Портативный видеоспектрометр

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в быту для экспресс-контроля светоотражающих сред по их спектральным и структурным признакам с использованием средств оптики и автоматизации. Портативный видеоспектрометр для экспресс-контроля светоотражающих объектов содержит светодиоды, которые служат для освещения объекта исследования спектрально-узкополосным излучением, объектив, формирующий изображение объекта на ПЗС-матрице черно-белой видеокамеры, электронные блоки управления и питания, процессор и дисплей. Технический результат – повышение портативности устройства, возможность использования в быту. 6 ил., 1 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к технической физике и может быть использовано в быту для экспресс-контроля светоотражающих сред по их спектральным и структурным признакам с использованием средств оптики и автоматизации.

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».

Предшествующий уровень техники

В настоящее время для определения качества различных объектов широко применяются оптические методы. Из них наибольшей точностью и достоверностью обладают спектральные методы.

Однако классические методы спектрального анализа различных сред являются не оперативными и дорогостоящими, а подготовка проб и сам спектральный анализ трудоемок и длителен. Кроме того, для выполнения анализов необходимы специальные лаборатории, оснащенные дорогими приборами, а также квалифицированные кадры.

В тоже время существует потребность в недорогих устройствах, пригодных для широкого применения неквалифицированными пользователями для экспресс-контроля различных объектов в быту и на производстве.

Особенно важно применение предлагаемого устройства для экспресс-анализа качества пищевых сред и продуктов.

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.].

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.

Органолептическая оценка трудно воспроизводима, и потому 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.

Большинство применяемых в настоящее время инструментальных методов и измерительных средств контроля качества сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов предназначены для использования в лабораторных условиях.

1. Методы, основанные на химических реакциях.

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.

2. Физико-химические методы контроля.

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.

3. Физические методы.

Здесь химические реакции отсутствуют или имеют второстепенное значение. Такие методы основаны на взаимодействии различного вида энергий и силовых полей со средой.

Общим для физических и физико-химических методов контроля является применение специальной аппаратуры для изменения оптических, электрических и других свойств веществ.

Очевидно, что для инструментальных методов контроля полуфабрикатов и готовой продукции необходимы лаборатории, оснащенные дорогостоящей аппаратурой, и квалифицированный персонал.

Ясно, что рассмотренные выше методы непригодны для оперативного и доступного экспресс-контроля пищевых сред.

В то же время существуют спектрозональные и структурозональные методы исследования различных объектов [Михайлов В.Я. Фотография и аэрофотография. Изд. геодезия, и картография, литературы. 1952; Иорданский А.Н. Спектрозональная фотография. Труды ЦНИИ геодезии, аэросъемки и картографии. 1955. Вып. 107], которые успешно применяются при дистанционном зондировании поверхности Земли из космоса [Академия наук СССР и академия наук ГДР. Союз 22 исследует Землю. М.: Наука. 1980].

Эти методы могут быть с успехом использованы для экспресс-контроля в портативном видеоспектрометре.

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).

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.

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.

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).

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-unmoe-ustrojstvo-dlja-opredelenija-sostava-pischi.html].

Это портативное устройство, которое анализирует содержание продукта. TellSpec функционирует на базе спектрометра Рамановского комбинационного рассеяния.

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.

TellSpec объединяет в себе лазерную Рамановскую спектрометрию, нанофотонику 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.

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).

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.

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-scanerl.

SCiO содержит источник света, который облучает образец, и оптический датчик-спектрометр, который собирает отраженный от образца свет.

Спектрометр разделяет свет на составляющие, которые содержат всю информацию, необходимую для обнаружения результата взаимодействия возбуждающего света и молекул в образце.

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.

С помощью прибора SCiO можно оперативно определять точный состав еды, содержание сахара в продуктах питания, что важно для диабетиков, и т.д.

SCiO может также сканировать лекарства. Он сможет определить, какое лекарство является подделкой. Прибор способен сканировать кожу и биологические жидкости.

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).

Известен смартфон Changhong Н2 (Китай).

