Panoramica del progetto

Ho il compito di sviluppare un dispositivo basato su microprocessore che, quando mostrato su una luce, può determinare la fonte della luce (luce naturale, lampadine fluorescenti, lampadine a LED, lampadine a incandescenza, fiamma - incendio boschivo). In questa fase, viene considerata solo la luce visibile.

Dalla mia ricerca, l'unico modo per differenziare la fonte di luce è analizzare lo spettro di emissione e abbinarlo da vicino a valori noti . Esempio:

Soluzioni considerate

Misurazione del rapporto di composizione RGB della luce

Ho considerato di seguire questa strada in quanto non sembra troppo complicato, un dispositivo più piccolo, può essere facilmente integrato nel progetto più grande come rilevatore di incendi boschivi e persino suggerito dal mio supervisore. Ma dubito che ciò sarebbe molto accurato poiché alcune sorgenti luminose potrebbero avere valori vicini (l'intensità è ciò che viene misurato su una lunghezza d'onda di un parco di sfere).

Il sensore che sto guardando attualmente è il sensore di colore RGB S10917-35GT di Hamamatsu , sensibile solo alle lunghezze d'onda richieste.

Costruire uno spettrografo ad alta risoluzione con un film reticolo di diffrazione

Questo percorso è molto più complicato e richiede l'elaborazione esterna delle immagini per determinare la sorgente luminosa. Fondamentalmente, si costruisce uno spettrografo con un film reticolo di diffrazione e una fotocamera ad alta risoluzione. L'immagine viene elaborata con un software per tracciare il grafico dello spettro di emissione ed è possibile analizzare il grafico per determinare la sorgente luminosa. La guida allo sviluppo è qui

Sfortunatamente, questo non è molto conveniente poiché preferiremmo che l'obiettivo principale del dispositivo funzionasse da solo senza alcuna rete.

Quindi, la domanda

• C'è qualche inconveniente sulla mia prima soluzione?
• C'è una soluzione migliore? Preferibilmente può stare su un dispositivo autonomo?
• Ciò sarebbe probabilmente inverosimile, ma esiste un sensore in grado di analizzare un'emissione di luce e fornire valori di intensità su una gamma di lunghezze d'onda scelte? O almeno qualcosa che mi aiuterebbe a costruire un dispositivo che fa così.

Stai davvero cercando qualcuno che abbia già risolto questo, suppongo. Ma non conosco nessun progetto, me stesso. Quindi tutto ciò che posso offrire sono alcuni pensieri da considerare.

Sugli spettrometri:

1. $\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$
2. Anche le fotocamere digitali da piccoli megapixel sono economiche. Si potrebbe anche usare un array, ma in questi giorni sembra che un'intera fotocamera 2D sia più economica e più disponibile. Quindi non mi preoccuperei di un array.
3. Usando un DVD-RW puoi effettivamente separare le linee spettrali gialle di mercurio a 577 nm e 579 nm. (Non con un CD, però.) L'ho fatto io stesso, usando un DVD-RW e una lampada al mercurio-argon.
4. La calibrazione della lunghezza d'onda è economica. Prendi solo una lampada al mercurio-argon. Otterrai le linee di argon nel primo minuto o giù di lì, poi le linee di mercurio domineranno in seguito. Dalla loro combinazione, puoi facilmente calibrare i pixel della tua fotocamera rispetto alla lunghezza d'onda. Le lampade Hg-Ar utilizzate per la calibrazione mi costavano circa $ 8, ma ora mi aspetto che siano più costose.
5. La calibrazione dell'intensità è costosa. È necessaria una lampada standard, tracciabile secondo gli standard NIST, che devono essere ricalibrati dopo circa 100 ore di utilizzo. Sono lampadine economiche, non calibrate. Ma il processo di calibrazione costa soldi veri. Quindi devi impostare anche una corretta disposizione ottica. Ma questo è l'unico modo per capire come ciascuno dei tuoi pixel risponde a ciascuna delle lunghezze d'onda con cui viene colpito. Francamente, proverei a evitare tutto ciò e spero di non averne bisogno o di applicare semplicemente un'approssimazione basata su modelli di base di una lampada standard e non sprecare soldi per la calibrazione effettiva, sperando che ciò che ho ottenuto sia abbastanza buono. O semplicemente non disturbare affatto e usare un'equazione e una figura truccate, "oh, bene", e vedere come va. È probabile che tu possa fare questo passo e ottenere risultati utili se pensi solo attentamente.
6. Probabilmente puoi considerare di passare da 450 nm a 750 nm, ma non puoi sperare di superare un'ottava con una sola griglia. Potresti voler coinvolgere un qualche tipo di filtro in modo da non confondere le energie spettrali sugli stessi pixel. O semplicemente non preoccuparti e fai alcuni esperimenti.
7. Saranno desiderati i deflettori ottici per evitare di ottenere luce estranea dove non è desiderata.
8. Tony mi ha appena ricordato ... avrai bisogno di una fessura stretta - più stretta che puoi farcela. Preferisco l'uso di due lamette vecchio stile che possono essere regolate. Uno fisso, uno mobile. Ma per la scatola di carta, ho usato una lama Exacto 'con molta attenzione' per creare una fessura stretta e uniformemente stretta.

