Descripción del proyecto

Tengo la tarea de desarrollar un dispositivo basado en microprocesador que, cuando se muestra una luz, puede determinar la fuente de la luz (luz natural, bombillas fluorescentes, bombillas LED, bombillas incandescentes, llama - incendio forestal). En esta etapa, solo se considera la luz visible.

Según mi investigación, la única forma de diferenciar la fuente de luz es analizando el espectro de emisión y relacionándolo estrechamente con los valores conocidos . Ejemplo:

Soluciones consideradas

Medición de la relación de composición RGB de la luz

He considerado seguir esta ruta, ya que no parece demasiado complicado, un dispositivo más pequeño puede integrarse fácilmente en el proyecto más grande como un detector de incendios forestales e incluso lo sugiere mi supervisor. Pero tengo dudas de que esto sea muy preciso, ya que algunas fuentes de luz pueden tener valores cercanos (la intensidad es la que se mide en una longitud de onda del parque de pelota).

El sensor que estoy viendo actualmente es el sensor de color RGB S10917-35GT de Hamamatsu , sensible solo a las longitudes de onda requeridas.

Construyendo un espectrógrafo de alta resolución con una película de rejilla de difracción

Esta ruta es mucho más complicada y requiere un procesamiento externo de las imágenes para determinar la fuente de luz. Básicamente, construyes un espectrógrafo con una película de rejilla de difracción y una cámara de alta resolución. La imagen se procesa con un software de computadora para trazar el gráfico del espectro de emisión y puede analizar el gráfico para determinar la fuente de luz. La guía de desarrollo está aquí

Desafortunadamente, esto no es muy conveniente ya que preferiríamos que el objetivo principal del dispositivo funcione por sí mismo sin ninguna red.

Entonces, la pregunta

• ¿Hay algún inconveniente en mi primera solución?
• ¿Hay una mejor solución? Preferiblemente puede caber en un dispositivo independiente?
• Esto probablemente sería exagerado, pero ¿hay un sensor que pueda analizar una emisión de luz y proporcionar valores de intensidad en un rango de longitudes de onda elegidas? O al menos algo que me ayudaría a construir un dispositivo que lo haga.

Supongo que realmente está buscando a alguien que ya haya resuelto esto. Pero no conozco ningún proyecto, yo mismo. Entonces, todo lo que puedo ofrecer son algunos pensamientos a considerar.

En espectrómetros:

1. $\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$
2. Las cámaras digitales de megapíxeles pequeños también son baratas. También se podría usar una matriz, pero en estos días parece que una cámara 2D completa es más barata y está más disponible. Entonces no me molestaría con una matriz.
3. Usando un DVD-RW puede separar las líneas espectrales amarillas de mercurio a 577 nm y 579 nm. (Sin embargo, no con un CD). Lo he hecho yo mismo, usando un DVD-RW y una lámpara de mercurio-argón.
4. La calibración de la longitud de onda es barata. Solo consigue una lámpara de mercurio-argón. Obtendrá las líneas de argón en el primer minuto más o menos, luego las líneas de mercurio dominarán más tarde. De la combinación de ellos, puede calibrar fácilmente los píxeles de su cámara frente a la longitud de onda. Las lámparas Hg-Ar usadas para la calibración solían costarme alrededor de $ 8, pero espero que ahora sean más caras.
5. La calibración de intensidad es costosa. Necesita una lámpara estándar, trazable a los estándares NIST, y estos deben ser recalibrados después de 100 horas de uso, más o menos. Son bombillas baratas, sin calibrar. Pero el proceso de calibración cuesta dinero real. Entonces también debe configurar una disposición óptica adecuada. Pero esta es la única forma de descubrir cómo responde cada uno de sus píxeles a cada una de las longitudes de onda con las que están siendo golpeados. Francamente, intentaría evitar todo esto y esperaría no necesitarlo o simplemente podría aplicar una aproximación básica con plantilla de una lámpara estándar y no desperdiciar dinero en la calibración real, con la esperanza de que lo que obtuve fuera lo suficientemente bueno. O simplemente no molestar en absoluto y usar una ecuación y figura arregladas, "oh, bueno", y ver cómo va. Lo más probable es que pueda hacer que este paso desaparezca y aún así obtener resultados útiles si solo piensa con cuidado.
6. Probablemente pueda considerar pasar de 450 nm a 750 nm, pero no puede esperar exceder una octava con una sola rejilla. Es posible que desee algún tipo de filtro involucrado para que no se mezclen las energías espectrales en los mismos píxeles. O simplemente no te preocupes por eso y experimenta un poco.
7. Se deseará un desconcierto óptico para evitar que entre luz extraña donde no se desea.
8. Tony me recordó ... que necesitarás una ranura estrecha, casi tan estrecha como puedas. Prefiero el uso de dos cuchillas de afeitar antiguas que se pueden ajustar. Uno fijo, uno móvil. Pero para la caja de papel de cartulina, simplemente utilicé una cuchilla exacta "con mucho cuidado" para crear una ranura estrecha y uniformemente estrecha.

