Luận văn thạc sĩ vật lý - chương 3

55
Luận văn Thạc sĩ Vật Lý
Học viên: Hồ Thị Thân

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÁY ĐO MÀU 3 KÍCH THÍCH THÀNH
PHẦN
3.1. Cơ sở chế tạo máy đo
3.1.1. Cảm biến màu.
Cảm biến màu là một thiết bị được sử dụng để “đọc” màu sắc của ánh
sáng.Có nhiều loại cảm biến màu khác nhau nhưng nhìn chung chúng đều hoạt
động theo một nguyên lý cơ bản. Cấu tạo chung của các cảm biến màu là chúng
gồm các photodiode để thu nhận ánh sáng. Và để thu được màu sắc như mong
muốn mỗi một tế bào của cảm biến sẽ được phủ một tấm lọc màu, ví dụ như một
tấm lọc màu xanh sẽ chỉ cho qua những tia sáng xanh hay tấm lọc màu đỏ sẽ chỉ cho
qua các tia màu đỏ…Và để có thể nhận dạng được màu sắc thì sẽ có bộ chuyển đổi
từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện áp hay tần số.
Cảm biến màu được ứng dụng trong rất nhiều thiết bị như là camera, màn
hình màu, trong các dây chuyền phân loại sản phẩm dựa theo màu sắc

như phân loại
và kiểm tra led
,
điều khiển quá trình máy dán nhãn và máy in… và đặc biệt là trong
chế tạo các thiết bị đo màu.
Trong các thiết bị đo màu thì các cảm biến màu thường hay sử dụng là cảm
biến màu RGB. Cảm biến màu RGB sử dụng các tấm lọc màu Red Green và Blue
để có thể “đọc” được 3 ánh sáng Red, Green và Blue (các ánh sáng cơ bản) từ
chùm ánh sáng chiếu tới nó.


Hình 3.1: Cảm biến màu

56
Luận văn Thạc sĩ Vật Lý
Học viên: Hồ Thị Thân

* Cảm biến màu TCS230.
Cảm biến màu TCS230 là một loại cảm biến màu RGB của hãng TAOS có cấu tạo
bao gồm các photodiode silicon kết hợp với các tấm lọc Red, Green, Blue đồng thời
chuyển đổi cường độ của các ánh sáng này sang tần số tương ứng (tần số ánh sáng
tỉ lệ thuận với cường độ của ánh sáng ) tất cả được tích hợp trên một chip đơn.



TCS230 gồm có 8 x 8 photodiode chia thành 4 nhóm với tổng số 16
photodiode cho một nhóm và tương ứng với chúng
là
16 photodiode lọc ánh sáng
Red, 16 photodiode lọc ánh sáng Green, 16 photodiode lọc ánh sáng Blue và 16
photodiode không lọc màu. Bốn loại photodiode được đan vào nhau để giảm thiểu
những hiệu ứng không đồng nhất của chùm bức xạ chiếu tới. Tất cả 16 loại
photodiode cùng loại (lọc cùng màu) được kết nối tương tự nhau.
Từ cấu tạo của cảm biến màu ở trên ta thấy cảm biến TCS230 có 2 tác dụng
chính là lọc những ánh sáng màu không cần thiết chỉ cho qua những ánh sáng màu
cần thiết đồng thời sau đó nó sẽ chuyển đổi cường độ của các ánh sáng màu mà nó
cho qua sang tần số tương ứng (chuyển đổi ở đây là chuyển đổi một cách tuyến tính
tức tần số sau chuyển đổi tỉ lệ thuận với cường độ trước chuyển đổi). Theo thuyết
ba màu thì một màu có thể được mô tả bởi 3 thông số của 3 màu cơ bản kết hợp tạo
nên màu đó. Như vậy, từ 3 giá trị tần số của 3 màu Red, Green và Blue mà cảm biến
đọc được ta có thể xác định được màu mà ta cần đo.

