Огляд проекту

Я маю на меті розробити мікропроцесорний пристрій, який, коли відображатиметься світло, може визначати джерело світла (природне світло, люмінесцентні лампи, світлодіодні лампи, лампи розжарювання, полум'я - лісова пожежа). На цьому етапі розглядається лише видиме світло.

З мого дослідження, єдиний спосіб диференціювати джерело світла - це проаналізувати спектр випромінювання та тісно співставити його з відомими значеннями . Приклад:

Розглянуті рішення

Вимірювання співвідношення складу RGB у світлі

Я вважав, що пройти цей маршрут, оскільки він не здається занадто складним, менший пристрій, його можна легко інтегрувати у великий проект як детектор лісової пожежі та навіть запропонований моїм керівником. Але я сумніваюся, що це було б дуже точно, оскільки деякі джерела світла можуть мати близькі значення (інтенсивність - це те, що вимірюється на довжині хвилі парку кулі).

Датчик, на який я зараз дивлюсь, - це кольоровий датчик R10 S10917-35GT Hamamatsu , чутливий лише до необхідної довжини хвилі.

Побудова спектрографа високої роздільної здатності з плівкою дифракційної решітки

Цей маршрут набагато складніший і вимагає зовнішньої обробки зображень для визначення джерела світла. В основному ви будуєте спектрограф із дифракційною решітчастою плівкою та камерою високої роздільної здатності. Зображення обробляється за допомогою комп’ютерного програмного забезпечення для побудови графіка спектра випромінювання, і ви можете проаналізувати графік для визначення джерела світла. Посібник з розробки тут

На жаль, це не дуже зручно, оскільки ми вважаємо за краще, щоб головна мета пристрою працювала самостійно без будь-яких мереж.

Отже, питання

• Чи є недолік у мого першого рішення?
• Чи є краще рішення? Переважно можна розмістити на автономному пристрої?
• Це, мабуть, далеко не вдається, але чи є там датчик, який може аналізувати випромінювання світла та надавати значення інтенсивності для діапазону вибраних довжин хвиль? Або хоча б щось, що допомогло б мені створити пристрій, який робить таке.

Ви дійсно шукаєте когось, хто вже вирішив це, я думаю. Але я не знаю жодного проекту. Тож все, що я можу запропонувати, - це кілька думок, які слід розглянути.

На спектрометрах:

1. Для пристрою спектрометра DVD-RW (не використовуйте DVD-R, оскільки він буде поглинати значні смуги в червоній області) забезпечує 1350 , так що дуже дешевий і доступний.$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$
2. Маленькі мегапіксельні цифрові камери теж дешеві. Можна також використовувати масив, але в наші дні здається, що ціла 2D камера дешевша і доступніша. Тому я б не переймався масивом.
3. За допомогою DVD-RW можна фактично розділити жовті спектральні лінії ртуті при 577 нм і 579 нм. (Хоча не з компакт-диском.) Я це робив сам, використовуючи DVD-RW та ртутно-аргонову лампу.
4. Калібрування довжини хвилі дешево. Просто дістаньте ртутно-аргонову лампу. Ви отримаєте лінії аргону протягом першої хвилини або близько того, тоді ртутні лінії будуть домінувати пізніше. З їх комбінації можна легко відкалібрувати пікселі камери та довжину хвилі. Лампи Hg-Ar, які використовувались для калібрування, коштували мені приблизно в 8 доларів, але я думаю, зараз вони дорожчі.
5. Калібрування інтенсивності дорого. Вам потрібна стандартна лампа, яка простежується за стандартами NIST, і їх потрібно повторно відкалібрувати після 100 годин використання тощо. Вони дешеві цибулини, некалібровані. Але процес калібрування коштує реальних грошей. Тоді вам також доведеться налаштувати належне оптичне розташування. Але це єдиний спосіб з'ясувати, як кожен з ваших пікселів реагує на кожну довжину хвилі, з якою вони потрапляють. Відверто кажучи, я б спробував уникнути будь-якого цього і сподіваюся, що мені це не потрібно, або я міг би просто застосувати базове шаблонне наближення стандартної лампи і не витрачати гроші на фактичне калібрування, сподіваючись, що те, що я отримав, було досить добре. Або просто не турбуйтеся взагалі і використовуйте сфальсифіковане рівняння та цифру "о, добре", і подивіться, як це відбувається. Швидше за все, ви можете змусити цей крок піти і все одно отримати корисні результати, якщо просто ретельно продумати.
6. Можливо, ви можете розглянути можливість переходу від 450 нм до 750 нм, але ви не можете сподіватися перевищити октаву однією решеткою. Ви можете задіяти якийсь фільтр, щоб ви не змішували спектральні енергії на одних і тих же пікселях. Або просто не турбуйтеся про це і зробіть кілька експериментів.
7. Оптична перегородка буде бажаною, щоб уникнути потрапляння стороннього світла там, де вона не потрібна.
8. Тоні мені просто нагадав ... тобі потрібна вузька щілина - приблизно така вузька, як ти можеш її зробити. Я вважаю за краще використовувати дві бритви в старому стилі, які можна регулювати. Один нерухомий, один рухомий. Але для коробки для паперу для картки я просто використав леза «дуже обережно», щоб створити вузьку і рівномірно вузьку щілину.

