .
-
Представляемые на защиту колориметрические приборы в применении к измерениям параметров яркости и цветности в целлюлозно-бумажной промышленности не уступают зарубежным аналогам.
Достоверность научных и практических результатов подтверждается результатами лабораторных экспериментальных исследований спектров оптического пропускания или отражения и колориметрических параметров стандартов на основе цветных стекол и стандартов диффузного отражения (стандартов «серого»), сертифицированных во ФГУ «Тест-С-Петербург» (сертификат соответствия N 0904401 от 09 марта 2009 г. ), а также образцов белой бумаги с фотооптическим отбеливанием, тонированием и окрашиванием, предоставленных концерном Ciba AG (Company for Chemical Industry Basel) вместе с референтными данными по белизне и координатам цвета. Сходимость результатов измерений спектров пропускания или (и) отражения, а также колориметрических параметров исследованных в диссертационной работе прозрачных и диффузно отражающих объектов находилась на уровне заявленной фотометрической погрешности референтных данных. Кроме того достоверность научных и практических результатов подтверждена положительными данными по испытаниям представляемых колориметрических приборов в Санкт-Петербургском государственном медицинском университете им. акад. И.П.
Павлова и Северо-западном государственном медицинском университете им. И. И. Мечникова.
Внедрение результатов работы. Предложенные колориметрические
датчики и приборы прошли клинические испытания на кафедре
стоматологии Санкт-Петербургского государственного медицинского
университета им. акад. И.П. Павлова, а также использовались на кафедре медицинской информатики и физики Северо-западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова.
Личный вклад автора. Все основные результаты, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования проведена совместно с научным руководителем. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих научных конференциях: VII Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники» 7-15 ноября 2011 года в Польше в городе Przemysl Белов Н.П., Грисимов В.Н., Майоров Е.Е., Смирнов Ю.Ю., Шерстобитова А.С., Яськов А.Д. «Колориметрический датчик на основе трехэлементного RGB-фотодиода для определения параметров цвета диффузно отражающих объектов»; I Всероссийском конгрессе молодых ученых 10-13 апреля 2012 года в городе Санкт-Петербург Смирнов Ю.Ю., Хабарова А.Н., Шерстобитова А.С, Яськов А.Д. «Моделирование двухполостной интегрирующей сферы с экраном»; XIII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» 24-26 мая 2012 г. в городе Санкт-Петербург Белов Н.П., Смирнов Ю.Ю., Хабарова А.В., Шерстобитова А. С, Шишова К.А., Яськов А.Д. «Моделирование двухполостной интегрирующей сферы с экраном»; X Международной конференции «Прикладная оптика-2012» 15-19 октября 2012
года в городе Санкт-Петербург Ю.Ю. Смирнов, А.В. Хабарова, А.С.
Шерстобитова, А. Д. Яськов «Колориметрический датчик на основе
трехэлементного RGB-фотодиода с интегрирующей сферой»; Международной
научно-практической конференции «Современные научные достижения» 5-6
февраля 2013 года в Чехии в городе Прага Авраменко Е.В., Камскова Е.А., Пестов
И.Е., Смирнов Ю.Ю., Шерстобитова А.С, Яськов А.Д. «Временная зависимость
спектра излучения ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12»; II Всероссийском
Конгрессе молодых ученых 9-12 апреля 2013 года в городе Смирнов Ю.Ю.,
Шерстобитова А.С, Яськов А.Д. «Особенности различных конфигураций
двухполостной интегрирующей сферы»; Международной научно - практическая
конференции «Свет Петербурга - 2013» 14-15 февраля 2013 года в городе Санкт-
Петербург Смирнов Ю.Ю., Шерстобитова А.С, Яськов А.Д.
«Колориметрический датчик на основе трёх элементного RGB-фотодиода»;
конференциях профессорско-преподавательского состава НИУ ИТМО в 2011-
2013 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, включая 4 научных статьи и 3 работы в трудах международных научных конференций, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем работы -167 страниц машинописного текста, включая 67 рисунка, 14 таблиц и список литературы на 70 наименований.
