Видеоспектрометр для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред

Изобретение относится к технической физике. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство введены светотехническая сфера, в которую встроены несколько групп люминесцентных светодиодов, излучающих в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра, линза-коллектив, кювета для размещения жидкой светопропускающей среды, оптический анализатор в виде поляризационного светофильтра, вариообъектив, видеокамера на базе черно/белой ПЗС-матрицы, процессор, который осуществляет ввод видеосигнала в персональную ЭВМ, управляет вариообъективом, видеокамерой и питанием светодиодов, персональная ЭВМ, программное обеспечение для анализа получаемых данных, а также база данных, содержащая библиотеку эталонных образцов. Технический результат – повышение надежности и упрощение конструкции видеоспектрометра для экспресс-контроля светопропускающих сред. 13 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к технической физике и может быть использовано для экспресс-контроля и идентификации различных светопропускающих жидкостей, как органических, так и неорганических, 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».

Видеоспектрометр может быть использован для оценки качества светопропускающих жидких пищевых продуктов (в молочной промышленности, в безалкогольных и винно-водочных производствах и т.п.), для контроля жидких горюче-смазочных материалов (авиационный керосин, бензин, солярка, технические масла и т.д.), для проверки природных и сточных вод, оценки влияния хозяйственной деятельности человека на окружающую среду, в том числе продуктов добычи и переработки нефти.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время для определения качества различных объектов (биологических сред, лекарств, косметики, продуктов питания и т.д.) 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 сложными и дорогими приборами, а также квалифицированные кадры.

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).

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. геодезич. и картографич. 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 жидких светопропускающих сред.

Известно устройство «Фотоэлектрический аппарат сортировки». (Реферат GB 929104. Патент GB929104(A) - Improvements relating to the sorting of translucent objects. 13 апреля 1962)

В этом устройстве для сортировки полупрозрачных объектов, таких как рисовые зерна, которые изменяют поляризацию поляризованного света, проходящего через них, содержит осветитель, освещающий зерна поляризованным светом, светочувствительное устройство, принимающее свет, проходящий через зерна, анализатор поляризации, сортировщик, которым управляет светочувствительное устройство, и средство для уменьшения или устранения изменений на выходе устройства из-за изменений размера объекта.

В этом устройстве используется оптический затвор, образованный скрещенными поляризатором и анализатором. Оно имеет узкую область специализированного применения и не может быть использовано для экспресс-контроля качества жидких сред, в отличие от устройства, предлагаемого в заявке, в котором исследуется не только поляризация светового потока, прошедшего через контролируемую среду, но также спектрально-текстурные опознавательные признаки этой среды.

Известно устройство для определения качества продуктов живой и неживой природы (Патент РФ №2477749, Кл. С12М 1/34, G01N 33/02, C12Q 1/02), 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.

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.

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.

В рассматриваемом устройстве используются обычные светодиоды и тест-объекты (инфузории) для контроля токсичности исследуемых объектов.

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).

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-spectroscopv/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-контроля жидких светопропускающих сред 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 №2

Известны устройства, предназначенные для измерения оптической плотности и прозрачности растворов, а также измерения концентрации веществ в растворах, например колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2МП. [Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2МП. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. http://www.studmed.ru/kolorimetr-fotoelektricheskiy-koncentracionnyy-kfk-2mp-tehnicheskoe-opisanie-i-instrukciya-po-ekspluatacii_964b029f5c8.html].

Колориметр предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности жидких растворов и прозрачных твердых тел, а также измерения концентрации веществ в растворах после предварительного определения потребителем градуировочной характеристики.

Спектральный диапазон работы колориметра от 315 до 980 нм. Весь спектральный диапазон разбит на 11 спектральных интервалов, выделяемых с помощью светофильтров из спектра излучения малогабаритной галогенной лампы КГМН-6,3-15. Приемники излучения: фотоэлемент Ф-26 и фотодиод ФД-24К.

Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении светового потока, прошедшего через известный растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение, и светового потока, прошедшего через исследуемую среду.

Результаты измерений коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации и оптической активности выводятся на цифровое табло.

