Aperçu du projet

Je suis chargé de développer un dispositif basé sur un microprocesseur qui, lorsqu'il est montré une lumière, peut déterminer la source de la lumière (lumière naturelle, ampoules fluorescentes, ampoules LED, ampoules à incandescence, flamme - feu de forêt). A ce stade, seule la lumière visible est prise en compte.

D'après mes recherches, la seule façon de différencier la source de lumière est d'analyser le spectre d'émission et de le faire correspondre étroitement aux valeurs connues . Exemple:

Solutions envisagées

Mesure du rapport de composition RVB de la lumière

J'ai envisagé de suivre cette voie car cela ne semble pas trop compliqué, un appareil plus petit, peut être facilement intégré dans le plus grand projet en tant que détecteur d'incendie de forêt et même suggéré par mon superviseur. Mais je doute que ce soit très précis car certaines sources de lumière peuvent avoir des valeurs proches (l'intensité est ce qui est mesuré sur une longueur d'onde de parc à billes).

Le capteur que je regarde actuellement est le capteur couleur RVB S10917-35GT de Hamamatsu , sensible uniquement aux longueurs d'onde requises.

Construction d'un spectrographe haute résolution avec un film à réseau de diffraction

Cette route est beaucoup plus compliquée et nécessite un traitement externe des images pour déterminer la source lumineuse. Fondamentalement, vous construisez un spectrographe avec un film à réseau de diffraction et une caméra haute résolution. L'image est traitée avec un logiciel informatique pour tracer le graphique du spectre d'émission et vous pouvez analyser le graphique pour déterminer la source de lumière. Le guide de développement est ici

Malheureusement, ce n'est pas très pratique car nous préférerions que l'objectif principal de l'appareil fonctionne seul sans réseau.

Donc, la question

• Y a-t-il un inconvénient à ma première solution?
• Y a-t-il une meilleure solution? Peut de préférence tenir sur un appareil autonome?
• Cela serait probablement exagéré, mais existe-t-il un capteur qui peut analyser une émission de lumière et fournir des valeurs d'intensité sur une gamme de longueurs d'onde choisies? Ou au moins quelque chose qui m'aiderait à construire un appareil qui le fasse.

Vous cherchez vraiment quelqu'un qui a déjà résolu cela, je suppose. Mais je ne connais aucun projet, moi-même. Donc, tout ce que je peux offrir, ce sont quelques réflexions à considérer.

Sur les spectromètres:

1. $\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$
2. Les petits appareils photo numériques mégapixels sont également bon marché. Un tableau pourrait également être utilisé, mais de nos jours, il semble qu'une caméra 2D entière soit moins chère et plus disponible. Je ne m'embêterais donc pas avec un tableau.
3. En utilisant un DVD-RW, vous pouvez réellement séparer les raies spectrales jaunes du mercure à 577 nm et 579 nm. (Pas avec un CD, cependant.) Je l'ai fait moi-même en utilisant un DVD-RW et une lampe au mercure-argon.
4. L'étalonnage de la longueur d'onde est bon marché. Procurez-vous simplement une lampe au mercure-argon. Vous obtiendrez les lignes d'argon dans la première minute environ, puis les lignes de mercure domineront plus tard. Grâce à leur combinaison, vous pouvez facilement calibrer les pixels de votre appareil photo par rapport à la longueur d'onde. Les lampes Hg-Ar utilisées pour l'étalonnage me coûtaient environ 8 $, mais je m'attends à ce qu'elles soient plus chères maintenant.
5. L'étalonnage d'intensité coûte cher. Vous avez besoin d'une lampe standard, traçable aux normes NIST, et celles-ci doivent être recalibrées après 100 heures d'utilisation, ou plus. Ce sont des ampoules bon marché, non calibrées. Mais le processus d'étalonnage coûte de l'argent réel. Ensuite, vous devez également configurer un arrangement optique approprié. Mais c'est le seul moyen de comprendre comment chacun de vos pixels réagit à chacune des longueurs d'onde avec lesquelles ils sont frappés. Franchement, j'essaierais d'éviter tout cela et j'espère que je n'en ai pas eu besoin ou que je pourrais simplement appliquer une approximation de base d'une lampe standard et ne pas gaspiller de l'argent pour l'étalonnage réel, en espérant que ce que j'ai obtenu était assez bon. Ou tout simplement ne vous embêtez pas du tout et utilisez une équation et un chiffre truqués, "oh, eh bien", et voyez comment ça se passe. Il y a de fortes chances que vous puissiez faire disparaître cette étape et obtenir des résultats utiles si vous réfléchissez bien.
6. Vous pouvez probablement envisager de passer de 450 nm à 750 nm, mais vous ne pouvez pas espérer dépasser une octave avec un seul réseau. Vous voudrez peut-être une sorte de filtre impliqué afin de ne pas mélanger les énergies spectrales sur les mêmes pixels. Ou ne vous inquiétez pas et faites des expériences.
7. Un déflecteur optique sera souhaité pour éviter d'avoir une lumière étrangère là où elle n'est pas souhaitée.
8. Tony m'a juste rappelé ... vous aurez besoin d'une fente étroite - à peu près aussi étroite que possible. Je préfère l'utilisation de deux lames de rasoir à l'ancienne qui peuvent être ajustées. Un fixe, un mobile. Mais pour la boîte en papier cartonné, je viens d'utiliser une lame exacto «très soigneusement» pour créer une fente étroite et uniformément étroite.

