Интегральный дистанционный колориметр для точного распознания подлинника по цвету отраженного излучения

Широкое использование цвета в защитных технологи­ях потребовало решения ряда практических и теоретических задач при выборе средств и методов измерения цвета и цвет­ности. Наука о цвете — цветоведение, объединяющая в себе восприятие, воспроизведение и измерение цвета (колоримет­рию), с каждым годом все глубже и шире проникает в разно­образные отрасли техники и современной технологии. Можно отметить некоторый «хаос» и неоднозначность в различных подходах к воспроизведению цвета, воспринимаемого глазом и мозгом человека, и цвета, измеренного точными физически­ми приборами. В разделах об оптико-физических свойствах запечатываемого материала (бумаги, но не только ее) и раз­личных красителей (в том числе термохромных) отмечалось, что совместно с химической реакцией характеристики цвета излучения, отраженного от ценной печатной продукции, тре­буют пятого уровня контроля на подлинность.

Колориметрические методы измерения цвета, базирую­щиеся на световых величинах, характеризуют цвет тремя

параметрами. Система обозначения цвета, рекомендованная в 1931 г. и не отмененная, а только дополненная в 1964, осно­вана на трех нереальных цветах X, Y, Z. Такие цвета удоб­ны тем, что отнесенные к ним кривые смешения (функции сложения) не имеют отрицательных значений. Значительное количество ординат этих кривых и яркостные коэффициенты основных цветов L_x и L_z оказываются равными нулю. Яркость цвета определяется одной координатой Y. Все это облегчает расчет уравнения цвета и геометрическое его представление (рис. 16, цв. вкл.).

Причина разработки интегрального колориметра повы­шенной точности заключается в том, что необходимо изме­рять очень маленькие окрашенные потоки излучения с аб­солютной погрешностью определения координат цветности до 0,002 единиц. Осуществить это современными серийными отечественными и зарубежными колориметрами невозможно. Дело в том, что цвет отраженного излучения и цвет излуче­ния, испускаемого источником большинства изделий общей техники, обусловлен малым размером излучающего (отра­жающего) элемента. К таким изделиям относятся дисплеи* шкалы сравнения цветов полиграфической промышленно­сти, рекламные и информационные щиты и др. Размер на­блюдаемых объектов составляет от нескольких миллиметров до десятков микрометров. Причем белый цвет синтезируется за счет аддитивного смешения излучений разной цветности, которое происходит благодаря излучению отдельных субпик­селей или излучающего элемента светодиода. Если яркость излучения белого цвета равна 300 кд/м² (дисплеи), 10⁶ кд/м² (светодиоды) и 50 кд/м² (отражение от запечатываемого знака в полиграфии), то яркость излучения красного и синего излу­чения уменьшается в 5 раз. При этом сила света как величина пропорциональная площади источника излучения составляет всего несколько кандел, а квазимонохроматический поток излучения, детерминированный телесным углом наблюде-

Интегральный дистанционный колориметр для точного распознания подлинника

ния и измерения, оказывается равным 10~⁵-10~⁸ лм (2-10⁸- — 2-10~^п Вт). Хорошо известно, что наблюдатель не замечает произвольно малого изменения внешнего раздражения. Совре­менные же средства измерения излучения на основе фотоум­ножителя или фотодиода, характеристики которых, так или иначе, приведены к свойствам зрения, успешно справляются с этой задачей при огромном запасе по чувствительности.

При использовании наиболее точного измерителя цве­та — спектроколориметра — это излучение необходимо разло­жить по длинам волн со спектральным интервалом, равным, по крайней мере, 10 нм, что дополнительно уменьшит поток излучения, попадающий на фотоприемник, еще в 30 раз без учета ослабления оптической схемы колориметра и спек­трального состава излучения. Такой способ измерения цвета совершенно недопустим. Измерять можно только интеграль­ное излучение в заданном спектральном диапазоне и при этом следует применять фотоприемное устройство на основе фото­умножителя с наименьшим значением измеряемого потока 10¹³ Вт.

Необходимость выбора системы КЗФ (простота корри­гирования, соответствие кривых смешения относительной спектральной чувствительность трех рецепторов глаза, до­ступность пересчета в другую систему) будет ясна из дальней­шего текста, так как погрешность измерения координат близ­ко расположенных цветов бесконтактным методом достигает рекордных значений.

Определим взаимный переход координат цвета:

к' = у'

з' = - 0,4604л:' +1,3593у' + 0,1011z" ф' = z

х = 2,9526k' - 2,1720з' + 0,2195ф' (54)

у = к z = ф"

Соотношение яркостных коэффициентов в системе КЗФ равно L_K : L_g : Ь_ф =1:0:0, кривая смешения, соответствую­щая спектральной чувствительности красного рецептора, со­впадает с кривой спектральной световой эффективности F(A.) стандартного наблюдателя МКО. С использованием выражений (54) рассчитываются компоненты любого цвета, в том числе ко­ординаты плоскости спектральных цветностей к(А-), з(^), и функции сложения, к (А,), з(А,), ф(А,), возможность построить кривые смешения системы КЗФ (рис. 17, цв. вкл.) и линию спек­тральных цветностей системы КЗФ (рис. 18, цв. вкл.).

Кривые смешения КЗФ (рис. 17, цв. вкл.) выгодно от­личаются от соответствующих кривых смешения известных колориметрических систем (рис. 18, цв. вкл.): нет отрицатель­ных ординат цветности, отсутствует дополнительный мак­симум, присущий кривой корригирование приемника упрощено.

