CN86105409A - 用于精确测量引起颜色变化的参数的色度量化*** - Google Patents

Abstract

一种用于识别入射光的颜色的色度检测***包括至少两个分立的色检测器。这些色检测器具有各自的响应特性，使得检测器的输出信号X，Y，……，分别相当于：X＝∫P(λ)★(λ)dλ，Y＝∫P(λ)★(λ)dλ，……。其中P(λ)是在波长λ的光谱功率分布，而★(λ)，★(λ)，……，是对应于检测器各自响应特性的色匹配函数。这个色度检测***还具有用于X，Y，……的模拟变换的装置，它使色度图中的X和Y的值能够对应待计算的入射光的颜色。

Description

本发明涉及一种色度量化***，它能够通过色度调制器，单值地、高精度地检测待测的物理的和化学的参数。

色度调制器是一种按传感器原理检测光谱变化的传感器。它们不同于编码波长传感器;在编码波长传感器中，检测大部分光谱或整个光谱，而不是简单地检测特殊的波长。

虽然可以列出几种色度调制器，但是目前只有两种在技术上是可行的。第一种是基于英国专利申请号8522202和8528982的色度调制器，它使调制元件，例如滤光器，在光束中机械移动，使光束的光谱含量根据这种移动而变化（见我们的待批准的专利申请第    号）。第二种是通过化学反应的开始和进展来产生调制。然而，毫无疑问，在不久的将来其他类型的色度调制器将成为在技术上是可行的，而且下文所述的这个色度量化***将同样可用于这些色度调制器。

利用色度调制来测量位移的最简单的方法是在两个不同的波长（

₁， ₂）上监视强度变化，并且把这些强度的比值与位置联系起来。为更充分叙述后者的技术，参考上述我们的待批准的申请第 号。附图1A和1B中重新说明了这项技术。通过把一个调制元件，例如一片滤色片***多色光束（即，宽频带电磁辐射波束，它可以包含可见的和/或不可见的电磁辐射）中，以对应一个待测的位移来改变多色光束。图1A中表示对于滤光片的两个不同的位移，透射光的强度（Ⅰ）对光的波长

的关系曲线。在滤色片的许多不同的位移下测量两种波长的光的强度，从测量结果中可以构成图1B的校准曲线，它对应两个波长

₁

₂的辐射强度的比值随滤色片位移的变化。在做完强度的定标之后，为了计算滤色片的位移（并因此计算了待测的位移），只要测量两个不同波长的发射光线的强度：通过计算它们的比值，并且把这比值与图1B的校准曲线比较，得到上述的位移。

虽然后者的技术是完整的，并具有一些吸引人的特点，但是它也有一些实际的缺点。例如，为了光谱的分辨率，信号检测需要采用复杂的光学***，而且只有极少量的可用信息被利用。此外，对于多参数监视，待测波长的数目按比例增加，因此导致硬件和软件越来越复杂。由于捕捉光谱必需的周期受限，时间分辨率也受到限制。

在上述其他可能的色度调制技术中，化学反应中反映化学反应进程的颜色的变化，需要一种适当的测量颜色的方法，而不是仅仅测量给定的特殊波长下强度的变化。例如，对于化学分解的监视或pH计（酸碱计），这种测量常常是必需的。直到现在，还没有一种令人满意的、达到这种精度的测量颜色的方法。

本发明的基本目的是提供一种测量真正的颜色变化的方法，它不同于在有限个数的特殊波长下测量强度的变化。

为了帮助理解本发明的概念，回顾一下关于颜色测量的一般概念和原理是有益的。

图2表示普通的三维色空间图，其中径向表示色饱和度，圆周方向表示色度，轴向表示亮度。本发明原则上涉及色度和色饱和度的测量;可以用光谱的功率分布（P

）近似地描述色度和色饱和度。

一般用色度图来达到定量确定颜色，被普遍接受的色度图是复制于图3中的所谓C.I.E.图（CIE-国际照明委员会）。在这个图中，纯光谱颜色落在由如下定义的色度坐标所确定的X-Y空间中的马蹄形封闭曲线中;由这个边界中的位置决定特殊波长占优势或者不同的色饱和度。白色对应具有坐标（0.33，0.33）的点。这样，利用这张图，用二维空间的单个点可以标记任何特殊的颜色。

如同下述那样定义色度坐标：

x＝ (X)/(（X+Y+Z）) 方程（1）

y＝ (Y)/(（X+Y+Z）) 方程（2）

其中

X＝S_λP（λ） X（λ）dλ

Y＝S_λP（λ） y（λ）dλ

Z＝S_λP（λ） Z（λ）dλ

P（

）＝光谱功率分布中在波长

处的功率;