Ho fatto tutto questo usando un foglio di carta (cartoncino) che stampo e poi taglio, piego le linguette, uso la colla di Elmer e creo una scatola con i deflettori fatti essenzialmente di carta. Il deflettore utilizza uno speciale floccaggio scuro per aiutare ad assorbire e bloccare la luce ribelle. Il DVD scorre nell'angolazione corretta e una piccola telecamera viene quindi posizionata all'uscita. L'ho usato con i miei occhi per osservare diverse luci della casa e funziona perfettamente, secondo me. Non ho problemi a distinguere tra sorgenti luminose a incandescenza, fluorescenti e LED. E il sole, del resto. Ho provato un DVD-R e ho visto immediatamente un'enorme band mancante in rosso, motivo per cui ti sto dicendo che hai bisogno di DVD-RW se ti interessa quella regione.

Potrei pubblicare alcuni piani per tutto questo, suppongo. Posizione della fessura, angolo del DVD, ecc. Mentre il design della mia scatola utilizza l'intero DVD-RW (perché volevo essere in grado di inserire altri supporti DVD e / o un CD (con un'angolazione diversa, quindi ne avevo fatte due diverse slot di inserimento a tale scopo), solo una piccola parte della superficie del DVD-RW è effettivamente coinvolta (se sconcertata correttamente). Quindi mi è piaciuto anche usare l'intero DVD-RW per quel motivo, perché tagliare il DVD in pezzi sarebbe sottolineo e neanche io volevo farlo.

$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$

Su RGB:

Il sensore RGB che hai citato ha, come mi aspettavo di vedere, un'accettazione molto ampia delle lunghezze d'onda in ciascuno dei tre sensori. I LED tendono ad avere intervalli di risposta molto ampi (emettono e ricevono su una vasta gamma di lunghezze d'onda). Quel sensore ha risposte leggermente sovrapposte. Credo che tutto ciò che funzionerà per te sarebbe una questione di sperimentazione. È possibile applicare un po 'di codice del computer, invece, usando le curve e le funzioni di risposta del sensore per vedere se sarebbe utile. Ma non proverò nemmeno a scriverlo per te. Forse la cosa migliore sarebbe che tu ti tirassi le dita e acquistassi il sensore e facessi dei test con esso. Potrebbe andare bene per le tue esigenze. Ma non posso dirti sì o no, da una sua rapida scansione. Inoltre non ho provato a farlo con RGB, quindi è un altro motivo per cui posso '