Это потребительский смартфон, оснащенный молекулярным сканером [http://www.ixbt.com/news/2017/01/05/changhong-h2--pervyi-v-mire-potrebitelskii-smartfon-osnashjonnyj-molekuljamym-skanerom.htmll.

Смартфон получил технологию молекулярной идентификации SCiO, разработанную компанией Consumer Physics, которая описана в https://tech-bit.ru/scio-scaner].

Датчик в смартфоне способен оперативно определять химический состав материала, находящегося перед ним.

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.

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.

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).

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.pdf].

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 ~220 В, 50 Гц и потребляет 80 Вт. Очевидно, что транспортировка и подключение такого прибора к сети могут создать определенные трудности.

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.

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/.

Используя большое количество взаимозаменяемых приставок, пользователь может переконфигурировать приборы под решение различных задач.

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.

Таким образом, люминесцентная спектрометрия, при современном состоянии техники, может быть использована только в стационарных условиях.

Для экспресс-анализа продуктов питания рассмотренная аппаратура не подходит.

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).

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 аправлении, перпендикулярном плоскости рабочего поля.

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/].

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).

Известен прибор, разработанный фирмой «The Mullard 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].

Прибор используется при работе в полевых условиях для проведения оперативных исследований и не требует специального обучения пользователя.

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).

Известен оптический микроскоп, предназначенный для исследования минералогического состава образцов вещества Фобоса, спутника Марса, 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.).

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.

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.

Формируемое оптическое изображение запоминалось матричным фотоприемником как черно-белое. Последовательное освещение анализируемого образца грунта светодиодами с разной длиной волны создавало набор изображений. Это позволяло получать набор оценок оптических спектральных характеристик микрочастиц компонентного состава грунта, которые характеризовали их спектральные оптические свойства, определяемые природой минералогического состава.

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.

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.

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.

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).

Прототип

Наиболее близким к предлагаемому портативному видеоспектрометру по технической сущности и достигаемому результату является устройство для получения спектрально-текстурных портретов светоотражающих 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 аналитическом виде для оперативного и достоверного контроля этих объектов (Патент РФ №2728495 C1. Кл. G01N 21/27 «Видеоспектрометр для экспресс-контроля светоотражающих объектов»).

В прототипе 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 установки светоотражающих объектов, отсек для установки оптического анализатора, вариообъектив для формирования изображения объекта на ПЗС-матрице, черно/белая видеокамера с ПЗС-матрицей, процессор для ввода видеосигнала в ЭВМ, который также управляет видеокамерой, током питания светодиодов и вариообъективом, персональная ЭВМ, программное обеспечение для анализа получаемых данных, а также база данных, содержащая библиотеку данных эталонных объектов для сравнения с получаемыми результатами.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно не является быстродействующим. Образцы для анализа необходимо подготавливать, например, нарезать на куски определенной толщины и размера, или насыпать в чашки Петри. Кроме того, это устройство не является портативным.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание портативного устройства для экспресс-контроля различных сред, в том числе продуктов питания.

Цель изобретения - создание простого, доступного и оперативного устройства для экспресс-контроля светоотражающих сред по их спектральным и текстурным признакам с учетом масштаба, который может быть использован неквалифицированным пользователем.

Технический результат заключается в том, что предлагаемое устройство является портативным и может быть широко использовано в быту.

Социальный результат состоит в том, что применение предлагаемого устройства позволит широко контролировать качество продуктов питания. При этом следует ожидать существенного снижения количества заболеваний, обусловленных потреблением фальсифицированных продуктов.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с помощью телевизионной черно-белой ПЗС-камеры путем видеосъемки различных сред получают их многократные изображения, по которым формируют спектрально-текстурные двумерные матрицы уровней видеосигналов.

