RU2728495C1 - Video spectrometer for express-control of light-reflecting objects - Google Patents
Video spectrometer for express-control of light-reflecting objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2728495C1 RU2728495C1 RU2019135512A RU2019135512A RU2728495C1 RU 2728495 C1 RU2728495 C1 RU 2728495C1 RU 2019135512 A RU2019135512 A RU 2019135512A RU 2019135512 A RU2019135512 A RU 2019135512A RU 2728495 C1 RU2728495 C1 RU 2728495C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light
- spectral
- lens
- objects
- video
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Предлагаемое изобретение относится к технической физике и может быть использовано для экспресс-контроля и идентификации различных светоотражающих объектов, как органических, так и неорганических, по их спектральным и текстурным признакам с использованием средств оптики и автоматизации.The proposed invention relates to technical physics and can be used for express control and identification of various light-reflecting objects, both organic and inorganic, by their spectral and textural characteristics using optics and automation.
Предлагаемый видеоспектрометр направлен на реализацию Патента РФ №2178562. Кл. G01N 33/02. «Способ идентификации объекта» и Патента РФ №2638910, Кл. G01N 21/25 «Способ экспресс-контроля объекта».The proposed video spectrometer is aimed at implementing the RF Patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02. "Method for identifying an object" and RF Patent No. 2638910, Cl. G01N 21/25 "Method of express control of an object".
Предшествующий уровень техникиPrior art
В настоящее время для определения качества различных объектов (твердых образцов разных материалов, металлов и сплавов, биологических объектов, лекарств, косметики, продуктов питания и т.д.) широко применяются спектральные методы.At present, spectral methods are widely used to determine the quality of various objects (solid samples of various materials, metals and alloys, biological objects, drugs, cosmetics, food, etc.).
Классические методы спектрального анализа образцов являются дорогостоящими и неоперативными, а подготовка проб и сам спектральный анализ трудоемки и занимают много времени. Кроме того, для выполнения анализов необходимы лаборатории, оснащенные сложными и дорогими приборами, а также квалифицированные специалисты.The classical methods of spectral analysis of samples are expensive and non-operational, and the preparation of samples and the spectral analysis itself is laborious and time-consuming. In addition, the analysis requires laboratories equipped with sophisticated and expensive instruments, as well as qualified specialists.
В тоже время существует потребность в недорогих устройствах, пригодных для широкого применения обычными пользователями для экспресс-контроля различных объектов в быту (контроль качества пищевых продуктов, лекарств, парфюмерии, текстиля и т.д.) и на производстве (входной экспресс-контроль материалов, контроль продукции в технологическом процессе).At the same time, there is a need for inexpensive devices suitable for widespread use by ordinary users for express control of various objects in everyday life (quality control of food, medicines, perfumery, textiles, etc.) and in production (input express control of materials, control of products in the technological process).
Особенно важно применение предлагаемого устройства для экспресс-анализа качества пищевых сред и продуктов.It is especially important to use the proposed device for express analysis of the quality of food media and products.
Известно, что в настоящее время в пищевой промышленности используются две группы показателей качества продуктов: органолептические и инструментальные [Краснов А.Е. и др. Основы спектральной компьютерной квалиметрии жидких сред. Москва. Юриспруденция. 2007. С. 262.]It is known that currently in the food industry are used two groups of product quality indicators: organoleptic and instrumental [Krasnov A.E. et al. Fundamentals of spectral computer qualimetry of liquid media. Moscow. Jurisprudence. 2007. S. 262.]
Для получения органолептических показателей используются органы чувств человека: зрение, обоняние, осязание и вкус. Эти показатели определяются экспертами - дегустаторами, которые оценивают цвет продукта, интенсивность окраски, прозрачность, внешний вид, вкус и запах, консистенцию, структуру или текстуру.To obtain organoleptic characteristics, human senses are used: sight, smell, touch and taste. These indicators are determined by experts - tasters who evaluate the color of the product, the intensity of the color, transparency, appearance, taste and smell, consistency, structure or texture.
Органолептическая оценка трудно воспроизводима, и потому в мире не существует общепринятой методики органолептического анализа. Сравнение дегустируемого образца со стандартом требует длительной тренировки вкусовой памяти. Имеющиеся в настоящее время достижения науки и техники пока не смогли заменить дегустатора. Для получения достоверных органолептических оценок необходима коллективная работа дегустаторов, и значительное время для организации этой работы.Organoleptic assessment is difficult to reproduce, and therefore there is no generally accepted method of sensory analysis in the world. Comparison of a tasting sample with a standard requires a long training of taste memory. The present achievements of science and technology have not yet been able to replace the taster. To obtain reliable organoleptic assessments, the collective work of tasters is required, and considerable time is needed to organize this work.
Большинство применяемых в настоящее время инструментальных методов и измерительных средств контроля качества сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов предназначены для выполнения в лабораторных условиях.Most of the currently used instrumental methods and measuring instruments for quality control of raw materials, semi-finished products and finished products are intended to be performed in laboratory conditions.
1. Методы, основанные на химических реакциях.1. Methods based on chemical reactions.
При этом соотношение реагирующих веществ или количество продуктов реакции определяют измерением наиболее простых, хорошо известных свойств. Такие химические методы называют классическими. Однако эти методы и измерительные средства не всегда обеспечивают необходимую точность измерений и требуют больших затрат времени для их проведения.In this case, the ratio of reactants or the amount of reaction products is determined by measuring the simplest, well-known properties. Such chemical methods are called classical. However, these methods and measuring instruments do not always provide the required measurement accuracy and are time consuming to carry out.
2. Физико-химические методы контроля.2. Physicochemical control methods.
Основаны обычно на группе химических реакций. Характерной особенностью физико-химических методов, в отличие от чисто химических, является то, что используется не только взаимодействие веществ с реактивами, но и взаимодействие различных физических полей (электростатических, магнитных, электромагнитных) с веществом.Usually based on a group of chemical reactions. A characteristic feature of physicochemical methods, in contrast to purely chemical ones, is that they use not only the interaction of substances with reagents, but also the interaction of various physical fields (electrostatic, magnetic, electromagnetic) with a substance.
3. Физические методы.3. Physical methods.
Здесь химические реакции отсутствуют или имеют второстепенное значение. Такие методы основаны на взаимодействии различного вида энергий и силовых полей с веществом.Here, chemical reactions are absent or of secondary importance. Such methods are based on the interaction of various types of energies and force fields with matter.
Общим для физических и физико-химических методов контроля является применение специальной аппаратуры для изменения оптических, электрических и других свойств веществ.Common to physical and physicochemical control methods is the use of special equipment to change the optical, electrical and other properties of substances.
Очевидно, что для инструментальных методов контроля полуфабрикатов и готовой продукции необходимы лаборатории, оснащенные дорогостоящей аппаратурой, и квалифицированный персонал.It is obvious that for instrumental methods of control of semi-finished products and finished products, laboratories equipped with expensive equipment and qualified personnel are required.
Ясно, что рассмотренные выше методы непригодны для оперативного и доступного экспресс-контроля пищевых сред.It is clear that the methods discussed above are unsuitable for operational and accessible express control of food environments.
Существуют спектрозональные и структурозональные методы исследования поверхности Земли из космоса [1]. Эти методы могут быть с успехом использованы для решения поставленной задачи.There are spectrozonal and structural-zonal methods for studying the Earth's surface from space [1]. These methods can be successfully used to solve the problem.