J'ai fait tout cela en utilisant une feuille de papier (papier cartonné) que j'imprime, puis découpe, plie les onglets, utilise la colle d'Elmer et crée une boîte avec des chicanes essentiellement en papier. Le déflecteur utilise un flocage sombre spécial pour aider à absorber et bloquer la lumière capricieuse. Le DVD glisse à l'angle correct et une petite caméra est ensuite placée à la sortie. Je l'ai utilisé de mon propre œil pour observer différents éclairages dans la maison et cela fonctionne parfaitement bien, à mon avis. Je n'ai aucun mal à faire la différence entre les sources d'éclairage incandescentes, fluorescentes et LED. Et le soleil, d'ailleurs. J'ai essayé un DVD-R et j'ai immédiatement vu une énorme bande manquante dans le rouge, c'est pourquoi je vous dis que vous avez besoin d'un DVD-RW si vous vous souciez de cette région.

Je pourrais publier des plans pour tout cela, je suppose. Emplacement de la fente, angle du DVD, etc. Bien que ma conception de boîte utilise l'intégralité du DVD-RW (parce que je voulais pouvoir insérer d'autres supports DVD et / ou un CD (sous un angle différent, j'en avais donc fait deux différents fentes d'insertion à cet effet), seule une infime partie de la surface du DVD-RW est réellement impliquée (si elle est correctement déconcertée.) J'ai donc également aimé utiliser l'intégralité du DVD-RW pour cette raison également, car couper le DVD en morceaux serait le souligner et je ne voulais pas faire ça non plus.

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

Sur RVB:

Le capteur RVB que vous avez mentionné a, comme je m'y attendais, une très large acceptation des longueurs d'onde dans chacun des trois capteurs. Les LED ont tendance à avoir des plages de réponse très larges (elles émettent et reçoivent sur une large gamme de longueurs d'onde). Ce capteur a des réponses qui se chevauchent légèrement. À quel point tout cela fonctionnera pour vous, ce serait une question d'expérimentation, je pense. Vous pouvez appliquer un code informatique à la place, en utilisant vos courbes et les fonctions de réponse du capteur pour voir s'il serait utilisable. Mais je ne vais même pas essayer de l'écrire pour vous. La meilleure chose à faire serait peut-être de vous attacher et d'acheter le capteur et de faire des tests avec. Cela peut être très bien pour vos besoins. Mais je ne peux pas vous dire oui ou non, à partir d'une analyse rapide de celui-ci. Je n'ai pas non plus essayé de le faire avec RGB, c'est donc une autre raison pour laquelle je peux '