Mi è piaciuto il commento di Eugene sulla frequenza, pure. Le lampadine a incandescenza (e l'ho testato utilizzando uno strumento molto sensibile - con decine di risoluzione microKelvin e centinaia di precisione microKelvin riconducibili agli standard NIST, mentre lavoro su tali cose) varieranno circa il 3% della loro ampiezza durante il ciclo AC a 60 Hz. (Sarebbe diverso con 50 Hz.) I fluorescenti funzionano alle frequenze di rete e anche alle alte frequenze (entrambi sono fabbricati e utilizzati.) Ma le loro emissioni sono attraverso i fosfori, che spesso hanno tempi di risposta rapidi. (Alcuni fosfori sono lenti, ordine di millisecondi di taus a causa della dipendenza dalla tripletta proibita alle transizioni di singoletto. Ma molti di loro sono abbastanza veloci - microsecondi di taus.) Potrebbe essere necessario fare qualche esperimento qui. Ma penso che questo potrebbe essere fruttuoso, perché puoi progettare circuiti elettronici per bande molto strette se vuoi. Tu' dovrei preoccuparmi di condizionare il segnale in modo da non saturare la catena dell'amplificatore. Ma è fattibile. Non ho osservato le frequenze utilizzate nelle moderne lampadine a LED. E ti lascio a Google i dettagli lì. Detto questo, penso che valga la pena esaminare anche il punto di Eugene.

Personalmente? Andrei con il DVD-RW perché ho molta esperienza nel farlo, so che posso farlo facilmente, velocemente ed economicamente, e perché penso che potrei evitare la fase di calibrazione dell'intensità per arrivare dove è necessario partire. Le telecamere sono poco costose, così come la lampada Hg-Ar per la calibrazione della lunghezza d'onda, periodicamente. Non c'è quasi nessun lavoro. Inoltre, ho già fatto il giro della casa alla ricerca di diverse fonti di luce con una scatola di cartone portatile senza elettronica e sono stato perfettamente in grado di vedere le differenze tra le varie fonti di luce, a occhio. Quindi so che posso arrivarci da qui.

EDIT: un paio di immagini da una vecchia lampadina fluorescente. Uno di loro attraverso lo spettro e l'altro ingrandito un po '. Separazione piuttosto interessante del doppietto di mercurio lì!

Mi sono specializzato in binning di LED per la divisione OSRAM di Siemen anni fa, come appaltatore. Quindi questa roba proviene in parte da quell'esperienza. Per prima cosa abbiamo usato spettrofotometri costosi, ma qualche tempo dopo siamo passati a Ocean Optics (molto più economico). Ma nel frattempo mi sono divertito molto con DVD e CD, usati con tutte quelle fantasiose apparecchiature di calibrazione. (Compresi i calibratori a filamento a scomparsa, che ho dimenticato di menzionare sopra.) Ho trascorso molto del mio tempo a studiare i rapporti sulla risposta umana prima e dopo lo standard CIE 1931 e quelli successivi negli anni '60. Mi è piaciuto molto anche il lavoro di Edwin Land alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80 - cose molto interessanti.

Sono d'accordo con jonk, ma suggerisco un metodo più semplice per identificare le fonti.

Costruisci uno spettrometro con la fotocamera (usando un DVD o un altro reticolo di diffrazione.) Rendi meccanicamente solido in modo che la fotocamera, il reticolo e lo schermo non possano muoversi l'uno rispetto all'altro.

Non preoccuparti della calibrazione - affatto. Dovrai anche disabilitare il bilanciamento del bianco automatico nella fotocamera e utilizzare un bilanciamento del bianco fisso.

Esponi il tuo rivelatore ad esempi delle diverse sorgenti luminose che desideri rilevare e registra le immagini.

Ora puoi usare la tua scelta di metodi di elaborazione del segnale per rilevare quale dei tuoi spettrogrammi memorizzati corrisponde maggiormente allo spettrogramma attuale.

OpenCV o Gnu Octave o SciPy presentano tutti i metodi praticabili per rilevare somiglianze.

