RU237248U1 - Устройство для дистанционного определения пространственного распределения белизны поверхности - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и касается устройства для дистанционного определения пространственного распределения белизны поверхности. Устройство состоит из каркаса, сверху которого закреплена мультиспектральная камера, направленная оптической системой вниз, которая включает последовательно размещенные линзовый растр, растр из светофильтров, образующих единый набор линз и светофильтров, и матричный приемник, выполненный с возможностью передачи информации на блок обработки. На каркасе также закреплены источники с широкополосной лампой и коллимирующей оптической системой, расположенные под углом 45° относительно мультиспектральной камеры. На нижнем основании каркаса в поле зрения объектива располагаются эталоны белизны. Технический результат заключается в обеспечении возможности дистанционной регистрации пространственного распределения белизны поверхности исследуемого объекта без сканирования, в том числе при установке устройства на подвижный носитель. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к оптическим приборам, а именно к устройствам для дистанционного определения пространственного распределения белизны и оттенка поверхности исследуемых объектов. Решение данной задачи важно для мониторинга состояния снежного покрова, анализа качества текстиля, лакокрасочных и других материалов, спектральный состав которых подлежит контролю и может меняться со временем.

Известны оптико-электронные устройства, позволяющие определять средние значения белизны и оттенка в некоторой области, основывающиеся на регистрации и анализе отраженного от объекта электромагнитного излучения видимого диапазона.

Известен способ определения белизны покрытий [Патент SU 1 144 035 А1, 16.11.1983], который заключается в определении коэффициента отражения подложки и последующем нанесении множества слоев покрытия с проведением измерений коэффициента отражения после нанесения каждого слоя. Измерения проводят фотометром или спектрофотометром, что не позволяет получать пространственное распределение белизны.

Известно устройство [Патент RU 2 797 146 С1, 31.05.2023], позволяющее повысить точность измерения за счет использования 4-зонного измерителя компонентов цвета исследуемой поверхности, состоящего из оптического узла с планарным сенсором и дифракционной решеткой, электронного узла и монитора. К недостаткам данного устройства также относится усреднение спектра по некоторой области и невозможность построения карты пространственного распределения белизны поверхности объекта.

Известно устройство для определения цвета объектов [Патент RU 2 797 146 С1, 31.05.2023]. Конструкция устройства включает оптическую систему, обеспечивающую разложение отраженного излучения на спектральные составляющие и матричный приемник, регистрирующий спектральный состав, а также осветительную систему из широкополосного источника, расположенного под углом 45 градусов к оси оптической системы. Недостатком устройства является регистрация спектрального состава излучения в малом апертурном угле и усреднение значения белизны по площади.

В качестве прототипа устройства выбрано устройство на основе способа бесконтактного определения пространственного белизны по поверхности объекта [Патент RU 2838620 U1, приоритет от 17.09.2024]. Его основу составляет аппаратно-программный комплекс, содержащий мульти- или гиперспектральную оптико-электронную систему, обеспечивающую регистрацию нескольких изображений поверхности объектов в узких спектральных поддиапазонах видимого диапазона длин волн от 380 до 780 нм, и блока их совместной цифровой обработки. Недостатком такого решения является наличие сканирования (пространственного или временного) либо (при одновременной регистрации) частичное наложение функций спектральной чувствительности спектральных каналов (cross-talk), а также необходимость размещения эталонов белизны в поле зрения в процессе проведения измерений.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.

Техническим результатом является обеспечение возможности дистанционной регистрации и визуализации пространственного распределения белизны и оттенка поверхности исследуемого объекта без сканирования, в том числе при установке устройства на подвижный носитель.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата предлагается применить мультиапертурную оптическую камеру, каждый канал которой формирует узкополосное изображение в заданном спектральном интервале, осуществлять одновременную регистрацию всех спектральных изображений одним матричным приемником излучения и совместно осуществлять их цифровую обработку с учетом предварительно проведенных полученных при значений белизны в отдельных точках исследуемой поверхности.

К существенным признакам, совпадающим с прототипом, относятся наличие мультиспектральной оптико-электронной камеры и необходимость ее пространственно спектральной калибровки с использованием эталонов цвета и белизны.