X（

）， y（

）， Z（

）是色匹配函数，即，对应三个不同接收器的独立响应的三个不同的波长函数。

现在参考附图4，它表示三个接收器的典型的、所需要的响应特性，它们构成函数 X（

）， y（

）和 Z（

）。注意每种色匹配函数的相关重叠。为进行微处理机辅助分析，可以把这些色匹配函数以数字形式存贮起来;为提供这种匹配函数，已经建立相应颜色的数字库。

这样，用于标记任何“混合”颜色的色度的一般方法，需要用三个具有图4的响应特性的接收器对那种颜色取样，然后利用结果值 X（

）， y（

）和 Z（

）计算色度图上对应那种颜色的X和Y的值。

附图5表示如何在色度图上描述颜色变化。图5中左边三条曲线（图5a，5b，5c）表示接收器z（上面），接收器y（中间）和接收器x（下面）对第一种颜色的响应;而右边的曲线（图5d，5e和5f）表示这三个接收器对第二种颜色的响应。第一种颜色具有一种光强对波长的特性曲线，在图5a、5b、5c中用实线表示。在每幅图中用虚线表示响应曲线 Z（

）， y（ ）和 X（

）。由图5a中实线和虚线的重叠区域给出Z值（z＝∫_λp（

） Z（ ）d（

））。同样，由图5b和5c中实线和虚线的重叠区域给出Y值（y＝∫_λp（

） y（

）d

）和X值（x＝∫_λp（

） X（

）d

）。然后，可以利用方程（1）和（2）计算x和y的值，以便得出图5g的色度图中的A点。

在图5d，5e，5f中，用实线表示第二种颜色的光强对波长的特性曲线，并且用虚线表示响应曲线 Z（

）， y（

）和 X（

）。可以再次利用方程（1）和（2）计算x和y的相应的值，以便在图5g的色度图上标记出点B。

通过增加或减少光谱的某些部分的功率的方法来改变颜色，这样，导致颜色在色度图上沿直线A-B变化。如果两个元件适当移动的结果导致这种颜色的变化，例如，象在我们的待批准的申请第    号中所述那样，在白色光束中引入滤色片，那末，可以把沿直线A-B的颜色变化同所述相对位移相联系，由此可以提供一种测量方法。

也可以利用上述技术完成对应两个不同参数的两种位移的测量，如附图6中所说明的。在这个方案中，用白色光源表示零位移，用“绿宝石”和“红宝石”表示用于监视第一和第二参数的第一种和第二种独立的位移极值。如果“绿宝石”位移是零，那末，“红宝石”位移就与参数2的实际情况是一个简单的、线性关系。然而，如果参数1和2都是非零值，那末，所得到的颜色可能是A（坐标x_A，y_A）;从这点出发，用所存贮的校准数据，可以单值地确定参数1和2的值。

例如，这样的***可以用在位移传感器中，通过使“白色-绿宝石”参数对温度敏感，来提供自动温度补偿。

上述技术也可用于具有多个色源的***中。如附图7中所示，第四个色源（例如兰色）的引入，增加了新的色移区域，从而产生用同样的测量***同时检测更多参数的可能性。然而，A点不再单值地被决定，因为，例如可以通过使用兰色或不使用兰色的方法来决定A点。

为克服这种非单值性，必须与只用两个参数（x，y）的通常的色视觉表示法不同，把参数z也包括进去。这将使关于A的非单值性得到解决。

以上的讨论概述了一种理论，根据这种理论可以进行“颜色”的确定，并建立相应的数字表示法。问题是，用于实现这种理论的实际的现有***，或者昂贵和麻烦，或者对于同时检测光强和频谱含量变化，以提供一种单值的和精确的参数测量是不能满足的。

图8中用图解法说明一种已知***，它具有一个包含旋转光栅12和检测器14的光谱分析部分10。这是一个在我们的待批准的申请第8522202中所涉及的***，它需要计算比值 (Iλ₁)/(Iλ₂) ，其中，Iλ1和Iλ2是在预先选择的波长

₁和

₂处测得的光强。这个***的时间分辨率相对地是低的（～10毫秒）。它至少需要700英磅，外加用于进行计算所必需的微处理机的费用。为处理多种信号，必须在至少第三个波长

₃进行更多的测量。

附图9中用图解法说明了另一种已知的***。这个***使用了一个棱镜16和一个电荷耦合器件18，以及一个和图8中的***相似的计算装置。这个***能够比图8的***较快地运行（～0.3毫秒），但是仍然是昂贵的，而且需要麻烦的光学***。如果要处理更多的信号通道，也需要在附加的波长上进行测量。