Известно устройство для идентификации объекта, содержащее оптический тракт, фотодетектор, размещенный в плоскости проецирования оптического изображения участка поверхности идентифицируемого объекта, и электронный блок обработки, запоминания и сравнения электрических сигналов с выходов фотодетектора, отличающееся тем, что оптический тракт образован выполненным в корпусе входным окном, снабженным средствами пространственной фиксации корпуса относительно контролируемого участка поверхности и размещенными последовательно вдоль и симметрично его оси собирающей линзой, источником света и светонепрозрачным экраном, при этом источник света и экран размещены в фокальной плоскости линзы, а фотодетектор установлен за экраном симметрично относительно оси оптического тракта (Патент РФ №2117989, кл. G06K 9/58, G06K 9/64, опубл. 1998).A device for identifying an object is known, comprising an optical path, a photodetector placed in the projection plane of an optical image of a surface area of an object to be identified, and an electronic unit for processing, storing and comparing electrical signals from the outputs of the photodetector, characterized in that the optical path is formed by an entrance window made in the housing, equipped with means for spatial fixation of the housing relative to the surface area to be inspected and arranged sequentially along and symmetrically to its axis with a collecting lens, a light source and a translucent screen, while the light source and the screen are located in the focal plane of the lens, and the photodetector is installed behind the screen symmetrically relative to the axis of the optical path (Patent RF No. 2117989,
Устройство содержит помещаемый в руке оператора корпус с входным окном со средствами пространственной фиксации входного окна относительно контролируемого участка поверхности. Симметрично относительно окна последовательно друг за другом размещены собирающая линза, источник света, светонепрозрачный экран, фотодетектор, причем источник света установлен в фокальной плоскости линзы, а экран непосредственно за ним. Зеркально-отраженное от поверхности излучение задерживается светонепрозрачным экраном, и на фотодетектор воздействует рассеянное отраженное излучение. Электронный блок содержит аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и блок управления и размещается в том же корпусе.The device contains a housing placed in the operator's hand with an entrance window with means for spatial fixation of the entrance window relative to the controlled area of the surface. A collecting lens, a light source, a light-opaque screen, and a photodetector are arranged sequentially one after another with respect to the window symmetrically relative to the window, the light source being installed in the focal plane of the lens, and the screen directly behind it. The light reflected from the surface is delayed by a light-opaque screen, and the scattered reflected radiation affects the photodetector. The electronic unit contains an analog-to-digital converter, a microprocessor and a control unit and is housed in the same housing.
При этом на поверхности фотодетектора формируют оптическое изображение выбранного участка поверхности идентифицируемого объекта в рассеянном отраженном излучении, дающем наиболее достоверную информацию о рельефе и макроструктуре данного участка поверхности. Сигналы с выходов фотодетектора оцифровывают и формируют характерный для данного оптического изображения набор цифровых параметров, который используют для сравнения с запомненным ранее аналогичным набором, характеризующим эталонный оптический образ этого же участка поверхности.In this case, an optical image of the selected area of the surface of the object being identified is formed on the surface of the photodetector in scattered reflected radiation, which gives the most reliable information about the relief and macrostructure of this area of the surface. The signals from the photodetector outputs are digitized and a set of digital parameters characteristic of a given optical image is formed, which is used for comparison with a previously stored similar set, which characterizes the reference optical image of the same surface area.
В рассматриваемом устройстве применяется обычный, не узкополосный источник света, поэтому спектральная информация об объекте теряется. Для идентификации объекта находят применение только данные о его рельефе и структуре. Таким образом, рассматриваемое устройство не может быть использовано для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910).The device under consideration uses a conventional, not narrow-band light source, so spectral information about the object is lost. Only data on its relief and structure are used to identify an object. Thus, the considered device cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02) and "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910).
Известно устройство для определения качества продуктов живой и неживой природы (Патент РФ №2477749, кл. С12М 1/34, G01N 33/02, C12Q 1/02, опубл. 2013), состоящее из компьютера с программным комплексом и биодетектора, включающего корпус, внутри которого находится контроллер перемещения планшетки с емкостями для тест-объектов, каждый из которых выполнен в виде усеченного конуса, источник освещения - в виде светодиода, расположенный под измеряемой емкостью для тест-объектов, оптическую систему с телекамерой, укрепленную на штативе и имеющую видеоплату захвата изображения для сообщения с соответствующим входом компьютера, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительным светодиодом, установленным под планшеткой с герконовым контактом для строгой фиксации емкости для тест-объектов под отверстием в планшетке, светонепроницаемым кожухом для закрытия сверху планшетки с емкостями для тест-объектов, внутренняя поверхность которого покрыта белой матовой краской, причем кожух имеет отверстие, диаметр которого соответствует диаметру емкости для тест-объекта, при этом светодиоды расположены оппозитно друг к другу, а телекамера с объективом выполнена с возможностью ее установки в максимальной близости от измеряемой емкости с тест-объектами непосредственно над ней.A device is known for determining the quality of products of animate and inanimate nature (RF Patent No. 2477749, CL C12M 1/34, G01N 33/02, C12Q 1/02, publ. 2013), consisting of a computer with a software package and a biodetector, including a case, inside of which there is a controller for the movement of a plate with containers for test objects, each of which is made in the form of a truncated cone, an illumination source in the form of an LED located under the measured container for test objects, an optical system with a television camera, mounted on a tripod and having a video capture card images for communication with the corresponding input of the computer, characterized in that the device is equipped with an additional LED installed under the plate with a reed contact for strict fixation of the container for test objects under the hole in the plate, an opaque casing for closing the plate with containers for test objects on top, internal the surface of which is covered with white matte paint, and the casing has a hole ie, the diameter of which corresponds to the diameter of the container for the test object, while the LEDs are located opposite to each other, and the camera with the lens is made with the possibility of installing it in maximum proximity to the container being measured with the test objects directly above it.
Рассматриваемое изобретение относится к средствам контроля качества продуктов живой и неживой природы и может быть использовано для оценки безопасности пищевых и кормовых продуктов, природных и сточных вод, грунтов, почвы, разработки ПДК загрязняющих веществ, а также влияния хозяйственной деятельности человека на окружающую среду, в том числе продуктов добычи и переработки нефти.The invention under consideration relates to means of quality control of products of animate and inanimate nature and can be used to assess the safety of food and feed products, natural and waste waters, soils, soil, the development of MPCs for pollutants, as well as the impact of human economic activity on the environment, including number of products of oil production and processing.
Устройство осуществляет автоматическую оценку степени токсичности исследуемого продукта методом сравнения количества подвижных тест-объектов (инфузорий) до и после воздействия исследуемых веществ. За полный цикл работы программа подсчитывает количество инфузорий в лунке дважды: до внесения раствора экстракта и после внесения. Затем вычисляется степень токсичности каждой пробы.The device automatically evaluates the toxicity of the test product by comparing the number of moving test objects (ciliates) before and after exposure to the test substances. For a full cycle of work, the program counts the number of ciliates in the well twice: before adding the extract solution and after adding. The toxicity level of each sample is then calculated.
В рассматриваемом устройстве используются обычные светодиоды и тест-объекты (инфузории) для контроля токсичности исследуемых объектов.The device under consideration uses conventional LEDs and test objects (ciliates) to control the toxicity of the test objects.
Очевидно, что и это устройство не может быть использовано для реализации «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910) и «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02).Obviously, this device cannot be used to implement the "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910) and "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02).
Известно устройство для экспресс-анализа продуктов питания TellSpec (Канада) [http://aver.ru/2013-10-08/pribor-dlya-opredeleniya-sostava-pishi/, http://medgadgets.ru/shop/tellspec-umnoe-ustrojstvo-dlja-opredelenija-sostava-pischi.html].Known device for express analysis of food products TellSpec (Canada) [http://aver.ru/2013-10-08/pribor-dlya-opredeleniya-sostava-pishi/, http://medgadgets.ru/shop/tellspec- umnoe-ustrojstvo-dlja-opredelenija-sostava-pischi.html].
Это портативное устройство, которое анализирует содержание продукта. TellSpec функционирует на базе спектрометра Рамановского комбинационного рассеяния [https://ru.wikipeadia.org/wiki/Рамановская_спектроскопия]It is a portable device that analyzes the content of a product. TellSpec operates on the basis of Raman spectrometer [https://ru.wikipeadia.org/wiki/Raman_spectroscopy]
Маломощный лазер испускает луч в направлении исследуемого образца. Рассеянный на образце свет проходит затем через фильтр и дифракционную решетку, которая направляет свет на датчик, преобразующий его в электрический сигнал. Затем сигнал оцифровывается.A low-power laser emits a beam in the direction of the sample under test. The light scattered by the sample then passes through a filter and a diffraction grating, which directs the light to a sensor, which converts it into an electrical signal. Then the signal is digitized.
