CN102141441A - 便携式多功能光纤比色计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式多功能光纤比色计，该比色计由双通道光路系统、多功能探头、光纤与仪器的接口设计、耦合透镜、准直透镜、颜色传感器、放大电路、低功耗单片机及其程序、上位机程序等组成，可测定大部分环境下物体颜色的RGB值，继而确定其颜色，同传统颜色测量仪器相比，本发明具有结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、多角度测试等特点，可广泛应用于临床牙齿测量配色和美容美白检测等医学领域。

Description

便携式多功能光纤比色计

技术领域

本发明属于光学颜色测量领域，具体涉及一种便携式多功能光纤比色计。

背景技术

颜色测量广泛应用于环境监测，化学组分判别及医疗美容美白等领域。传统的颜色测量仪器采用各种光谱仪，光谱仪具有结构复杂、体积庞大、成本高、不适用于常规的颜色检测。通常采用人眼进行直接观察，不可避免引入主观判别误差。为克服传统仪器在测量颜色的不足，利用光纤传感技术和计算机测色配色技术发明出一种小型化便捷式光纤比色计。

发明内容

本发明在于制备一种便携式多功能光纤比色计，该比色计由发射光纤(1)、耦合透镜(2)、LED白光光源(3)、稳压电源(4)、接收光纤(5)、准直透镜(6)、光阑(7)、TCS230颜色传感器(8)、单片机(9)、RS232串口(10)和液晶显示屏(11)所组成；其中，发射光纤(1)和接收光纤(5)组成探头；LED白光光源(3)通过发射光纤(1)对被测物进行主动式照明，探头采用光纤柔性连接，光纤探头能够任意弯曲，满足对不同角度测量，且能够深入被测物腔孔内部进行探测；探头前有可伸缩套筒，探头隐藏于套筒内3～5mm，探头不受外部环境的影响；套筒前端安装软塑料或者猪鬃套的头套，以适应不同表面的检测；根据被测对象的不同，输入不同形式的比色卡模块，单片机对检测结果进行自动判别检测，避免人为主观因素引起的判读误差。

本发明还可以采用上述光纤比色计进行比色的方法，包括以下步骤：

1)将发射光纤靠近被测样品上，打开光源开关，LED白光光源(3)发出的白光经耦合透镜(2)，进入发射光纤(1)，并从传导光纤的公共端出射照到被测对象(13)上，反射光被光纤二次接收，经接收光纤(5)和准直透镜(6)及光阑(7)后照射到TCS230颜色传感器(8)上；

2)根据被测物的外形特征调整探头的角度，逐渐改变光源亮度，使得TCS230颜色传感器能够接收到清晰待测物的反射光；通过软件控制单片机内部D/A转换器调节光源的亮度，使传感器在无滤镜情况下通过白光直射，输出的方波频率达到TCS230颜色传感器说明书上提供的白光标准频率20kHz，即完成了白平衡调节，在此基础上可以进行颜色测量；

3)TCS230传感器拥有红、绿、蓝三个原色的滤镜，测量时，分别选择不同滤镜，TCS230传感器将根据光强持续输出一定频率的方波脉冲，根据输出的方波频率与红、黄、蓝三原色标准频率相比较，单片机解算出输入光对应的RGB值；

计算公式如下：

R ＝f_red/f_rt×255

G＝f_green/f_gt×255

B＝f_blue/f_bt×255

其中：RGB分别为红、绿、蓝三种色光的色度值；

f_red，f_green，f_blue分别是选通红、绿、蓝滤镜时输出的方波频率；

f_rt，f_gt，f_bt分别是红、绿、蓝滤镜对应的方波输出标准频率值，其中，红光的标准频率值为19kHz，绿光的标准频率值为13.6kHz，绿光的标准频率值为16.4kHz。

本发明还可以采用上述光纤比色计进行检测牙齿美白的方法，包括以下步骤：

1)将发射光纤靠近被测样品上，打开光源开关，LED白光光源(3)发出的白光经耦合透镜(2)，进入发射光纤(1)，并从传导光纤的公共端出射照到被测对象(13)上，反射光被光纤二次接收，经接收光纤(5)和准直透镜(6)及光阑(7)后照射到TCS230颜色传感器(8)上；

