RU2786365C1

RU2786365C1 - Color reproduction method based on polychromatic acousto-optic filtering of broadband radiation

Info

Publication number: RU2786365C1
Application number: RU2022107013A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Мачихин; Алина Сергеевна Беляева; Галина Эдуардовна Романова
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-12-20

Abstract

FIELD: required color radiation automatic reproduction.

SUBSTANCE: invention relates to technologies for automatic reproduction of radiation of the required color. The claimed method consists in forming a collimated beam of broadband electromagnetic radiation in the visible range of a known spectral composition, separating several spectral intervals from it, the number and positions of which and the transmittance for which provide the specified color coordinates, spatial alignment of the filtered beams and their simultaneous registration by one color radiation receiver. Multi-window spectral filtering is carried out using an AO filter operating in a polychromatic mode due to the simultaneous excitation of several acoustic waves, the parameters (number, frequencies and amplitudes) of which determine the number and positions of the selected spectral channels and the transmittance in them. The radiation receiver can be the observer's eye or a color (RGB) matrix.

EFFECT: invention provides the possibility of fast, high-precision and automatic reproduction of color according to the coordinates specified in the color space within the entire CIE 1931 color space using a single broadband radiation source without mechanical or spectral scanning.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологиям автоматического воспроизведения (репродукции) излучения требуемого цвета.The invention relates to technologies for automatic reproduction (reproduction) of radiation of the required color.

Технологии, методы и приборы для воспроизведения цвета широко используются в спектроскопии для анализа спектральных свойств различных объектов, в колориметрии для спектральной калибровки источников и приемников излучения, в биомедицине для исследования спектральной чувствительности и цветовых нарушений зрительного аппарата и многих других областях.Technologies, methods and instruments for color reproduction are widely used in spectroscopy to analyze the spectral properties of various objects, in colorimetry for the spectral calibration of radiation sources and receivers, in biomedicine to study the spectral sensitivity and color disturbances of the visual apparatus, and many other areas.

Известны методы и устройства, в которых воспроизведение цветовых координат х, у, заданных внутри цветового пространства CIE 1931, осуществляется сочетанием нескольких световых пучков, имеющих различные спектры излучения. Такие пучки могут быть сформированы за счет применения нескольких светодиодных [RU94037473 A1] или лазерных [A. Neumann, J. J. Wierer, W. Davis, Y. Ohno, S. R. J. Brueck, J.Y. Tsao. Four-color laser white illuminant demonstrating high color-rendering quality. // Optics Express, 2011. V. 19(S4). P. A982-A990] источников или выделения из широкополосного излучения нескольких узких спектральных интервалов [US9507200 B2]. Воспроизведение заданного цвета в таких устройствах может быть реализовано за счет механического переключения светофильтров [RU94037473 A1], последовательной спектральной перестройки жидкокристаллического фильтра [US9507200 B2], одновременной регулировки мощности излучения нескольких источников [RU2476765 C2, RU2470496 C2, A. Neumann, J. J. Wierer, W. Davis, Y. Ohno, S. R. J. Brueck, J.Y. Tsao. Four-color laser white illuminant demonstrating high color-rendering quality. // Optics Express, 2011. V. 19(S4). P. А982-А990]. Пространственное объединение световых пучков от источников излучения может осуществляться с помощью светоделителей, зеркал и других компонентов. Для воспроизведения цветовых координат в пределах всего цветового пространства требуется большой набор таких компонентов с соответствующими спектральными характеристиками. Таким образом, все известные решения имеют недостатки: наличие спектрального или механического сканирования, ограниченное число спектральных каналов, сложность сборки и юстировки, значительные габариты и пр.Methods and devices are known in which the reproduction of the color coordinates x, y, given within the CIE 1931 color space, is carried out by a combination of several light beams having different emission spectra. Such beams can be formed by using several LED [RU94037473 A1] or laser [A. Neumann, J. J. Wierer, W. Davis, Y. Ohno, S. R. J. Brueck, J. Y. Tsao. Four-color laser white illuminant demonstrating high color-rendering quality. // Optics Express, 2011. V. 19(S4). P. A982-A990] sources or separation from broadband radiation of several narrow spectral intervals [US9507200 B2]. Reproduction of a given color in such devices can be implemented by mechanical switching of light filters [RU94037473 A1], sequential spectral tuning of a liquid crystal filter [US9507200 B2], simultaneous adjustment of the radiation power of several sources [RU2476765 C2, RU2470496 C2, A. Neumann, J. J. Wierer, W Davis, Y. Ohno, S. R. J. Brueck, J. Y. Tsao. Four-color laser white illuminant demonstrating high color-rendering quality. // Optics Express, 2011. V. 19(S4). P. A982-A990]. Spatial unification of light beams from radiation sources can be carried out using beam splitters, mirrors, and other components. To reproduce color coordinates within the entire color space, a large set of such components with corresponding spectral characteristics is required. Thus, all known solutions have disadvantages: the presence of spectral or mechanical scanning, a limited number of spectral channels, the complexity of assembly and alignment, significant dimensions, etc.

