CN101883971A - 颜色测定装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种相对于基准光源对样本(10)进行颜色测定的方法，包括以下步骤：用包括荧光灯(18)和多个发光二极管(24)的光源(12)照射样本(10)。所述发光二极管(24)的光谱补充所述荧光灯(18)的光谱，以便减小在所述光源(12)的总光谱和目标光谱之间的偏差。所述目标光谱可为所述基准光源的光谱，或者也可以进行调节，以对颜色测定室(2)或观测设备(16)的已知特性留出裕量。所述发光二极管(24)可设置为使它们的光可通过荧光灯(18)的灯泡，从而所述灯泡可作为散射器。可替换地，发光二极管(24)和荧光灯(18)可设置在壳(31)内，通过所述壳，它们的光在通过多个小平面(34)的反射而混合后只能到达样本(10)。

Description

颜色测定装置和方法

技术领域

本发明涉及的领域为相对于基准光源的样本颜色测定。

背景技术

在各种行业，诸如纺织、印刷媒体和涂料工业中，在确定样本在已知照明条件下的外观方面，颜色测定很重要。测定可以检测单一样本在规定的照明条件下的质量，例如杂志中的照片；也可以用于比较不同的样本，例如，为确保衣服中的两染色布料在不同的照明条件下能确实地相互匹配。重要的是，进行样本测定的条件应该标准化，例如，要使供应方和买方可以使用其各自的设备以一致的方式比较样本成品。

基准光源可代表自然光，典型的商店照明设备或其它光源，正如像是由国际机构诸如国际照明委员会(CIE)所限定的，或者由商业或工业机构指定的光源。光源由其光谱功率分布来限定，即特定范围的每一波长的光的强度。例如，CIE限定了一个特定的光谱功率分布D65，其被称为“北方天空日光的平均值”，并在图1中示出。波长范围会包括可见光(约380至760nm)，但对于某些应用而言，还可包括紫外线或红外线波长，因为在这些范围的光可在某些染料上产生可见的响应。在本专利说明书和权利要求中，用“光谱”作为“光谱功率分布”的缩写。

人眼用三种受体检测颜色，分为红色、绿色和蓝色受体，但其各自在波长范围具有其独有的光谱响应。由于在眼内只用三个频道来测量可见光的整个光谱，具有不同光谱功率分布的光可能在三种受体内导致相同的响应模式，从而被感知为大体上同一色彩。这称为条件等色(metamerism)。在观测样本时，眼睛接收的光谱为样本本身颜色(即在每一波长上其反射的入射光的部分)和用来照射样本的光的光谱的组合。由于条件等色，两个在本质上颜色不同的样本在一种光源下观测时可能会被视为颜色相同，但其在其它光源下观测时很可能会被视为颜色不同。为了避免上述偏离的结果，很重要的是，颜色测定装置中的照明应与所述的测定所规定的基准光源尽可能相匹配。

如前所述，一个光源只可藉由其光谱功率分布完全地限定。然而，对于人眼，该光源的外观可以由其在红，绿，蓝每一受体中产生的响应来表征。该三个值可进一步减少到两个值(主要是通过将光的整体强度归一化)，通过在色度图平面中的x，y坐标来表征颜色。所述坐标称为光源的“色点(colour point)”。在图2所示的标准CIE 1931色度图中，马蹄形区域代表正常人眼可见颜色的整个色域，相应于单一波长的纯色位于弯曲的周界上。在该图中，例如，点(0.3，0.6)代表特定的黄绿色；而图1所示的CIE D65基准光源所映射的色点为色度图中的白色部分，给予的坐标为(0.3127，0.3291)，并且标示为D。

应该记得，无数的不同光谱功率分布可映射到同一色点。当直接观测时，它们全都会被眼感知为类似的颜色，但在自样本反射时，可能会给出不同的响应。因此，对于颜色测定应用而言，只单单匹配基准光源的色点并不足够，但必须作出尝试，以便尽可能切合实际地估计其整个光谱。

任何给定温度的黑体辐射都具有特定的光谱功率分布，其可相类似地映射到色度图上的色点。整个范围的可能温度形成了图上的线，正如图2所示。通过参照单一相应的温度值，具有接近黑体线的色点的光谱可更粗糙地表征。黑体线通过色度图的白色部分，而色温值常用于量化“白”光趋向于蓝色或黄色的程度。例如，图1所示的CIE D65基准光源对应于6500K的色温。