Недостатком таких устройств является необходимость использования второго (контрольного) раствора, а также применение обычных светофильтров, которые не могут обеспечить узких неперекрывающихся спектральных полос пропускания (Фиг. 1) и, соответственно, требуемой высокой точности измерений.

Кроме того, фотоприемники в этих устройствах интегральные, а не матричные. Они не позволяют определить структурные признаки исследуемых сред (оценку размеров микрочастиц в жидкости).

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).

Известно устройство «Фотоколориметр» (патент РФ №2289799 С1, МПК G01J 3/50. 2006). Изобретение относится к устройствам для спектральных методов исследования и анализа материалов с помощью оптических средств, конкретно к фотоколориметрам для анализа жидких сред. Технический результат заключается в расширении диапазона определяемых элементов за счет использования необходимого количества светодиодов в различных областях, в том числе инфракрасной и ультрафиолетовой, и повышении точности измерений при одновременном уменьшении габаритов, и повышении надежности фотоколориметра за счет размещения всех входящих в фотоколориметр блоков (элементов) в одном корпусе, без снижения чувствительности.

Фотоколориметр содержит размещенные в одном корпусе оптический и измерительный блоки. На лицевой поверхности корпуса фотоколориметра выполнена панель управления и индикации с кнопками многофункционального переключения, цифровым дисплеем. На задней панели корпуса расположен разъем для подключения внешнего источника питания и разъем для подключения фотоколориметра к персональному компьютеру (ПК). Оптический блок содержит источник излучения с переключателем и фотоприемник светового пучка от анализируемой среды, размещаемой в кювете. Измерительный блок содержит операционный усилитель, выход которого подключен к первому входу центрального процессора (ЦП) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), второй вход которого подключен к панели индикации и управления, первый выход ЦП с АЦП соединен со входом переключателя, а второй выход ЦП с АЦП соединен со входом цифрового дисплея, а измерительный блок дополнительно содержит усилитель, в состав которого входит набор из восьми резисторов, и микросхема, управляющая выбором резистора, первый вход усилителя соединен с выходом фотоприемника, второй вход усилителя, являющийся входом его микросхемы, соединен с третьим выходом ЦП с АЦП, а выход усилителя соединен со входом операционного усилителя.

Рассматриваемое устройство в качестве светочувствительного элемента содержит интегральный фотоприемник и поэтому не может быть использовано для реализации «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910) и «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02).

Прототип

Наиболее близким к предлагаемому 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.

Недостатком этого устройства является то, что оно служит для исследований объекта только в отраженном свете. Поэтому в качестве объекта исследования можно использовать только твердые или порошкообразные непрозрачные объекты.

Задачей изобретения является разработка видеоспектрометра для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред с помощью которого можно будет определять в разных спектральных диапазонах меру сходства измеряемой среды с эталонной, распределение по размеру непрозрачных частиц взвеси в среде, а также оптическую активность среды.

Цель изобретения - создание простого, доступного и надежного видеоспектрометра для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред, как органических так и неорганических, по их спектральным и структурным признакам с учетом оптической активности этих сред, который может быть использован как на производстве, так и в быту.

Технический результат заключается в том, что повышается надежность и одновременно упрощается видеоспектрометр для экспресс-контроля светопропускающих сред путем их сравнения с эталоном, с представлением результатов сравнения в виде, удобном для интерпретации пользователем.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с помощью телевизионной черно-белой ПЗС-камеры путем видеосъемки исследуемой среды в различных узкополосных спектральных диапазонах получают ее многократные изображения, по которым формируют двумерные матрицы уровней видеосигналов, которые содержат информацию о спектральном пропускании и структуре примесей в среде.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является видеоспектрометр для контроля жидких сред путем получения спектрозональных портретов этих сред, а также структурозональных портретов примесей, содержащихся в этих средах, в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра электромагнитного излучения в неполяризованном или поляризованном проходящем свете для 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 сред.