TellSpec объединяет в себе лазерную Рамановскую спектрометрию, нано-фотонику и уникальный математический алгоритм, которые анализируют химический состав любого продукта менее чем за 20 секунд. TellSpec состоит из беспроводного сканера, который общается с механизмом «облака» и передает ему полученные данные для быстрого анализа. Вместе эти два механизма собирают спектр, анализируют его и отображают информацию о пище в простом и понятном интерфейсе на смартфоне.TellSpec combines laser Raman spectrometry, nano-photonics and a unique mathematical algorithm that analyzes the chemical composition of any product in less than 20 seconds. TellSpec consists of a wireless scanner that communicates with the cloud engine and transmits the received data to it for quick analysis. Together, these two mechanisms collect spectrum, analyze it, and display food information in a simple and intuitive smartphone interface.
В рассматриваемом устройстве применяется лазер и спектрометр Рамановского комбинационного рассеяния. Данные о текстуре и цвете объекта не используются. Поэтому рассматриваемое устройство не может быть применено для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910).The device under consideration uses a laser and Raman spectrometer. Object texture and color data are not used. Therefore, the device in question cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02) and "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910).
Известен прибор SCiO (Франция). Он анализирует состав продуктов питания и лекарств. В SCiO находится молекулярный сенсор, работа которого основана на ближней инфракрасной спектрометрии, что позволяет точно определить химический состав еды и напитков.Known device SCiO (France). He analyzes the composition of food and medicine. SCiO houses a molecular sensor that uses near infrared spectrometry to accurately determine the chemical composition of food and drink.
Физическая основа метода состоит в том, что каждый тип молекулы колеблется на собственной частоте, и эти колебания взаимодействуют со светом, вызывая уникальный оптический отклик [https://tech-bit.ru/scio-scaner].The physical basis of the method is that each type of molecule vibrates at its own frequency, and these vibrations interact with light, causing a unique optical response [https://tech-bit.ru/scio-scaner].
SCiO содержит источник света, который облучает образец, и оптический датчик-спектрометр, который собирает отраженный от образца свет.The SCiO contains a light source that irradiates the sample and an optical spectrometer sensor that collects light reflected from the sample.
Спектрометр разделяет свет на составляющие, которые содержат всю информацию, необходимую для обнаружения результата взаимодействия возбуждающего света и молекул в образце.The spectrometer separates the light into its constituents, which contain all the information necessary to detect the result of the interaction of the exciting light and molecules in the sample.
При работе необходимо синхронизировать SCiO с телефоном через Bluetooth, поднести прибор к продукту на 2-3 см и нажать на кнопку. Всего за несколько секунд SCiO формирует спектр контролируемого образца, отправляет данные в облачный сервис, идентифицирует продукт и предоставляет сведения о его составе и полезности.When working, you need to synchronize SCiO with your phone via Bluetooth, bring the device to the product 2-3 cm and press the button. In just a few seconds, SCiO generates a spectrum of the controlled sample, sends data to the cloud service, identifies the product and provides information about its composition and usefulness.
С помощью прибора SCiO можно оперативно определять точный состав еды, содержание сахара в продуктах питания, что важно для диабетиков, и т.д.Using the SCiO device, you can quickly determine the exact composition of food, sugar content in food, which is important for diabetics, etc.
SCiO может также сканировать лекарства. Он сможет определить, какое лекарство является подделкой. Прибор способен сканировать кожу и биологические жидкости.SCiO can also scan medicines. He will be able to determine which medicine is a fake. The device is capable of scanning skin and body fluids.
Работа рассматриваемого устройства основана на инфракрасной спектроскопии. Данные о текстуре и цвете объекта не используются. Поэтому рассматриваемое устройство не может быть применено для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910).The operation of the device under consideration is based on infrared spectroscopy. Object texture and color data are not used. Therefore, the device in question cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02) and "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910).
Известен смартфон Changhong Н2 (Китай).Famous smartphone Changhong H2 (China).
Это потребительский смартфон, оснащенный молекулярным сканером [http://www.ixbt.com/news/2017/01/05/changhong-h2--pervyj-v-mire-potrebitelskij-smartfon-osnashjonnyj-molekuljarnym-skanerom.html]. Смартфон получил технологию молекулярной идентификации SCiO, разработанную компанией Consumer Physics, которая описана в https://tech-bit.ru/scio-scaner].It is a consumer smartphone equipped with a molecular scanner [http://www.ixbt.com/news/2017/01/05/changhong-h2--pervyj-v-mire-potrebitelskij-smartfon-osnashjonnyj-molekuljarnym-skanerom.html]. The smartphone has received the SCiO molecular identification technology, developed by Consumer Physics, which is described at https://tech-bit.ru/scio-scaner].
Датчик в смартфоне способен оперативно определять химический состав материала, находящегося перед ним.The sensor in the smartphone is able to quickly determine the chemical composition of the material in front of it.
Производитель считает, что молекулярный сканер позволит потребителям получить новые возможности для улучшения их благополучия и здоровья за счет возможности выбора хороших продуктов, проверки подлинности товаров и т.п.The manufacturer believes that the molecular scanner will provide consumers with new opportunities to improve their well-being and health through the choice of good products, product verification, and the like.
Пользователь, благодаря фирменному ПО, может определять количество калорий, белков, жиров и углеводов в том или ином продукте, определять процент жира в своем организме, концентрацию какао в шоколаде, проверять лекарства и т.д.The user, thanks to proprietary software, can determine the amount of calories, proteins, fats and carbohydrates in a particular product, determine the percentage of fat in his body, the concentration of cocoa in chocolate, check medicines, etc.
Работа рассматриваемого молекулярного датчика основана на инфракрасной спектроскопии. Данные о текстуре и цвете объекта не используются. Поэтому рассматриваемое устройство не может быть применено для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910).The operation of the considered molecular sensor is based on infrared spectroscopy. Object texture and color data are not used. Therefore, the device in question cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02) and "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910).
Известен отечественный люминоскоп «Орион», в котором используется люминесцентная спектрометрия. Прибор позволяет проводить проверку растительных масел, мяса, рыбы, творога, сыра, картофеля и овощей, и т.д. [http://biobloc.ru/d/139281/d/metodika_orion.pdfl.Known domestic luminoscope "Orion", which uses luminescence spectrometry. The device allows you to check vegetable oils, meat, fish, cottage cheese, cheese, potatoes and vegetables, etc. [http://biobloc.ru/d/139281/d/metodika_orion.pdfl.
Прибор работает на волне 365±30 нм, в качестве источника света используются газоразрядная лампа и узкополосный оптический фильтр, выделяющий указанную спектральную линию. Люминесценцию исследуемого объекта надо наблюдать визуально через бленду на передней панели. Габариты прибора составляют 250×200×290 мм, а вес - 4 кг. Прибор питается от сети ~220В, 50 Гц и потребляет 80 Вт. Очевидно, что транспортировка и подключение такого прибора к сети могут создать определенные трудности.The device operates at a wavelength of 365 ± 30 nm; a gas-discharge lamp and a narrow-band optical filter that selects the indicated spectral line are used as a light source. The luminescence of the object under study must be observed visually through the hood on the front panel. The dimensions of the device are 250 × 200 × 290 mm, and the weight is 4 kg. The device is powered from a ~ 220V, 50 Hz network and consumes 80 W. It is obvious that the transportation and connection of such a device to the network can create certain difficulties.