应该记得，许多不同的光谱(其与黑体光谱可能完全不密切匹配)会映射到任何特定的色温。因此，对于颜色测定应用而言，只单单匹配基准光源的色温并不足够，但必须作出尝试，以便尽可能切合实际地估计其整个光谱。

通用的颜色测定通常是在光照室内进行，所述室包括在其上部的光源。样本可放置在所述室的底板上，或者可将平的样本固定在平或弯曲的倾斜表面上以方便观测。所述室的前面可以开启，以便用眼观测，或者所述室可以封闭，并通过内部的诸如数字摄影机的设备来观测样本。在更专门的应用中，诸如在连续的生产线中，不同的结构可设在现场作颜色测定，而本发明的许多方面适用于上述的那些应用，如本领域技术人员可以理解的那样。

为了在不同照明条件下观测样本，通常可以在多种光源之间切换，每一光源设计成与不同的基准光源相匹配。为了在不同光源下对样本进行有效的视觉比较，所述切换必须几乎是瞬时的。观测室的大小会限制其可容纳的光源的数量，以及可能的基准光源的数量。

用于公知的颜色测定室的光源通常为白炽灯或荧光灯。

白炽灯使用高温灯丝，其产生的光如黑体辐射般具有相同的一般形式的连续光谱，而大部分功率位于光谱的红端。天然的日光和相应的用于日光的基准光源的大部分功率位于光谱的绿色和蓝色部分，所以白炽灯要在高功率下工作以提供足够的绿光和蓝光。在基本上减色的过程中，大部分红光和橙光然后会被过滤掉以匹配要求的基准光源，其结果是浪费能源以及观测室可以变得非常热。

荧光源使用电压放电来激励在密封灯管内的稀薄气体。所述灯管内涂有荧光体，从而产生荧光，每一荧光皆在窄带的波长内。在基本上加色的过程中，不同的荧光体的输出被组合，以产生在期望波长范围内的合适的功率分布。荧光灯光源的能效高，但其光谱倾向于相当不连续，因为荧光体是带窄发射的。与家用或商用的荧光管相比，用于颜色测定应用的荧光体的数量通常会增加以尽可能接近地模拟基准光源。不过，增加荧光体的数量会增加灯的成本。另一问题为荧光体随着时间不稳定地衰减，尤其是在蓝色波长之处，导致光源的光谱功率分布改变，以及荧光灯在被使用一段比其在较不颜色敏感的应用中的正常寿命短得多的时间后就要被丢弃和替换。此外，普通的荧光灯启动电路在灯泡点亮之前会引起延迟，因此，为了提供对样本的视觉颜色比较所必需的光源之间的瞬时切换，就需要提供专门和昂贵的启动电路。

发明内容

本发明提供一种如权利要求1限定的相对于基准光源的样本颜色测定方法。

本发明还提供相应的如权利要求9限定的颜色测定装置。

从属权利要求限定了优选但并不是必不可少的技术特征。

本发明最大的方面为使用发光二极管(LED)来弥补荧光灯光源在颜色测定过程中的缺陷。LED具有合理的能效，并在各种颜色范围中具有宽带和窄带的波长。它们比荧光灯中的额外的荧光体具有极大的优势，因为其强度可以在使用过程中调节，包括可选择地将若干LED完全关闭(即零强度)。因此，LED可以下列的方式使用：

·通过填补荧光灯光谱的带隙，减少荧光灯中所需的荧光体数量。

·通过补偿灯的荧光体在老化时的变化，延长灯的使用寿命或改进光源在灯的整个使用期内的颜色恒定性。

·通过使用不同组合的LED来弥补在基本荧光灯和每个基准光源之间的差异，以使光源用单一的基本荧光灯就可模拟多个基准光源。这样可以节省空间和成本，增加了所述室的灵活性，以致其可为新光源“重新编程”而无需新的硬件。LED的强度可以立即改变，而基本荧光灯则持续地维持开启，因此有可能在不同光源之间进行瞬间切换而无需为灯提供专门的启动电路。