Наиболее близким к предлагаемому методу является способ формирования цвета на основе одновременного управления интенсивностью излучения нескольких светодиодных источников [RU2476765 C2] и пространственного совмещения световых пучков от этих источников. К недостаткам такого способа управления относятся ограниченное число спектральных каналов и, как следствие, невозможность воспроизведения цвета с произвольными цветовыми координатами в пределах всего цветового пространства CIE 1931; низкая интенсивность ввиду отсутствия возможности формирования направленного пучка с высокой эффективностью; наличие многокомпонентной оптической системы, необходимой для сопряжения различных источников излучения.Closest to the proposed method is the method of color formation based on the simultaneous control of the radiation intensity of several LED sources [RU2476765 C2] and the spatial alignment of light beams from these sources. The disadvantages of this control method include a limited number of spectral channels and, as a result, the impossibility of reproducing color with arbitrary color coordinates within the entire CIE 1931 color space; low intensity due to the lack of the possibility of forming a directed beam with high efficiency; the presence of a multicomponent optical system necessary for conjugation of various radiation sources.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.The objective of the invention is to eliminate the shortcomings of the known solutions.

Техническим результатом изобретения является возможность быстрой, высокоточной и автоматической репродукции цвета по заданным в цветовом пространстве координатам в пределах всего цветового пространства CIE 1931 с использованием одного широкополосного источника излучения без механического или спектрального сканирования.The technical result of the invention is the possibility of fast, high-precision and automatic color reproduction according to the coordinates specified in the color space within the entire CIE 1931 color space using a single broadband radiation source without mechanical or spectral scanning.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ, состоящий в формировании коллимированного пучка широкополосного электромагнитного излучения видимого диапазона известного спектрального состава, выделении из него нескольких спектральных интервалов, число и положения которых и коэффициент пропускания для которых обеспечивают заданные цветовые координаты, пространственном совмещении отфильтрованных пучков и их одновременной регистрации одним цветным приемником излучения. Многооконная спектральная фильтрация осуществляется за счет его дифракции Брэгга, с помощью АО фильтра, работающего в полихроматическом режиме за счет одновременного возбуждения нескольких акустических волн, параметры (количество, частоты и амплитуды) которых определяют число и положения выделяемых спектральных каналов и коэффициент пропускания в них. Приемником излучения может быть глаз наблюдателя или цветная (RGB) матрица.To solve the specified technical problem with the achievement of the specified technical result, a method is used, consisting in the formation of a collimated beam of broadband electromagnetic radiation of the visible range of a known spectral composition, the selection of several spectral intervals from it, the number and position of which and the transmittance for which provide the specified color coordinates, spatial alignment filtered beams and their simultaneous registration by one color radiation detector. Multi-window spectral filtering is carried out due to its Bragg diffraction, using an AO filter operating in a polychromatic mode due to the simultaneous excitation of several acoustic waves, the parameters (number, frequencies and amplitudes) of which determine the number and positions of the selected spectral channels and the transmittance in them. The radiation receiver can be the observer's eye or a color (RGB) matrix.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный метод, где 1 - широкополосный источник света, 2 - коллимирующая оптическая система, 3 - АО фильтр-полихроматор, 4 - формирующая оптическая система, 5 - приемник излучения. Спектры показывают спектральный состав I(λ) излучения до и после АО фильтра-полихроматора, настроенного на длины волн L₁, λ₂…λ_N.On FIG. Figure 1 shows a block diagram explaining the described method, where 1 is a broadband light source, 2 is a collimating optical system, 3 is an AO filter-polychromator, 4 is a shaping optical system, and 5 is a radiation receiver. The spectra show the spectral composition I(λ) of radiation before and after the AO filter-polychromator tuned to the wavelengths L ₁ , λ ₂ …λ _N .

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно элементов: широкополосного источника света 1; коллимирующей оптической системы 2, обеспечивающей светоэнергетическое сопряжение источника света 1 и АО фильтра-полихроматора 3, формирующей оптической системы 4 и приемника излучения 5.The invention can be implemented on the basis of a device consisting of optically coupled and arranged in series elements: broadband light source 1; collimating optical system 2, providing light-energy coupling of light source 1 and AO filter-polychromator 3, forming optical system 4 and radiation receiver 5.

