通过分析光的电磁光谱来确定光源的更好方法

电器工程 传感器 光传感器
2022-01-29 11:40:51

项目概况

我的任务是开发一种基于微处理器的设备,当它亮起时,可以确定光源(自然光、荧光灯泡、LED 灯泡、白炽灯泡、火焰 - 森林火灾)。在这个阶段,只考虑可见光。

根据我的研究,区分光源的唯一方法是分析发射光谱并将其与已知值密切匹配。例子:

在此处输入图像描述

考虑的解决方案

测量光的RGB组成比

我考虑过这条路线,因为它看起来不太复杂,更小的设备,可以作为森林火灾探测器轻松集成到更大的项目中,甚至是我的主管建议的。但我怀疑这是否非常准确,因为某些光源可能具有接近的值(强度是在球场波长上测量的值)。

我目前正在查看的传感器是Hamamatsu 的 S10917-35GT RGB 颜色传感器,仅对所需的波长敏感。

用衍射光栅薄膜构建高分辨率光谱仪

这条路线要复杂得多,需要对图像进行外部处理以确定光源。基本上,您可以使用衍射光栅胶片和高分辨率相机构建光谱仪。使用计算机软件处理图像以绘制发射光谱图,您可以分析该图以确定光源。开发指南在这里

不幸的是,这不是很方便,因为我们希望设备的主要目标是在没有任何网络的情况下独立运行。

所以,问题

  • 我的第一个解决方案有什么缺点吗?
  • 有更好的解决方案吗?最好可以安装在独立设备上?
  • 这可能有点牵强,但是那里有可以分析光发射并提供所选波长范围内的强度值的传感器吗?或者至少可以帮助我构建这样的设备。
4个回答

我想你真的在寻找已经解决了这个问题的人。但我自己不知道任何项目。所以我能提供的只是一些需要考虑的想法。

在光谱仪上:

  1. 对于光谱仪设备,DVD-RW(不要使用 DVD-R,因为它会吸收红色区域中的大量条带)提供 1350 \$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}\ $,所以这是非常便宜且容易获得的。
  2. 小型百万像素数码相机也很便宜。也可以使用阵列,但如今,整个 2D 相机似乎更便宜且更容易获得。所以我不会打扰数组。
  3. 使用 DVD-RW,您实际上可以在 577 nm 和 579 nm 处分离汞的黄色光谱线。(但不是用 CD。)我自己用 DVD-RW 和汞氩灯完成了这项工作。
  4. 波长校准很便宜。买个水银氩灯就行了。您将在第一分钟左右得到氩线,然后汞线将占主导地位。通过它们的组合,您可以轻松校准相机像素与波长。用于校准的 Hg-Ar 灯曾经花费我大约 8 美元,但我预计它们现在会更贵。
  5. 强度校准很昂贵。您需要一个可溯源至 NIST 标准的标准灯,并且必须在使用 100 小时左右后重新校准。它们是便宜的灯泡,未经校准。但是校准过程需要花费真金白银。然后,您还必须设置适当的光学布置。但这是弄清楚每个像素如何响应它们被击中的每个波长的唯一方法。坦率地说,我会尽量避免这些,希望我不需要它,或者可以只应用标准灯的基本模板近似值,而不是在实际校准上浪费钱,希望我得到的足够好。或者根本不打扰并使用一个被操纵的方程式和数字,“哦,好吧”,看看它是如何进行的。很有可能,如果您仔细考虑,您可以让这一步消失,仍然可以获得有用的结果。
  6. 您可能可以考虑从 450 nm 到 750 nm,但您不能希望单个光栅超过一个倍频程。您可能需要某种过滤器,以免在相同像素上混淆光谱能量。或者只是不要担心它并做一些实验。
  7. 需要光学挡板以避免在不需要的地方获得多余的光。
  8. 托尼刚刚提醒我……你需要一个窄缝——尽可能窄。我更喜欢使用两个可以调节的老式剃须刀片。一个固定的,一个可移动的。但是对于卡片纸盒,我只是“非常小心地”使用了精确的刀片来创建一个狭窄且均匀狭窄的狭缝。

我用一张纸(卡片纸)完成了这一切,我打印出来然后剪裁,折叠标签,使用 Elmer 的胶水,并创建一个带有基本上由纸制成的挡板的盒子。莫名其妙地使用特殊的深色植绒来帮助吸收和阻挡任性的光线。DVD 以正确的角度滑入,然后在出口处放置一个小型相机。我用自己的眼睛用它来观察房子里不同的照明,在我看来,它工作得非常好。我可以毫不费力地区分白炽灯、荧光灯和 LED 光源。还有太阳,就此而言。我尝试了 DVD-R 并立即看到一个巨大的红色缺失乐队,这就是为什么我告诉你如果你关心那个地区你需要 DVD-RW。

我想我可以为这一切发布一些计划。狭缝的位置、DVD 的角度等。虽然我的盒子设计使用了整个 DVD-RW(因为我希望能够放入其他 DVD 媒体和/或 CD(以不同的角度,所以我做了两个不同的插入插槽),实际上只涉及到 DVD-RW 表面的一小部分(如果挡板正确的话。)因此,出于这个原因,我也喜欢使用整个 DVD-RW,因为将 DVD切割成碎片会强调它,我也不想这样做。

顺便说一下,盒子为 DVD 使用了 70 毫米和 40 毫米的倾斜度(1350 \$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}\$)和 50 毫米对 40 毫米对于 CD (625 \$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}\$.) 狭缝位于 40 毫米的面上,在 CD 或 DVD 盒中距离一个边缘约 10 毫米.