本发明的目的是提供一种用于定量地、单值地识别入射光颜色的***，这种识别与入射光的光强及光谱含量的变化无关，并具有足够的用于精确参数监视的精度。

本发明的第一部分提供一种用于识别入射光的颜色的色度检测***，它包括至少两个分立的色检测器;这些色检测器具有各自的响应特性，使得检测器的输出信号X，Y，……分别相当于：X＝∫P（

） X（

）d

，Y＝∫P（

） y（ ）d

，……，其中P（

）是在波长

的光谱功率分布，而 X（

）， y（ ），……，是对应于检测器各自响应特性的色匹配函数。这个色度检测***还具有用于X，Y，……的模拟变换的装置，它使色度图中的X和Y的值能够对应待计算的入射光的颜色。

本发明的第二部分提供一种用于识别入射光颜色的色度检测***，它具有三个分立的色检测器;这些色检测器具有各自响应特性，使得检测器的输出信号分别相当于：X＝∫P（

） X（

）d（

），Y＝P（

） y（ ）d 和Z＝P（

） Z（

）d ;从而，通过对后者信号简单的模拟变换，可以计算出色度图中x和y的值。

这三个检测器最好含有各自的滤色片，这些滤色片的响应特性分别对应附图4中的曲线 X（

）， y（ ）和 Z（

）。

这些滤色片可以同时自动地将入射光向检测器会聚，这一点是有益的。

在下文中，仅用举例的方法进一步叙述本发明。参考附图，其中：

图1a表示光强对波长的曲线，用于说明在我们的上述待批准的申请第    号中更详细地叙述的一种检测原理;

图1b是两种光强的比值对从图1a曲线得出的位移的曲线;

图2是一般的三维色空间图;

图3是一般的C.I.E.色度图;

图4表示三个具有响应 X（

）， y（

）和 Z（

）的检测器的响应曲线;

图5表示在色度图上如何表示颜色的变化;

图6表示如何能够在色度图中表示两种不同颜色的变化;

图7表示多个色源情况下的色度图;

图8说明一种用于测量色调制的***;

图9说明另一种用于测量色调制的***;

图10用图解法说明根据本发明的色检测器的一种可能实施例;

图11是色度图的一种进一步、简化的表示法;

图12用图解法说明根据本发明的色检测器的第二种可能的实施例;

图13和图14用于说明图12的第二种实施例的工作。

现在参考图10，它表示根据本发明的色检测器的一种可能的实施例，光线经由光学纤维20到达检测器;作为例子，此光线来自我们的上述待批准的申请中叙述和说明的一种光调制器。来自光学纤维20的入射光加到三个彩色球体21，22，23上;每个球***于各自的光检测器24，25，26（例如光敏二极管）的前面。每个彩色球体21，22，23具有不同的色传输特性，这些传输特性和检测器24，25，26的响应相结合，用于提供三种结果色匹配函数;和上述定义的一样，X，Y和Z分别等于：

X＝∫P（ ） X（

）d

Y＝∫P（

） y（

）d

Z＝∫P（ ） Z（

）d

把信号值X，Y和Z加进一个模拟代数元件27，再传到另外的模拟代数元件29，30;模拟代数元件29，30也直接接受X和Y。然后，元件29和30计算模拟函数：

x＝ (X)/(X+Y+Z) 和y＝ (Y)/(X+Y+Z)

以便提供所需要的X和y值。这样，就在色度图上确立点（x，y），以提供入射光颜色的数字表示法。

实质上，可以把上述方案看成对三个色匹配函数 X（

）， y（

）和 Z（

）进行模拟积分;这方法比上述利用数字技术的方法能更有效地得到结果。

这个***的时间分辨率是几个微秒的量级或者更好些。根据硬件的费用，可以用很低的成本制造这个***;并且此***是很紧凑的。所需要的数学计算极少;微处理机是随意的，而不是必不可少的。上述方法的模拟-数字变换器也是随意的，而不是必不可少的。应该指出，这个***能够适应同时处理一个以上的输入信号，即，同时处理由一个以上的待测参数的变化所引起的色度变化。

因为本***测量“真实的”颜色，所以可以把它用于监视光束中的颜色变化;由传感器的位移，化学变化和任何其他调制***产生的调制所引起的这种颜色变化。

因此，上述技术能够以特别简单的便宜的方法定量地识别颜色;并能把颜色同精确测量参数变化相联系，具有光强和光谱成分的自动补偿，消除任何非单值性。以上技术可以同任何产生颜色变化的调制相结合（包括在我们的上述待批准的申请第    号中所叙述的调制器），以提供一种有效的和精确的位移测量***，其中，测得的颜色变化被用于检测一种或多种可变参数，例如位移、压力、温度等。

