Visão Geral do Projeto

Tenho a tarefa de desenvolver um dispositivo baseado em microprocessador que, quando mostrado uma luz, possa determinar a fonte da luz (luz natural, lâmpadas fluorescentes, lâmpadas LED, lâmpadas incandescentes, chama - incêndio florestal). Nesta fase, apenas a luz visível é considerada.

Da minha pesquisa, a única maneira de diferenciar a fonte de luz é analisando o espectro de emissão e combinando-o de perto com os valores conhecidos . Exemplo:

Soluções consideradas

Medir a proporção da composição RGB da luz

Eu considerei seguir esse caminho, pois não parece muito complicado, um dispositivo menor, pode ser facilmente integrado ao projeto maior como um detector de incêndio florestal e até sugerido pelo meu supervisor. Mas tenho dúvidas de que isso seria muito preciso, pois algumas fontes de luz podem ter valores próximos (a intensidade é o que está sendo medido no comprimento de onda de um parque de bolas).

O sensor que estou vendo atualmente é o sensor de cores RGB S10917-35GT da Hamamatsu , sensível apenas aos comprimentos de onda necessários.

Construindo um espectrógrafo de alta resolução com um filme de grade de difração

Essa rota é muito mais complicada e requer processamento externo das imagens para determinar a fonte de luz. Basicamente, você constrói um espectrógrafo com uma grade de difração e uma câmera de alta resolução. A imagem é processada com um software de computador para plotar o gráfico do espectro de emissão e você pode analisar o gráfico para determinar a fonte de luz. O guia de desenvolvimento está aqui

Infelizmente, isso não é muito conveniente, já que preferimos que o objetivo principal do dispositivo funcione por conta própria sem qualquer rede.

Então, a pergunta

• Existe alguma desvantagem na minha primeira solução?
• Existe uma solução melhor? De preferência, pode caber em um dispositivo autônomo?
• Provavelmente isso seria muito difícil, mas existe um sensor capaz de analisar uma emissão de luz e fornecer valores de intensidade em uma variedade de comprimentos de onda escolhidos? Ou pelo menos algo que me ajudaria a construir um dispositivo que faça isso.

Você realmente está procurando alguém que já tenha resolvido isso, suponho. Mas eu não conheço nenhum projeto. Então, tudo o que posso oferecer são alguns pensamentos a considerar.

Em espectrômetros:

1. Para um dispositivo espectrômetro, um DVD-RW (não use DVD-R, pois absorve bandas substanciais na região vermelha) fornece 1350 , para que é muito barato e prontamente disponível.$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$
2. Pequenas câmeras digitais megapixel também são baratas. Uma matriz também pode ser usada, mas atualmente parece que uma câmera 2D inteira é mais barata e mais disponível. Então eu não me incomodaria com uma matriz.
3. Usando um DVD-RW, você pode realmente separar as linhas espectrais amarelas de mercúrio a 577 nm e 579 nm. (Mas não com um CD.) Eu mesmo fiz isso usando um DVD-RW e uma lâmpada de mercúrio-argônio.
4. A calibração do comprimento de onda é barata. Basta pegar uma lâmpada de mercúrio-argônio. Você obterá as linhas de argônio no primeiro minuto, aproximadamente, depois as linhas de mercúrio serão dominadas mais tarde. A partir da combinação deles, você pode calibrar facilmente os pixels da câmera versus o comprimento de onda. As lâmpadas Hg-Ar usadas para calibração costumavam me custar cerca de US $ 8, mas espero que sejam mais caras agora.
5. A calibração de intensidade é cara. Você precisa de uma lâmpada padrão, rastreável aos padrões NIST, e estes precisam ser recalibrados após aproximadamente 100 horas de uso. São lâmpadas baratas, não calibradas. Mas o processo de calibração custa dinheiro real. Então você também deve configurar um arranjo óptico adequado. Mas esta é a única maneira de descobrir exatamente como cada um dos seus pixels responde a cada um dos comprimentos de onda com os quais está sendo atingido. Sinceramente, tentaria evitar isso e espero não precisar, ou apenas aplicar uma aproximação básica de uma lâmpada padrão e não desperdiçar dinheiro com a calibração real, esperando que o que recebi fosse bom o suficiente. Ou simplesmente não se incomode e use uma equação e figura falsas, "oh, bem", e veja como as coisas funcionam. As chances são de que você pode fazer essa etapa desaparecer e ainda obter resultados úteis se apenas pensar com cuidado.
6. Você provavelmente pode considerar ir de 450 nm a 750 nm, mas não pode esperar exceder uma oitava com uma única grade. Você pode querer algum tipo de filtro envolvido para não misturar energias espectrais nos mesmos pixels. Ou simplesmente não se preocupe com isso e faça algumas experiências.
7. Será desejável um desconcerto óptico para evitar a obtenção de luz estranha onde não é desejada.
8. Tony acabou de me lembrar ... você precisará de uma fenda estreita - o mais estreita que puder. Prefiro o uso de duas lâminas de barbear antigas que podem ser ajustadas. Um fixo, um móvel. Mas para a caixa de papel cartão, usei uma lâmina de exacto 'com muito cuidado' para criar uma fenda estreita e uniforme.