Уровни видеосигналов зависят от спектральных коэффициентов отражения от исследуемых объектов световых потоков, излучаемых люминесцентными светодиодами в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Полученная информация используется для оценки сходства объекта с эталоном.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является портативный видеоспектрометр для получения спектрально-текстурных портретов различных сред в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра электромагнитного излучения в отраженном свете с целью последующего сравнения полученных данных с заранее известными данными эталонов методами математической статистики и представления результатов обработки в наглядном графическом или аналитическом виде для оперативного и достоверного контроля этих сред.

В предлагаемом устройстве содержатся следующие основные элементы: корпус, в котором расположены несколько групп люминесцентных светодиодов, излучающих в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра, прижимное стекло, пропускающее УФ-излучение, анализатор в виде поляризационного светофильтра, вариообъектив, формирующий изображение на черно-белой ПЗС-матрице видеокамеры, сама видеокамера, процессор для обработки видеосигналов, управления видеокамерой, управления током питания светодиодов и вариообъективом, дисплей для отображения результатов, программное обеспечение и базу данных, которая содержит библиотеку данных эталонов, причем новизной обладает не только введение и размещение новых элементов, но также новое оптическое и информационное согласование всех элементов устройства между собой.

Указанные признаки необходимы для достижения поставленной цели, реализации заявленного устройства, достижения оперативности и надежности работы устройства и достоверности контроля исследуемых объектов.

Краткое описание чертежей

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:

на Фиг. 1 показана блок-схема портативного видеоспектрометра, где указаны: 1 - корпус, 2 - прижимное стекло, 3 - экран, 4 - вариообъектив, 5 - узел управления объективом, 6 - анализатор, 7 - светодиоды, 8 - видеокамера, 9 - ч/б ПЗС-матрица, а также: Блок управления видеокамерой, вариообъективом и светодиодами; Процессор; Дисплей; Программное обеспечение; База данных.

на Фиг. 2 показаны спектры излучения люминесцентных светодиодов: 1 - синяя группа (В), 2 - зеленая группа (G), 3 - красная группа (R), 4 - инфракрасная группа (IR).

на Фиг. 3 приведена лепестковая диаграмма сравнения образца и эталона по спектральному признаку.

на Фиг. 4 показана гистограмма сравнения образца и эталона по спектральному признаку.

на Фиг. 5 показаны гистограммы распределения яркости элементов (пикселов) изображений соевой муки двух разных производителей в зеленом спектральном диапазоне в обычном свете.

на Фиг. 6 показаны гистограммы распределения яркости элементов (пикселов) изображений соевой муки двух разных производителей в поляризованном свете (меридианальная поляризация)

Подробное описание изобретения.

Предлагаемый портативный видеоспектрометр (Фиг. 1) содержит корпус (1) с прижимным стеклом (2), экран (3), вариообъектив (4), узел управления вариообъективом (5), съемный анализатор (6), четыре группы люминесцентных светодиодов (7), видеокамеру (8), черно-белую ПЗС матрицу (9), блок управления видеокамерой, вариообъективом и светодиодами, процессор, дисплей, программное обеспечение и базу данных.

Экран (3) отделяет отсек оптики видеоспектрометра от отсека электроники. Отсек оптики покрыт изнутри белой матовой краской, обладающей высоким и равномерным коэффициентом отражения в используемом спектральном диапазоне.

Прижимное легкосъемное стекло (2) выполнено из кварца, который способен пропускать ультрафиолетовое излучение.

Вариообъектив (4) создает изображение поверхности объекта на ПЗС-матрице.

В качестве съемного анализатора (6) используется фотографический поляризационный светофильтр.

Четыре группы люминесцентных светодиодов (7) установлены на экране на одинаковых угловых расстояниях по окружности вокруг корпуса видеокамеры (8). Они излучают в узких спектральных диапазонах (Фиг. 2) ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра (В, R, G, IR).

Процессор управляет видеокамерой, вариообъективом и режимом светодиодов, а также обеспечивает отображение результатов обработки измерений на экране дисплея.

Для обработки результатов измерений процессором предусмотрено программное обеспечение и база данных.

Предлагаемый портативный видеоспектрометр работает следующим образом.

