專利名稱:用于精確測量引起顏色變化的參數的色度量化系統的制作方法
本發明涉及一種色度量化系統，它能夠通過色度調制器，單值地、高精度地檢測待測的物理的和化學的參數。
色度調制器是一種按傳感器原理檢測光譜變化的傳感器。它們不同于編碼波長傳感器;在編碼波長傳感器中，檢測大部分光譜或整個光譜，而不是簡單地檢測特殊的波長。
雖然可以列出幾種色度調制器，但是目前只有兩種在技術上是可行的。第一種是基于英國專利申請號8522202和8528982的色度調制器，它使調制元件，例如濾光器，在光束中機械移動，使光束的光譜含量根據這種移動而變化(見我們的待批準的專利申請第 號)。第二種是通過化學反應的開始和進展來產生調制。然而，毫無疑問，在不久的將來其他類型的色度調制器將成為在技術上是可行的，而且下文所述的這個色度量化系統將同樣可用于這些色度調制器。
利用色度調制來測量位移的最簡單的方法是在兩個不同的波長(
1，
2)上監視強度變化，并且把這些強度的比值與位置聯系起來。為更充分敘述后者的技術，參考上述我們的待批準的申請第號。附圖1A和1B中重新說明了這項技術。通過把一個調制元件，例如一片濾色片插入多色光束(即，寬頻帶電磁輻射波束，它可以包含可見的和/或不可見的電磁輻射)中，以對應一個待測的位移來改變多色光束。圖1A中表示對于濾光片的兩個不同的位移，透射光的強度(Ⅰ)對光的波長
的關系曲線。在濾色片的許多不同的位移下測量兩種波長的光的強度，從測量結果中可以構成圖1B的校準曲線，它對應兩個波長
1
2的輻射強度的比值隨濾色片位移的變化。在做完強度的定標之后，為了計算濾色片的位移(并因此計算了待測的位移)，只要測量兩個不同波長的發射光線的強度通過計算它們的比值，并且把這比值與圖1B的校準曲線比較，得到上述的位移。
雖然后者的技術是完整的，并具有一些吸引人的特點，但是它也有一些實際的缺點。例如，為了光譜的分辨率，信號檢測需要采用復雜的光學系統，而且只有極少量的可用信息被利用。此外，對于多參數監視，待測波長的數目按比例增加，因此導致硬件和軟件越來越復雜。由于捕捉光譜必需的周期受限，時間分辨率也受到限制。
在上述其他可能的色度調制技術中，化學反應中反映化學反應進程的顏色的變化，需要一種適當的測量顏色的方法，而不是僅僅測量給定的特殊波長下強度的變化。例如，對于化學分解的監視或pH計(酸堿計)，這種測量常常是必需的。直到現在，還沒有一種令人滿意的、達到這種精度的測量顏色的方法。
本發明的基本目的是提供一種測量真正的顏色變化的方法，它不同于在有限個數的特殊波長下測量強度的變化。
為了幫助理解本發明的概念，回顧一下關于顏色測量的一般概念和原理是有益的。
圖2表示普通的三維色空間圖，其中徑向表示色飽和度，圓周方向表示色度，軸向表示亮度。本發明原則上涉及色度和色飽和度的測量;可以用光譜的功率分布(P
)近似地描述色度和色飽和度。
一般用色度圖來達到定量確定顏色，被普遍接受的色度圖是復制于圖3中的所謂C.I.E.圖(CIE-國際照明委員會)。在這個圖中，純光譜顏色落在由如下定義的色度坐標所確定的X-Y空間中的馬蹄形封閉曲線中;由這個邊界中的位置決定特殊波長占優勢或者不同的色飽和度。白色對應具有坐標(0.33，0.33)的點。這樣，利用這張圖，用二維空間的單個點可以標記任何特殊的顏色。
如同下述那樣定義色度坐標x＝ (X)/((X+Y+Z)) 方程(1)y＝ (Y)/((X+Y+Z)) 方程(2)其中X＝SλP(λ)