Fiz tudo isso usando uma folha de papel (cartolina) que imprimo e, em seguida, corta, dobra as abas, usa a cola de Elmer e cria uma caixa com defletores feitos essencialmente de papel. O desconcertante usa flocos escuros especiais para ajudar a absorver e bloquear a luz rebelde. O DVD desliza no ângulo correto e uma pequena câmera é colocada na saída. Eu usei isso com meu próprio olho para observar diferentes luzes da casa e, na minha opinião, funciona PERFEITAMENTE bem. Não tenho problemas para diferenciar fontes de iluminação incandescente, fluorescente e LED. E o sol, aliás. Eu tentei um DVD-R e imediatamente vi uma enorme banda desaparecida no vermelho, e é por isso que estou lhe dizendo que você precisa de um DVD-RW se se importa com essa região.

Eu poderia publicar alguns planos para tudo isso, suponho. Localização da fenda, ângulo do DVD, etc. Enquanto o design da minha caixa usa todo o DVD-RW (porque eu queria poder colocar em outra mídia de DVD e / ou CD (em um ângulo diferente, fiz duas slots de inserção para esse fim), apenas uma pequena parte da superfície do DVD-RW está realmente envolvida (se confundida corretamente.) Então, eu também gostei de usar todo o DVD-RW por esse motivo também, porque cortar o DVD em pedaços estressá-lo e eu também não queria fazer isso.

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

No RGB:

O sensor RGB que você mencionou tem, como eu esperava ver, uma aceitação muito ampla dos comprimentos de onda em cada um dos três sensores. Os LEDs tendem a ter amplos intervalos de resposta (eles emitem e recebem uma grande variedade de comprimentos de onda). Esse sensor possui respostas modestas sobrepostas. Quão bem tudo isso funcionará para você seria uma questão de experimentação, eu acho. Em vez disso, você pode aplicar algum código de computador, usando suas curvas e as funções de resposta do sensor para verificar se ele pode ser reparado. Mas eu nem vou tentar escrever para você. Talvez a melhor coisa seja você comprar o sensor e fazer alguns testes com ele. Pode ser bom para suas necessidades. Mas não posso dizer sim ou não, a partir de uma verificação rápida. Também não tentei fazer isso com RGB, por isso é outra razão pela qual posso '

Gostei do comentário de Eugene sobre a frequência, também. Lâmpadas incandescentes (e eu testei isso usando um instrumento muito sensível - com dezenas de resolução microKelvin e centenas de precisão microKelvin rastreáveis ​​aos padrões NIST, enquanto trabalho nessas coisas) variarão cerca de 3% de sua amplitude durante o ciclo AC a 60 Hz. (Seria diferente com 50 Hz.) Os fluorescentes operam nas frequências da rede elétrica e também nas altas frequências (ambas são fabricadas e usadas.) Mas suas emissões são através de fósforos, que geralmente têm tempos de resposta rápidos. (Alguns fósforos são lentos, ordem de milissegundos taus devido à dependência das transições proibidas de tripleto para singleto. Mas muitos deles são bastante rápidos - microssegundos taus.) Talvez você precise fazer algumas experiências aqui. Mas acho que isso pode ser proveitoso, porque você pode projetar circuitos eletrônicos para bandas muito estreitas, se quiser. Vocês' teria que se preocupar em condicionar o sinal para não saturar a cadeia do amplificador. Mas isso é factível. Porém, não observei as frequências usadas nas modernas lâmpadas LED. E eu vou deixar para você pesquisar detalhes lá. Tudo isso dito, acho que o mérito de Eugene também merece ser examinado.

Pessoalmente? Eu usaria o DVD-RW porque tenho muita experiência em fazer isso, sei que posso fazê-lo com facilidade, rapidez e baixo custo, e porque acho que poderia evitar a etapa de calibração de intensidade para chegar onde você precisa. vai. As câmeras são muito baratas e também a lâmpada Hg-Ar para calibração do comprimento de onda, periodicamente. Quase não dá trabalho. Além disso, eu já andei pela casa verificando diferentes fontes de luz com uma caixa de cartão portátil sem nenhum equipamento eletrônico e fui perfeitamente capaz de ver as diferenças em várias fontes de luz a olho nu. Então eu sei que posso chegar lá daqui.