Я все це робив, використовуючи аркуш паперу (картковий запас), який роздруковую, а потім вирізаю, складаю вкладки, використовую клей Елмера та створюю коробку з перегородками, зробленими по суті з паперу. У перегородці використовується спеціальна темна стікання, яка допомагає поглинати та блокувати наростаюче світло. DVD підсувається під правильним кутом, а на виході розміщується невелика камера. Я використовував це власним оком, щоб спостерігати різне освітлення в будинку, і це працює НАДАЧНО добре, на мій погляд. У мене немає проблем розрізняти джерела освітлення, що розжарюються, люмінесцентні та світлодіодні. І сонце, з цього приводу. Я спробував DVD-R і одразу побачив величезну відсутню смугу в червоному кольорі, тому я вам кажу, що вам потрібен DVD-RW, якщо ви дбаєте про цей регіон.

Я можу опублікувати деякі плани щодо всього цього, я думаю. Розташування щілини, кута DVD тощо. Хоча в моєму дизайні коробки використовується весь DVD-RW (тому що я хотів мати можливість потрапляти на інші носії DVD та / або компакт-диск (під іншим кутом, тому я зробив два різні для цієї мети), насправді задіяна лише крихітна частина поверхні DVD-RW (якщо вона правильна.) Тому мені також сподобалося використовувати всю DVD-RW з цієї причини, тому що розрізання DVD на шматки буде підкресли це, і я теж не хотів цього робити.

Щодо невеликої інформації, у коробці використовується нахил 70 мм проти 40 мм для DVD (1350 ) та 50 мм проти 40 мм для CD ( 625 . Проріз розміщувався на 40 мм грані, розміщеній приблизно на 10 мм від одного краю в корпусі CD або DVD.$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$

На RGB:

Як ви очікували, сенсор RGB, який ви згадали, має дуже широке сприйняття довжин хвиль у кожному з трьох датчиків. Світлодіоди мають дуже широкий діапазон відгуку (вони випромінюють та приймають у широкому діапазоні довжин хвиль.) Цей датчик має скрізь перекриваються реакції. Наскільки добре все, що буде працювати для вас, було б питанням експериментів, я думаю. Натомість ви можете застосувати деякий комп'ютерний код, скориставшись кривими та функціями реагування датчика, щоб побачити, чи буде він справний. Але я не збираюся навіть намагатися написати це для вас. Мабуть, найкраще було б, щоб ви стиснули і придбали датчик і провели з ним тестування. Це може бути просто чудово для ваших потреб. Але я не можу сказати вам «так» чи «ні», коли я швидко переглянув це. Я також не намагався зробити це з RGB, тому це ще одна причина, що я можу "

Мені сподобався коментар Євгена щодо частоти, теж. Лампи розжарювання (і я тестував це за допомогою дуже чутливого приладу - з десятками роздільної здатності мікрокельвінів і сотнями точності мікрокельвінів, які можна відстежувати за стандартами NIST, оскільки я працюю над такими речами) буде змінюватись приблизно на 3% від їх амплітуди під час їзди на велосипеді змінного струму при 60 Гц. (Було б різним у 50 Гц.) Флуоресценти працюють на мережевих частотах, а також на високих частотах (обидва виготовляються та використовуються.) Але їх викиди відбуваються через люмінофори, які часто мають швидкий час реакції. (Деякі люмінофори є повільними, порядок мілісекундних таусів, залежно від забороненого триплетного до синглетного переходів. Але багато з них досить швидкі - мікросекундний таус.) Можливо, вам доведеться зробити тут деякі експерименти. Але я думаю, що це може бути результативним, адже ви можете спроектувати електронні схеми для дуже вузьких діапазонів, якщо хочете. Ти' я повинен турбуватися про кондиціонування сигналу, щоб ви не насичували ланцюг підсилювачів. Але це можливо. Я не дивився на частоти, які використовуються в сучасних світлодіодних лампочках. І я залишу це вам, щоб переглянути деталі Google. Все, що було сказано, я думаю, що питання Євгена також заслуговує уваги.