X(λ)dλY＝SλP(λ)
y(λ)dλZ＝SλP(λ)
Z(λ)dλP(
)＝光譜功率分布中在波長
處的功率;
X(
)，
y(
)，
Z(
)是色匹配函數，即，對應三個不同接收器的獨立響應的三個不同的波長函數。
現在參考附圖4，它表示三個接收器的典型的、所需要的響應特性，它們構成函數
X(
)，
y(
)和
Z(
)。注意每種色匹配函數的相關重疊。為進行微處理機輔助分析，可以把這些色匹配函數以數字形式存貯起來;為提供這種匹配函數，已經建立相應顏色的數字庫。
這樣，用于標記任何“混合”顏色的色度的一般方法，需要用三個具有圖4的響應特性的接收器對那種顏色取樣，然后利用結果值
X(
)，
y(
)和
Z(
)計算色度圖上對應那種顏色的X和Y的值。
附圖5表示如何在色度圖上描述顏色變化。圖5中左邊三條曲線(圖5a，5b，5c)表示接收器z(上面)，接收器y(中間)和接收器x(下面)對第一種顏色的響應;而右邊的曲線(圖5d，5e和5f)表示這三個接收器對第二種顏色的響應。第一種顏色具有一種光強對波長的特性曲線，在圖5a、5b、5c中用實線表示。在每幅圖中用虛線表示響應曲線
Z(
)，
y(
)和
X(
)。由圖5a中實線和虛線的重疊區域給出Z值(z＝∫λp(
)
Z(
)d(
))。同樣，由圖5b和5c中實線和虛線的重疊區域給出Y值(y＝∫λp(
)
y(
)d
)和X值(x＝∫λp(
)
X(
)d
)。然后，可以利用方程(1)和(2)計算x和y的值，以便得出圖5g的色度圖中的A點。
在圖5d，5e，5f中，用實線表示第二種顏色的光強對波長的特性曲線，并且用虛線表示響應曲線
Z(
)，
y(
)和
X(
)。可以再次利用方程(1)和(2)計算x和y的相應的值，以便在圖5g的色度圖上標記出點B。
通過增加或減少光譜的某些部分的功率的方法來改變顏色，這樣，導致顏色在色度圖上沿直線A-B變化。如果兩個元件適當移動的結果導致這種顏色的變化，例如，象在我們的待批準的申請第 號中所述那樣，在白色光束中引入濾色片，那末，可以把沿直線A-B的顏色變化同所述相對位移相聯系，由此可以提供一種測量方法。
也可以利用上述技術完成對應兩個不同參數的兩種位移的測量，如附圖6中所說明的。在這個方案中，用白色光源表示零位移，用“綠寶石”和“紅寶石”表示用于監視第一和第二參數的第一種和第二種獨立的位移極值。如果“綠寶石”位移是零，那末，“紅寶石”位移就與參數2的實際情況是一個簡單的、線性關系。然而，如果參數1和2都是非零值，那末，所得到的顏色可能是A(坐標xA，yA);從這點出發，用所存貯的校準數據，可以單值地確定參數1和2的值。
例如，這樣的系統可以用在位移傳感器中，通過使“白色-綠寶石”參數對溫度敏感，來提供自動溫度補償。
上述技術也可用于具有多個色源的系統中。如附圖7中所示，第四個色源(例如蘭色)的引入，增加了新的色移區域，從而產生用同樣的測量系統同時檢測更多參數的可能性。然而，A點不再單值地被決定，因為，例如可以通過使用蘭色或不使用蘭色的方法來決定A點。
為克服這種非單值性，必須與只用兩個參數(x，y)的通常的色視覺表示法不同，把參數z也包括進去。這將使關于A的非單值性得到解決。
以上的討論概述了一種理論，根據這種理論可以進行“顏色”的確定，并建立相應的數字表示法。問題是，用于實現這種理論的實際的現有系統，或者昂貴和麻煩，或者對于同時檢測光強和頻譜含量變化，以提供一種單值的和精確的參數測量是不能滿足的。