Отличием изобретения является то, что многооконная спектральная фильтрация осуществляется с помощью АО фильтра 3, работающего в полихроматическом режиме за счет одновременного возбуждения нескольких акустических волн, параметры (количество, частоты и амплитуды) которых определяют число и положения выделяемых спектральных каналов, и коэффициент пропускания в них. Это позволяет исключить необходимость применения, синхронизации и сопряжения нескольких источников излучения. В результате устройство на основе предлагаемого метода отличается компактностью, простотой сборки и юстировки, возможностью совмещения с различными широкополосными источниками излучения, отсутствием подвижных элементов, полным программным управлением и возможностью работы в автоматическом режиме репродукции излучения заданного цвета по его цветовым координатам.The difference of the invention is that multi-window spectral filtering is carried out using the AO filter 3, operating in polychromatic mode due to the simultaneous excitation of several acoustic waves, the parameters (number, frequencies and amplitudes) of which determine the number and position of the allocated spectral channels, and the transmittance in them . This eliminates the need to use, synchronize and pair multiple radiation sources. As a result, a device based on the proposed method is compact, easy to assemble and adjust, can be combined with various broadband radiation sources, lacks moving elements, has full program control, and can work in automatic mode for reproducing radiation of a given color according to its color coordinates.

В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант схемы, заключающийся в использовании АО фильтра-полихроматора 3 на основе расположенной между двумя скрещенными поляризаторами кристаллической АО ячейки, в которой реализуется широкоапертурная геометрия анизотропной АО дифракции и которая работает в режиме многочастотной генерации - одновременном возбуждении нескольких звуковых волн различных частот и амплитуд.In the preferred embodiment, a variant of the circuit is implemented, which consists in using an AO filter-polychromator 3 based on a crystalline AO cell located between two crossed polarizers, in which a wide-aperture geometry of anisotropic AO diffraction is implemented and which operates in the multifrequency generation mode - simultaneous excitation of several sound waves of different frequencies and amplitudes.

Система работает следующим образом.The system works as follows.

По заданным цветовым координатам излучения, которое необходимо репродуцировать, производят расчет количества спектральных каналов, их положения и коэффициент пропускания в каждом из них. Устанавливают широкополосный источник света 1 с известным спектром электромагнитного излучения видимого диапазона, Направляют пучок, сформированный оптической системой 2, на АО фильтр-полихроматор 3. Исходя из требуемого количества спектральных каналов, их положения и коэффициентов пропускания в каждом из них, рассчитывают частоты и амплитуды ультразвуковых волн, которых подаются на АО фильтр-полихроматор 3. После многочастотной АО дифракции на выходе АО фильтра-полихроматора 3 появляются несколько отфильтрованных пучков, которые с помощью оптической системы 4 совмещают и направляют на цветной приемник излучения 5, который позволяет его зарегистрировать и оценить его цвет визуально (при регистрации глазом) или на основе цифровой обработки (при регистрации цифровым матричным приемником).According to the given color coordinates of the radiation to be reproduced, the number of spectral channels, their positions and the transmittance in each of them are calculated. A broadband light source 1 with a known spectrum of electromagnetic radiation in the visible range is installed, a beam formed by the optical system 2 is directed to the AO filter-polychromator 3. Based on the required number of spectral channels, their position and transmittances in each of them, the frequencies and amplitudes of ultrasonic waves that are fed to the AO filter-polychromator 3. After multi-frequency AO diffraction, several filtered beams appear at the output of the AO filter-polychromator 3, which are combined with the help of an optical system 4 and directed to a color radiation receiver 5, which allows it to be registered and its color evaluated visually (when registering with the eye) or on the basis of digital processing (when registering with a digital matrix receiver).

В ходе предварительной настройки системы производится спектральная калибровка АО фильтра-полихроматора 3 для определения зависимостей выделяемой длины волны от частоты подаваемого ультразвука и эффективности дифракции от мощности подаваемого ультразвука.In the course of pre-configuring the system, spectral calibration of the AO filter-polychromator 3 is performed to determine the dependences of the emitted wavelength on the frequency of the supplied ultrasound and the diffraction efficiency on the power of the supplied ultrasound.

В альтернативной реализации системы АО фильтр-полихроматор 3 реализован на основе одиночной кристаллической ячейки, за которой для пространственного совмещения отфильтрованных пучков устанавливается диспергирующий элемент-компенсатор в виде ячейки такой же формы и из такого же материала, что и АО фильтр, развернутой относительно него на 180° в плоскости АО взаимодействия.In an alternative implementation of the AO system, the filter-polychromator 3 is based on a single crystalline cell, behind which, for the spatial alignment of the filtered beams, a dispersive compensator element is installed in the form of a cell of the same shape and of the same material as the AO filter, rotated relative to it by 180 ° in the AO interaction plane.

Claims

A method for reproducing color based on polychromatic acousto-optic filtering of broadband radiation, which consists in the formation of a collimated beam of broadband electromagnetic radiation in the visible range of a known spectral composition; its filtering in several spectral intervals, the number and positions of which and the transmittance in which correspond to the given color coordinates; spatial matching of filtered beams; their simultaneous registration and analysis; characterized in that the spectral filtering of broadband radiation is carried out due to its Bragg diffraction simultaneously on several acoustic waves, the parameters of which determine the number and positions of the allocated spectral intervals and the transmittance in them.