上述检测器使用三元件检测，以模拟用于一般色分析中的三个检测器;这个检测器具有以下优点：不但可以消除由于***衰减增加而引起的光强变化，而且可以鉴别由于***老化而不是传感器调制引起的光谱特征的变化。图11中再次说明了这种技术;此图是图3的简化型式。直线A-A对应由调制所产生的颜色变化，而直线B-B对应***本身产生的颜色变化。在这种情况下，检测器的输出的轨迹以二维的形式出现。

然而，对于本发明，三元件检测不是必不可少的，仅具有两个光敏元件的检测器是可能的，如图12，13，14中所示。在图12中，来自光学纤维32的光线被加到两个彩色球体33，34，每个彩色球***于各自的光敏元件35，36（例如，光敏二极管）之前。安排第一个元件35相对于波长的响应度不同于第二个元件的响应度。根据色度（C.I.E.）图上的两个参数，从来自两个元件35，36的信号，可以计算入射到检测器上的辐射的光谱分布。然后，可以整理这些参数，以提供入射信号的颜色的指示。

这示于图12，13和14中。图14表示图12的检测器的第一个和第二个光敏元件的响应曲线η₁（

）和η₂（

）的例子。

元件35的输出O₁由下式给出：

O₁＝∫^λb _λaI（

）η₁（

）d

而元件36的输出由下式给出：

O₂＝∫^λb _λaI（

）η₂（

）d

把信号值O₁和O₂加到模拟运算元件37，并传到另外的模拟运算元件38，39;模拟运算元件38，39还直接接收O₁和O₂。然后，元件38，39计算模拟函数：

X= (O₁)/(O₁+O₂) 和y= (O₂)/(O₁+O₂)

以提供所需要的、色度图上的x和y的值。

当只使用二元件检测时，图13和图11是等效的。直线C-C对应由调制所产生的颜色变化，即，被测的信号中的主颜色位于这条线上，其轨迹是X+Y＝1。

多检测器***的另一个实施例是信号的顺序取样，而不是如图12中所示的并行取样。一种实际的形式是所谓的“色二极管”;用新近发展的电子线路处理其输出信号，以提供极高的灵敏度和长期的稳定性。

Claims (8)

1、一种用于识别入射光颜色的色度检测***，其特征在于包括：

一至少两个分立的色度检测器，它们具有各自的响应特性，使得检测器的输出信号X，Y，……，分别对应X=∫P(

) X(

)d

，Y=∫P(

) y(

)d

，……，其中，P(

)是波长 处的光谱功率分布，而 X(

)d

，……，是对应检测器各自响应特性的色度匹配函数；

一用于模拟计算X，Y，……，的装置，以使色度图中的x和y的值对应待计算的入射光的颜色。

2、一种用于识别入射光的颜色的色度检测器***，其特征在于包括：

-三个分立的色度检测器，它们具有各自的响应特性，使得检测器的输出信号分别对应X＝∫P（

） X（

）d

，Y＝∫P（

） y（

）d

，Z＝∫P（

） Z（ ）d ，其中P（

）是波长

处的光谱功率分布，而 X（

）， y（

）和 Z（

）是对应三个检测器各自的响应特性的色匹配函数;

-用于模拟计算X，Y，和Z的装置，以使色度图中的x和y的值对应待计算的入射光的颜色。

3、如权利要求1或权利要求2中的色度检测***，其特征在于，其中色度检测器并行使用。

4、如权利要求1或权利要求2中的色度检测***，其特征在于，其中色度检测器顺序地使用。

5、如权利要求1至权利要求4中任一项的色度检测***，其特征在于，其中每一个色度检测器包含各自的、具有不同色度响应特性的滤色片。

6、如权利要求2或权利要求3和权利要求4（当它们附属于权利要求2时）中任一项的色度检测***，其特征在于，其中三个检测器包含各自的滤色片，这些滤色片的响应特性分别对应附图4中的曲线 Xλ， yλ和 Zλ。

7、如权利要求1中的色度检测***，其特征在于，其中为进行所述检测器信号X和Y的模拟计算，包括一个模拟运算装置，它分别从以下计算中确定色度图中的x和y的值：

x＝ (x)/(X+Y) 和y＝ (y)/(X+Y)

8、如权利要求2至权利要求6中任一项的色度检测***，其特征在于，其中为进行所述检测器信号X，Y和Z的模拟计算，包括一个模拟运算装置，它分别从以下计算中确定色度图中的x和y的值：

x＝ (X)/(X+Y+Z) 和y＝ (Y)/(X+Y+Z) ，

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