2)根据被测物的外形特征调整探头的角度，逐渐改变光源亮度，使得TCS230颜色传感器可以接收到清晰待测物的反射光；通过软件控制单片机内部D/A转换器调节光源的亮度，使传感器在无滤镜情况下通过白光直射，输出的方波频率达到TCS230颜色传感器说明书上提供的白光标准频率20kHz，即完成了白平衡调节，在此基础上可以进行颜色测量；

3)TCS230传感器拥有红、绿、蓝三个原色的滤镜，测量时，分别选择不同滤镜，TCS230传感器将根据光强持续输出一定频率的方波脉冲，根据输出的方波频率与红、黄、蓝三原色标准频率相比较，单片机解算出输入光对应的RGB值；

计算公式如下：

R＝f_red/f_rt×255

G＝f_green/f_gt×255

B＝f_blue/f_bt×255

其中：RGB分别为红、绿、蓝三种色光的色度值；

f_red，f_green，f_blue分别是选通红、绿、蓝滤镜时输出的方波频率；

f_rt，f_gt，f_bt分别是红、绿、蓝滤镜对应的方波输出标准频率值，其中，红光的标准频率值为19kHz，绿光的标准频率值为13.6kHz，绿光的标准频率值为16.4kHz；；

4)为衡量检测结果，引入国际上通用的VITA比色卡，VITA比色卡由浅至深分为16个色阶，用本比色计预先录入各色阶的频率值范围并存储，测量的过程中，通过对被测牙齿的RGB值与比色卡的存储数据对比，得出对应比色卡的色阶，确定被测牙齿的颜色即所属范围，避免了由于人为主观因素判别引起的误差。

根据色度学原理，利用CIE标准推荐的XYZ表色系统，标准照明光源和探测条件就能确定反映颜色信息的三刺激值X，Y，Z和色差，由此得到色品坐标，经过色度空间变换得到被测物不同区域色度空间的各参数，实现被测物不同区域颜色的高分辨率测量。在XYZ表色系统中，任何一种颜色光C可以表示为：

C＝X+Y+Z

而颜色的三刺激值有下列正比关系：

$X=K\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}E\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}$

$Y=K\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}E\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}$

$Z=K\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}E\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}$

相应该颜色的色度坐标为 $x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

式中，E(λ)为照明光源的相对光谱分布，R(λ)为待测试样的光谱反射率，x、y、z为CIE标准观察者三刺激值。由三刺激值x，y，z可进行各种色度系统的变换，从而得到相应各种色度系统的色度参数。

采用增广仪器适用范围的光纤与仪器接口，配备提高测色采样精度和颜色频率值转换RGB值精度的程序设计，本发明具有结构简单、灵敏度高、体积小、抗干扰能力强、多角度测试等特点，可应用于临床被测物测量配色和美容美白检测等医学领域。

本装置的发明点在于：

(1)体积小巧 采用体积小巧但精确度很高的TCS230颜色传感器，并采用低功耗的单片机及周边处理电路，采用高集成度PCB板制作，使在满足功能的同时，体积变小并且功耗大为降低，同现在市场上的同类的检测装置比较起来，在体积，功耗和精度上同时得到了很大的提升。

(2)光纤传导 采用光纤传导，大大提高了光源的利用率，也减小了光在光路中的损耗。在检测中由于光纤的柔软可以大大提高工作效率，同时也使整个产品更加紧凑。探头为柔性连接的光纤探头，可以任意方向弯曲，满足不同角度测量要求功能，探并可深入腔孔内部及弯曲管道进行探测。

(3)采用RGB程序自动比对 采用RGB程序自动比对测量颜色和事先录入的比色卡的颜色RGB参数，精确对应所测颜色的比色卡等级，大大降低了人眼所造成的误差，使结果更加客观，更具参考价值，而且判读速度更加迅速。