При измерениях предметное стекло (2) видеоспектрометра прижимается к поверхности среды, что исключает попадание постороннего света на ПЗС-матрицу (Фиг. 1).

С помощью ч/б видеокамеры (8) получают спектрально-текстурные портреты исследуемых объектов, характеризующиеся различными спектральными коэффициентами отражения световых потоков, излучаемых люминесцентными светодиодами (7) в синем (В), зеленом (G), красном (R) и инфракрасном (IR) спектральных диапазонах. Они представляют собой двумерные матрицы уровней видеосигналов, содержащих информацию о текстуре и цвете объекта, а также о поляризации отраженного от объекта света. Эта информация используется для оценки меры сходства исследуемого объекта с эталоном методами математической статистики.

Калибровка портативного видеоспектрометра.

В начале измерений прикладывают прижимное стекло 2 (Фиг. 1) к калибровочному шаблону и производят калибровку спектрометра. Цель калибровки - получение одинакового размаха видеосигнала во всех используемых спектральных диапазонах без ограничения по уровню белого.

В качестве калибровочного шаблона может быть использован эталон, покрытый белой матовой краской, которая должна иметь одинаковый коэффициент отражения в используемых спектральных диапазонах.

Отсек оптики видеоспектрометра, образованный видеокамерой (8), экраном (3), стенками корпуса (1) и прижимным стеклом (2) образует объем, в котором, при включении светодиодов, формируется диффузное световое поле, которое необходимо для равномерного освещения калибровочного шаблона и, в дальнейшем, объекта исследования.

Регулировка уровней видеосигналов при калибровке может осуществляться изменением токов питания каждой группы светодиодов или настройкой экспозиции видеокамеры.

Калибровка устройства выполняется в автоматическом режиме.

Контроль среды.

При контроле среды прикладывают прижимное стекло видеоспектрометра (Фиг. 1) к ее поверхности, включают последовательно светодиоды и получают поочередно изображения выбранного участка этой среды в различных спектральных диапазонах. Эти изображения несут информацию о цвете и текстуре объекта. Результаты измерений, после соответствующей статистической обработки, сравниваются с параметрами эталонного объекта, которые могут быть получены аналогичным путем, или взяты из базы данных.

Результаты сравнения отображаются на дисплее видеоспектрометра, что позволяет сделать заключение о соответствии измеряемой среды эталону.

Использование вариообъектива позволяет выбрать оптимальный масштаб при съемке объекта исследования и эталона. Затем выбранный масштаб может устанавливаться автоматически при съемке аналогичных объектов.

Подробное описание работы портативного видеоспектрометра

Калибровка портативного видеоспектрометра.

При калибровке портативного видеоспектрометра используют калибровочный шаблон, от которого получают одинаковый размах видеосигнала в используемых спектральных диапазонах без ограничения по уровню белого. Для этого регулируют токи светодиодов или экспозицию ТВ-камеры.

Затем оценивают инструментальную погрешность устройства.

Для этого производят серию измерений калибровочного шаблона в выбранных 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:

где 0 - означает принадлежность результатов измерений к калибровочному шаблону,

Ψ - означает принадлежность к измерениям в выбранном спектральном диапазоне,

- измеренное значение j-го элемента i-ой строки матрицы в выбранном спектральном диапазоне Ψ.

Используя эти данные, находят среднее дисперсию и стандартное отклонение среднего в каждом спектральном диапазоне по известным формулам математической статистики:

Затем рассчитывают относительную погрешность измерений для каждого спектрального диапазона:

Если для любого спектрального диапазона относительная погрешность меньше 1%, делают вывод о возможности проведения измерений.

Калибровка устройства, оценка его инструментальной погрешности и регулировка выполняются автоматически.

Сравнение спектральных портретов эталона и образца.

Проводят измерения эталонного объекта (а) в спектральных диапазонах В, G, R и IR. При этом в каждом диапазоне получают не менее 9 изображений. В результате создаются двумерные матрицы измеренных значений сигнала от эталонного объекта, которые имеют вид:

По формулам (2) и (3), используя полученные матрицы, находят среднее, дисперсию, стандартное отклонение среднего и относительную погрешность в синем (В), зеленом (G), красном (R) и инфракрасном (IR) диапазонах.