Molte ottime risposte qui già, ma per fornire alcuni commenti specifici alle tue domande finali:

C'è qualche inconveniente sulla mia prima soluzione?

Lo svantaggio è che hai solo tre punti dati (r, g, b) per giudicare il colore e, a seconda delle diverse fonti di luce che stai cercando di distinguere, potresti non essere in grado di distinguerli. Questo è lo stesso problema che una fotocamera digitale incontra quando tenta di impostare il bilanciamento del bianco e, a volte, la fotocamera indovina e i colori della foto sono distorti. Tuttavia, se si consente a una fotocamera digitale di visualizzare un oggetto noto, come lo stesso pezzo di carta bianco, è probabile che sia in grado di distinguere la fonte di luce per la maggior parte del tempo.

esiste un sensore là fuori che può analizzare un'emissione di luce e fornire valori di intensità su una gamma di lunghezze d'onda scelte?

Uno spettrometro a griglia (o prisma) fa esattamente questo; fornisce l'intensità della luce in funzione della lunghezza d'onda.

In alternativa, se desideri solo alcuni sensori, potresti semplicemente prendere un fotorilevatore al silicio e posizionare il filtro ottico appropriato (vetro colorato) di fronte ad esso per consentire solo l'intervallo di lunghezze d'onda di interesse per passare al filtro. Un vantaggio di questo approccio sarebbe che i singoli fotorilevatori potrebbero probabilmente operare più rapidamente di un rivelatore di array e potrebbero consentire di osservare la struttura temporale della luce e individuare schemi caratteristici, come la fluttuazione a 60 Hz di una lampadina o il rapido sfarfallio di una fiamma.

Non è necessario costruire il proprio spettrometro, i dispositivi sono già disponibili immediatamente , come questo ultra compatto C12666MA di Hamamatsu .

La risoluzione spettrale di 15 nm potrebbe andare bene per questo compito.

È anche una buona idea distinguere DC e 50/60 Hz, magari con un sensore separato.

Le fotocamere funzionano in qualche modo esattamente nel modo in cui mostri i sensori RGB. Se hai avuto esperienza nel provare a catturare i colori saturi dei LED in luce ad alta densità, capirai i suoi limiti, ma per le foto ad ampio spettro come sappiamo che funziona bene.

Dipende da cosa vuoi misurare.

Ad esempio la luce bianca è solo la nostra percezione dei sensori RGB nei nostri occhi e la luce incidente può ingannarci nel pensare che la luce del giorno bianca sia solo il bilanciamento della luce convertita fosforo blu e giallo-rosso in modo che i picchi siano uguali (quando convertiti in correzione dell'occhio CIE livelli)

Ma la realtà è piuttosto diversa quando si confronta una sorgente alogena su un ampio pallet di colori riflessi e si confronta con una luce diurna 4500-5000'K 81% CRI LED bianco. Ora i colori sembrano diversi a causa dello spettro mancante nella sorgente.

Per la precisione, la tua unica speranza è uno strumento di metodo di diffrazione calibrato. Per i colori degli incidenti del bulbo oculare ruvidi riflessi su carta in scala sfumata con una gamma di colori completa, funzionerà una fotocamera RGB. abbastanza vicino con un'unità sensore / rilevatore RGB calibrata e software. Ma questo non è il modo in cui lo fanno nell'industria, ma è sostanzialmente il modo in cui gli scanner per carta funzionano con la calibrazione RGB + B / W interna prima dell'inizio della scansione.

Gli analizzatori di spettro di luce professionali misurano x, y, u, v e molti altri parametri della luce bianca.

Quindi è una vecchia domanda, e mi chiedo quale fosse la soluzione, ma guardando attraverso le risposte sono abbastanza sorpreso di non vedere una soluzione piuttosto ovvia.