В предлагаемом видеоспектрометре содержатся следующие элементы: светотехническая сфера с выходным окном, 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, линза -коллектив, установленная в выходном окне светотехнической сферы, кювета с жидкой светопропускающей средой, оптический анализатор, вариообъектив, создающий изображение участка жидкой среды, находящегося внутри кюветы, на ПЗС-матрице видеокамеры, видеокамера на базе ч/б ПЗС-матрицы, процессор для ввода видеосигнала в ЭВМ, который также управляет видеокамерой и током питания светодиодов, персональная ЭВМ, программное обеспечение для анализа получаемых данных, а также база данных, содержащая библиотеку данных эталонных объектов для сравнения с нею получаемых результатов, причем новизной обладает не только предлагаемый способ обработки данных и введение и размещение новых элементов, но также новое оптическое и информационное согласование всех элементов видеоспектрометра между собой.

Указанные признаки необходимы для достижения поставленных целей, реализации заявленного видеоспектрометра, достижения оперативности и надежности работы устройства и достоверности контроля исследуемых сред.

Краткое описание чертежей

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:

На Фиг. 1 показаны спектральные характеристики светофильтров колориметра КФК-2МП.

На Фиг. 2 приведена блок-схема устройства для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред, где указаны: 1 - светотехническая сфера, 2 - светодиод, 3 - линза, 4 - кювета, 5 - светопропускающая среда, 6 - анализатор, 7 - вариообъектив, 8 - ПЗС-матрица, 9 - видеокамера, 10 - процессор, 11 - ЭВМ, 12 - программное обеспечение, 13 - база данных.

На Фиг. 3 представлены спектры излучения люминесцентных светодиодов, где показаны спектры: 1 - синей группы (В), 2 - зеленой группы (G), 3 - красной группы (R), 4 - инфракрасной группы (IR).

На Фиг. 4 показан пример построения лепестковой диаграммы, причем различие и - незначимое.

На Фиг. 5 показан результат сравнения спектральных коэффициентов пропускания двух сортов красного вина, где а - лепестковая диаграмма, б - гистограмма.

На Фиг. 6 показаны гистограммы нормированного числа равнозначных элементов матриц изображений двух сортов красного вина (1-вино красное «Арбатское», 2-вино красное «Кадарка») в синем спектральном диапазоне.

На Фиг. 7 показаны гистограммы нормированного числа равнозначных элементов матриц изображений двух сортов красного вина (1-вино красное «Арбатское», 2-вино красное «Кадарка») в зеленом спектральном диапазоне.

На Фиг. 8 показаны гистограммы нормированного числа равнозначных элементов матриц изображений двух сортов красного вина (1-вино красное «Арбатское», 2-вино красное «Кадарка») в красном спектральном диапазоне.

На Фиг. 9 показаны гистограммы нормированного числа равнозначных элементов матриц изображений двух сортов красного вина (1-вино красное «Арбатское», 2-вино красное «Кадарка») в инфракрасном спектральном диапазоне.

На Фиг. 10 показано сравнение структур примесей эталона и образца в синем спектральном диапазоне (1 - эталон, 2 -образец).

На Фиг. 11 показано сравнение гистограмм равнозначных элементов матриц изображений вина «Арбатское» в синем спектральном диапазоне без поляризации (а) и при меридианальной поляризации (б).

На Фиг. 12 приведен вид интерфейса с результатами аналитического сравнения образцов и лепестковой диаграммой.

На Фиг. 13 показан вид интерфейса с результатами аналитического сравнения образцов и гистограммой.

Подробное описание изобретения.

С помощью аппаратной части предлагаемого видеоспектрометра (Фиг. 2) получают спектрально-структурные портреты исследуемых сред, характеризующиеся различными спектральными коэффициентами пропускания световых потоков, излучаемых люминесцентными светодиодами (Фиг. 3) в синем (В), зеленом (G), красном (R) и инфракрасном (IR) спектральных диапазонах. Они представляют собой двумерные матрицы уровней видеосигналов. Эта информация используется для оценки сходства исследуемой среды с эталоном методами математической статистики.