EDIT: Algumas imagens de uma lâmpada fluorescente antiga. Um deles em todo o espectro e o outro aumentaram um pouco. Separação bem legal do gibão de mercúrio lá!

Eu me especializei em binning LEDs para a divisão OSRAM da Siemen anos atrás, como contratada. Portanto, esse material vem em parte dessa experiência. Usamos espectrofotômetros caros pela primeira vez, mas mudamos para a Ocean Optics algum tempo depois (muito mais barato). Enquanto isso, eu me divertia muito com DVDs e CDs, usados ​​com todo aquele equipamento de calibração sofisticado. (Incluindo calibradores de filamentos em desaparecimento, que eu esqueci de mencionar acima.) Passei MUITO tempo estudando relatórios de resposta humana antes e desde o padrão CIE 1931 e os posteriores na década de 1960. Também gostei muito do trabalho de Edwin Land no final dos anos 70 e início dos anos 80 - coisas muito interessantes.

Vou concordar com o jonk, mas sugiro um método mais simples de identificar fontes.

Construa um espectrômetro com a câmera (usando um DVD ou outra grade de difração). Torne-o mecanicamente sólido para que a câmera, a grade e a tela não possam se mover em relação uma à outra.

Não se preocupe com a calibração - de maneira alguma. Você também deseja desativar o balanço de branco automático na câmera e usar um balanço de branco fixo.

Exponha seu detector a exemplos das diferentes fontes de luz que você deseja detectar e grave as imagens.

Agora, você pode usar seus métodos de processamento de sinal para detectar qual dos espectrogramas armazenados corresponde mais ao espectrograma atual.

OpenCV ou Gnu Octave ou SciPy todos apresentam métodos viáveis ​​para detectar semelhanças.

Muitas ótimas respostas aqui já, mas para fornecer alguns comentários específicos às suas perguntas finais:

Existe alguma desvantagem na minha primeira solução?

A desvantagem é que você tem apenas três pontos de dados (r, g, b) para julgar a cor e, dependendo das diferentes fontes de luz que você está tentando distinguir, talvez não seja possível diferenciá-las. Esse é o mesmo problema que uma câmera digital encontra ao tentar definir o balanço de branco e, às vezes, ela acha errado e as cores da foto ficam distorcidas. No entanto, se você permitir que uma câmera digital faça a imagem de um objeto conhecido, como o mesmo pedaço de papel branco, provavelmente será capaz de distinguir a fonte de luz na maior parte do tempo.

existe um sensor por aí que possa analisar uma emissão de luz e fornecer valores de intensidade em uma variedade de comprimentos de onda escolhidos?

Um espectrômetro baseado em grade (ou prisma) faz exatamente isso; fornece a intensidade da luz em função do comprimento de onda.

Como alternativa, se você quiser apenas alguns sensores, pode simplesmente pegar um fotodetector de silício e colocar o filtro óptico apropriado (vidro colorido) na frente dele para permitir apenas que a faixa de interesse passe no filtro. Uma vantagem dessa abordagem seria que os fotodetectores únicos provavelmente poderiam operar mais rapidamente do que um detector de matriz e permitir que você olhe para a estrutura temporal dos padrões característicos da luz e do ponto, como a flutuação de 60 Hz de uma lâmpada ou o detector. cintilação rápida de uma chama.

Você não precisa montar seu próprio espectrômetro, os dispositivos já estão disponíveis, como este C12666MA ultra compacto da Hamamatsu .

A resolução espectral de 15 nm pode ser ótima para esta tarefa.

Também é uma boa idéia diferenciar CC e 50/60 Hz, talvez com um sensor separado.

As câmeras funcionam de alguma maneira exatamente da maneira como você mostra os sensores RGB. Se você já teve experiência tentando capturar cores saturadas de LEDs em luz de alta densidade, entenderá suas limitações, mas para fotos de amplo espectro, como sabemos, funciona bem.

Depende do que você deseja medir.

Por exemplo, luz branca é apenas a nossa percepção dos sensores RGB em nossos olhos e a luz incidente pode nos fazer pensar que a luz do dia é apenas o equilíbrio da luz convertida em fósforo azul e amarelo-vermelho, para que os picos sejam iguais (quando convertidos para correção ocular CIE níveis)

Mas a realidade é bem diferente quando comparamos uma fonte de halogênio em um amplo palete de cores refletidas e comparamos com um LED branco 4500-5000'K 81% CRI da luz do dia. Agora, as cores parecem diferentes devido ao espectro ausente na fonte.