Поскольку среднее представляет собою спектральный коэффициент отражения одного и того же произвольно выбранного участка образца в выбранном спектральном диапазоне, заменяем в формулах на принятое в светотехнике обозначение

где - спектральный коэффициент отражения эталонного объекта в выбранном спектральном диапазоне.

Результаты измерений эталонного объекта заносят в базу данных устройства для дальнейшего использования по мере необходимости.

Производят измерения исследуемого образца (β) и выполняют обработку данных аналогично обработке результатов измерения эталона.

В итоге получают результаты измерений образца (β) в каждом спектральном диапазоне в следующем виде:

где - спектральный коэффициент отражения исследуемого образца в выбранном спектральном диапазоне.

Далее выполняют сравнение данных. Из выражений (5) и (6) определяют максимальное значение K_max и нормируют по нему все остальные значения. Полученные нормированные значения являются относительными спектральными коэффициентами отражения исследуемого образца и эталона:

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:

где W - выбранный спектральный диапазон.

Находят суммарную погрешность нормированных значений измерений эталона и исследуемого образца в каждом спектральном диапазоне, используя выражения (5) и (6):

Определяют значимость различий между результатами измерений эталона и исследуемого образца в каждом спектральном диапазоне:

Далее представляют результаты сравнения данных образца и эталона в графическом виде.

Если различие значимое, то для диаграмм берут соответствующие оценки из выражений (7) и (8):

- для эталона (α):

- для образца (β):

Если различие не значимое, то для диаграмм берут оценки, соответствующие измерениям эталона.

Образец получаемых лепестковых диаграмм представлен на Фиг. 3.

Для более наглядного представления результатов измерений строят гистограмму, образец которой показан на Фиг. 4.

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:

Вычисляют разности площадей диаграмм эталона (α) и образца (β):

)

Определяют меру сходства (М) образца и эталона по формуле (12):

В случае не значимого различия, в формуле (14) используют оценки, соответствующие измерениям эталона. Очевидно, что при этом М=1.

Результаты аналитического сравнения могут быть выведены на дисплей, например, в виде таблицы 1:

или в виде меры сходства М. Для выбранных образца и эталона соевой муки мера сходства составляет:

где: и - нормированные значения спектральных коэффициентов отражения эталона (α) и образца (β), взятые из таблицы 1,

Ψ - спектральный диапазон.

Дополнительная информация, в случае оптически активной среды, может быть получена путем измерения относительных спектральных коэффициентов пропускания объекта и эталона по спектральному признаку при введении в оптический тракт анализатора и проведения вышеописанных измерений в линейно поляризованном свете.

Сравнение структурозональных портретов эталона и образца.

Получение структурозонального портрета эталона.

Для получения структурозонального портрета эталонной среды (α) выполняют съемку в спектральных диапазонах В, G, R и IR. При этом в каждом диапазоне получают не менее 9 кадров. В результате создаются двумерные матрицы значений вдеосигнала от эталонной среды, которые имеют вид:

где α - индекс выбранной эталонной среды,

Ψ - выбранный спектральный диапазон,

- измеренное значение j-го элемента (пиксела) i-ой строки матрицы в спектральном диапазоне Ψ.

Далее усредняют значения элементов матриц в каждом спектральном диапазоне. Для этого в каждом спектральном диапазоне суммируют полученные матрицы, делят каждую сумму на число матриц и получают усредненные матрицы эталона, состоящие из усредненных элементов

где Ψ - спектральный диапазон,

N - число измерений.

- усредненное значение j-го элемента (пиксела) i-ой строки матрицы в спектральном диапазоне Ψ,

- усредненная матрица эталона в спектральном диапазоне Ψ.

Получение структурозонального портрета образца.