(4)探头前有可伸缩套筒，根据外部光线调节套筒长短使探头具有屏蔽杂光功能，不受外部环境的影响，套筒前端可以安装软塑料或者猪鬃套等其他材料的头套，以适应不同检测表面的检测。

附图说明

图1便携式多功能光纤比色计原理图

图2便携式多功能光纤比色计效果图

其中：各种附图标记如下

(1)发射光纤；(2)耦合透镜(f＝3mm)；(3)LED阵列光源；(4)稳压电源；(5)接收光纤；(6)准直透镜(f＝4mm)；(7)光阑；(8)TCS230颜色传感器；(9)单片机；(10)RS232串口；(11)液晶显示屏；(12)键盘；(13)被测对象

具体实施方案

1将Y型传导光纤靠近被测样品上，打开光源开关，LED光源(3)发出的白光经耦合透镜(2)，进入发射光纤(1)，并从传导光纤的公共端出射照到被测对象(13)上，反射光被光纤二次接收，经发接收光纤(5)和准直透镜(6)及光阑(7)后照射到颜色传感器(8)上。

2根据被测物的外形特征调整探头的角度。逐渐改变光源亮度，使得传感器可以接收到清晰的反馈信号，通过软件控制内置DA值改变光源的亮度，使传感器在无滤镜情况下通过白光直射，输出的方波频率达到传感器说明书上提供的白光标准频率，即完成了白平衡调节，在此基础上可以进行颜色测量。33)TCS230传感器拥有红、绿、蓝三个原色的滤镜，测量时，分别选通不同滤镜，TCS230传感器将根据光强持续输出一定频率的方波脉冲，根据输出的方波频率与红、黄、蓝三原色准频率相比较，单片机解算出输入光对应的RGB值。

计算公式如下：

R＝f_red/f_rt×255

G＝f_green/f_gt×255

B＝f_blue/f_bt×255

其中：RGB分别为红、绿、蓝三种色光的色度值；

f_red，f_green，f_blue分别是选通红、绿、蓝滤镜时输出的方波频率；

f_rt，f_gt，f_bt分别是红、绿、蓝滤镜对应的方波输出标准频率值，其中，红光红光的标准频率值为19kHz，绿光的标准频率值为13.6kHz，绿光的标准频率值为16.4kHz。

4为衡量检测结果，本装置引入比色板数据存储功能，可以根据测量对象不同，预先录入相应的比色卡的色块数据，即为比色卡各颜色块的RGB值的范围。以牙齿美白检测为例，国际上通用的牙齿美白比色标准为VITA比色卡，由浅至深分为16个色阶(1→B1、2→A1、3→B2、4→D2、5→A2、6→C1、7→C2、8→D3、9→A3、10→D4、11→B3、12→A3.5、13→B4、14→C3、15→A4、16→C4。其中英文字母A、B、C、D代表患者牙齿着色的颜色倾向：A代表红棕色；B代表红黄色；C代表灰色；D代表红灰色。数字表示变色程度，数字越高，偏色程度越重。)当牙色测量采用此比色标准时，用本装置预先录入各色阶的频率值范围并存储。测量的过程中，通过被测物的RGB值与比色卡的存储数据对比，得出对应比色卡的色阶，通过液晶反映数值及色阶代号。避免了由于人为主观因素判别引起的误差。

5最后在本装置液晶屏上显示出颜色的RGB值，也可以通过串口将数据传入计算机，在计算机程序界面上显示出来。

Claims (3)

1.一种便携式多功能光纤比色计，其特征在于：该比色计由发射光纤(1)、耦合透镜(2)、LED白光光源(3)、稳压电源(4)、接收光纤(5)、准直透镜(6)、光阑(7)、TCS230颜色传感器(8)、单片机(9)、RS232串口(10)和液晶显示屏(11)所组成；其中，发射光纤(1)和接收光纤(5)组成探头；LED白光光源(3)通过发射光纤(1)对被测物进行主动式照明，探头采用光纤柔性连接，光纤探头能够任意弯曲，满足对不同角度测量，且能够深入被测物腔孔内部进行探测；探头前有可伸缩套筒，探头隐藏于套筒内3～5mm，探头不受外部环境的影响；套筒前端安装软塑料或者猪鬃套的头套，以适应不同表面的检测；根据被测对象的不同，输入不同形式的比色卡模块，单片机对检测结果进行自动判别检测，避免人为主观因素引起的判读误差。