Hice todo esto usando una hoja de papel (cartulina) que imprimí y luego corté, doblé pestañas, utilicé el pegamento de Elmer y creé una caja con deflectores hechos esencialmente de papel. El desconcierto utiliza flocado oscuro especial para ayudar a absorber y bloquear la luz rebelde. El DVD se desliza en el ángulo correcto y luego se coloca una pequeña cámara en la salida. He usado esto con mi propio ojo para observar diferentes luces en la casa y, en mi opinión, funciona PERFECTAMENTE bien. No tengo problemas para diferenciar entre fuentes de iluminación incandescentes, fluorescentes y LED. Y el sol, para el caso. Probé un DVD-R e inmediatamente vi una gran banda faltante en rojo, por eso te digo que necesitas DVD-RW si te importa esa región.

Podría publicar algunos planes para todo esto, supongo. Ubicación de la ranura, ángulo de DVD, etc. Si bien el diseño de mi caja usa todo el DVD-RW (porque quería poder colocar otros medios de DVD y / o CD (en un ángulo diferente, así que hice dos diferentes ranuras de inserción para ese propósito), solo una pequeña parte de la superficie del DVD-RW está realmente involucrada (si está desconcertada correctamente). Así que también me gustó usar todo el DVD-RW por esa razón, porque cortar el DVD en pedazos subrayarlo y tampoco quería hacer eso.

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

En RGB:

El sensor RGB que mencionó tiene, como esperaba ver, una aceptación muy amplia de las longitudes de onda en cada uno de los tres sensores. Los LED tienden a tener rangos de respuesta muy amplios (emiten y reciben en un amplio rango de longitudes de onda). Ese sensor tiene respuestas moderadamente superpuestas. Creo que todo lo que funcionará para usted sería una cuestión de experimentación. En su lugar, podría aplicar un código de computadora, utilizando sus curvas y las funciones de respuesta del sensor para ver si sería útil. Pero ni siquiera voy a intentar escribirlo para ti. Tal vez lo mejor sería que te pusieras manos a la obra y compres el sensor y hagas algunas pruebas con él. Puede estar bien para sus necesidades. Pero no puedo decirte sí o no, a partir de un análisis rápido. Tampoco he intentado hacer esto con RGB, así que esa es otra razón por la que puedo '

Me gustó el comentario de Eugene sobre la frecuencia, también. Las bombillas incandescentes (y lo he probado usando un instrumento muy sensible, con decenas de resolución microKelvin y cientos de precisión microKelvin rastreables según los estándares NIST, mientras trabajo en tales cosas) variarán aproximadamente el 3% de su amplitud durante el ciclo de CA a 60 Hz. (Sería diferente con 50 Hz.) Los fluorescentes funcionan a frecuencias de red y también a frecuencias altas (ambos se fabrican y usan). Pero sus emisiones son a través de fósforos, que a menudo tienen tiempos de respuesta rápidos. (Algunos fósforos son lentos, en un orden de milisegundos taus debido a que dependen de las transiciones prohibidas de triplete a singlete. Pero muchos de ellos son bastante rápidos, microsegundos taus). Puede que tenga que experimentar un poco aquí. Pero creo que esto podría ser fructífero, porque puede diseñar circuitos electrónicos para bandas muy estrechas si lo desea. Tú' tendría que preocuparme por condicionar la señal para que no sature la cadena del amplificador. Pero eso es factible. Sin embargo, no he mirado las frecuencias utilizadas en las bombillas LED modernas. Y te lo dejo a Google para obtener detalles allí. Dicho todo esto, creo que el punto de Eugene también merece un examen.

¿Personalmente? Me gustaría usar el DVD-RW porque tengo mucha experiencia en hacerlo, sé que puedo hacerlo de manera fácil, rápida y económica, y porque creo que podría evitar el paso de calibración de intensidad para llegar a donde lo necesites. Vamos. Las cámaras son muy baratas y también lo es la lámpara Hg-Ar para la calibración de la longitud de onda, periódicamente. Casi no es trabajo en absoluto. Además, ya he recorrido la casa revisando diferentes fuentes de luz con una caja de cartulina portátil sin ningún tipo de electrónica y pude ver perfectamente las diferencias en varias fuentes de luz, a simple vista. Entonces sé que puedo llegar desde aquí.