圖8中用圖解法說明一種已知系統，它具有一個包含旋轉光柵12和檢測器14的光譜分析部分10。這是一個在我們的待批準的申請第8522202中所涉及的系統，它需要計算比值 (Iλ1)/(Iλ2) ，其中，Iλ1和Iλ2是在預先選擇的波長
1和
2處測得的光強。這個系統的時間分辨率相對地是低的(～10毫秒)。它至少需要700英磅，外加用于進行計算所必需的微處理機的費用。為處理多種信號，必須在至少第三個波長
3進行更多的測量。
附圖9中用圖解法說明了另一種已知的系統。這個系統使用了一個棱鏡16和一個電荷耦合器件18，以及一個和圖8中的系統相似的計算裝置。這個系統能夠比圖8的系統較快地運行(～0.3毫秒)，但是仍然是昂貴的，而且需要麻煩的光學系統。如果要處理更多的信號通道，也需要在附加的波長上進行測量。
本發明的目的是提供一種用于定量地、單值地識別入射光顏色的系統，這種識別與入射光的光強及光譜含量的變化無關，并具有足夠的用于精確參數監視的精度。
本發明的第一部分提供一種用于識別入射光的顏色的色度檢測系統，它包括至少兩個分立的色檢測器;這些色檢測器具有各自的響應特性，使得檢測器的輸出信號X，Y，……分別相當于X＝∫P(
)
X(
)d
，Y＝∫P(
)
y(
)d
，……，其中P(
)是在波長
的光譜功率分布，而
X(
)，
y(
)，……，是對應于檢測器各自響應特性的色匹配函數。這個色度檢測系統還具有用于X，Y，……的模擬變換的裝置，它使色度圖中的X和Y的值能夠對應待計算的入射光的顏色。
本發明的第二部分提供一種用于識別入射光顏色的色度檢測系統，它具有三個分立的色檢測器;這些色檢測器具有各自響應特性，使得檢測器的輸出信號分別相當于X＝∫P(
)
X(
)d(
)，Y＝P(
)
y(
)d
和Z＝P(
)
Z(
)d
;從而，通過對后者信號簡單的模擬變換，可以計算出色度圖中x和y的值。
這三個檢測器最好含有各自的濾色片，這些濾色片的響應特性分別對應附圖4中的曲線
X(
)，
y(
)和
Z(
)。
這些濾色片可以同時自動地將入射光向檢測器會聚，這一點是有益的。
在下文中，僅用舉例的方法進一步敘述本發明。參考附圖，其中圖1a表示光強對波長的曲線，用于說明在我們的上述待批準的申請第 號中更詳細地敘述的一種檢測原理;
圖1b是兩種光強的比值對從圖1a曲線得出的位移的曲線;
圖2是一般的三維色空間圖;
圖3是一般的C.I.E.色度圖;
圖4表示三個具有響應
X(
)，
y(
)和
Z(
)的檢測器的響應曲線;
圖5表示在色度圖上如何表示顏色的變化;
圖6表示如何能夠在色度圖中表示兩種不同顏色的變化;
圖7表示多個色源情況下的色度圖;
圖8說明一種用于測量色調制的系統;
圖9說明另一種用于測量色調制的系統;
圖10用圖解法說明根據本發明的色檢測器的一種可能實施例;
圖11是色度圖的一種進一步、簡化的表示法;
圖12用圖解法說明根據本發明的色檢測器的第二種可能的實施例;
圖13和圖14用于說明圖12的第二種實施例的工作。
現在參考圖10，它表示根據本發明的色檢測器的一種可能的實施例，光線經由光學纖維20到達檢測器;作為例子，此光線來自我們的上述待批準的申請中敘述和說明的一種光調制器。來自光學纖維20的入射光加到三個彩色球體21，22，23上;每個球體位于各自的光檢測器24，25，26(例如光敏二極管)的前面。每個彩色球體21，22，23具有不同的色傳輸特性，這些傳輸特性和檢測器24，25，26的響應相結合，用于提供三種結果色匹配函數;和上述定義的一樣，X，Y和Z分別等于X＝∫P(
