Luận văn thạc sĩ vật lý - chương 3

Luận văn thạc sĩ vật lý - chương 3

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÁY ĐO MÀU 3 KÍCH THÍCH THÀNH

PHẦN 3.1 Cơ sở chế tạo máy đo

3.1.1 Cảm biến màu

Cảm biến màu là một thiết bị được sử dụng để “đọc” màu sắc của ánh sáng.Có nhiều loại cảm biến màu khác nhau nhưng nhìn chung chúng đều hoạt động theo một nguyên lý cơ bản Cấu tạo chung của các cảm biến màu là chúng gồm các photodiode để thu nhận ánh sáng Và để thu được màu sắc như mong muốn mỗi một tế bào của cảm biến sẽ được phủ một tấm lọc màu, ví dụ như một tấm lọc màu xanh sẽ chỉ cho qua những tia sáng xanh hay tấm lọc màu đỏ sẽ chỉ cho qua các tia màu đỏ…Và để có thể nhận dạng được màu sắc thì sẽ có bộ chuyển đổi

từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện áp hay tần số

Cảm biến màu được ứng dụng trong rất nhiều thiết bị như là camera, màn

và kiểm tra led, điều khiển quá trình máy dán nhãn và máy in… và đặc biệt là trong chế tạo các thiết bị đo màu

Trong các thiết bị đo màu thì các cảm biến màu thường hay sử dụng là cảm biến màu RGB Cảm biến màu RGB sử dụng các tấm lọc màu Red Green và Blue

để có thể “đọc” được 3 ánh sáng Red, Green và Blue (các ánh sáng cơ bản) từ chùm ánh sáng chiếu tới nó

Hình 3.1: Cảm biến màu

* Cảm biến màu TCS230

Cảm biến màu TCS230 là một loại cảm biến màu RGB của hãng TAOS có cấu tạo bao gồm các photodiode silicon kết hợp với các tấm lọc Red, Green, Blue đồng thời chuyển đổi cường độ của các ánh sáng này sang tần số tương ứng (tần số ánh sáng

tỉ lệ thuận với cường độ của ánh sáng ) tất cả được tích hợp trên một chip đơn

TCS230 gồm có 8 x 8 photodiode chia thành 4 nhóm với tổng số 16

Red, 16 photodiode lọc ánh sáng Green, 16 photodiode lọc ánh sáng Blue và 16 photodiode không lọc màu Bốn loại photodiode được đan vào nhau để giảm thiểu những hiệu ứng không đồng nhất của chùm bức xạ chiếu tới Tất cả 16 loại photodiode cùng loại (lọc cùng màu) được kết nối tương tự nhau

Từ cấu tạo của cảm biến màu ở trên ta thấy cảm biến TCS230 có 2 tác dụng chính là lọc những ánh sáng màu không cần thiết chỉ cho qua những ánh sáng màu cần thiết đồng thời sau đó nó sẽ chuyển đổi cường độ của các ánh sáng màu mà nó cho qua sang tần số tương ứng (chuyển đổi ở đây là chuyển đổi một cách tuyến tính tức tần số sau chuyển đổi tỉ lệ thuận với cường độ trước chuyển đổi) Theo thuyết

ba màu thì một màu có thể được mô tả bởi 3 thông số của 3 màu cơ bản kết hợp tạo nên màu đó Như vậy, từ 3 giá trị tần số của 3 màu Red, Green và Blue mà cảm biến đọc được ta có thể xác định được màu mà ta cần đo

Hình 3.2: Sơ đồ khối chức năng của cảm biến TCS230

Đáp ứng phổ của cảm biến [19]

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống của máy đo màu kích thích 3 thành

phần sử dụng cảm biến màu TCS230

Hình 3.3: Đáp ứng phổ của cảm biến TCS230

3.1.2 LED

LED là từ viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang Là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng Vật liệu cấu tạo nên LED quyết định màu của ánh sáng được phát ra LED được coi là 1 trong các nguồn quang điện tử phổ biến nhất Không đắt tiền, tiêu thụ ít công suất, và tương thích dễ dàng các mạch điện tử

LED phát ánh sáng trắng là một cải tiến trong công nghệ chế tạo thiết bị chiếu sáng cũng như trong các thiết bị sử dụng nguồn ánh sáng trắng, nhờ vào đặc điểm nỗi bật của LED phát ánh sáng trắng so với các nguồn phát ánh sáng trắng truyền thống là chúng có kích thướt nhỏ gọn, công suất phát lớn hơn gấp nhiều lần, giá thành rẻ bên cạnh đó chúng rất ít tiêu hao năng lượng, và không nóng Do đặc điểm như vậy nên việc chọn LED phát ánh sáng trắng là nguồn chiếu sáng trong thiết bị