Сущность предлагаемого видеоспектрометра поясняется на Фиг. 2, где изображены светотехническая сфера (1), покрытая изнутри белой матовой краской, обладающей высоким и равномерным коэффициентом отражения в перечисленных выше спектральных диапазонах, люминесцентные светодиоды (2), излучающие в узких спектральных диапазонах видимого и инфракрасного спектра, линза-коллектив (3) для формирования направленного светового пучка, кювета (4) со светопропускающей жидкой средой (5), оптический анализатор (6), вариообъектив (7), видеокамера (9) с ПЗС-матрицей (8), процессор (10), управляющий видеокамерой (9), вводом видеосигнала в ЭВМ (11) и питанием светодиодов (2), специальное программное обеспечение (12) для обработки полученных данных и база данных (13), причем объектив (7) проецирует с выбранным увеличением участок плоскости Р, которая расположена внутри кюветы (4), на ПЗС-матрицу (8).

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

Светотехническая сфера (Фиг. 2) формирует на выходе равнояркий световой пучок L, который проходит через исследуемую среду (5), оптический анализатор (6) и попадает на ПЗС-матрицу (8) черно/белой видеокамеры (9). С выхода видеокамеры видеосигнал поступает на вход процессора (10), где преобразовывается в цифровую форму и заносится в память ЭВМ (11).

Перед измерениями выполняют калибровку. Для этого наполняют кювету (4) дистиллированной водой (5), снимают анализатор (6), включают поочередно группы (В), (G), (R) и (IR) светодиодов (Фиг. 3) и регулируют токи питания каждой группы так, чтобы получить во всех спектральных диапазонах на выходе видеокамеры (9) одинаковый максимальный размах видеосигнала без ограничения уровня белого в сигнале.

Вариообъектив (7) может быть отъюстирован так, что его увеличение У=1. Тогда объектив переносит изображение объекта (участок плоскости Р) на матрицу (8) без увеличения. При этом разрешение «на объекте» будет соответствовать разрешающей способности ПЗС-матрицы видеокамеры. Обычный размер пиксела ПЗС-матрицы составляет ≈ 5×5 мкм. Очевидно, что при этом видеокамера сможет различить частицу примеси в жидкой среде размером 5 мкм и более.

Заливают в кювету (4) исследуемую светопропускающую среду (5) и поочередно получают портреты участка этой среды в различных спектральных диапазонах с выбранным увеличением. Эти портреты несут информацию о цвете и структуре среды. Полученные данные, после соответствующей статистической обработки, сравнивают с параметрами эталонной среды, которые могут быть получены путем аналогичных измерений, или взяты из базы данных.

Результаты сравнения могут быть выведены на экран монитора и на принтер в графическом или аналитическом виде (Фиг. 12, 13). Анализ позволяет сделать заключение о соответствии объекта исследования эталону.

Дополнительные данные могут быть получены при определении оптической активности светопропускающих сред. Известно, что некоторые жидкие среды поляризуют световой пучок, т.е. обладают оптической активностью. Для таких исследований в держатель видеоспектрометра помещают оптический анализатор (6), например поляризационный светофильтр ПФ-32, и проводят измерения при ортогональных положениях анализатора.

Результаты исследования образца в обычном свете показаны на Фиг. 6…9. Сравнение структуры примесей эталона и образца в синем спектральном диапазоне приведено на Фиг. 10. Гистограммы элементов изображений в обычном и поляризованном свете представлены на Фиг. 11.

Подробное описание работы предлагаемого видеоспектрометра. Оценивают инструментальную погрешность видеоспектрометра.

Инструментальную погрешность видеоспектрометра поверяют перед рабочими измерениями. Для оценки инструментальной погрешности видеоспектрометра выполняют серию измерений с пустой кюветой (4) без оптического анализатора (6) в четырех спектральных диапазонах (В, G, R и IR).

Включают поочередно (В), (G), (R) и (IR) группы светодиодов и регулируют токи питания каждой группы так, чтобы получить во всех спектральных диапазонах одинаковый максимальный размах видеосигнала без ограничения уровня белого в сигнале.

