Спектрофотометр - это прибор для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне, нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для фотометрирования  и спектрального анализа. Данные спектральных измерений, полученные с помощью спектрофотометров, более ценны, чем данные измерений, полученные посредством денситометров. В частности, значения оптической плотности могут быть получены из данных спектральных измерений, но не наоборот. Спектрофотометры Konica Minolta (CM-700d/600d, CM-2600d/2500d/2500c, CM-2600, CM-3500, CM-3600/3610, CM-512m3) совершенно незаменимы при контроле печати, которая осуществляется с применением специальных красок. 

    Спектрофотометры  позволяют измерять как спектр излучения, так и спектр поглощения  различных  веществ (например, окрашенного стекла). При этом на спектр излучения поверхности  объекта, который сам не излучает, а только рассеивает падающий на его  поверхность свет, накладываются  спектральные характеристики освещающего  его источника света. В связи  с этим для корректного спектрального  анализа излучения поверхности  объекта с объемным рассеянием света  необходимо либо априорно знать спектральные характеристики освещающего источника  света, либо в процесс измерения  производить калибровку спектра  осветителя.  

 

    

    Рис.1 Спектрофотомер

 

    Колориметр - прибор для измерения цвета в какой-либо цветовой шкале или для сравнения интенсивности окраски исследуемого объекта со стандартным. Колориметры используются как составная часть автомата для смешивания красок из нескольких основных цветов. Колориметры Konica Minolta (CR-400/410, CR-10/11/14) применяются в промышленности и лабораторной практике. Колориметры и спектрофотометры — это два типа устройств, которые объективно измеряют цвет запечатанного листа или реального предмета. В принципе, оба устройства делают одну и ту же работу. Колориметры обычно более простые и, следовательно, менее дорогие устройства. Но они менее точны, чем спектрофотометры. Однако технический прогресс не стоит на месте и ситуация меняется: многие современные колориметры по точности приближаются к ранним моделям спектрофотометров. Однако для измерения цвета в промышленных масштабах все же целесообразно применение спектрофотометров. 

    

 
 
 
 
 
 

                          Рис.2 – Схема стандартного калориметра

           Принцип  работы калориметра заключается в установлении цветового равенства между оптическими каналами 1 и 2, при этом через оптический канал 1 поступает информация с поверхности исследуемого объекта, освещенной внешним источником  света, а через канал 2 поступает информация от трех источников света S_R, S_G и S_B (красного, зеленого и синего), яркость которых регулируется соответствующими ослабителями (клиньями). Существуют жесткие требования к спектру излучения трех источников света.

    Колориметр  КФК-2 предназначен для измерения  в отдельных участках диапазона  длин волн 315-750 нм коэффициентов пропускания  и оптической плотности растворов  и для изучения дисперсных систем методом абсорбциометрии. Колориметр позволяет определять коэффициенты пропускания в пределах от 100 до 5% (оптическую плотность от 0 до 1,3) с  погрешностью измерения коэффициентов  пропускания не более 1%.

Рис.3 оптическая схема колориметра

    Оптическая  схема колориметра  включает источник света 1 (малогабаритная галогенная лампа КГМ 6,3-15), конденсор 2, диафрагму 3, объектив 4, тепловой фильтр для работы в видимой области 5, нейтральный светофильтр 6 для ослабления светового потока в диапазоне 400-540 нм, сменный светофильтр 7, защитные стекла 8 и 10, между которыми помещена кювета 9, разделительное полупрозрачное зеркало 11, пропускающее основную часть светового потока на фотоэлемент 12 (измеряющий интенсивность прошедшего света в диапазоне 315-540 нм) и отражающее меньшую часть светового потока через дополнительный светофильтр 13 на фотодиод 14 (для измерения в диапазоне выше 590 нм). Сигналы от фотоэлемента или фотодиода после усиления поступают на микроамперметр, шкала которого проградуирована в величинах коэффициента светопропускания Т и оптической плотности Д. Схема усилителя имеет дискретный переключатель типа фотоприемника и чувствительности (рукоятка ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ передней панели прибора), а также плавные регуляторы чувствительности (рукоятка УСТАНОВКА 100 ГРУБО и ТОЧНО передней панели прибора). На переднюю панель также выведены ручка смены кюветы и рукоятка переключения светофильтров. При работе с прибором следует иметь в виду, что цвет диапазона переключателя ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ должен соответствовать цвету цифр переключателя светофильтров.