Серьезный недостаток прибора заключается в том, что оценка качества исследуемого продукта основывается на субъективном восприятии цвета люминесценции. Очевидно, что пользоваться таким прибором сможет только человек с отличным цветовым зрением, но и в этом случае оценка будет субъективной.A serious drawback of the device is that the quality assessment of the investigated product is based on the subjective perception of the luminescence color. Obviously, only a person with excellent color vision can use such a device, but even in this case the assessment will be subjective.
Известны переносные люминесцентные спектрометры компании Perkin Elmer (США) LS 45 и LS 55. Это универсальные приборы, которые работают вместе с персональной ЭВМ, и которые можно применять в различных областях - от контроля качества материалов до сложных биохимических исследований [http://www.scheltec.ru/catalog/molecular-spectroscopy/fluorescent-spectrometers/ls-45-55/.Known portable fluorescent spectrometers company Perkin Elmer (USA) LS 45 and LS 55. These are universal devices that work together with a personal computer, and which can be used in various fields - from quality control of materials to complex biochemical studies [http: // www. scheltec.ru/catalog/molecular-spectroscopy/fluorescent-spectrometers/ls-45-55/.
Используя большое количество взаимозаменяемых приставок, пользователь может переконфигурировать приборы под решение различных задач.Using a large number of interchangeable attachments, the user can reconfigure devices for solving various tasks.
Размеры спектрометра LS55 составляют 265×790×680 мм, а вес - 49,5 кг. Цена прибора в пределах 4,0 млн руб. Очевидно, что этот спектрометр не является мобильным и легко доступным.The dimensions of the LS55 spectrometer are 265 × 790 × 680 mm, and the weight is 49.5 kg. The price of the device is within 4.0 million rubles. Obviously, this spectrometer is not mobile and easily accessible.
Таким образом, люминесцентная спектрометрия, при современном состоянии техники, может быть использована только в стационарных условиях.Thus, luminescence spectrometry, given the state of the art, can only be used under stationary conditions.
Для экспресс-анализа продуктов питания рассмотренная аппаратура не подходит.The considered equipment is not suitable for express analysis of food products.
Поэтому рассматриваемые устройства не могут быть использованы для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910).Therefore, the considered devices cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02) and "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910).
Известен лабораторный белизномер «Блик-Р3», в котором используется фотометрический метод для оценки белизны муки [Долгов В.В., Ованесов Е.Н., Щетникович К.А. Фотометрия в лабораторной практике / В.В. Долгов, Е.Н. Ованесов, К.А. Щетникович. - М.: Российская медицинская академия последипломного образования, 2004. - 142 с]. Он содержит три светодиода, освещающих рабочее поле световым потоком с длиной волны 540±50 нм под углом 45°, и один фотодиод, регистрирующий отраженное излучение в направлении, перпендикулярном плоскости рабочего поля.Known laboratory whiteness "Blik-P3", which uses a photometric method to assess the whiteness of flour [Dolgov VV, Ovanesov EN, Shchetnikovich K.A. Photometry in laboratory practice / V.V. Dolgov, E.N. Ovanesov, K.A. Shchetnikovich. - M .: Russian Medical Academy of Postgraduate Education, 2004. - 142 p.]. It contains three LEDs that illuminate the working field with a light flux with a wavelength of 540 ± 50 nm at an angle of 45 °, and one photodiode that records reflected radiation in the direction perpendicular to the plane of the working field.
Работа прибора базируется на измерении коэффициентов отражения светового потока видимого спектра в указанном интервале длин волн от уплотненно - сглаженной поверхности муки и эталонов, и определении показателя белизны [http://www.moslabo.ru/production/obshelab/beliznomer/1/].The operation of the device is based on measuring the reflection coefficients of the visible light flux in the specified wavelength range from the compacted - smoothed surface of flour and standards, and determining the whiteness index [http://www.moslabo.ru/production/obshelab/beliznomer/1/].
В рассматриваемом приборе для освещения объекта используется только одна длина волны. Данные о текстуре и цвете объекта не используются. Поэтому рассматриваемое устройство не может быть применено для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910).In the considered device, only one wavelength is used to illuminate an object. Object texture and color data are not used. Therefore, the device in question cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02) and "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910).
Известен прибор, разработанный фирмой «The Milliard Space Science Laboratory)) (Англия) для изучения фотолюминесценции поверхности объектов под действием УФ-излучения светодиодов [3D Imaging for Life detection. http://www.ucl.ac.uk/mssl/imaging].A well-known device developed by The Milliard Space Science Laboratory)) (England) for studying the photoluminescence of the surface of objects under the influence of UV radiation of LEDs [3D Imaging for Life detection. http://www.ucl.ac.uk/mssl/imaging].
Прибор используется при работе в полевых условиях для проведения оперативных исследований и не требует специального обучения пользователя.The device is used when working in the field for conducting operational research and does not require special user training.
В рассматриваемом приборе для освещения объекта применяют только УФ-излучение. Данные о текстуре и цвете объекта при этом не получают. Поэтому рассматриваемое устройство не может быть использовано для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910).In the device under consideration, only UV radiation is used to illuminate the object. In this case, data on the texture and color of the object is not received. Therefore, the device in question cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02) and "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910).
ПрототипPrototype
Наиболее близким к предлагаемому видеоспектрометру по технической сущности и достигаемому результату является оптический микроскоп, предназначенный для исследования минералогического состава образцов вещества спутника Марса Фобоса, который был установлен на борту КА «Фобос-Грунт». Он был разработан на базе ПЗС-камеры с матрицей 1024×1024 эл., с пикселами размером 7×7 мкм, и работал со светодиодной подсветкой на 5 длинах волн (Микроскоп - спектрометр MicrOmega. Институт космических исследований РАН. Проект космической экспедиции 2 «ФОБОС-ГРУНТ». Москва. 2011. с. 345-362.).The closest to the proposed video spectrometer in technical essence and the achieved result is an optical microscope designed to study the mineralogical composition of samples of matter from the Mars satellite Phobos, which was installed on board the Phobos-Grunt spacecraft. It was developed on the basis of a CCD camera with a matrix of 1024 × 1024 el., With pixels of 7 × 7 microns, and worked with LED illumination at 5 wavelengths (Microscope - spectrometer MicrOmega. Space Research Institute RAS. Project of the
Принцип работы оптического микроскопа состоял в получении изображений образца грунта, размещаемого на предметном стекле, который освещался монохроматическим излучением светодиодов. Предметное стекло микроскопа было установлено вертикально относительно поверхности. Образец грунта загружался манипулятором в приемный лоток микроскопа. Лоток был закреплен на оси двигателя, который обеспечивал прижим образца ко входному окну микроскопа и последующее его удаление.The principle of operation of an optical microscope consisted in obtaining images of a soil sample placed on a glass slide, which was illuminated by monochromatic radiation of LEDs. The microscope slide was set vertically relative to the surface. The soil sample was loaded with a manipulator into the receiving tray of the microscope. The tray was fixed on the axis of the motor, which ensured the pressing of the sample to the entrance window of the microscope and its subsequent removal.
Конструкция оптической части микроскопа была выполнена из титана в виде конуса. В его крайней узкой части было закреплено сапфировое входное окно, положение которого жестко фиксировалось в плоскости фокусировки объекта. Образец грунта освещался светодиодами, размещенными вокруг объектива. Для оценки спектральных характеристик частиц грунта были выбраны светодиоды пяти зон спектра со следующими эффективными длинами волн: 505, 600, 670, 750 и 890 нм. Светодиоды были распределены пятью симметричными группами по три светодиода с одинаковыми световыми характеристиками излучения.The design of the optical part of the microscope was made of titanium in the form of a cone. In its extreme narrow part, a sapphire entrance window was fixed, the position of which was rigidly fixed in the plane of focusing of the object. The soil sample was illuminated by LEDs placed around the lens. To assess the spectral characteristics of soil particles, we selected LEDs of five spectral zones with the following effective wavelengths: 505, 600, 670, 750 and 890 nm. The LEDs were distributed in five symmetrical groups of three LEDs with the same light emission characteristics.