При этом в каждой серии измерений получают N изображений (не менее 9) в каждом спектральном диапазоне и выполняют их оцифровку. В результате получают N двумерных поверочных матриц измеренных значений сигнала, которые имеют вид:

где 0 - означает измерение с дистиллированной и без анализатора,

Ψ - выбранный спектральный диапазон,

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

Для каждой матрицы чисел в выбранном спектральном диапазоне Ψ выполняют операцию усреднения:

где - среднее значение матрицы в спектральном диапазоне Ψ,

n - число элементов в ТВ-кадре,

m - число строк в ТВ-кадре. Обычно при измерениях n=m.

Используя полученные данные, находят среднее , дисперсию и стандартное отклонение среднего по известным формулам математической статистики для каждого спектрального диапазона:

Затем рассчитывают относительную погрешность измерений для каждого спектрального диапазона:

Если для любого спектрального диапазона относительная погрешность меньше 1%, делают вывод о возможности проведения измерений. В противном случае производят регулировку устройства.

Сравнивают спектрозональные портреты образца и эталона.

Проводят без анализатора съемку эталонной среды (а) в спектральных диапазонах В, G, R и IR. При этом в каждом диапазоне получают N двумерных матрицы измеренных значений сигнала от эталонной среды, которые имеют вид:

Используя эти матрицы, находят среднее , дисперсию стандартное отклонение среднего и относительную погрешность измерений эталона (а) в синем (В), зеленом (G), красном (R) и инфракрасном (IR) диапазонах, применяя формулы (2), (3) и (4). В результате получают:

Поскольку среднее представляет собою спектральный коэффициент пропускания одного и того же участка среды в четырех спектральных диапазонах, заменяем в формулах (2) на принятое в светотехнике обозначение :

где - спектральный коэффициент пропускания эталонной среды,

- относительная погрешность измерений эталона.

Очевидно, что значения могут быть взяты также из базы данных, если эти измерения заранее были выполнены.

Проводят измерения (без анализатора) 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 пропускания исследуемого образца в выбранном спектральном диапазоне, и

- относительная погрешность измерений образца.

Выполняют сравнение данных. В выражениях (8) и (9) находят максимальное значение K_max и нормируют по нему все остальные значения. Полученные нормированные значения являются относительными спектральными коэффициентами пропускания эталона и исследуемого образца:

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 Ψ - выбранный спектральный диапазон.

Находят суммарную погрешность нормированных значений измерений эталона и исследуемого образца в каждом спектральном диапазоне, используя выражения (7) и (10):

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

Представляют результаты сравнения данных образца и эталона в графическом и цифровом видах.

После определения значимости различий можно построить лепестковые диаграммы, которые наглядно показывают отличие исследуемого образца от эталона.

Если различие значимое, то для диаграмм берут соответствующие оценки из выражений (11) и (12):

- для эталона (α):

- для образца (β):

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

Пример построения лепестковой диаграммы показан на Фиг. 4.

Для более наглядного представления результатов измерений можно, наряду с лепестковой диаграммой, построить гистограмму. Образец такого построения показан на Фиг. 5.

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 (18) используют оценки, соответствующие измерениям эталона. Очевидно, что при этом М=1.

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.

Структурозональный портрет

Структурозональный портрет светопропускающей среды позволяет сравнивать образцы с эталонами по оценке количества взвеси. Кроме того, такой портрет дает оценку мутности среды.

Для получения структурозонального портрета эталонной среды (а) 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 пикселов матриц в каждом спектральном диапазоне. Для этого суммируют матрицы (по диапазонам), делят затем полученную сумму на число матриц в каждом диапазоне и получают усредненные матрицы эталона, состоящие из усредненных значений пикселов :

где Ψ - выбранный 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.

Далее находят в усредненной матрице в каждом спектральном диапазоне пиксел с максимальным значением и нормируют по нему все значения пикселов в данной матрице. При этом получают в каждом спектральном диапазоне нормированную усредненную матрицу , содержащую нормированные усредненные пикселы :

где - матрица нормированных усредненных значений пикселов в спектральном диапазоне Ψ,

- усредненная матрица эталона в спектральном диапазоне Ψ,

- пиксел усредненной матрицы с максимальным значением,

- нормированное усредненное значение пиксела усредненной матрицы.