J'ai aimé le commentaire d'Eugene sur la fréquence, aussi. Les ampoules à incandescence (et je l'ai testé à l'aide d'un instrument très sensible - avec des dizaines de résolution microKelvin et des centaines de précision microKelvin traçables aux normes NIST, alors que je travaille sur de telles choses) varieront d'environ 3% de leur amplitude pendant le cycle AC à 60 Hz. (Ce serait différent avec 50 Hz.) Les fluorescents fonctionnent aux fréquences du secteur et aussi aux hautes fréquences (les deux sont fabriqués et utilisés.) Mais leurs émissions se font par le biais des luminophores, qui ont souvent des temps de réponse rapides. (Certains luminophores sont lents, de l'ordre de la milliseconde taus en raison de la dépendance des transitions triplet-singulet interdites. Mais beaucoup d'entre eux sont assez rapides - microseconde taus.) Vous devrez peut-être faire quelques expériences ici. Mais je pense que cela pourrait être fructueux, car vous pouvez concevoir des circuits électroniques pour des bandes très étroites si vous le souhaitez. Vous' Je dois m'inquiéter de conditionner le signal afin de ne pas saturer la chaîne de l'amplificateur. Mais c'est faisable. Cependant, je n'ai pas regardé les fréquences utilisées dans les ampoules LED modernes. Et je vous laisse le soin de rechercher les détails sur Google. Cela dit, je pense que le point d'Eugène mérite également d'être examiné.

Personnellement? J'irais avec le DVD-RW parce que j'ai beaucoup d'expérience dans ce domaine, je sais que je peux le faire facilement, rapidement et à moindre coût, et parce que je pense que je pourrais éviter l'étape d'étalonnage d'intensité pour arriver là où vous en avez besoin aller. Les caméras sont très bon marché, tout comme la lampe Hg-Ar pour l'étalonnage de la longueur d'onde, périodiquement. Ce n'est presque pas du tout un travail. De plus, j'ai déjà fait le tour de la maison en vérifiant différentes sources de lumière avec une boîte à papier portable sans électronique du tout et j'étais parfaitement en mesure de voir les différences entre les différentes sources de lumière, à l'œil nu. Je sais donc que je peux y arriver à partir d'ici.

EDIT: Quelques images d'une vieille ampoule fluorescente. L'un d'eux à travers le spectre et l'autre zoomé un peu. Séparation assez cool du doublet de mercure là-bas!

Je me suis spécialisé dans le binning des LED pour la division OSRAM de Siemen il y a des années, en tant qu'entrepreneur. Donc, ce truc vient en partie de cette expérience. Nous avons d'abord utilisé des spectrophotomètres coûteux, mais nous sommes passés à Ocean Optics un peu plus tard (beaucoup moins cher.) Mais en attendant, je me suis beaucoup amusé avec des DVD et des CD, utilisés avec tout ce matériel d'étalonnage sophistiqué. (Y compris les calibrateurs de filaments disparus, que j'ai oublié de mentionner ci-dessus.) J'ai passé beaucoup de temps à étudier les rapports de réponse humaine avant et depuis la norme CIE 1931 et les derniers dans les années 1960. J'ai aussi beaucoup apprécié le travail d'Edwin Land à la fin des années 1970 et au début des années 1980 - des trucs très intéressants.

Je vais être d'accord avec jonk, mais suggérer une méthode plus simple d'identification des sources.

Construisez un spectromètre avec caméra (à l'aide d'un DVD ou d'un autre réseau de diffraction.) Rendez-le mécaniquement solide afin que la caméra, le réseau et l'écran ne puissent pas se déplacer l'un par rapport à l'autre.

Ne vous embêtez pas du tout avec l'étalonnage. Vous souhaiterez également désactiver la balance des blancs automatique dans l'appareil photo et utiliser une balance des blancs fixe.

Exposez votre détecteur à des exemples des différentes sources de lumière que vous souhaitez détecter et enregistrez les images.

Maintenant, vous pouvez utiliser votre choix de méthodes de traitement du signal pour détecter lequel de vos spectrogrammes stockés correspond le mieux au spectrogramme actuel.

OpenCV ou Gnu Octave ou SciPy présentent toutes des méthodes réalisables pour détecter les similitudes.