Формируемое оптическое изображение запоминалось матричным фотоприемником как черно-белое. Последовательное освещение анализируемого образца грунта светодиодами с разной длиной волны давало набор изображений. Это позволяло получать набор оценок оптических спектральных характеристик микрочастиц компонентного состава грунта, которые характеризовали их спектральные оптические свойства, определяемые природой минералогического состава.The formed optical image was memorized by the matrix photodetector as black and white. Sequential illumination of the analyzed soil sample with LEDs with different wavelengths gave a set of images. This made it possible to obtain a set of estimates of the optical spectral characteristics of microparticles of the component composition of the soil, which characterized their spectral optical properties, determined by the nature of the mineralogical composition.
Получаемая видеоинформация могла быть представлена для рассмотрения в цветокодированном виде, например, выборками по три монохроматических изображения. Спектральные различия могли быть представлены в дифференциальном виде пар изображений разных зон спектра. Для цифровой обработки видеоинформация могла быть представлена в векторной форме для многомерного векторного пространства спектральных факторов и могла анализироваться методами факторного или компонентного анализа для классификации содержания образцов грунта по спектральным классам.The resulting video information could be presented for viewing in color-coded form, for example, by samples of three monochromatic images. Spectral differences could be presented in the differential form of pairs of images of different spectral zones. For digital processing, video information could be presented in vector form for a multidimensional vector space of spectral factors and could be analyzed using factor or component analysis methods to classify the content of soil samples by spectral classes.
Недостатками этого устройства, судя по приведенному описанию, является то, что оно служит для микроскопических исследований объекта наблюдения, в данном случае - грунта, и только. Оптическая схема устройства жестко фиксирована и не допускает регулировок, что ограничивает его функциональные возможности. Подсветка выполняется светодиодами, которые расположены вокруг объектива в непосредственной близости от объекта наблюдения и освещают его через сапфировое окно. При таком расположении осветителей нельзя добиться равномерной освещенности объекта наблюдения и, кроме того, обязательно будут присутствовать блики от сапфирового окна и паразитные отражения в толще окна («повторы» и «окантовки»), которые будут возникать на границе сапфир - окружающая среда за счет разницы в показателях преломления света.The disadvantages of this device, judging by the description given, is that it serves for microscopic studies of the object of observation, in this case - the ground, and nothing more. The optical scheme of the device is rigidly fixed and does not allow adjustments, which limits its functionality. Illumination is performed by LEDs, which are located around the lens in close proximity to the object of observation and illuminate it through a sapphire window. With such an arrangement of the illuminators, it is impossible to achieve uniform illumination of the object of observation and, in addition, glare from the sapphire window and parasitic reflections in the thickness of the window ("repetitions" and "edging"), which will appear at the sapphire - environment boundary due to the difference in refractive indices of light.
Кроме того, в этом устройстве камера с ПЗС-матрицей работает в режиме фотоаппарата, то есть делает по одному снимку в каждом спектральном диапазоне. При этом не используются возможности статистической обработки изображений, которая значительно повышает достоверность измерений.In addition, in this device, the CCD camera operates in the camera mode, that is, it takes one picture in each spectral range. At the same time, the possibilities of statistical image processing are not used, which significantly increases the reliability of measurements.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков.The objective of the invention is to eliminate these disadvantages.
Цель изобретения - создание простого, доступного и надежного видеоспектрометра для экспресс-контроля светоотражающих объектов, как органических, так и неорганических, по их спектральным и текстурным признакам с учетом масштаба и поляризующих свойств этих объектов, которое может быть использовано обычным (неквалифицированным) пользователем.The purpose of the invention is to create a simple, affordable and reliable video spectrometer for express control of light reflecting objects, both organic and inorganic, according to their spectral and textural characteristics, taking into account the scale and polarizing properties of these objects, which can be used by an ordinary (unqualified) user.
Технический результат заключается в том, что повышается надежность и одновременно упрощается экспресс-контроль образцов путем их сравнения с эталонами, с представлением результатов сравнения в виде, удобном для интерпретации неквалифицированным пользователем.The technical result is that the reliability increases and at the same time simplifies the express control of samples by comparing them with standards, with the presentation of the comparison results in a form convenient for interpretation by an unskilled user.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с помощью телевизионной черно-белой ПЗС-камеры путем видеосъемки исследуемых объектов получают многократные изображения, по которым формируют спектральные и текстурные двумерные матрицы уровней видеосигналов.This problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that with the help of a black-and-white CCD camera by video filming of the objects under study, multiple images are obtained, from which spectral and texture two-dimensional matrices of video signal levels are formed.
Уровни видеосигналов зависят от спектральных коэффициентов отражения от исследуемых объектов световых потоков, излучаемых люминесцентными светодиодами в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах.The levels of video signals depend on the spectral reflection coefficients of the objects under study of light fluxes emitted by luminescent LEDs in the ultraviolet, visible and infrared ranges.
Полученная информация используется для оценки сходства исследуемого объекта с эталоном.The information obtained is used to assess the similarity of the studied object with the reference.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Целью настоящего изобретения является видеоспектрометр для получение спектральных и текстурных портретов исследуемых объектов в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра электромагнитного излучения в неполяризованном или поляризованном отраженном свете с целью последующего сравнения полученных данных с заранее известными данными эталонов методами математической статистики и представления результатов обработки в наглядном графическом и/или аналитическом виде для оперативного и достоверного контроля этих сред.The aim of the present invention is a video spectrometer for obtaining spectral and texture portraits of objects under study in narrow spectral ranges of the ultraviolet, visible and infrared spectrum of electromagnetic radiation in unpolarized or polarized reflected light for the purpose of subsequent comparison of the obtained data with previously known reference data by methods of mathematical statistics and presentation of the processing results in clear graphic and / or analytical form for operational and reliable control of these environments.
В предлагаемом видеоспектрометре содержатся следующие элементы: светотехническая полусфера, в которую встроены несколько групп люминесцентных светодиодов, излучающих в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра, причем в каждой группе светодиоды разнесены на равные угловые расстояния, основание светотехнической полусферы, служащее для размещения исследуемых объектов, отсек для размещения оптического анализатора, вариообъектив, создающий изображение на ПЗС-матрице, черно-белая видеокамера с ПЗС-матрицей, процессор, который обеспечивает ввод видеосигнала в ЭВМ, управляет видеокамерой, вариообъективом и питанием светодиодов, саму ЭВМ, программное обеспечение для анализа получаемых данных, а также базу данных, содержащую эталонные данные для сравнения с данными исследуемых объектов, причем новизной обладает не только предлагаемый способ обработки данных и введение и размещение новых элементов, но также новое оптическое и информационное согласование всех элементов устройства между собой.The proposed video spectrometer contains the following elements: a lighting hemisphere, in which several groups of luminescent LEDs are built, emitting in narrow spectral ranges of the ultraviolet, visible and infrared spectrum, and in each group the LEDs are spaced at equal angular distances, the base of the lighting hemisphere, which serves to accommodate the objects under study , a compartment for placing an optical analyzer, a varifocal lens that creates an image on a CCD matrix, a black and white video camera with a CCD matrix, a processor that provides input of a video signal to a computer, controls a video camera, a zoom lens and power LEDs, the computer itself, software for analyzing the resulting data, as well as a database containing reference data for comparison with the data of the objects under study, and not only the proposed method of data processing and the introduction and placement of new elements, but also a new optical and informational coordination of all ex elements of the device to each other.
Указанные признаки необходимы для достижения поставленных целей, достижения оперативности и надежности работы видеоспектрометра и достоверности контроля исследуемых объектов. Краткое описание чертежейThe indicated signs are necessary to achieve the set goals, to achieve the efficiency and reliability of the video spectrometer and the reliability of monitoring the objects under study. Brief Description of Drawings
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:The proposed invention is illustrated by the following drawings:
на Фиг. 1 показана блок-схема видеоспектрометра.in FIG. 1 shows a block diagram of a video spectrometer.