График цветности изображает свойства такого же стандарт­ного наблюдателя МКО, что и график х, у, но в несколько иной форме, обусловленной другими основными цветами. В каче­стве приемника излучения в макете интегрального колориметра выбраны фотоумножители ФЭУ-84-6. Оптическая схема коло­риметра КЗФ представляет собой систему измерения яркости с визиром. Уровень измерения яркости от 10⁵до 10~² кд/м²(1,5- • 10 ⁵ Вт/ср-м²), размер измеряемого объекта 0,100-5 мм, рассто­яние от измеряемого объекта до входного зрачка макета составля­ет 70 мм. Поэтому при наименьшей площади измеряемого элемен­та излучения, равной 8 • 10~⁷ м², и телесном угле измерения 0,4 ср нижний порог измеряемого потока составит 1,5- Ю^-5 • 8 • Ю^-7 • 0,4 = = 5- Ю^-12 Вт.

Относительная спектральная чувствительность ФЭУ кор­ригировалась под кривые смешения системы КЗФ по специ­альной методике.

Существуют два принципиально различных объектив­ных метода определения координат цвета и цветности: спект-

Интегральный дистанционный колориметр для точного распознания подлинника

рофотометрический метод и метод фотоэлектрической коло­риметрии (метод интегрального трехцветного приемника).

Первый метод в настоящее время применяют при повы­шенных требованиях к точности колориметрических измере­ний цвета излучения большой мощности. Колориметр КЗФ работает на втором методе, причем реализован он в схеме с од­ним приемником и тремя корригирующими фильтрами, по­следовательно вводимыми в пучок измеряемого излучения.

Второй метод обеспечивает единство измерения цвета излу­чения при обязательной градуировке трехцветного колориметра по стандартному излучению МКО или по прохождению этого излучения через цветное стекло с известным спектральным ко­эффициентом пропускания (отражения). Координаты цветности эталонного излучения в этом случае будут известны.

При измерении белого равноэнергетического излучения сигналы в цепи приемника равны между собой и множители «а» должны обеспечить это условие. Реализация белого цвета типа «Е» трудная дополнительная задача, которая приводит к увеличению погрешности измерений цвета. По этой при­чине градуировка осуществляется по излучению источника «А», воспроизведение которого через вольфрамовую лампу накаливания с цветовой температурой 2856 К произведено сличением с государственным эталоном на основе черного те­ла. Цветность излучения стандартного иллюминанта А МКО в системе КЗФ известна и определяется координатами к : з : : ф = 0,4455 : 0,3962 : 0,1583 = 1,000 : 0,8893 : 0,3553. Приняв сигнал для «к» компоненты цвета за единицу, получим сле­дующие выражения для определения множителей «а.» при градуировке по источнику А:

а_к=—1 ; а₃ = —-0,8893 ; а, = — 0,3553 . (55)

'к К *ф

Как обычно значение координат цветности в системе КЗФ рассчитываются по общепринятому алгоритму:

К' 3' _А ф'

К = —; 3 = ——; ф-

М_рН' М _рИ ^т M_ph

при

M_ph= к' + з' + ф' (56)

Уравнение цвета одного из измеренных излучений, со­гласно выражению:

Ф = М_рИкК + М_рИзЗ + M_phфФ; M_ph =

По измеренным токам в цепи ФПУ колориметра (i_K, г_з и г_ф) рассчитываются значения координат цвета и цветности си­стемы КЗФ, а также аналогичные коэффициенты в стандарт­ной колориметрической системе МКО 1931 г. (XYZ) Послед­ний переход обязательно необходим, так как колориметри­ческая система XYZ является общепринятой системой МКО обозначения цвета. Только с помощью этой системы можно сравнивать между собой результаты цветовых измерений приборами разных стран и разных отечественных фирм. Все расчеты и графические построения получаемых цветностей на плоскостях к, з и х, у проводятся с помощью компьютер­ных программ Mathcad и Origin. Эти программы без труда по известным алгоритмам рассчитывают координаты цветности в равноконтрастном прямоугольном графике и', v':

4х 9у

^U -2х + 12у + 3 ' ^У -2х + 12г/ + 3'

4,5ц' 2 у'

3u'-8v'+6' ^У 3u'-8i/+6 '

а также координаты цвета и цветности в равноконтрастных пространствах МКО 1976 r. L*u*v* и L*a*b*.

Интегральный дистанционный колориметр для точного распознания подлинника...

Проверка качества измерений интегрального дистанци­онного колориметра (макет КЗФ) и оценка неопределенности измерений цвета и цветности неизвестного излучения выпол­няются по эталонным образцам цвета. Цветовые коэффициенты эталонного излучения определяются по точному измерению спектрального коэффициента пропускания цветных стекол (34 марки) «Образцы цвета», по относительному спектральному распределению спектральной плотности мощности стандартно­го излучения А или D МКО и по известным значениям функций смешения колориметрической системы. Результаты расчета максимальной абсолютной погрешности измерения коорди­нат цветности отдельных независимых излучений показаны в табл. 5. Следует отметить, что значения неопределенности результатов цветовых измерений данным колориметром не зависят от выбранного представления той или иной колори­метрической системы. Имеется в виду равенство абсолютной погрешности измерения цветности излучения и относительной погрешности цвета излучения (Л_КЗф = = A_xyz)-

Таблица 5