К существенным признакам, отличным от прототипа, относятся применение мультиапертурной оптико-электронной камеры, поле зрения и функция спектральной чувствительности каждого канала, в которой могут выбираться, исходя из решаемой задачи (дальности до исследуемой поверхности, ее оттенка и других параметров), а также методика определения пространственного распределения белизны и оттенка исследуемой поверхности на основе данных предварительной пространственно-спектральной и радиометрической калибровки системы и значений белизны, полученных в отдельных точках исследуемой поверхности в условиях фиксированного расположения системы и источника(ов) излучения.

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема калибровки устройства,

где 1 - источник освещения, состоящий из широкополосной лампы и коллимирующей оптической системы; 2 - эталоны белизны и цвета; 3 -мультиспектральная оптико-электронная камера, подключаемая к блоку обработки данных 4.

На фиг. 2 приведена схема мультиспектральной оптико-электронной камеры,

состоящей из растра линз 5, растра светофильтров 6 и широкополосного матричного приемника излучения 7.

Устройство работает следующим образом.

Исходя из решаемой задачи (дальности до исследуемой поверхности, ее цвета и др.), выбирают параметры мультиспектральной оптико-электронной камеры: угловое поле зрение, количество, положения и ширину спектральных каналов. Осуществляют пространственно-спектральную и радиометрическую калибровку устройства согласно схеме на фиг. 1. Эталоны белизны и цвета 2 с известными спектрами отражения, координатами цветности и яркости располагают так, чтобы они находились в пределах глубины резко изображаемого пространства устройства и попадали в поле зрения всех линз растра 5. Освещение поверхности объекта широкополосными («белыми») коллимированными источниками со стабильной яркостью и спектральным составом, расположенными под углом 45° относительно эталонов 2 мультиспектральной камеры 3, обеспечивает равномерное освещение и фиксированную геометрию съемки. Производится регистрация серии изображений равномерно освещенной поверхности образца при двух (или более) различных временах экспонирования матричного приемника излучения 7 так, чтобы изображения эталонов в каждом спектральном канале устройства имели различные средние значения. Исходя из отношения зарегистрированных и эталонных спектральных характеристик эталонов 2, с помощью цифровой обработки в блоке обработки данных 4 их спектральных изображений определяют поправочные коэффициенты для коррекции пространственно-спектральных и амплитудных искажений.

Далее на поверхность эталонов 2 в зависимости от ее размера и условий съемки (дальности до нее, поля зрения устройства, скорости носителя и пр.) определяют количество и положения точек (областей) для проведения опорных измерений ее белизны и оттенка. В этих точках проводят ее определение с помощью устройства по схеме, показанной на фиг. 1 так, чтобы внешнее (естественное или искусственное) излучение не попадало на поверхность эталонов 2. Для получения опорных значений белизны и оттенка проводят цифровую обработку спектральных изображений поверхности в выбранной области с применением ранее вычисленных поправочных коэффициентов и усредняют значения и оттенка по этой области.

После проведения калибровки и получения опорных значений белизны и оттенка, устройство устанавливают на требуемое расстояние и, возможно, на подвижный носитель и производят регистрацию изображений при внешнем (естественном или искусственном) освещении исследуемой поверхности так, чтобы в поле зрения устройства попадали точки (области), в которых были проведены опорные измерения. Совместная цифровая обработка спектральных изображений, сформированных каналами мультиспектральной оптико-электронной камеры 3, с учетом полученных ранее поправочных коэффициентов и опорных значений белизны и оттенка позволяет построить пространственные распределения белизны и оттенка исследуемой поверхности 2. При установке на подвижный носитель при учете его положения и ориентации устройство позволяет объединять полученные в различное время (при различном положении носителя) пространственные распределения белизны и оттенка и картировать эти параметры вдоль траектории движения.

Claims (1)

1. Устройство для дистанционного определения пространственного распределения белизны поверхности, состоящее из каркаса, сверху которого закреплена мультиспектральная камера, направленная оптической системой вниз, которая включает последовательно размещенные линзовый растр, растр из светофильтров, образующих единый набор линз и светофильтров, и матричный приемник, выполненный с возможностью передачи информации на блок обработки, на каркасе также закреплены источники с широкополосной лампой и коллимирующей оптической системой, расположенные под углом 45° относительно мультиспектральной камеры, на нижнем основании каркаса в поле зрения объектива располагаются эталоны белизны.