на Фиг. 2 представлены спектры излучения используемых люминесцентных светодиодов;in FIG. 2 shows the emission spectra of the used luminescent LEDs;
на Фиг. 3 показан пример спектрозональных портретов исследуемого объекта;in FIG. 3 shows an example of multispectral portraits of the object under study;
на Фиг. 4 показан пример текстурозональных портретов исследуемого объекта;in FIG. 4 shows an example of texture-zonal portraits of the object under study;
на Фиг. 5 дано графическое сравнение (лепестковая диаграмма) измерений объекта и эталона для соевой муки двух разных производителей по спектральному признаку в обычном свете;in FIG. 5 shows a graphical comparison (petal diagram) of measurements of the object and the standard for soy flour of two different manufacturers by spectral characteristics in normal light;
на Фиг. 6 дано графическое сравнение (гистограмма) измерений объекта и эталона для соевой муки двух разных производителей по спектральному признаку в обычном свете;in FIG. 6 shows a graphical comparison (histogram) of measurements of an object and a standard for soy flour of two different manufacturers by spectral characteristics in normal light;
на Фиг. 7 показан пример аналитического сравнения полученных данных для соевой муки двух разных производителей в обычном свете;in FIG. 7 shows an example of an analytical comparison of the obtained data for soy flour of two different manufacturers in a conventional light;
Фиг. 8. показано графическое сравнение (лепестковая диаграмма) измерений объекта и эталона соевой муки двух разных производителей по спектральному признаку в поляризованном свете.FIG. 8. shows a graphical comparison (petal diagram) of measurements of an object and a standard of soy flour of two different manufacturers by spectral characteristic in polarized light.
На Фиг. 9 показаны гистограммы распределения яркости элементов изображений соевой муки двух разных производителей в обычном свете;FIG. 9 shows histograms of the brightness distribution of image elements of soy flour from two different manufacturers in normal light;
На Фиг. 10 показаны гистограммы распределения яркости элементов изображений соевой муки двух разных производителей в поляризованном свете;FIG. 10 shows histograms of the brightness distribution of image elements of soy flour of two different manufacturers in polarized light;
На Фиг. 11 показан общий вид лабораторного макета видеоспектрометра.FIG. 11 shows a general view of the laboratory model of the video spectrometer.
На Фиг. 12 показан телевизионный датчик видеоспектрометра.FIG. 12 shows the television sensor of the video spectrometer.
На Фиг. 13 показана светотехническая полусфера с включенными светодиодами.FIG. 13 shows an illumination hemisphere with the LEDs on.
Подробное описание изобретения.Detailed description of the invention.
С помощью аппаратной части предлагаемого видеоспектрометра (Фиг. 1) получают спектрально-текстурные портреты исследуемых объектов, характеризующиеся различными спектральными коэффициентами отражения световых потоков, излучаемых люминесцентными светодиодами в синем (В), зеленом (G), красном (R) и инфракрасном (IR) спектральных диапазонах (Фиг. 2). Они представляют собой двумерные матрицы уровней видеосигналов. На Фиг. 3 и Фиг. 4 представлены примеры таких спектрально-текстурных портретов, содержащих информацию о текстуре, цвете и поляризации объекта. Эта информация используется для оценки меры сходства исследуемого объекта с эталоном методами математической статистики.With the help of the hardware part of the proposed video spectrometer (Fig. 1), spectral and texture portraits of the objects under study are obtained, characterized by different spectral reflection coefficients of light fluxes emitted by luminescent LEDs in blue (B), green (G), red (R) and infrared (IR) spectral ranges (Fig. 2). They are two-dimensional matrices of video signal levels. FIG. 3 and FIG. 4 shows examples of such spectral-textural portraits containing information about the texture, color and polarization of the object. This information is used to assess the degree of similarity of the object under study with the standard by methods of mathematical statistics.
Сущность предлагаемого видеоспектрометра поясняется на Фиг. 1, где изображены: светотехническая полусфера (1) с основанием (2), покрытые изнутри специальной матовой белой краской, обладающей высоким и равномерным коэффициентом отражения в используемом спектральном диапазоне, исследуемый объект (3), люминесцентные светодиоды (4), излучающие в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра, бленда (5), которая исключает паразитную боковую засветку вариообъектива, отсек для установки оптического анализатора (6), вариообъектив (7), формирующий изображение объекта (3) на ПЗС-матрице (10), тубус (8), видеокамера (9) с черно-белой ПЗС-матрицей (10), процессор (11), который обеспечивает ввод видеосигнала в ЭВМ, управляет видеокамерой, вариообъективом и питанием светодиодов, персональная ЭВМ (12), специальное программное обеспечение (13) и база данных (14).The essence of the proposed video spectrometer is illustrated in Fig. 1, which shows: a lighting hemisphere (1) with a base (2), coated from the inside with a special matte white paint with a high and uniform reflection coefficient in the spectral range used, the object under study (3), luminescent LEDs (4) emitting in narrow spectral ranges of the ultraviolet, visible and infrared spectrum, a hood (5), which excludes parasitic side illumination of the zoom lens, a compartment for installing an optical analyzer (6), a zoom lens (7) that forms an image of an object (3) on a CCD matrix (10), a tube ( 8), a video camera (9) with a black-and-white CCD matrix (10), a processor (11) that provides video signal input to a computer, controls a video camera, a zoom lens and LED power supply, a personal computer (12), special software (13) and database (14).
Предлагаемый видеоспектрометр функционирует следующим образом.The proposed video spectrometer operates as follows.
Светотехническая полусфера 1 с основанием 2 обеспечивают получение внутри своего объема диффузного светового поля, которое необходимо для равномерного освещения объекта исследования (Фиг. 1).
В начале измерений на основании 2 светотехнической полусферы размещают эталон диффузного отражения белого цвета, покрытый стандартной светотехнической белой краской, включают поочередно (В), (G), (R) и (IR) группы светодиодов (Фиг. 2) и получают в различных спектральных диапазонах резкое изображение какого-либо участка эталона. Затем регулируют токи питания каждой группы светодиодов так, чтобы получить во всех спектральных диапазонах одинаковый максимальный размах видеосигнала без ограничения уровня белого в сигнале.At the beginning of the measurements, on the basis of 2 illumination hemisphere, a standard of diffuse reflection of white color, covered with a standard illumination technical white paint, is placed, alternately (B), (G), (R) and (IR) LED groups (Fig. 2) are obtained and obtained in different spectral ranges a sharp image of any part of the reference. Then the supply currents of each group of LEDs are adjusted so as to obtain the same maximum video signal swing in all spectral ranges without limiting the white level in the signal.
Далее на основании видеоспектрометра 2 (Фиг. 1) помещают исследуемый объект (3), и получают изображения выбранного участка этого объекта поочередно в различных спектральных диапазонах. Эти изображения (Фиг. 3, Фиг. 4) несут информацию о цвете и текстуре объекта. Полученные данные, после соответствующей статистической обработки, сравниваются с параметрами эталонного объекта, которые могут быть получены путем аналогичных измерений, или взяты из базы данных ЭВМ.Next, on the basis of the video spectrometer 2 (Fig. 1), the object under study (3) is placed, and images of the selected area of this object are obtained alternately in different spectral ranges. These images (Fig. 3, Fig. 4) carry information about the color and texture of the object. The obtained data, after appropriate statistical processing, are compared with the parameters of the reference object, which can be obtained by analogous measurements, or taken from the computer database.
Результаты сравнения могут быть выведены на экран монитора и на принтер в графическом (Фиг. 5, Фиг. 6) или аналитическом виде (Фиг. 7). Последующий анализ позволяет сделать заключение о соответствии объекта исследования эталону.The comparison results can be displayed on the monitor screen and on the printer in graphical (Fig. 5, Fig. 6) or analytical form (Fig. 7). Subsequent analysis allows making a conclusion about the compliance of the research object with the standard.