)
X(
)d
Y＝∫P(
)
y(
)d
Z＝∫P(
)
Z(
)d
把信號值X，Y和Z加進一個模擬代數元件27，再傳到另外的模擬代數元件29，30;模擬代數元件29，30也直接接受X和Y。然后，元件29和30計算模擬函數x＝ (X)/(X+Y+Z) 和y＝ (Y)/(X+Y+Z)以便提供所需要的X和y值。這樣，就在色度圖上確立點(x，y)，以提供入射光顏色的數字表示法。
實質上，可以把上述方案看成對三個色匹配函數
X(
)，
y(
)和
Z(
)進行模擬積分;這方法比上述利用數字技術的方法能更有效地得到結果。
這個系統的時間分辨率是幾個微秒的量級或者更好些。根據硬件的費用，可以用很低的成本制造這個系統;并且此系統是很緊湊的。所需要的數學計算極少;微處理機是隨意的，而不是必不可少的。上述方法的模擬-數字變換器也是隨意的，而不是必不可少的。應該指出，這個系統能夠適應同時處理一個以上的輸入信號，即，同時處理由一個以上的待測參數的變化所引起的色度變化。
因為本系統測量“真實的”顏色，所以可以把它用于監視光束中的顏色變化;由傳感器的位移，化學變化和任何其他調制系統產生的調制所引起的這種顏色變化。
因此，上述技術能夠以特別簡單的便宜的方法定量地識別顏色;并能把顏色同精確測量參數變化相聯系，具有光強和光譜成分的自動補償，消除任何非單值性。以上技術可以同任何產生顏色變化的調制相結合(包括在我們的上述待批準的申請第 號中所敘述的調制器)，以提供一種有效的和精確的位移測量系統，其中，測得的顏色變化被用于檢測一種或多種可變參數，例如位移、壓力、溫度等。
上述檢測器使用三元件檢測，以模擬用于一般色分析中的三個檢測器;這個檢測器具有以下優點不但可以消除由于系統衰減增加而引起的光強變化，而且可以鑒別由于系統老化而不是傳感器調制引起的光譜特征的變化。圖11中再次說明了這種技術;此圖是圖3的簡化型式。直線A-A對應由調制所產生的顏色變化，而直線B-B對應系統本身產生的顏色變化。在這種情況下，檢測器的輸出的軌跡以二維的形式出現。
然而，對于本發明，三元件檢測不是必不可少的，僅具有兩個光敏元件的檢測器是可能的，如圖12，13，14中所示。在圖12中，來自光學纖維32的光線被加到兩個彩色球體33，34，每個彩色球體位于各自的光敏元件35，36(例如，光敏二極管)之前。安排第一個元件35相對于波長的響應度不同于第二個元件的響應度。根據色度(C.I.E.)圖上的兩個參數，從來自兩個元件35，36的信號，可以計算入射到檢測器上的輻射的光譜分布。然后，可以整理這些參數，以提供入射信號的顏色的指示。
這示于圖12，13和14中。圖14表示圖12的檢測器的第一個和第二個光敏元件的響應曲線η1(
)和η2(
)的例子。
元件35的輸出O1由下式給出O1＝∫λbλaI(
)η1(
)d
而元件36的輸出由下式給出O2＝∫λbλaI(
)η2(
)d
把信號值O1和O2加到模擬運算元件37，并傳到另外的模擬運算元件38，39;模擬運算元件38，39還直接接收O1和O2。然后，元件38，39計算模擬函數X= (O1)/(O1+O2) 和y= (O2)/(O1+O2)以提供所需要的、色度圖上的x和y的值。