Рис.4 Фотометр фотоэлектрический

    Фотометр  фотоэлектрический КФК-3, оптическая схема которого представлена на рис.4 , имеет более широкий спектральный диапазон (от 315 до 990 нм) и возможность плавного регулирования длины волны, что обусловлено использованием дифракционной решетки вместо светофильтров, а также микропроцессорную систему, позволяющую представлять данные на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, скорости ее изменения во времени или концентрации раствора. Свет от лампы 1 проходит через конденсор 1, диафрагму Д, светофильтр 3 (используется только в ультрафиолетовом диапазоне) и отразившись от сферической дифракционной решетки 4 и зеркал 5 и 6, проходит объектив 7, 8, кювету 9 и линзой 10 фокусируется на фотоприемнике 11[6]. 
Измерение яркости: 
Яркость – это фотометрическая величина, характеризующая излучательную способность источника света в данном направлении.

     Яркость поверхности объекта в заданной точке и в заданном направлении  пропорциональна силе испускаемого света элементом поверхности  в выбранном направлении и  обратно пропорциональна площади  проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению силы света и имеет размерность кд/м² и может быть описана выражением:

                             (1),

где dI – сила света элемента поверхности, dσ – элемент поверхности, φ – угол наклона элемента поверхности к направлению силы света.

      Из выражения видно, что если  использовать понятие идеального  луча света, которые выходят  из бесконечно малого элементарного  элемента поверхности и имеет  расходимость равную нулю, то  яркость луча, излучаемая поверхностью  объекта равна силе света (интенсивности)  данного луча.

    При этом чтобы измерить яркость идеального луча необходимо использовать фотоприемники, имеющие диаграмму направленности равную расходимости идеального луча, то есть практически равную нулю. Существуют ли такие приемники в природе? Существуют, и к таким приемникам можно отнести человеческий глаз, который состоит из фокусирующего  свет хрусталика, ограничивающего падающий на сетчатку глаза световой поток  диафрагмы, и фотоприемных элементов (палочки и колбочки) имеющих субмикронные размеры. При наблюдении поверхности  объекта расположенного на расстоянии 500мм от глаза, имеющего диаметр зрачка 2мм, каждая различимая точка поверхности  объекта воспринимается глазом в  телесном угле 15 минут, что можно охарактеризовать, как диаграмму направленности практически равную нулю.

    В технике так же достижимо требование использования фотоприемников с  минимальной величиной диаграммы  направленности и при этом одновременного определения яркости любой точки  поверхности объекта – это  ПЗС матрицы, используемые в современной  цифровой  фото- и видеоаппаратуре. Данные матрицы, при использовании  объективов с полевой диафрагмой не более 2мм позволяют создать фотоприемники  аналогичные человеческому глазу  и уменьшить диаграмму направленности фотоприемников до величины менее 15 минут.  Современные методы и приборы, предназначенные  для определения яркости и  цвета объектов, широко используют данные матрицы в качестве фотоприемников[1].

       Существует понятие световая  и энергетическая яркость объекта.  Световая яркость объекта определяется  свойствами человеческого глаза  и основывается на кривой видности (спектральной чувствительности) глаза.  В связи с этим инфракрасное  и ультрафиолетовое излучения  имеют нулевую световую яркость.  Энергетическая яркость определяется  полной энергией светового потока  и при ее измерении определяется  спектральной чувствительностью  фотоприемника.

       Для определения световой яркости  объекта используется выражение :

     L= k_B∙ L_B+ L_G+ k_R∙ L_R                   (2)

    где k_B, k_R – коэффициенты, определенные с учетом кривой видности (спектральной чувствительности) глаза:  k_B= 0,14, k_R=0,4; L_B, L_G  и L_R – яркость, излучающего поверхностью объекта света, в данном направлении для красного – R, зеленого – G и синего – В составляющих спектра.