Дополнительные уточняющие данные могут быть получены при исследовании светоотражающих объектов в поляризованном свете. Для таких исследований в отсек (6) предлагаемого видеоспектрометра (Фиг. 1) помещают оптический анализатор, например поляризационный светофильтр ПФ-32, и проводят вышеуказанные измерения при ортогональных положениях светофильтра.Additional clarifying data can be obtained when examining reflective objects in polarized light. For such studies, an optical analyzer, such as a PF-32 polarizing filter, is placed in the compartment (6) of the proposed video spectrometer (Fig. 1), and the above measurements are carried out at orthogonal positions of the filter.
Гистограммы распределения яркости элементов (пикселов) изображений соевой муки двух разных производителей в обычном и поляризованном свете представлены на Фиг. 8 и 9.Histograms of the brightness distribution of elements (pixels) of images of soy flour of two different manufacturers in normal and polarized light are shown in FIG. 8 and 9.
Применение вариообъектива позволяет выбрать оптимальный масштаб при съемке объекта исследования и эталона. Затем выбранный масштаб может устанавливаться программным путем при съемке аналогичных объектов.The use of a zoom lens allows you to choose the optimal scale when shooting the object of study and the reference. Then the selected scale can be set programmatically when shooting similar objects.
Подробное описание работы предлагаемого видеоспектрометра.Detailed description of the proposed video spectrometer operation.
Измерение инструментальной погрешности видеоспектрометра.Measurement of the instrumental error of the video spectrometer.
Так как предлагаемый видеоспектрометр является измерительным прибором, необходимо периодически оценивать его инструментальную погрешность. При тщательном изготовлении устройства такую оценку можно выполнять раз в квартал.Since the proposed video spectrometer is a measuring device, it is necessary to periodically evaluate its instrumental error. If the device is carefully manufactured, this assessment can be performed quarterly.
Для этой оценки производят серию измерений эталона диффузного отражения белого цвета в четырех спектральных диапазонах (В, G, R и IR). При этом в каждой серии измерений получают N изображений (не менее 9) в каждом из указанных диапазонов и выполняют их оцифровку. В результате получают N двумерных проверочных матриц измеренных значений сигнала, которые имеют вид:For this assessment, a series of measurements of a white diffuse reflectance standard is made in four spectral ranges (B, G, R and IR). In this case, in each series of measurements, N images (at least 9) are obtained in each of the indicated ranges and they are digitized. As a result, N two-dimensional check matrices of the measured signal values are obtained, which have the form:
Используя эти данные, находят среднее 
Затем рассчитывают относительную погрешность измерений для каждого данного диапазона:Then calculate the relative measurement error for each given range:
Если для любого спектрального диапазона относительная погрешность меньше 1%, делают вывод о возможности проведения измерений. В противном случае производят регулировку устройства.If for any spectral range the relative error is less than 1%, it is concluded that measurements are possible. Otherwise, adjust the device.
В таблице 1 приведен пример оценки инструментальной погрешности лабораторного макета предлагаемого устройства, из которой следует возможность проведения измерений.Table 1 shows an example of evaluating the instrumental error of a laboratory model of the proposed device, from which the possibility of measurements follows.
Сравнение спектральных портретов эталона и образца.Comparison of spectral portraits of the reference and the sample.
Для этого проводят измерения эталонного объекта (α) в спектральных диапазонах В, G, R и IR. При этом в каждом диапазоне получают также не менее 9 спектрально-текстурных изображений. В результате создаются двумерные матрицы измеренных значений сигнала от эталонного объекта, которые имеют вид:For this, measurements of the reference object (α) are carried out in the spectral ranges B, G, R and IR. In this case, at least 9 spectral-texture images are also obtained in each range. As a result, two-dimensional matrices of measured values of the signal from the reference object are created, which have the form:
Используя полученные матрицы, находят среднее, дисперсию, стандартное отклонение среднего и относительную погрешность в синем (В), зеленом (G), красном (R) и инфракрасном (IR) диапазонах, используя формулы (2) и (3).Using the obtained matrices, find the mean, variance, standard deviation of the mean and relative error in the blue (B), green (G), red (R) and infrared (IR) ranges, using formulas (2) and (3).
Поскольку среднее представляет собою спектральный коэффициент отражения 
Значения спектральных коэффициентов отражения эталона 
Затем производят измерения исследуемого образца (β) и выполняют обработку данных аналогично обработке результатов измерения эталона.Then make measurements of the test sample (β) and perform data processing in the same way as processing the measurement results of the standard.
В итоге получают результаты измерений образца (β) в каждом спектральном диапазоне в следующем виде:As a result, the results of measurements of the sample (β) in each spectral range are obtained in the following form:
Далее выполняют сравнение данных. Из выражений (5) и (6) определяют максимальное значение Kmax и нормируют по нему все остальные значения. Полученные нормированные значения являются относительными спектральными коэффициентами отражения исследуемого образца и эталона:Next, data comparison is performed. From expressions (5) and (6), the maximum value of K max is determined and all other values are normalized by it. The obtained normalized values are the relative spectral reflectances of the test sample and the reference:
Далее определяют различие между данными измерений эталона и исследуемого образца. Для этого находят разность между относительными спектральными коэффициентами отражения эталона α и образца β в выбранном спектральном диапазоне:Next, the difference between the measurement data of the reference and the test sample is determined. To do this, find the difference between the relative spectral reflection coefficients of the standard α and sample β in the selected spectral range:
Находят суммарную погрешность нормированных значений измерений эталона и исследуемого образца в каждом спектральном диапазоне, используя выражения (5) и (6):Find the total error of the normalized measurement values of the standard and the test sample in each spectral range using expressions (5) and (6):
Определяют значимость различий между результатами измерений эталона и исследуемого образца в каждом спектральном диапазоне:Determine the significance of the differences between the measurement results of the standard and the test sample in each spectral range:
Далее представляют результаты сравнения данных образца и эталона в графическом и цифровом видах.Next, the results of comparing the data of the sample and the standard in graphical and digital forms are presented.
После определения значимости различий можно построить лепестковые диаграммы, которые наглядно показывают отличие исследуемого образца от эталона.After determining the significance of the differences, you can build radar diagrams that clearly show the difference between the test sample and the standard.
Если различие значимое, то для диаграмм берут соответствующие оценки из выражений (7) и (8):If the difference is significant, then for the diagrams, the corresponding estimates are taken from expressions (7) and (8):
- для эталона (α): 
- для образца (β): 
Если различие не значимое, то для диаграмм берут оценки, соответствующие измерениям эталона.If the difference is not significant, then for the diagrams, estimates are taken that correspond to the measurements of the reference.
Образец получаемых лепестковых диаграмм показаны на Фиг. 5.A sample of the resulting radar charts are shown in FIG. five.
Для более наглядного представления результатов измерений строят гистограммы, образец которой приведен на Фиг. 6.For a more visual presentation of the measurement results, histograms are plotted, a sample of which is shown in FIG. 6.
Для количественного определения различий между объектом и эталонном можно рассчитать площади лепестковых диаграмм и определить разность этих площадей. Расчет площадей, занимаемых лепестковыми диаграммами, выполняют по известным формулам планиметрии:To quantify the differences between the target and the reference, you can calculate the areas of radar charts and determine the difference between these areas. The calculation of the areas occupied by radar diagrams is performed according to the well-known planimetry formulas:
Вычисляют разности площадей диаграмм эталона (α) и образца (β):Calculate the area difference between the diagrams of the standard (α) and the sample (β):
Определяют меру сходства (М) образца и эталона по формуле (12):Determine the degree of similarity (M) of the sample and the reference by the formula (12):
В случае не значимого различия, в формуле (12) используют оценки, соответствующие измерениям эталона. Очевидно, что при этом М=1.In the case of an insignificant difference, in formula (12), estimates are used that correspond to the measurements of the standard. It is obvious that in this case M = 1.