Para maior precisão, sua única esperança é um instrumento de método de difração calibrado. Para cores incidentes do globo ocular refletidas em papel de escala gradiente com uma gama de cores, uma câmera RGB funcionará. feche o suficiente com um sensor / unidade RGB calibrado e um software. Mas não é assim que eles fazem na indústria, mas é basicamente assim que os scanners de papel trabalham com calibração RGB + P / B interna antes do início da digitalização.

Os analisadores profissionais de espectro de luz medem x, y, u, ve muitos outros parâmetros da luz branca.

Essa é uma pergunta antiga, e me pergunto qual foi a solução, mas, olhando as respostas, fico bastante surpreso por não encontrar uma solução óbvia.

Primeiro, você não precisa analisar todo o espectro. Apenas experimente de uma maneira que maximize a separação das fontes. Dado que você tem relativamente poucas fontes, é possível fazer isso visualmente ou executar uma análise PCA ou ICA em uma versão discreta do espectro esperado. Depois de selecionar um punhado de regiões espectrais, você pode prosseguir.

Segundo, eu consideraria seriamente a região do infravermelho. Principalmente porque um incêndio teria emissão abundante lá, mas o mais importante é que os sensores nessa região são muito comuns.

Terceiro, selecione uma combinação discreta de sensor ou sensor / filtro que ofereça uma resposta espectral suficientemente boa na sua primeira banda desejada. Observe que existem muitos filtros, fotodiodos, fototransistores e dispositivos PIR de baixo custo que podem ser selecionados pelo comprimento de onda (até mesmo os LEDs de uma cor podem funcionar com facilidade).

Quarto, se você estiver fazendo isso matematicamente, projete as respostas esperadas na resposta do sensor / filtro e subtraia-a para que você possa repetir o procedimento com a próxima faixa significativa. Caso contrário, apenas se sobreponha e estime qual é a próxima região.

Observe que os filtros também podem ser usados ​​para remover bandas. Se dois sensores cobrem a área perfeita, mas suas respostas têm muita sobreposição, subtrair a banda sobreposta aumentaria sua discriminação. .

Depois de repetir isso duas ou três vezes, você terá um pequeno conjunto de sensores baratos que poderá usar. Coloque alguns circuitos em torno deles e calibre sua resposta com algumas fontes conhecidas. Se você fez a separação corretamente, precisará apenas de uma calibração aproximada para a sensibilidade do seu projeto de filtro / sensor / circuito.

Essa é basicamente a idéia do sensor RGB, mas usar caixas de comprimento de onda ajustadas corretamente, em vez de caixas bastante arbitrárias.

Se você não precisar de sensibilidade radiométrica muito alta, colima-a, passe-a por uma grade e despeje a imagem em uma matriz de sensores lineares. Analisar o espectro é fácil se você tiver um microprocessador. É provável que a variação temporal por si só não funcione muito bem, já que os sistemas de iluminação do consumidor variam muito nas frequências de oscilação. As únicas coisas que serão difíceis de distinguir do espectro são as incandescentes e as chamas. Você pode usar a variação temporal para isso, trabalhando sob a suposição de que a chama será bastante aleatória e a incandescente deve ter um componente distinto de 60 Hz. Cuidado, porém, que os eletrônicos tendem a captar 60 Hz dispersos; portanto, você deve ter certeza de que está vendo luz de 60 Hz e não ruído de 60 Hz. Os sensores lineares são uma peça simples e barata que você não deve Não há nenhum problema na interface. A única maneira de ver isso funcionando com três canais é se você estivesse apenas tentando classificar a chama e pudesse despejar todas as outras fontes de luz em uma pilha "não me importo". Nesse caso, você pode razoavelmente levar qualquer coisa com, digamos, muito mais NIR do que a emissão azul para ser incandescente ou chama. Se você estiver disposto a trabalhar com detectores MWIR, poderá pular a variação temporal e apenas procurar o pico de emissão de CO2. O incandescente não deveria ter isso. É isso que muitos sensores comerciais usam. muito mais NIR que emissão azul para ser incandescente ou chama. Se você estiver disposto a trabalhar com detectores MWIR, poderá pular a variação temporal e apenas procurar o pico de emissão de CO2. O incandescente não deveria ter isso. É isso que muitos sensores comerciais usam. muito mais NIR que emissão azul para ser incandescente ou chama. Se você estiver disposto a trabalhar com detectores MWIR, poderá pular a variação temporal e apenas procurar o pico de emissão de CO2. O incandescente não deveria ter isso. É isso que muitos sensores comerciais usam.