2.一种采用如权利要求1所述的光纤比色计进行比色的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将发射光纤靠近被测样品上，打开光源开关，LED白光光源(3)发出的白光经耦合透镜(2)，进入发射光纤(1)，并从传导光纤的公共端出射照到被测对象(13)上，反射光被光纤二次接收，经接收光纤(5)和准直透镜(6)及光阑(7)后照射到TCS230颜色传感器(8)上；

2)根据被测物的外形特征调整探头的角度，逐渐改变光源亮度，使得TCS230颜色传感器能够接收到清晰待测物的反射光；通过软件控制单片机内部D/A转换器调节光源的亮度，使传感器在无滤镜情况下通过白光直射，输出的方波频率达到TCS230颜色传感器说明书上提供的白光标准频率20kHz，即完成了白平衡调节，在此基础上可以进行颜色测量；

3)TCS230传感器拥有红、绿、蓝三个原色的滤镜，测量时，分别选择不同滤镜，TCS230传感器将根据光强持续输出一定频率的方波脉冲，根据输出的方波频率与红、黄、蓝三原色标准频率相比较，单片机解算出输入光对应的RGB值；

计算公式如下：

R＝f_red/f_rt×255

G＝f_green/f_gt×255

B＝f_blue/f_bt×255

其中：RGB分别为红、绿、蓝三种色光的色度值；

f_red，f_green，f_blue分别是选通红、绿、蓝滤镜时输出的方波频率；

f_rt，f_gt，f_bt分别是红、绿、蓝滤镜对应的方波输出标准频率值，其中，红光的标准频率值为19kHz，绿光的标准频率值为13.6kHz，绿光的标准频率值为16.4kHz。

3.一种采用如权利要求1所述的光纤比色计进行检测牙齿美白的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将发射光纤靠近被测样品上，打开光源开关，LED白光光源(3)发出的白光经耦合透镜(2)，进入发射光纤(1)，并从传导光纤的公共端出射照到被测对象(13)上，反射光被光纤二次接收，经接收光纤(5)和准直透镜(6)及光阑(7)后照射到TCS230颜色传感器(8)上；

2)根据被测物的外形特征调整探头的角度，逐渐改变光源亮度，使得TCS230颜色传感器可以接收到清晰待测物的反射光；通过软件控制单片机内部D/A转换器调节光源的亮度，使传感器在无滤镜情况下通过白光直射，输出的方波频率达到TCS230颜色传感器说明书上提供的白光标准频率20kHz，即完成了白平衡调节，在此基础上可以进行颜色测量；

3)TCS230传感器拥有红、绿、蓝三个原色的滤镜，测量时，分别选择不同滤镜，TCS230传感器将根据光强持续输出一定频率的方波脉冲，根据输出的方波频率与红、黄、蓝三原色标准频率相比较，单片机解算出输入光对应的RGB值；

计算公式如下：

R＝f_red/f_rt×255

G＝f_green/f_gt×255

B＝f_blue/f_bt×255

其中：RGB分别为红、绿、蓝三种色光的色度值；

f_red，f_green，f_blue分别是选通红、绿、蓝滤镜时输出的方波频率；

f_rt，f_gt，f_bt分别是红、绿、蓝滤镜对应的方波输出标准频率值，其中，红光的标准频率值为19kHz，绿光的标准频率值为13.6kHz，绿光的标准频率值为16.4kHz；；

4)为衡量检测结果，引入国际上通用的VITA比色卡，VITA比色卡由浅至深分为16个色阶，用本比色计预先录入各色阶的频率值范围并存储，测量的过程中，通过对被测牙齿的RGB值与比色卡的存储数据对比，得出对应比色卡的色阶，确定被测牙齿的颜色即所属范围，避免了由于人为主观因素判别引起的误差。

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