Для получения структурозонального портрета контролируемого образца (β) выполняют ранее описанные измерения в спектральных диапазонах В, G, R и IR. При этом в каждом диапазоне проводят не менее 9 измерений. В результате получают двумерные матрицы измеренных значений сигнала от образца, которые имеют вид:

где β - индекс контролируемого образца,

Ψ - спектральный диапазон,

- измеренное значение j-го элемента i-ой строки матрицы в спектральном диапазоне Ψ.

Затем усредняют значения элементов матриц (в каждом спектральном диапазоне), для чего суммируют значения элементов измеренных матриц, делят полученные суммы на число измерений и получают в каждом спектральном диапазоне усредненную матрицу исследуемого образца:

где Ψ - спектральный диапазон,

N - число измерений.

- усредненное значение j-го элемента (пиксела) i-ой строки матрицы в спектральном диапазоне Ψ,

- усредненная матрица в спектральном диапазоне Ψ.

Сравнивают структурозональные портреты эталона и образца. Для этого используют усредненные матрицы

Находят элемент в этих матрицах с максимальным значением и нормируют по нему все уровни пикселов образца и эталона:

где - нормированные усредненные матрицы эталона и образца.

Далее строят гистограммы распределения равнозначных нормированных пикселов матриц эталона и образца среди матриц (в выбранном спектральном диапазоне ψ).

При этом, с целью сравнения результатов измерений различных сред, выполняют нормировку числа равнозначных элементов матрицы по максимальному числу элементов, составляющих матрицу.

Пример такого построения показан на Фиг. 6, где выполнено сравнение текстур соевой муки двух разных производителей при съемке в зеленом (G) спектральном диапазоне. Здесь по оси абсцисс отложены значения числа равнозначных пикселов матрицы эталона (образца), нормированные по максимальному числу пикселов в матрице:

где η - относительное число равнозначных пикселов в матрице,

- равнозначные пикселы,

N - количество пикселов в матрице.

По оси ординат отложены усредненные значения элементов матриц, нормированные по максимальному значению элемента, выбранного из этих двух матриц. Для эталона и образца можно записать:

где ξ - нормированные усредненные значения элементов эталона и образца,

- усредненное значение элемента,

- максимальное значение среди усредненных элементов матриц эталона и образца.

Затем, в случае необходимости, определяют математическое ожидание и дисперсию этих распределений и выполняют их сравнение. Результаты такого сравнения могут быть представлены в виде графиков, гистограмм или таблиц.

Предлагаемый портативный видеоспектрометр позволяет проводить экспресс-контроль пищевых продуктов, лекарств, биологических и других объектов, как органических, так и неорганических в отраженном неполяризованном или поляризованном свете, исследовать спектры отраженного излучения, исследовать текстуру светоотражающих объектов, выполнять сравнение исследуемых объектов с эталонными объектами, характеристики которых находятся в базе данных, и, после обработки, получать результаты сравнения исследуемых образцов с эталонами в виде, удобном для пользователя.

Портативный видеоспектрометр для экспресс-контроля светоотражающих объектов, содержащий светодиоды, которые служат для освещения объекта исследования спектрально-узкополосным излучением, объектив, формирующий изображение объекта на ПЗС-матрице черно-белой видеокамеры, электронные блоки управления и питания, процессор и дисплей, отличающийся тем, что устройство состоит из корпуса, разделенного экраном на отсеки оптики и электроники, отсек оптики закрыт снаружи прижимным стеклом, которое прозрачно в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра, стенки отсека оптики, образованные корпусом и экраном, покрыты изнутри белой матовой краской, на экране установлены несколько групп люминесцентных светодиодов, излучающих в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра, видеокамера, объектив и оптический анализатор в виде поляризационного светофильтра, отсек электроники содержит процессор, блок управления видеокамерой, объективом и режимом светодиодов, дисплей, программное обеспечение для анализа получаемых данных и базу данных с библиотекой эталонных образцов, объектив выполнен в виде объектива с переменным фокусным расстоянием, процессор выполнен с возможностью управления видеокамерой, объективом, питанием светодиодов и выводом результатов обработки данных на дисплей.