Beaucoup de bonnes réponses ici déjà, mais pour fournir quelques commentaires spécifiques à vos dernières questions:

Y a-t-il un inconvénient à ma première solution?

L'inconvénient est que vous n'avez que trois points de données (r, g, b) pour juger de la couleur et, selon les différentes sources de lumière que vous essayez de distinguer, vous ne pourrez peut-être pas les distinguer. C'est le même problème qu'un appareil photo numérique rencontre lorsqu'il essaie de régler la balance des blancs, et parfois, l'appareil photo se trompe et les couleurs de la photo sont déformées. Cependant, si vous autorisez un appareil photo numérique à imager un objet connu, comme le même morceau de papier blanc, il serait probablement capable de distinguer la source de lumière la plupart du temps.

Existe-t-il un capteur qui peut analyser une émission de lumière et fournir des valeurs d'intensité sur une gamme de longueurs d'onde choisies?

Un spectromètre à réseau (ou prisme) fait exactement cela; il fournit l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde.

Alternativement, si vous voulez seulement quelques capteurs, vous pouvez simplement prendre un photodétecteur au silicium et placer le filtre optique approprié (verre coloré) devant pour ne laisser passer que la plage de longueurs d'onde d'intérêt au filtre. Un avantage de cette approche serait que les photodétecteurs simples pourraient probablement fonctionner plus rapidement qu’un détecteur matriciel, et pourraient vous permettre d’observer la structure temporelle des motifs caractéristiques de la lumière et du spot, comme la fluctuation de 60 Hz d’une ampoule ou la scintillement rapide d'une flamme.

Vous n'avez pas à construire votre propre spectromètre, les appareils sont déjà disponibles sur étagère, comme ce C12666MA ultra compact de Hamamatsu .

La résolution spectrale de 15 nm pourrait être très bien pour cette tâche.

C'est aussi une bonne idée de distinguer DC et 50/60 Hz, peut-être avec un capteur séparé.

Les caméras fonctionnent dans une certaine mesure exactement comme vous montrez les capteurs RVB. Si vous aviez déjà essayé de capturer des couleurs saturées de LED dans une lumière à haute densité, vous comprendrez ses limites, mais pour les photos à large spectre comme nous le savons, cela fonctionne bien.

Cela dépend de ce que vous voulez mesurer.

Par exemple, la lumière blanche n'est que notre perception des capteurs RVB dans nos yeux et la lumière incidente peut nous faire croire que la lumière du jour est juste l'équilibre de la lumière convertie en phosphore bleu et jaune-rouge afin que les pics soient égaux (lorsqu'ils sont convertis en correction oculaire CIE les niveaux)

Mais la réalité est tout à fait différente lorsque nous comparons une source halogène sur une large palette de couleurs réfléchies et la comparons avec une LED blanche 4500-5000'K 81% CRI White. Maintenant, les couleurs sont différentes en raison du spectre manquant dans la source.

Pour plus de précision, votre seul espoir est un instrument de méthode de diffraction calibrée. Pour les couleurs incidentes du globe oculaire réfléchies sur du papier à échelle de dégradé avec une gamme de couleurs complète, une caméra RVB fonctionnera. assez proche avec un capteur / détecteur RVB calibré et un logiciel. Mais ce n'est pas ainsi qu'ils le font dans l'industrie, mais c'est essentiellement ainsi que les scanners de papier fonctionnent avec l'étalonnage interne RVB + N / B avant le début de la numérisation.

Les analyseurs de spectre lumineux professionnels mesurent x, y, u, v et de nombreux autres paramètres de la lumière blanche.

C'est donc une vieille question, et je me demande quelle était la solution, mais en regardant les réponses, je suis assez surpris de ne pas voir une solution assez évidente.

Tout d'abord, vous n'avez pas besoin d'analyser l'ensemble du spectre. Échantillonnez-le simplement de manière à maximiser la séparation des sources. Étant donné que vous avez relativement peu de sources, vous pouvez le faire à l'œil nu, ou exécuter une analyse PCA ou ICA sur une version discrète du spectre attendu. Une fois que vous avez sélectionné une poignée de régions spectrales, vous pouvez continuer.