在 RGB 上:

正如我所预料的那样,您提到的 RGB 传感器对三个传感器中的每一个都具有非常广泛的波长接受度。LED 往往具有非常宽的响应范围(它们在很宽的波长范围内发射和接收。)该传感器具有适度重叠的响应。我认为,这一切对你有多好,将是一个实验问题。相反,您可以应用一些计算机代码,使用您的曲线和传感器的响应函数来查看它是否可用。但我什至不会尝试为你写它。也许最好的办法是让您认真购买传感器并对其进行一些测试。它可能正好满足您的需求。但我不能通过快速扫描来告诉你是或否。我也没有尝试用 RGB 做到这一点,所以这是我能做到的另一个原因


我喜欢尤金关于频率的评论, 也。白炽灯泡(我已经使用非常灵敏的仪器对此进行了测试——在我从事此类工作时,具有数十微开尔文分辨率和数百微开尔文精度可追溯到 NIST 标准)在交流循环期间将变化约 3% 的幅度在 60 赫兹。(与 50 Hz 不同。)荧光灯在电源频率和高频下工作(两者都是制造和使用的。)但它们的发射是通过荧光粉发出的,荧光粉通常具有快速的响应时间。(由于依赖于禁止的三重态到单重态跃迁,一些磷光体很慢,毫秒级的 taus。但它们中的许多都相当快 - 微秒级 taus。)您可能需要在这里做一些实验。但我认为这可能是富有成效的,因为如果你愿意,你可以为非常窄的频段设计电子电路。你' d 必须担心调节信号,以免放大器链饱和。但这是可行的。不过,我还没有研究过现代 LED 灯泡中使用的频率。我会把它留给你在那里谷歌搜索详细信息。尽管如此,我认为尤金的观点也值得研究。


亲身?我会选择 DVD-RW,因为我在这方面有很多经验,知道我可以轻松、快速、便宜地做到这一点,并且因为我认为我可以避免强度校准步骤来到达你需要的地方走。这些相机非常便宜,用于定期校准波长的 Hg-Ar 灯也是如此。这几乎没有工作。另外,我已经在房子里走来走去,用一个根本没有电子设备的手持卡片盒检查不同的光源,并且完全能够通过肉眼看到各种光源的差异。所以我知道我可以从这里到达那里。

编辑:来自旧荧光灯泡的几张图像。其中一个跨越光谱,另一个放大了一点。那里的水银双峰分离非常酷! 全谱 放大

几年前,我作为承包商专门为西门子的欧司朗部门进行 LED 分箱。所以这些东西部分来自那个经验。我们首先使用昂贵的分光光度计,但一段时间后改用海洋光学(便宜得多)。但与此同时,我在 DVD 和 CD 上玩得很开心,与所有花哨的校准设备一起使用。(包括消失的灯丝校准器,我在上面忘记提到了。)在 CIE 1931 标准和 1960 年代后期标准之前和之后,我花了很多时间研究人类反应报告。也非常喜欢 Edwin Land 在 1970 年代末和 1980 年代初的作品——非常有趣的东西。

我将同意 jonk,但建议使用一种更简单的方法来识别来源。

用相机(使用 DVD 或其他衍射光栅)构建光谱仪。使其机械坚固,使相机、光栅和屏幕不能相对于彼此移动。

完全不用校准。您还需要禁用相机中的自动白平衡并使用固定白平衡。

将您的检测器暴露在您想要检测的不同光源的示例中,并记录图像。

现在,您可以使用您选择的信号处理方法来检测您存储的哪些频谱图与当前频谱图最匹配。

OpenCV 或 Gnu Octave 或 SciPy 都提供了检测相似性的可行方法。

这里已经有很多很好的答案,但要为您的最终问题提供一些具体的评论:

我的第一个解决方案有什么缺点吗?

缺点是您只有三个数据点 (r,g,b) 来判断颜色,并且根据您尝试区分的不同光源,您可能无法区分它们。这与数码相机在尝试设置白平衡时遇到的问题相同,有时相机会猜错并且照片的颜色会失真。但是,如果您允许数码相机对已知物体进行成像,例如同一张白纸,那么它可能在大多数情况下都能够区分光源。

是否有可以分析光发射并提供所选波长范围内的强度值的传感器?

基于光栅(或棱镜)的光谱仪正是这样做的。它提供作为波长函数的光强度。

或者,如果您只需要几个传感器,您可以简单地拿一个硅光电探测器并将适当的光学滤光片(有色玻璃)放在它前面,只允许感兴趣的波长范围通过滤光片。这种方法的一个优点是单个光电探测器可能比阵列探测器运行得更快,并且可以让您查看光的时间结构和光斑特征模式,例如灯泡的 60 Hz 波动或火焰的快速闪烁。

您不必构建自己的光谱仪,设备已经现成可用,例如Hamamatsu 的这款超紧凑型 C12666MA

15 nm 的光谱分辨率可以很好地完成这项任务。

区分 DC 和 50/60 Hz 也是一个好主意,可能使用单独的传感器。