     Для определения энергетической яркости  объекта используется выражение:

     L= (L_R +L_B+ L_G)/3                   (3)

    Для определения цветового тона объекта  описанного с помощью цветовой системы  XYZ, необходимо сориентировать основные цвета следующим образом R вектор - 0°, G вектор – 120°, B вектор – 240°, далее отложить по полученным осям реальные значения векторов и рассчитать суммарный цветовой вектор и угол разворота этого вектора относительно оси Х, который и есть цветовой тон объекта.

     Так, для желто-красной области, цветовой тон Hue рассчитывается по формуле:

                                                     (4)

где  ,   ,  .  

     Насыщенность  цвета Chroma определяется, как соотношение между максимальным и минимальным значениями векторов, а именно:

           (5)

    При этом максимальное значение насыщенности цвета – единица. Часто для  удобства обработки информации на компьютере максимальную насыщенность цвета   принимают равной 255 (восемь разрядов двоичного кода). Следовательно выражение (5) умножают на 255, как это производится в программе «Paint» .  Яркомер - фотометр для измерения яркости. Яркомеры Konica Minolta (LS-100 /110) - это компактные лёгкие приборы для измерения яркости источников света или отражающих поверхностей. Применяемая в яркомерах оптическая системы SRL обеспечивает точное наведение на объект.  
Яркомеры Konica Minolta LS-100 и LS-110 используются для измерения яркости на достаточно малых площадях измерения. Также применяются различные фокусирующие линзы для уменьшения диаметра измеряемого пятна.  
        Данные яркомеры гарантируют высокую точность показаний, т.к. оператор при измерении яркости непосредственно наблюдает за измеряемым участком в окуляр яркомера. Оптическая схема яркомера  представлена на рис. 5. Который состоит из следующих элементов – объектива, который строит изображение поверхности σ в плоскости перемещаемой диафрагмы диаметром σ′, коллиматора собирающего оптическое излучение на фотоприемнике. Как видно электрический сигнал, поступающий с фотоприемника всегда пропорционален чувствительности фотоприемника и диаметру подвижной диафрагмы, при условии, что она установлена в плоскости изображения поверхности объекта. Неравномерности чувствительности фотоприемника компенсируется тем, что его поверхность находится изображение объектива, которое всегда равномерно освещено[4].

     К недостаткам данного яркомера стоит  отнести то, что он не позволяет  одновременно измерять яркость множества  произвольных площадок поверхности  объекта, либо измеряет интегральную яркость  поверхности большого участка поверхности  исследуемого объекта. 

 
 
 

                                Рис.5 Схема яркомера

     К недостаткам колориметров и спектрофотометров  необходимо отнести то, что он не позволяет одновременно измерять цвет множества произвольных площадок поверхности  объекта, а измеряет интегральный цвет поверхности большого участка поверхности  исследуемого объекта. 

    Рассмотрим  системы, описывающие свойства источников света. Так как цветовые характеристики поверхности объекта можно определить только при освещении его поверхности  внешним источником света, и при  этом точность определения этих характеристик  зависит от качества и спектрального  состава источника света, то для  корректного измерения цвета  необходимо использовать свет с определенными  стандартными параметрами.   

    Стандартным светом для сравнения с эталонными образцами считается дневной  свет с северной стороны. Такой свет наиболее приближен к полному  спектру белого света. При этом северный свет различается в разное время  суток и от времени года. Прохождение  солнечного света через атмосферу  под большим углом (утро или вечер) приводит к тому, что короткие волны (синие и зеленые) сильнее рассеиваются, а длинные проходят через атмосферу  без изменений. Поэтому цвета  в эти часы воспринимаются с красно-оранжевыми оттенками.

 
 

 

4. Разработка  и описание структурной  схемы

 

    

 
 
 
 
 

    Рис.6 Структурная схема устройства для  определения цвета зубов

 

    Видеокамера Рис.7., предназначена для формирования изображения исследуемого объекта.

    

    Рис.7. Satellite Scope- интраоральная цветная видеокамера.

 

Технические характеристики

• 680,000 пикселей
• НВ ¼ дюйма цветная CCD матрица
• коротко-фокусная линза с автофокусом диаметром 0.02 дюйма
• 4 белых светодиода
• Полностью цифровая обработка и передача изображения
• питание 6V примерно 270mA
• вес 40 г