Innanzitutto, non è necessario analizzare l'intero spettro. Basta campionarlo in modo da massimizzare la separazione delle fonti. Dato che hai relativamente poche fonti, puoi farlo a occhio nudo o effettivamente eseguire un'analisi PCA o ICA su una versione discreta dello spettro previsto. Dopo aver selezionato alcune regioni spettrali, puoi procedere.

In secondo luogo, prenderei in seria considerazione la regione a infrarossi. Principalmente perché un incendio avrebbe emissioni abbondanti lì, ma soprattutto perché i sensori in questa regione sono molto comuni.

In terzo luogo, selezionare un sensore discreto o una combinazione sensore / filtro che fornisca una risposta spettrale sufficiente nella prima banda desiderata. Si noti che ci sono molti filtri, fotodiodi, fototransistor e dispositivi PIR economici che possono essere selezionati in base alla lunghezza d'onda (anche i LED a un colore possono funzionare in un pizzico).

In quarto luogo, se lo stai facendo matematicamente, proietta le risposte attese nella risposta del sensore / filtro e sottralo in modo da poter ripetere la procedura con la successiva banda significativa. In caso contrario, basta sovrapporre e stimare quale sarà la regione successiva.

Si noti che i filtri possono anche essere utilizzati per rimuovere le bande. Se due sensori coprono l'area perfetta, ma le loro risposte si sovrappongono troppo, sottrarre la banda sovrapposta aumenterebbe la loro discriminazione. .

Dopo averlo ripetuto due o tre volte, avrai un piccolo set di sensori economici che puoi usare. Metti alcuni circuiti attorno a loro e calibra la tua risposta con alcune fonti conosciute. Se la separazione è stata eseguita correttamente, sarà necessaria solo una calibrazione approssimativa per la sensibilità del design del filtro / sensore / circuito.

Questa è fondamentalmente l'idea del sensore RGB, ma usando bin della lunghezza d'onda opportunamente sintonizzati anziché piuttosto arbitrari.

Se non è necessaria un'elevata sensibilità radiometrica, collimarla, passarla attraverso una griglia e scaricare l'immagine su un array di sensori lineari. L'analisi dello spettro è semplice se si dispone di un microprocessore. È improbabile che la variazione temporale da sola funzioni molto bene poiché i sistemi di illuminazione di consumo variano ampiamente nelle frequenze di sfarfallio. Le uniche cose che saranno difficili da distinguere dallo spettro sono l'incandescenza e le fiamme. Potresti usare la variazione temporale per questo, lavorando supponendo che la fiamma sarà abbastanza casuale e che l'incandescenza dovrebbe avere un componente distinto a 60 Hz. Attenzione però che l'elettronica tende a captare 60 Hz vaganti, quindi dovrai assicurarti di vedere una luce a 60 Hz e non un rumore a 60 Hz. I sensori lineari sono una parte economica e semplice che non dovresti non ho problemi a interfacciarmi. L'unico modo in cui ho potuto vedere questo lavorare con 3 canali è se stavi solo cercando di classificare la fiamma e potresti scaricare tutte le altre fonti di luce in un mucchio di "non preoccuparti". In tal caso, puoi ragionevolmente prendere qualsiasi cosa con, diciamo, molto più NIR che emissione blu per essere incandescente o fiamma. Se sei disposto a lavorare con i rilevatori MWIR, puoi saltare la variazione temporale e cercare il picco di emissione di CO2. L'incandescenza non dovrebbe averlo. Questo è quello che usano molti sensori commerciali. molto più NIR che emissione blu per essere incandescente o fiamma. Se sei disposto a lavorare con i rilevatori MWIR, puoi saltare la variazione temporale e cercare il picco di emissione di CO2. L'incandescenza non dovrebbe averlo. Questo è quello che usano molti sensori commerciali. molto più NIR che emissione blu per essere incandescente o fiamma. Se sei disposto a lavorare con i rilevatori MWIR, puoi saltare la variazione temporale e cercare il picco di emissione di CO2. L'incandescenza non dovrebbe averlo. Questo è quello che usano molti sensori commerciali.