EDITAR: Un par de imágenes de una vieja bombilla fluorescente. Uno de ellos a través del espectro y el otro ampliado un poco. ¡Muy buena separación del doblete de mercurio allí!

Me especialicé en binning LED para la división OSRAM de Siemen hace años, como contratista. Entonces, esto viene en parte de esa experiencia. Primero utilizamos espectrofotómetros caros, pero cambiamos a Ocean Optics algún tiempo después (mucho más barato). Mientras tanto, me divertí mucho con DVD y CD, que se usaban con todo ese sofisticado equipo de calibración. (Incluyendo los calibradores de filamentos desaparecidos, que olvidé mencionar anteriormente). Pasé MUCHO tiempo estudiando informes de respuesta humana antes y desde el estándar CIE 1931 y los posteriores en la década de 1960. También disfruté mucho el trabajo de Edwin Land a fines de los años setenta y principios de los ochenta, cosas muy interesantes.

Voy a estar de acuerdo con jonk, pero sugiero un método más simple para identificar las fuentes.

Construya un espectrómetro con cámara (usando un DVD u otra rejilla de difracción). Hágalo mecánicamente sólido para que la cámara, la rejilla y la pantalla no puedan moverse entre sí.

No te molestes con la calibración, en absoluto. También querrá deshabilitar el balance de blancos automático en la cámara y usar un balance de blancos fijo.

Exponga su detector a ejemplos de las diferentes fuentes de luz que desea detectar y grabe las imágenes.

Ahora, puede utilizar su selección de métodos de procesamiento de señal para detectar cuál de sus espectrogramas almacenados coincide más con el espectrograma actual.

OpenCV o Gnu Octave o SciPy todos los métodos viables actuales para detectar similitudes.

Muchas respuestas geniales aquí ya, pero para proporcionar algunos comentarios específicos a sus preguntas finales:

¿Hay algún inconveniente en mi primera solución?

El inconveniente es que solo tiene tres puntos de datos (r, g, b) para juzgar el color y, dependiendo de las diferentes fuentes de luz que está tratando de distinguir, es posible que no pueda distinguirlos. Este es el mismo problema que encuentra una cámara digital cuando intenta establecer el balance de blancos y, a veces, la cámara adivina mal y los colores de la foto están distorsionados. Sin embargo, si permites que una cámara digital tome imágenes de un objeto conocido, como el mismo trozo de papel blanco, es probable que pueda distinguir la fuente de luz la mayor parte del tiempo.

¿Existe un sensor que pueda analizar una emisión de luz y proporcionar valores de intensidad en un rango de longitudes de onda elegidas?

Un espectrómetro basado en una rejilla (o prisma) hace exactamente eso; Proporciona la intensidad de la luz en función de la longitud de onda.

Alternativamente, si desea solo unos pocos sensores, puede simplemente tomar un fotodetector de silicio y colocar el filtro óptico apropiado (vidrio de color) delante para permitir que el rango de longitud de onda de interés pase al filtro. Una ventaja de este enfoque sería que los fotodetectores individuales podrían funcionar más rápidamente que un detector de matriz, y pueden permitirle observar la estructura temporal de los patrones característicos de luz y punto, como la fluctuación de 60 Hz de una bombilla o parpadeo rápido de una llama.

No tiene que construir su propio espectrómetro, ya hay dispositivos disponibles, como este C12666MA ultra compacto de Hamamatsu .

La resolución espectral de 15 nm podría estar bien para esta tarea.

También es una buena idea distinguir entre DC y 50/60 Hz, tal vez con un sensor separado.

Las cámaras funcionan, en cierta medida, exactamente de la forma en que muestra los sensores RGB. Si ha tenido experiencia tratando de capturar colores saturados de LED en luz de alta densidad, comprenderá sus limitaciones, pero para las fotos de amplio espectro, como sabemos, funciona bien.

Depende de lo que quieras medir.

Por ejemplo, la luz blanca es solo nuestra percepción de los sensores RGB en nuestros ojos y la luz incidente puede engañarnos para pensar que la luz del día el blanco es solo el equilibrio de la luz convertida de fósforo azul y amarillo-rojo para que los picos sean iguales (cuando se convierten en corrección ocular CIE niveles)

Pero la realidad es bastante diferente cuando comparamos una fuente de halógeno en una amplia paleta de colores reflejados y la comparamos con un LED blanco de luz diurna 4500-5000'K 81% CRI. Ahora los colores se ven diferentes debido al espectro faltante en la fuente.