Далее подсчитывают число равнозначных нормированных усредненных пикселов нормированной усредненной матрицы .

Затем строят гистограмму распределения равнозначных нормированных пикселов среди пикселов всей матрицы (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.

В результате получают гистограмму:

где - число равнозначных пикселов матрицы ,

- относительное число равнозначных пикселов матрицы ,

причем ,

где - множество пикселов матрицы ,

- подмножество равнозначных пикселов матрицы ,

n_max - максимальное число пикселов матрицы .

Гистограммы распределения равнозначных нормированных пикселов в спектрозональных портретах двух сортов красного вина, рассматриваемых в качестве эталонов, показаны на Фиг. 6-9 (в неполяризованном свете).

Для получения структурозонального портрета образца (β) выполняют 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 образца,

Ψ - выбранный спектральный диапазон,

- измеренное значение j-го элемента i-ой строки матрицы М 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 усредненную матрицу структурозонального образа исследуемого образца:

где Ψ - выбранный спектральный диапазон,

N - число измерений.

Усредненные пикселы матрицы обозначают как .

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

Находят пиксел в этих матрицах с максимальным значением и нормируют по нему все остальные значения пикселов матриц эталона и образца:

где и - нормированные усредненные матрицы эталона и образца.

Далее строят, как рассмотрено выше, гистограммы распределения равнозначных нормированных пикселов этих матриц. Пример такой гистограммы показан на Фиг. 10.

Исследование оптической активности жидких сред.

Для измерения оптической активности жидких сред используют анализатор в виде поляризационного фильтра. Выполняют измерения при ортогональных положениях плоскости поляризации анализатора. Затем строят выполняют измерения и строят гистограммы.

Сравнительные гистограммы равнозначных элементов матриц изображений вина «Арбатское» в синем спектральном диапазоне без поляризации (а) и при меридиональной поляризации (б) показаны на Фиг. 11.

Анализ гистограмм показывает, что данная среда не обладает оптической активностью. Действительно, распределение элементов в гистограммах не изменилось, а смещение гистограммы (б) влево вызвано уменьшением светового потока после прохождения анализатора практически в 2 раза.

Для обработки результатов измерений и представления их на экране монитора ЭВМ было разработано программное обеспечение, интерфейс которого показан на Фиг. 12 и 13.

Предлагаемое техническое решение позволяет проводить экспресс-контроль светопропускающих сред (пищевых продуктов, лекарств, биологических и других объектов, как органических, так и неорганических) в неполяризованном или поляризованном свете, сравнивать спектры прошедшего через среду излучения, исследовать структуру светопропускающих сред, выполнять сравнение исследуемых сред с эталонными, характеристики которых находятся в базе данных ЭВМ, и, после обработки на ЭВМ, получать результаты исследования этих сред в виде, удобном для пользователя.

Видеоспектрометр для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред, содержащий среду исследования, светодиоды, которые служат для просвечивания среды исследования спектрально-узкополосным излучением, объектив, формирующий изображение среды на ПЗС-матрице черно-белой видеокамеры, электронный блок управления (процессор) и ЭВМ, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит установленные последовательно на оптической оси светотехническую сферу, в которую встроены несколько групп люминесцентных светодиодов, излучающих в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра, линза-коллектив, встроенная в выходное окно светотехнической сферы, держатель кюветы и саму кювету с исследуемой жидкой средой, держатель оптического анализатора и сам анализатор в виде поляризационного светофильтра, объектив, который переносит изображение выбранного участка плоскости, расположенной внутри кюветы с жидкой средой, на ПЗС-матрицу видеокамеры с выбранным увеличением, программное обеспечение для анализа получаемых данных, а также базу данных с библиотекой эталонных образцов, объектив выполнен в виде объектива с переменным фокусным расстоянием, процессор выполнен с возможностью управления видеокамерой, вводом информации в персональную ЭВМ, объективом и питанием светодиодов.