Результаты аналитического сравнения спектральных коэффициентов отражения двух сортов соевой муки разных производителей приведены на Фиг. 7, где показаны результаты измерений эталона и объекта (таблицы 1 и 2), значимость различий, исходя из доверительного интервала при коэффициенте доверия 95,4% (таблица 3), и разность площадей лепестковой диаграммы (таблица 4), а также мера сходства, которая в данном случае составила величину М=0,83.The results of an analytical comparison of the spectral reflectances of two varieties of soy flour from different manufacturers are shown in Fig. 7, which shows the results of measurements of the standard and the object (tables 1 and 2), the significance of the differences based on the confidence interval at a confidence factor of 95.4% (table 3), and the difference in the areas of the radar diagram (table 4), as well as the similarity measure, which in this case was M = 0.83.
Дополнительная информация может быть получена путем измерения относительных спектральных коэффициентов отражения объекта и эталона по спектральному признаку в линейно поляризованном свете.Additional information can be obtained by measuring the relative spectral reflectances of the object and the reference according to the spectral feature in linearly polarized light.
На Фиг. 8. показана лепестковая диаграмма измерений объекта и эталона соевой муки по спектральному признаку в линейно поляризованном свете Сравнение этой же муки в обычном свете приведено на Фиг. 5. Очевидна разница между диаграммами.FIG. 8. shows a radial diagram of measurements of an object and a standard of soybean flour by spectral characteristic in linearly polarized light. Comparison of the same flour in ordinary light is shown in FIG. 5. The difference between the diagrams is obvious.
Сравнение текстурных портретов образца и эталона.Comparison of texture portraits of the sample and the reference.
Для сравнения текстур усредняют измеренные значения элементов матриц, для чего суммируют измеренные значения элементов матриц образца (или эталона), делят затем полученные суммы на число матриц N и получают матрицы структурных портретов Y образца (эталона):To compare textures, the measured values of the matrix elements are averaged, for which the measured values of the matrix elements of the sample (or standard) are summed up, then the sums obtained are divided by the number of matrices N and the matrices of structural portraits Y of the sample (standard) are obtained:
По полученным значениям строят нормированные графики распределения элементов матрицThe obtained values are used to construct normalized graphs of the distribution of matrix elements
Затем определяют математическое ожидание и дисперсию этих распределений и выполняют их сравнение. Результаты сравнения могут быть представлены в виде графиков, гистограмм или таблиц.Then the mathematical expectation and variance of these distributions are determined and compared. Comparison results can be presented in the form of graphs, histograms or tables.
Сравнение гистограмм распределения яркости элементов (пикселов) изображений соевой муки двух сортов соевой муки разных производителей показано на Фиг. 9 (в обычном свете) и на Фиг. 10 (в линейно-поляризованном свете).Comparison of histograms of brightness distribution of elements (pixels) of images of soy flour of two varieties of soy flour from different manufacturers is shown in Fig. 9 (in normal light) and FIG. 10 (in linearly polarized light).
На Фиг. 11, 12 и 13 показаны общий вид лабораторного макета видеоспектрометра, общий вид телевизионного датчика и фотография светотехнической полусферы с включенными светодиодами (4 группы по 6 светодиодов в каждой группе). В центре полусферы - отверстие, за которым расположен объектив.FIG. 11, 12 and 13 show a general view of a laboratory model of a video spectrometer, a general view of a television sensor and a photograph of a lighting hemisphere with LEDs on (4 groups of 6 LEDs in each group). In the center of the hemisphere there is a hole behind which the lens is located.
Предлагаемое техническое решение позволяет проводить экспресс-контроль светоотражающих объектов (пищевых продуктов, лекарств, текстильных изделий, биологических и других объектов, как органических, так и неорганических) в отраженном поляризованном или неполяризованном свете, исследовать спектры отраженного излучения, исследовать текстуру светоотражающих объектов, выполнять сравнение исследуемых объектов с эталонами, характеристики которых находятся в базе данных ЭВМ, и, после обработки на ЭВМ, получать результаты этого сравнения.The proposed technical solution allows for express control of reflective objects (food, drugs, textiles, biological and other objects, both organic and inorganic) in reflected polarized or unpolarized light, to study the spectra of reflected radiation, to investigate the texture of reflective objects, to perform a comparison objects under study with standards, the characteristics of which are in the computer database, and, after processing on a computer, receive the results of this comparison.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019135512A RU2728495C1 (en) | 2019-11-06 | 2019-11-06 | Video spectrometer for express-control of light-reflecting objects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019135512A RU2728495C1 (en) | 2019-11-06 | 2019-11-06 | Video spectrometer for express-control of light-reflecting objects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2728495C1 true RU2728495C1 (en) | 2020-07-29 |
Family
ID=72085306
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019135512A RU2728495C1 (en) | 2019-11-06 | 2019-11-06 | Video spectrometer for express-control of light-reflecting objects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2728495C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0508257A2 (en) * | 1991-04-12 | 1992-10-14 | Bayer Ag | Scanning microspectroscope |
| RU2117989C1 (en) * | 1996-12-05 | 1998-08-20 | Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики | Method for object identification and device which implements said method |
| RU2178562C1 (en) * | 2001-04-13 | 2002-01-20 | Краснов Андрей Евгеньевич | Object identification method |
-
2019
- 2019-11-06 RU RU2019135512A patent/RU2728495C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0508257A2 (en) * | 1991-04-12 | 1992-10-14 | Bayer Ag | Scanning microspectroscope |
| RU2117989C1 (en) * | 1996-12-05 | 1998-08-20 | Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики | Method for object identification and device which implements said method |
| RU2178562C1 (en) * | 2001-04-13 | 2002-01-20 | Краснов Андрей Евгеньевич | Object identification method |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.В. Захаров и др. "Институт космических исследований РАН. Проект космической экспедиции 2 "ФОБОС-ГРУНТ". Москва. 2011. с. 345-362. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kılıç et al. | Single-image-referenced colorimetric water quality detection using a smartphone | |
| US6813007B2 (en) | Apparatus for generating data for determining a property of a gemstone and methods and computer programs for determining a property of a gemstone | |
| US10161796B1 (en) | LED lighting based multispectral imaging system for color measurement | |
| US10401284B2 (en) | Spectroscopic characterization of seafood | |
| KR101226782B1 (en) | Method of Measuring Calorie of Object and Device of Measuring Calorie of Object | |
| EP2849648B1 (en) | Fish eye lens imaging apparatus and imaging method | |
| US20180059015A1 (en) | Personal liquid analysis system | |
| Wang et al. | Smartphone imaging spectrometer for egg/meat freshness monitoring | |
| IL288218B1 (en) | Apparatus and method for fluorescence grading of gemstones | |
| US10551315B2 (en) | Fluorescence spectrophotometer and fluorescence spectrometry and imaging method | |
| JP2013108855A (en) | Discrimination filter design method, discrimination method, discrimination filter set, discrimination device and program | |
| EP3431966A1 (en) | Display device for photometric analyzer | |
| JP2015180895A (en) | Method for designing discrimination filter, discrimination method, discrimination filter set, discrimination device, and program | |
| Chlebda et al. | Assessment of hyperspectral imaging system for colour measurement | |
| RU2728495C1 (en) | Video spectrometer for express-control of light-reflecting objects | |
| KR20200064508A (en) | Apparatus for analyzing amount of food intake and the method thereof | |
| RU2750292C1 (en) | Portable video spectrometer | |
| CN105954205B (en) | Green plum pol based on light spectrum image-forming and acidity Rapid non-destructive testing device | |
| RU2750294C1 (en) | Video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media | |
| US10900836B2 (en) | Reflectometer, electronic device and method | |
| CN109060802B (en) | Paper-based chromatographic sensor quantitative analysis system and analysis method based on mobile phone | |
| KR102103167B1 (en) | Method for determining quality of object | |
| CN207215690U (en) | A kind of hyperspectral food detecting system | |
| Yang et al. | Enhancement of Fusarium head blight detection in free-falling wheat kernels using a bichromatic pulsed LED design | |
| WO2012131892A1 (en) | Device for quality inspection of blood preparation and method therefor |