Deuxièmement, je considérerais sérieusement la région infrarouge. Principalement parce qu'un incendie y aurait une émission abondante, mais surtout parce que les capteurs dans cette région sont très courants.

Troisièmement, sélectionnez un capteur discret ou une combinaison capteur / filtre qui vous fournit une réponse spectrale suffisamment bonne dans la première bande souhaitée. Notez qu'il existe de nombreux filtres, photodiodes, phototransistors et dispositifs PIR bon marché qui peuvent être sélectionnés par longueur d'onde (même les LED monochromes peuvent fonctionner à la rigueur).

Quatrièmement, si vous faites cela mathématiquement, projetez vos réponses attendues dans la réponse du capteur / filtre et soustrayez-la afin de pouvoir répéter la procédure avec la bande significative suivante. Sinon, il suffit de se chevaucher et d'estimer la région suivante.

Notez que les filtres peuvent également être utilisés pour supprimer des bandes. Si deux capteurs couvrent la zone parfaite, mais que leurs réponses se chevauchent trop, la soustraction de la bande de chevauchement augmenterait leur discrimination. .

Après avoir répété cela deux ou trois fois, vous disposerez d'un petit ensemble de capteurs bon marché que vous pourrez utiliser. Mettez des circuits autour d'eux et calibrez votre réponse avec quelques sources connues. Si vous avez fait la séparation correctement, vous n'aurez besoin que d'un étalonnage approximatif pour la sensibilité de votre conception de filtre / capteur / circuit.

C'est fondamentalement l'idée du capteur RVB, mais en utilisant des cellules de longueur d'onde correctement réglées au lieu de cellules plutôt arbitraires.

Si vous n'avez pas besoin d'une sensibilité radiométrique très élevée, collimatez-la, passez-la à travers un réseau et transférez l'image sur un réseau de capteurs linéaires. L'analyse du spectre est facile si vous avez un microprocesseur. La variation temporelle seule ne devrait pas très bien fonctionner, car les systèmes d'éclairage grand public varient considérablement en fréquences de scintillement. Les seules choses qui seront difficiles à distinguer du spectre sont les incandescentes et les flammes. Vous pouvez utiliser la variation temporelle pour cela, en supposant que la flamme sera assez aléatoire et que l'incandescente devrait avoir une composante distincte de 60 Hz. Attention cependant, l'électronique a tendance à capter les 60 Hz parasites, vous devrez donc vous assurer que vous voyez de la lumière à 60 Hz et non du bruit à 60 Hz. Les capteurs linéaires sont une pièce simple et bon marché que vous ne devriez pas t aucun problème d'interfaçage. La seule façon dont je pouvais voir cela fonctionner avec 3 canaux est si vous essayiez seulement de classer la flamme et que vous pouviez déverser toutes les autres sources de lumière dans une pile "ne vous en souciez pas". Dans ce cas, vous pouvez raisonnablement prendre n'importe quoi avec, disons, beaucoup plus de NIR que d'émission bleue pour être incandescent ou à flamme. Si vous êtes prêt à travailler avec des détecteurs MWIR, vous pouvez ignorer la variation temporelle et simplement rechercher le pic d'émission de CO2. L'incandescent ne devrait pas avoir ça. C'est ce que beaucoup de capteurs commerciaux utilisent. bien plus NIR que l'émission bleue pour être incandescent ou flamme. Si vous êtes prêt à travailler avec des détecteurs MWIR, vous pouvez ignorer la variation temporelle et simplement rechercher le pic d'émission de CO2. L'incandescent ne devrait pas avoir ça. C'est ce que beaucoup de capteurs commerciaux utilisent. beaucoup plus NIR que l'émission bleue pour être incandescent ou flamme. Si vous êtes prêt à travailler avec des détecteurs MWIR, vous pouvez ignorer la variation temporelle et simplement rechercher le pic d'émission de CO2. L'incandescent ne devrait pas avoir ça. C'est ce que beaucoup de capteurs commerciaux utilisent.