Para mayor precisión, su única esperanza es un instrumento de método de difracción calibrado. Para los colores incidentes del globo ocular áspero reflejados en el papel de escala de degradado con una gama de colores completa, funcionará una cámara RGB. lo suficientemente cerca con una unidad de sensor / detector RGB calibrada y un software. Pero no es así como lo hacen en la industria, pero así es básicamente cómo funcionan los escáneres de papel con calibración interna RGB + B / W antes de que comience el escaneo.

Los analizadores de espectro de luz profesionales miden x, y, u, v y muchos otros parámetros de luz blanca.

Por lo tanto, es una vieja pregunta, y me pregunto cuál fue la solución, pero mirando a través de las respuestas, estoy bastante sorprendido de no ver una solución bastante obvia.

Primero, no necesita analizar todo el espectro. Simplemente muestree de una manera que maximice la separación de las fuentes. Dado que tiene relativamente pocas fuentes, puede hacer esto a simple vista o ejecutar un análisis PCA o ICA en una versión discreta del espectro esperado. Una vez que haya seleccionado un puñado de regiones espectrales, puede continuar.

En segundo lugar, consideraría seriamente la región infrarroja. Principalmente porque un incendio tendría una emisión abundante allí, pero lo más importante porque los sensores en esta región son muy comunes.

En tercer lugar, seleccione un sensor discreto o una combinación de sensor / filtro que le brinde una respuesta espectral suficientemente buena en su primera banda deseada. Tenga en cuenta que hay muchos filtros, fotodiodos, fototransistores y dispositivos PIR económicos que se pueden seleccionar por longitud de onda (incluso los LED de un solo color pueden funcionar en caso de necesidad).

Cuarto, si está haciendo esto matemáticamente, proyecte sus respuestas esperadas en la respuesta del sensor / filtro y reste para poder repetir el procedimiento con la siguiente banda significativa. Si no, simplemente superponga y calcule qué región es la siguiente.

Tenga en cuenta que los filtros también se pueden usar para eliminar bandas. Si dos sensores cubren el área perfecta, pero sus respuestas tienen demasiada superposición, restar la banda superpuesta aumentaría su discriminación. .

Después de repetir esto dos o tres veces, tendrá un pequeño conjunto de sensores económicos que puede usar. Coloque algunos circuitos a su alrededor y calibre su respuesta con algunas fuentes conocidas. Si realizó la separación correctamente, solo necesitará una calibración aproximada para la sensibilidad de su diseño de filtro / sensor / circuito.

Esta es básicamente la idea del sensor RGB, pero el uso de contenedores de longitud de onda sintonizados adecuadamente en lugar de los arbitrarios.

Si no necesita una sensibilidad radiométrica muy alta, colimétela, hágalo pasar por una rejilla y descargue la imagen en una matriz de sensores lineales. Analizar el espectro es fácil si tienes un microprocesador. Es probable que la variación temporal por sí sola no funcione muy bien ya que los sistemas de iluminación de consumo varían ampliamente en las frecuencias de parpadeo. Las únicas cosas que serán difíciles de distinguir del espectro son las incandescentes y las llamas. Puede usar la variación temporal para eso, trabajando bajo el supuesto de que la llama será bastante aleatoria y que la incandescente debe tener un componente distinto de 60 Hz. Sin embargo, tenga en cuenta que la electrónica tiende a captar 60 Hz perdidos, por lo que deberá asegurarse de que esté viendo una luz de 60 Hz y no un ruido de 60 Hz. Los sensores lineales son una parte barata y simple que no deberías No tengo ningún problema para interactuar. La única forma en que podría ver esto funcionando con 3 canales es si solo estuviera tratando de clasificar la llama y pudiera volcar todas las otras fuentes de luz en una pila "no importa". En ese caso, puede tomar razonablemente cualquier cosa con, por ejemplo, mucho más NIR que emisión azul para ser incandescente o llama. Si está dispuesto a trabajar con detectores MWIR, puede omitir la variación temporal y simplemente buscar el pico de emisión de CO2. El incandescente no debería tener eso. Eso es lo que usan muchos sensores comerciales. mucho más NIR que la emisión azul para ser incandescente o llama. Si está dispuesto a trabajar con detectores MWIR, puede omitir la variación temporal y simplemente buscar el pico de emisión de CO2. El incandescente no debería tener eso. Eso es lo que usan muchos sensores comerciales. mucho más NIR que la emisión azul para ser incandescente o llama. Si está dispuesto a trabajar con detectores MWIR, puede omitir la variación temporal y simplemente buscar el pico de emisión de CO2. El incandescente no debería tener eso. Eso es lo que usan muchos sensores comerciales.