Hình 3.2: Sơ đồ khối chức năng của cảm biến TCS230
57
Luận văn Thạc sĩ Vật Lý
Học viên: Hồ Thị Thân


Đáp ứng phổ của cảm biến [19]

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống của máy đo màu kích thích 3 thành
phần sử dụng cảm biến màu TCS230

Hình 3.3: Đáp ứng phổ của cảm biến TCS230

58
Luận văn Thạc sĩ Vật Lý
Học viên: Hồ Thị Thân

3.1.2. LED
LED là từ viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang. Là
các điốt có khả năng phát ra ánh sáng. Vật liệu cấu tạo nên LED quyết định màu
của ánh sáng được phát ra. LED được coi là 1 trong các nguồn quang điện tử phổ
biến nhất. Không đắt tiền, tiêu thụ ít công suất, và tương thích dễ dàng các mạch
điện tử.



LED phát ánh sáng trắng là một cải tiến trong công nghệ chế tạo thiết bị chiếu
sáng cũng như trong các thiết bị sử dụng nguồn ánh sáng trắng, nhờ vào đặc điểm
nỗi bật của LED phát ánh sáng trắng so với các nguồn phát ánh sáng trắng truyền
thống là chúng có kích thướt nhỏ gọn, công suất phát lớn hơn gấp nhiều lần, giá

thành rẻ bên cạnh đó chúng rất ít tiêu hao năng lượng, và không nóng. Do đặc điểm
như vậy nên việc chọn LED phát ánh sáng trắng là nguồn chiếu sáng trong thiết bị
đo màu là một lựa chọn hợp lý.
3.2. Thiết kế mô hình.
3.2.1. Nguyên lý máy đo màu kích thích ba thành phần.
Máy đo màu kích thích ba thành phần được thiết kế để có thể đo màu của một
bề mặt phản xạ hoặc là màu của ánh sáng.
Máy đo được thiết kế có cấu tạo bao gồm một bộ nguồn phát ra ánh sáng
trắng. Trong trường hợp đo màu của một bề mặt phản xạ thì nguồn sáng này sẽ
được chiếu thẳng tới bề mặt mẫu đo với góc 45
0
. Chùm ánh sáng sau khi phản xạ từ
Hình 3.4: LED phát ánh sáng trắng

59
Luận văn Thạc sĩ Vật Lý
Học viên: Hồ Thị Thân

bề mặt của mẫu đo sẽ được đi qua một cảm biến màu. Cảm biến màu này có tác
dụng lọc chùm ánh sáng tới nó chỉ cho 3 chùm Red, Green và Blue đi qua đồng thời
nó sẽ chuyển đổi cường độ của các chùm ánh sáng màu thành tần số tương ứng.
Ngoài ra máy đo còn được thiết kế để có thể đo màu của ánh sáng màu (màu của
ánh sáng được phát ra từ một LED màu hoặc là màu được phát ra từ một màn
hình…), lúc này máy đo sẽ hoạt động ở cơ chế là sẽ tắt nguồn chiếu sáng của máy
và ánh sáng màu cần đo sẽ được chiếu trực tiếp tới cảm biến màu.



3.2.2. Nguồn chiếu sáng.
Đây là hệ thống đóng vai trò khá quan trọng trong cấu tạo của máy đo. Ở đây,

nguồn chiếu sáng của máy đo là một bộ LED bán dẫn phát ánh sáng trắng, có vùng
phổ rộng đảm bảo bề mặt mẫu được chiếu sáng như nguồn sáng tự nhiên. Khối
nguồn sáng được thiết kế ngăn cách hoàn toàn với cảm biến để tránh nhiễu cho cảm
biến. Cường độ phát của khối nguồn sáng đủ lớn đảm bảo để có thể phát tới bề mặt
màu mà không có sự thay đổi về công suất của nguồn sáng. Bên cạnh đó hệ thống
chiếu sáng này tương đối ổn định, nhiệt độ của nguồn sáng ổn định, làm lạnh tốt,
nhằm hạn chế các ảnh hưởng đến kết quả đo.
Hình 3.5: Lược đồ nguyên lý hoạt động của máy đo