當只使用二元件檢測時，圖13和圖11是等效的。直線C-C對應由調制所產生的顏色變化，即，被測的信號中的主顏色位于這條線上，其軌跡是X+Y＝1。
多檢測器系統的另一個實施例是信號的順序取樣，而不是如圖12中所示的并行取樣。一種實際的形式是所謂的“色二極管”;用新近發展的電子線路處理其輸出信號，以提供極高的靈敏度和長期的穩定性。
權利要求
1.一種用于識別入射光顏色的色度檢測系統，其特征在于包括一至少兩個分立的色度檢測器，它們具有各自的響應特性，使得檢測器的輸出信號X，Y，……，分別對應X=∫P(
)
X(
)d
，Y=∫P(
)
y(
)d
，……，其中，P(
)是波長
處的光譜功率分布，而
X(
)d
，……，是對應檢測器各自響應特性的色度匹配函數；一用于模擬計算X，Y，……，的裝置，以使色度圖中的x和y的值對應待計算的入射光的顏色。
2.一種用于識別入射光的顏色的色度檢測器系統，其特征在于包括-三個分立的色度檢測器，它們具有各自的響應特性，使得檢測器的輸出信號分別對應X＝∫P(
)
X(
)d
，Y＝∫P(
)
y(
)d
，Z＝∫P(
)
Z(
)d
，其中P(
)是波長
處的光譜功率分布，而
X(
)，
y(
)和
Z(
)是對應三個檢測器各自的響應特性的色匹配函數;-用于模擬計算X，Y，和Z的裝置，以使色度圖中的x和y的值對應待計算的入射光的顏色。
3.如權利要求
1或權利要求
2中的色度檢測系統，其特征在于，其中色度檢測器并行使用。
4.如權利要求
1或權利要求
2中的色度檢測系統，其特征在于，其中色度檢測器順序地使用。
5.如權利要求
1至權利要求
4中任一項的色度檢測系統，其特征在于，其中每一個色度檢測器包含各自的、具有不同色度響應特性的濾色片。
6.如權利要求
2或權利要求
3和權利要求
4(當它們附屬于權利要求
2時)中任一項的色度檢測系統，其特征在于，其中三個檢測器包含各自的濾色片，這些濾色片的響應特性分別對應附圖4中的曲線
Xλ，
yλ和
Zλ。
7.如權利要求
1中的色度檢測系統，其特征在于，其中為進行所述檢測器信號X和Y的模擬計算，包括一個模擬運算裝置，它分別從以下計算中確定色度圖中的x和y的值x＝ (x)/(X+Y) 和y＝ (y)/(X+Y)
8.如權利要求
2至權利要求
6中任一項的色度檢測系統，其特征在于，其中為進行所述檢測器信號X，Y和Z的模擬計算，包括一個模擬運算裝置，它分別從以下計算中確定色度圖中的x和y的值x＝ (X)/(X+Y+Z) 和y＝ (Y)/(X+Y+Z) ，
專利摘要
一種用于識別入射光的顏色的色度檢測系統包括至少兩個分立的色檢測器。這些色檢測器具有各自的響應特性，使得檢測器的輸出信號X，Y，……，分別相當于X＝∫P(λ)★(λ)dλ，Y＝∫P(λ)★(λ)dλ，……。其中P(λ)是在波長λ的光譜功率分布，而★(λ)，★(λ)，……，是對應于檢測器各自響應特性的色匹配函數。這個色度檢測系統還具有用于X，Y，……的模擬變換的裝置，它使色度圖中的X和Y的值能夠對應待計算的入射光的顏色。
文檔編號G01J3/50GK86105409SQ86105409
公開日1987年7月8日 申請日期1986年9月6日
發明者戈登·里斯·瓊斯, 詹姆斯·洛多維科·莫魯齊, 阿卡納普拉加達·納拉納·普拉薩德 申請人:利物浦大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan