سنسورهای تشخیص رنگ
این هم سری سوم و چهارم وآخر از مقاله سنسورهای تشخیص رنگ .
.لطفا سوالات ومباحث خود را از طریق ایمیل یا قسمت نظرات مطرح کرده تا در حد بضاعتم به آن بپردازم.
لطفا رسم امانتداری را رعایت کنید.ودر صورت استفاده ا این مقاله مکلیه مقالات این وبلاک، حتما نام نویسنده وسایر مشخصات منبع ان ذکر کنید.
دانشگاه صنعتی مالک اشتر
عنوان مقاله : سنسورهای تشخیص رنگ
استاد راهنما: مهندس آذردخت مظاهری
ارائه دهنده: میثم پریشانی
تابستان 1385
بينايي رنگ
چون رنگها ادراكي هستند كه توسط طول موجهاي مخصوص تشعشعات الكترومغناطیس در چشم توليد ميگردند، بنابراين پديدهها و تئوريهاي بينايي رنگ بايد در نظر گرفته شوند. پيچيده بودن بينايي رنگ دليل ÷اصلي دشواري درك كامل پديده رنگ بوده و چندين فرآيند اين پديده در انتظار يك تعريف و تشريح دقيق ميباشند.
عضو بينايي انسان كه چشم نام دارد، قادر به دريافت حداقل سه خاصيت نور ميباشد:
1) مسير يا جهتي كه نور از آن منتشر شده است و توسط اين خاصيت ميتوان شكل يا فرم، اندازه و بافت را تشخيص داد.
2) مقدار يا شدت نور كه به درك تباين بين شيئي و محيط اطرافش منتهي ميگردد.
3) كيفيت يا طول موج نور كه توسط آن توانايي تشخيص رنگ امكانپذير ميشود.
شكل زیرنمايانگر سطح مقطع يك چشم از جلو به عقب بوده و در آن اجزائ اصلي تشريح گرديدهاند. قسمت رنگي چشم، يعني عنبيه (IRIS) حلقهاي شكل بوده و به طور غير ارادي با تاريكي يا روشنايي منبع نوري به ترتيب منبسط يا منقبض ميگردد تا قسمتهاي بيشتر يا كمتري از عدسي دروني (INNER LENS) را كه مردمك (PUPIL) نام دارد پديدار سازد. بايد ذكر گردد كه قسمت پشت عنبيه سياه ميباشد. در عنبيه يك فرد چشم آبي مقدار ماده رنگي موجود بسيار كم بوده و دليل رنگ چشم او قسمتي به دليل نمايان شدن سياه از درون و قسمت ديگر به خاطر انتشار نور در عنبيه ميباشد. هر چه تشكيل مقدار مواد رنگي در عنبيه بيشتر باشد به ترتيب رنگ چشم به ميشي، قهوهاي، و يا سياه متمايل ميگردد.
نمایی از چشم انسان
مناطقي در جلو و پشت عدسي وجود دارند كه از مواد واسطي كه به ترتيب اصطلاحاً خلطهاي زلاليه و زجاجيه (AQUEOUS AND VITRIOUS HUMOURS) ناميده ميشوند، تشكيل شدهاند.
پرده شبكيه چشم (RETINA) حاوي پذيرندههاي نوري (LIGHT RECEPTORS) يعني عصبهای ميلهای (RODS) و مخروطی (CONES) بوده و مكاني است كه تصوير نوري توسط عدسي روي آن متمركز ميگردد. اين پرده داراي يك ساختمان لايهاي پيچيدة ظريف متشكل از الياف عصبي بوده كه پذيرندههاي نوري را به عصب بينايي (OPTIC NERVE) و مغز متصل ميكند. در مشيميه (CHOROID) يعني يك غشاء آوندي درست پشت پرده شبكيه چشم معمولاً مادهاي سياه رنگ به نام اپيتليوم (EPITHELIUM) وجود دارد كه نور ناخواسته را جذب كرده و بدين وسيله از اثر خيرگي (GLARE) جلوگيري ميكند. همانطور در شکل (2-4) نشان داده شده است ، تركيب و تراكم مخروطها در يك تورفتگي كه لكه زرد يا فوويا (FOVIA) نام دارد باعث ميگردد كه اين منطقه كوچك مركزي از لحاظ بصري داراي تيزبيني و تشخيص رنگ حاد گردد، زيرا كه فوويا مستقيماً در خط ديد در پشت عدسي قرار دارد.
قسمتي از چشم كه مستقيماً با بينايي رنگ در ارتباط ميباشد پردة شبكيه چشم نام دارد و در واقع غشاء نازك و شفافي از بافتهاي عصبي است كه ديوار داخلي تخم چشم را پوشش داده و در اينجاست كه تبديل انرژي نوري به انرژي عصبي صورت ميگيرد و باعث توليد محركهاي آني به مغز گشته و در نتيجه احساس بينايي را توليد ميكند. پردة شبكيه چشم متشكل است از تركيب پيچيدهاي از لايههاي سلولهاي عصبي و الياف عصبي به هم متصـل، و در لاية نهايي سلولهاي عصبي وجــود دارند كه به اجسام ميلهاي باريك يا كمي مخروطي شكل منتهي ميگردند كه اين اجسام در حقيقت دريافتكنندههاي نوري ميباشند. بايد در نظر داشت كه ميلهها و مخروطها در طرفي از پرده شبكيه قرار دارند كه از نور دور ميباشند به طوري كه براي دسترسي به آنها نور بايستي از داخل لايههاي عصبي ديگر گذر كند. در واقع پردة شبكيه بسيار نازك و نسبتاً شفاف بوده و در نتيجه نور تقريباً بدون تغيير به پشت آن ميرسد.
عموماً اعتقاد بر اين است كه اولين واكنش در پرده شبكيه چشم يك طبيعت فتو-شيميايي دارد، بدين معني كه در ميلهها و مخروطها موادي وجود دارند كه توسط نور تجزيه گرديده (سفيد ميشوند)، و اين محصولات تجزيه باعث شروع يك سلسله علائم الكتريكي به شكل محركهاي آني عصبي شده كه توسط الياف و عصب بينايي به مغز منتقل ميگردند. اين نظريه توسط استخراج يك ماده ارغواني- رنگ از ميلهءها كه نور- حساس بوده و "ارغواني بصري" نام داشته و اسم شيميايي آن رودوپسين (RHODOPSIN) ميباشد، تقويت و تأييد ميگردد. اين مادة شيميايي نور حساس كه در ميلهها و مخروطها وجود دارد به طور مداوم دوباره توليد ميگردد تا جانشين آنچه از بين رفته گردد و بدين وسيله حساسيت چشم ابقاء ميشود. در اين، عمل فتوشيميايي فرض بر اين است كه در هر مقطع زماني مقدار محصولات تجزيه موجود در پردة شبكيه چشم با شدت نور تابيده شده رابطه مستقيم دارد. اگر سطح روشنايي زياد باشد، مثلاً در نور خورشيد، تجزيه به نحو بسيار فعال صورت گرفته و عليرغم در حال جريان بودن فرآيند سنتز در تمام مدت مقادير زيادي از محصولات تجزيه شده در پرده شبكيه چشم جمع ميگردند. در نتيجه زماني كه ما از روشنايي زياد به يك اطاق تاريك ميرويم مدت زماني لازم است تا چشم به سطح روشنايي كمتر عادت كند زيرا اين مدت براي دوباره تشكيل هر چه بيشتر از اين مواد نور- حساس لازم بوده تا توانايي از عهدة روشنايي كمتر برآمدن به چشم باز گردد.
فوویا حساسترين منطقة پردة شبكيه چشم بوده و بهترين تيزبيني يعني درك جزئيات ظريف و دقيق را به دارا می باشد. بالاترين غلظت مخروطهاي موجود در اين منطقه در حدود 100000 تخمين زده شدهاند. خارج از اين منطقة مركزي فوويا همانطور که در شکل (2-4) نشان داده شده است مخروطها با ميلهها آميخته گرديده و نسبت ميلهها و مخروطها با دور شدن از فوويا افزايش يافته تا در نهايت در گوشة پردة شبكيه فقط سلولهاي ميلهاي وجود دارند. در پردة شبكيه چشم كلاً تعداد 100 ميليون سلول ميلهاي و 5 ميليون سلول مخروطي تخمين زده شده است كه البته به صورت يك مجموعه عمل ميكنند.
در مكاني كه پـردة شبكيه چشـم براي خـروجي الياف عصب بينايي قطع گشته است هيچ نـوع ميله يا مخـروط نور پذيرنده وجود ندارد و بنابراين اين يك نقطه كور (BLIND SPOT) ميباشد. ليكن معمولاً ما از وجود اين نقطه كور آگاه نيستيم زيرا چشم به طور مداوم در حال حركت بوده و در نتيجه نور از هر قسمتي از يك شيئي به طور پيوسته و متوالي بر روي اين نقطه نميتابد.
وظيفة ميلهها و مخروطها كاملاً متفاوت است. ميلهها دريافتكنندههاي نوري براي بينايي نور كم شدت ميباشند، يعني آنها به نور كم شدت حساس بوده و ليكن نه فقط تصوير واضحي به دست نميدهند بلكه نسبت به رنگ نيز حساس نميباشند. چنين ثابت شده است كه بينايي غير رنگي كه در سطوح روشنايي بسيار كم مثلاً مهتاب كم نور حاصل ميگردد مستقيماً به سفيد شدن ارغواني بصري موجود در ميلهها بستگي دارد. با اينكه مخروطها فقط در مواقعي كه نور خوب است يعني در شدتهاي متوسط يا زياد عمل ميكنند، ليكن آنها اعضاي مربوطه براي بينايي دقيق و بخصوص بينايي رنگ ميباشند. در شب يا نور كم، مخروطها عمل نميكنند زيرا نه فقط حساسيت كمترين نسبت به نور دارند بلكه تعدادشان نيز در سطح پرده شبكيه كمتر است و بنابراين فقط ميلهها به تنهايي تصوير ناپيدايي را ثبت ميكنند به نحوي كه همه چيز به صورت تار و تك- رنگ مشاهده ميگردد. در صورتي كه در شرايط نماياني خوب، يعني نور درخشان چنين به نظر ميرسد كه ميلهها اكثر فعاليت نوري خود را از دست ميدهند شايد به خاطر اينكه ارغواني بصري تقريباً كلاً سفيد شده و بنابراين در بينايي، عموماً مخروطها رل مهمتري را بازي ميكند. بين اين دو حالت منتهي درجه، حد وسطي وجود دارد كه در آن ميلهها و مخروطها همزمان عمل ميكنند.
نحوة تعيين متمايز شمردن يك رنگ از ديگري توسط مخروطهاي رنگ- حساس بسیار دشوار بوده و موضوع تحقيقات بسياري است. درست از زماني كه توماس يانگ (THOMAS YOUNG) تئوري سه- رنگي بينايي را در اوايل قرن نوزدهم پيشنهاد كرد چنين در نظر گرفته شده است كه چشم حداقل حاوي سه پذيرنده مختلف رنگ ميباشد. با اينكه هنوز هم اين مطلب نامعلوم است ليكن امروزه مدارك معقولي در دست ميباشد كه وجود سه نوع مواد نور- حساس در مخروطها را تأييد ميكند. يكي از اين مواد اساساً نور قرمز، ديگر اساساً نور سبز و سومي اساساً نور آبي را جذب ميكنند و مانند ارغواني بصري در ميلهها، اين مواد نيز توسط نور مربوطه تجزيه يا سفيد گرديده و علائم مربوطه را توليد ميسازند كه به مغز فرستاده شده و بنابراين باعث بينايي رنگ ميگردند. بينايي رنگهايي به غير از قرمز، سبز و آبي توسط تركيب درجات مختلف سفيد شدن مواد اين سه پذيرنده حاصل ميگردد. ليكن الياف عصبي پردة شبكيه به شكلي پيچيده به يكديگر متصل ميباشند و بنابراين بعيد به نظر ميرسد كه اطلاعات رنگي كه به مغز فرستاده ميشود فقط سه علامت را كه با جذب نور توسط سه پذيرنده رابطه مستقيم داشته باشد شامل گردد. با اين حال بينايي رنگ در مراحل اوليه بستگي به چنين جذبهاي نوري در قسمتهاي قرمز، سبز، و آبي طيف داشته و اين احتمال توسط موفقيت روشهاي مدرن دوباره توليد رنگ كه بر اساس اين تئوري استوار ميباشند زيادتر گرديده است.
مدار کاربردی
همانطور که اشاره شد خروجی سنسور به صورت جریان می باشد. برای افزایش دامنه این خروجی از یک مبدل جریان به ولتاﮊ استفاده می کنیم. این تبدیل را به همراه تقویت ولتاﮊ می توان توسط یک OP-AMP که به صورت غیر تفاضلی بسته می شود انجام داد.
V(t) = R20Iin
Vout = ((Rf / R1) + 1) * V(t) Vout = R2 ((Rf / R1) + 1) 0 Iin
مدار مبدل جریان به ولتاژ
چون هیچ جریانی وارد op-amp نمی شود پس تمام جریان از مقاومت R2 میگذرد و چون جریان سنسور نباید از چند Pa بیشتر باشد پس مقاومت R2 باید به اندازه کافی بزرگ باشد.( در حد چند مگا اهم ) مقدار Rf و R1 را جهت تقویت طوری انتخاب می کنیم که برای ماکزیمیم مقدار ورودی V(-) ماکزیمیم خروجی یعنی در حدود v5 برای راه اندازی ADC ها داشته باشیم. این تقویت ولتاﮊ جهت توسعه دادن خروجی سنسور و دقت بیشتر در تشخیص رنگ می باشد، تا دقیق تر عمل کند.
برای پردازش کامپیوتری باید ولتاﮊ های خروجی OP-AMP به کدهای دیجیتالی تبدیل شوند این عملیات توسط ADC انجام می شود. بلوکADC مورد استفاده باید دارای سه گیت ورودی آناوگ باشد تا بتواند خروجیها را به صورت سریال تحویل دهد. این بلوک را می توان توسط یک آی سی مبدل آنالوگ به دیجیتال سه ورودی و یک خروجی سریال یا سه عدد آی سی مبدل ADC و یک میکروکنترلر که وظیفه تبدیل آنالوگ به سریال بر عهده دارد، انجام داد. روش دوم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر می باشد.
عملیات پردازش روی سیگنال جهت استفاده در کامپیوتر
ADC ها خروجی مسطح ولتاﮊ تقویت شده توسطواحد تقویت کنندگی که مبین سطح رنگ مورد نظر می باشد را به صورت کدهای 8 بیتی با سطح ولتاﮊ صفر به عنوان صفر منطقی و پنج به عنوان یک منطقی تولید کرده و به صورت موازی در خروجی خود تحویل می دهند. چون این کدها باید جهت پروسس نهایی وارد کامپیوتر شوند ، لذا از یک واحد جهت تبدیل کدها از موازی به سریال استفاده می شود. این واحد می تواند جزو همان ADC باشد یا اینکه می توان از یک میکروکنترلر جهت کنترل بهتر و نیز نمونه گیری های بیشتر استفاده کرد.
لازم به ذکر است که بغیر از عملیات تبدیل موازی به سریال ، میکروکنترلر عملیات دیگری نیز جهت سنکرون شدن با کامپیوتر ، نمونه گیری از کدها و تولید میانگین منطقی جهت استفاده و کنترل کلی پروسه انجام می دهد.
حال کدها آماده ارسال به کامپیوتر از طریق پورت سریال می باشد، ولی مشکلی که دیده می شود تفاوت سطح منطقی مدار طراحی شده با پورت سریال کامپیوتر می باشد. این اصلاحیه توسط آی سی 232 RS انجام می شود که سطح ولتاﮊ صفر و پنج ولت را که نماینگر صفر و یک منطقی می باشد را به (10+) و (10-) ولت با منطق سریال تبدیل می کند . کدهای مورد نظر جهت پروسس نهایی و به اصطلاح تشخیص رنگ از طریق پورت سریال وارد کامپیوتر می شود.
در کامپیوتر می توان توسط نرم افزار کدهای مردنظر را که به صورت سریال BIT 8 × 3 می باشد و هر بایت نماینگر یک رنگ می باشد را شناسایی نمود و از ترکیب آنها رنگ اصلی حس شده توسط سنسور را بازسازی نمود .اساس تشکیل تصویر نیز به همین صورت می باشد. یعنی برای هر پیکسل، رنگ موردنظر با مقدار روشنایی آن به نمایشگر ارسال شده و نمایشگر با کنار هم قرار دادن منطقی آنها ، تصویر را تولید می کند
وبلاگی درزمینه مهندسی اپتیک ولیزر و ارائه اخبار ومقالات در این زمینه و معرفی و بیان ویژگی های مهندسین و فارغ التحصیلان رشته مهندسی اپتیک ولیزر وجایگاه رشته وکارشناسان آن درزمینه های مختلف پژوهشی ، عملی ،دفاعی وبازار کار .