Особисто? Я б пішов з DVD-RW, тому що у мене є великий досвід роботи з цим, знайте, що я можу це зробити легко, швидко та дешево, і тому що я думаю, що міг би уникнути кроку калібрування інтенсивності, щоб дістатися туди, де потрібно йти. Камери дешеві, а також лампа Hg-Ar періодично для калібрування довжини хвилі. Це майже не робота. Плюс до того, я вже ходив по дому, перевіряючи різні джерела світла з портативною коробкою картки без електроніки і чудово міг на очах побачити відмінності в різних джерелах світла. Тому я знаю, що можу потрапити звідси.

EDIT: Кілька зображень зі старої флуоресцентної лампочки. Один з них по всьому спектру, а другий трохи збільшив масштаб. Досить круте відділення ртутного дублету там!

Я спеціалізувався на розробці світлодіодів для підрозділу OSRAM Siemen тому, як підрядник. Тож ця штука походить частково від цього досвіду. Ми спочатку використовували дорогі спектрофотометри, але через деякий час перейшли на Ocean Optics (набагато дешевше.) Але тим часом мені було дуже цікаво з DVD-дисків та компакт-дисків, які використовувались із усім цим фантазійним обладнанням для калібрування. (У тому числі зникаючі калібрувальні нитки, про які я забув згадати вище.) Провели багато часу, вивчаючи звіти про відповіді людини до та після стандарту CIE 1931 та пізніших у 1960-х. Також дуже сподобалася робота Едвіна Ленда в кінці 1970-х на початку 1980-х - дуже цікаві речі.

Я збираюся погодитися з jonk, але запропоную більш простий метод виявлення джерел.

Побудуйте спектрометр з камерою (за допомогою DVD-диска або іншої дифракційної решітки). Зробіть його механічно міцним, щоб камера, решітка та екран не могли рухатися одна щодо одної.

Не турбуйтеся калібруванням - зовсім. Ви також захочете відключити автоматичний баланс білого в камері та використовувати фіксований баланс білого.

Розкрийте свій детектор на прикладах різних джерел світла, які ви хочете виявити, і запишіть зображення.

Тепер ви можете скористатися методом обробки сигналів, щоб визначити, яка з ваших збережених спектрограм найбільше відповідає поточній спектрограмі.

OpenCV або Gnu Octave або SciPy - всі існуючі ефективні методи виявлення подібності.

Тут вже знайдено багато чудових відповідей, але щоб надати кілька конкретних коментарів до ваших останніх питань:

Чи є недолік у мого першого рішення?

Недолік полягає в тому, що у вас є лише три точки даних (r, g, b), щоб оцінити колір, і, залежно від різних джерел світла, які ви намагаєтеся розрізнити, ви, можливо, не зможете їх розрізнити. Це та сама проблема, з якою стикається цифровий фотоапарат, коли він намагається встановити баланс білого, а іноді камера гадає неправильно, і кольори фотографії спотворюються. Однак якщо ви дозволили цифровій камері зображувати відомий об’єкт, як той самий білий аркуш паперу, то, ймовірно, можна було б розрізнити джерело світла більшу частину часу.

чи є датчик, який може аналізувати випромінювання світла та надавати значення інтенсивності для діапазону вибраних довжин хвиль?

Спектрометр на основі решітки (або призми) робить саме це; він забезпечує інтенсивність світла як функцію довжини хвилі.

Крім того, якщо ви хочете лише декілька датчиків, ви можете просто взяти фотоприймач із кремнію та поставити перед ним відповідний оптичний фільтр (кольорове скло), щоб лише дозволити діапазону довжин хвилі, що цікавить, перейти до фільтра. Перевагою такого підходу було б те, що одиничні фотоприймачі можуть, швидше за все, працювати швидше, ніж детектор масиву, і можуть дозволити вам подивитися на тимчасову структуру характеристик світла та плями, таких як коливання 60 Гц лампочки або швидке мерехтіння полум'я.

Вам не потрібно будувати свій власний спектрометр, пристрої вже доступні на полиці, як це ультра компактний C12666MA від Hamamatsu .

15 нм спектральна роздільна здатність може бути просто чудовою для цього завдання.

Також непогано розповісти про постійний та 50/60 Гц один від одного, можливо, з окремим датчиком.

Камери працюють певною мірою саме так, як ви показуєте RGB-датчики. Якщо ви мали досвід намагатися захоплювати насичені кольори світлодіодів при світлі високої щільності, ви зрозумієте, що це обмеження, але для фотографій широкого спектру, як ми знаємо, це працює добре.

Це залежить від того, що ви хочете виміряти.

Наприклад, біле світло - це лише наше сприйняття датчиків RGB на наших очах, а падаюче світло може змусити нас думати, що денне світло біле - це лише баланс синього та жовто-червоного люмінофора, перетвореного світлом, щоб піки були рівними (при перетворенні на корекцію очей CIE рівні)

Але реальність зовсім інша, коли ми порівнюємо галогенне джерело на широкій піддоні відбитого кольору і порівнюємо з денним світлом 4500-5000'K 81% CRI білий світлодіод. Тепер кольори виглядають по-різному через відсутність спектру в джерелі.

Для точності Ваша єдина надія - це інструмент каліброваного дифракційного методу. Для грубих кольорів очного яблука, відображених від паперу градієнтної шкали з повною кольоровою гамою, буде працювати RGB-камера. достатньо близько до каліброваного датчика / детектора RGB та програмного забезпечення. Але це не так, як це роблять у промисловості, але це, в основному, як паперові сканери працюють з внутрішньою RGB + B / W калібруванням до початку сканування.

Професійні аналізатори спектру світла вимірюють x, y, u, v та багато інших параметрів білого світла.

Таким чином, це старе питання, і мені цікаво, що було за рішення, але переглядаючи відповіді, я здивований, що не бачу досить очевидного рішення.

По-перше, вам не потрібно аналізувати весь спектр. Просто виберіть його таким чином, щоб максимально розділити джерела. Зважаючи на те, що у вас є відносно мало джерел, ви можете це зробити наочно, або фактично запустити аналіз PCA або ICA на дискретної версії очікуваного спектру. Вибравши кілька спектральних областей, ви можете продовжити.

По-друге, я б серйозно розглядав інфрачервону область. Передусім тому, що пожежа мала б там велику кількість викидів, але головне тому, що датчики в цьому регіоні дуже поширені.

По-третє, виберіть дискретну комбінацію датчика або датчика / фільтра, яка забезпечує достатньо хороший спектральний відгук у першому бажаному діапазоні. Зверніть увагу, що існує багато недорогих фільтрів, фотодіодів, фототранзисторів та пристроїв PIR, які можна вибрати за довжиною хвилі (навіть одноколірні світлодіоди можуть працювати в дрібному вигляді).

По-четверте, якщо ви робите це математично, спроектуйте очікувані вами відповіді на відповідь датчика / фільтра і відніміть їх, щоб ви могли повторити процедуру з наступною значущою смугою. Якщо ні, просто перекрийте і оцініть, який регіон знаходиться далі.

Зауважте, що фільтри також можна використовувати для видалення смуг. Якщо два датчика охоплюють ідеальну область, але їх відповіді занадто сильно перекриваються, віднімання смуги, що перекривається, посилить їхню дискримінацію. .

Повторивши це два-три рази, у вас з’явиться невеликий набір недорогих датчиків, якими ви можете користуватися. Покладіть навколо них схему та відкалібруйте свою відповідь кількома відомими джерелами. Якщо ви виконали поділ правильно, вам знадобиться лише груба калібрування для чутливості конструкції вашого фільтра / датчика / схеми.

Це в основному ідея датчика RGB, але з використанням правильно налаштованих бункерів довжини хвилі замість довільних.

Якщо вам не потрібна дуже висока радіометрична чутливість, сколіруйте її, запустіть її через решітку та скиньте зображення на лінійний масив датчиків. Аналізувати спектр легко, якщо у вас є мікропроцесор. Тільки тимчасова зміна, ймовірно, не спрацює дуже добре, оскільки системи освітлення споживачів сильно відрізняються за частотою мерехтіння. Єдине, що буде важко відрізнити від спектру, - це розжарювання та полум'я. Ви можете використовувати для цього часову варіацію, працюючи при припущенні, що полум'я буде досить випадковим, а розжарювання повинно мати чіткий компонент 60 Гц. Будьте обачні, хоча електроніка має тенденцію до збору бродячих 60 Гц, тому вам доведеться переконатися, що ви бачите світло 60 Гц, а не 60 Гц. Лінійні датчики - це дешева і проста частина, яку ви не повинні ' не матиму жодних проблем із взаємодією. Єдиний спосіб, коли я міг бачити це, працюючи з 3-ма каналами, це, якби ви тільки намагалися класифікувати полум'я, і ​​ви могли скинути всі інші джерела світла в купу "не байдуже". У такому випадку, ви можете досить розумно взяти що-небудь, скажімо, так, що більше NIR, ніж синій викид, буде або розжаренням, або полум’ям. Якщо ви готові працювати з детекторами MWIR, ви можете пропустити часові зміни і просто шукати пік викидів CO2. У розжарюванні цього не повинно бути. Ось для чого використовується безліч комерційних датчиків. набагато більше NIR, ніж синій викид, буде або розжаренням, або полум’ям. Якщо ви готові працювати з детекторами MWIR, ви можете пропустити часові зміни і просто шукати пік викидів CO2. У розжарюванні цього не повинно бути. Ось для чого використовується безліч комерційних датчиків. набагато більше NIR, ніж синій викид, буде або розжареним, або полум’яним. Якщо ви готові працювати з детекторами MWIR, ви можете пропустити часові зміни і просто шукати пік викидів CO2. У розжарюванні цього не повинно бути. Ось для чого використовується безліч комерційних датчиків.