đo màu là một lựa chọn hợp lý

3.2 Thiết kế mô hình

3.2.1 Nguyên lý máy đo màu kích thích ba thành phần

Máy đo màu kích thích ba thành phần được thiết kế để có thể đo màu của một

bề mặt phản xạ hoặc là màu của ánh sáng

Máy đo được thiết kế có cấu tạo bao gồm một bộ nguồn phát ra ánh sáng trắng Trong trường hợp đo màu của một bề mặt phản xạ thì nguồn sáng này sẽ

Hình 3.4: LED phát ánh sáng trắng

bề mặt của mẫu đo sẽ được đi qua một cảm biến màu Cảm biến màu này có tác

dụng lọc chùm ánh sáng tới nó chỉ cho 3 chùm Red, Green và Blue đi qua đồng thời

nó sẽ chuyển đổi cường độ của các chùm ánh sáng màu thành tần số tương ứng

Ngoài ra máy đo còn được thiết kế để có thể đo màu của ánh sáng màu (màu của

ánh sáng được phát ra từ một LED màu hoặc là màu được phát ra từ một màn

hình…), lúc này máy đo sẽ hoạt động ở cơ chế là sẽ tắt nguồn chiếu sáng của máy

và ánh sáng màu cần đo sẽ được chiếu trực tiếp tới cảm biến màu

3.2.2 Nguồn chiếu sáng

Đây là hệ thống đóng vai trò khá quan trọng trong cấu tạo của máy đo Ở đây,

nguồn chiếu sáng của máy đo là một bộ LED bán dẫn phát ánh sáng trắng, có vùng

phổ rộng đảm bảo bề mặt mẫu được chiếu sáng như nguồn sáng tự nhiên Khối

nguồn sáng được thiết kế ngăn cách hoàn toàn với cảm biến để tránh nhiễu cho cảm

biến Cường độ phát của khối nguồn sáng đủ lớn đảm bảo để có thể phát tới bề mặt

màu mà không có sự thay đổi về công suất của nguồn sáng Bên cạnh đó hệ thống

chiếu sáng này tương đối ổn định, nhiệt độ của nguồn sáng ổn định, làm lạnh tốt,

nhằm hạn chế các ảnh hưởng đến kết quả đo

Hình 3.5: Lược đồ nguyên lý hoạt động của máy đo

3.2.3 Khối cảm biến

Khối cảm biến được thiết kế trên một mặt phẳng đảm bảo lượng ánh sáng được chiếu tới cảm biến sẽ được các phần tử thu quang của cảm biến thu nhận một lượng ánh sáng là đồng đều nhau Khối cảm biến được thiết kế trong một buồng tối được sơn bởi một lớp sơn đen, ngăn cách hoàn toàn với nguồn sáng của máy đo, chỉ

góc được hợp bởi chùm tia tới mẫu và chùm tia phản xạ từ mẫu)

Hình 3.5: Phổ phân bố năng lượng của khối nguồn sáng

3.2.4.Sơ đồ mạch điều khiển của máy đo

Khi hoạt động máy đo được nối với nguồn điện Vì máy được thiết kế để có thể đo ở 2 chế độ đo chủ động và đo bị động Chế độ đo chủ động là máy đo sẽ sử dụng nguồn chiếu sáng của máy để chiếu sáng trực tiếp lên mẫu đo, còn chế độ đo

bị động là máy đo sẽ sử dụng nguồn chiếu sáng của môi trường xung quanh vật thể Hình 3.6: Sơ đồ mạch của máy đo màu kích thích 3 thành phần

cần đo hay là ánh sáng phát ra trực tiếp từ vật thể cần đo Trước khi tiến hành phép

đo máy sẽ hỏi ta là chọn chế độ đo chủ động hay bị động, nếu ta chọn chế độ đo bị động máy sẽ tự động tắt nguồn

3.2.5 Xử lý và hiển thị kết quả

Tín hiệu sau khi ra khỏi máy đo là tần số của 3 màu R, G, B thành phần tạo nên màu mà máy đo được Tín hiệu này sẽ được chuyển đến máy tính để xử lý, chuyển đổi và hiệu chỉnh thông qua phần mềm chuyên dụng Visual Basic và những tính toán trên Matlab

Các giá trị màu cuối cùng thông qua vi xử lý sẽ được hiển thị trên màn hình LCD gắn trực tiếp trên máy Điều này giúp cho việc sử dụng máy đo màu linh hoạt hơn do không phụ thuộc vào sự có mặt của máy vi tính Đây cũng chính là một đặc điểm nổi bật quan trọng của máy đo màu TCS230

Trong trường hợp người sử dụng dùng máy tính để giao tiếp với máy đo (thực hiện chuẩn hóa, cân chỉnh) thì giao diện trên máy tính như hình 3.7

Hình 3.7: Giao diện của máy đo với máy tính

Hình 3.8: Máy đo màu kích thích ba thành phần sử dụng cảm biến màu

TCS230 thực tế