落在样本上的光的光谱不仅取决于光源发出的光谱，还要取决于当光源的光从室壁反射时的光谱变化。如果两室具有不同颜色的壁，在其各自的光源中的LED可以进一步用来弥补这种差别，并允许所述室例如可由在不同位置的两个参与者用于一致的颜色测定。

如果不直接观测而是通过诸如数字摄影机的工具来观测样本，该工具会拥有其本身的光谱响应，即其感光灵敏度随波长而变化的方式。过去的做法是利用模拟基准光源的光照射样本，使用摄影机为样本成像，然后利用图像处理软件来补偿摄影机和人眼的光谱响应之间的差异。本发明提供一种替代的方法，其改变样本的照明，以至于摄影机在变化的照明下为样本成像的方式接近于人眼在基准光源下感知样本的方式。例如，如果摄影机对蓝光不太敏感，则与基准光源相比，光源中的蓝光LED的相对强度可以提高。

通过改变施加的电流或电压来改变从LED不断发射的光的强度，就可实现LED的强度控制；或者这可优选地通过对流经LED的电流进行脉宽调制以改变发射光的平均强度来实现，脉冲的频率足够地高，以至于观测者或观测仪器不会察觉。

虽然本发明已参照发光二极管来叙述，但很明显，其同样适用于其它发光半导体器件。如果所述器件的波长可调，其会提供另一个控制光源的光谱功率分布的方法。

虽然本发明已参照直式荧光灯管来叙述，但其可同样地用于其它的较不常用形状的荧光灯。

附图说明

图1所示为基准光源CIE D65的光谱功率分布。

图2所示为CIE 1931色度图。

图3所示为体现本发明的颜色测定室的示意截面图。

图4所示为图3的光源的放大截面图。

图5所示为图3的光源的示意侧视图。

图6所示为图4和图5的光源的替代方案的截面图。

具体实施方式

图3所示为颜色测定室2，其包括底壁4，顶壁6，后壁及侧壁8(其与附图平面平行而未示出)，并配置为形成前开式箱室。一个或多个样本10可放在室2的底壁4上，在严格控制的条件下由光源12照射，并通过箱室的前开口观看以测定样本的颜色。如果样本10为平板式的，诸如照片或印刷物，其可固定靠在后壁8上，或靠在于后壁8和底壁4之间成一角度地设置的倾斜或弯曲表面(未示出)上。

室2的内表面具有的颜色和质地适合于使光从光源12绕着所述室的内部散射，以便均匀地照射样本10，并提供中性的背景，以便可相对于该背景来观测样本。虽然图中只示出设在室2的顶壁6的偏心位置的单个光源12，但有可能提供一个以上的光源12，其种类可相同，以提供更均匀的照明，或者是不同种类的，以便在它们之间切换来改变室2的照明条件。所述光源可设在所述室2的顶壁6或后壁8或侧壁上的不同位置。如图所示，可设置假天花14以隐藏光源12的电源连接。

除了用眼睛看样本10之外，还可以通过诸如数字摄影机16的观测设备来观看和/或记录样本，所述观测设备可选择地安置在所述室2的顶壁6或其它壁中。在该种情况下，室2的前面一般会通过门(未示出)来关闭，以排除环境光以及使照明条件可得到完全的控制。

图4和图5更详细地示出光源，尽管仍然是示意性地示出。荧光灯管18以与室2的顶壁6平行的方式安装。在室2的天花14中的槽20与灯管18平行和相邻。在槽20的背后安装着一行发光二极管(LED)24，其装在板22上或以任何其它方便的方式安装。所述LED 24这样排列，以至于从这些LED发出的光只可以通过所述槽20和荧光灯的灯泡18进入室2内。因此，灯泡18作用为散射器，以便将光从LED 24散布到所述室2，而且，如果LED 24如下文所述具有不同的颜色，可将不同颜色混合，以使均匀的光线可到达样本10。

上述图中示出了单行LED 24，但多行是可行的，以便增加LED的数量或LED的混合。可以设置另外的反射装置(未示出)，以便通过槽20和荧光灯的灯泡18来导引来自LED的光。可以设置另外的漫射装置(未示出)，以便额外地或代替灯泡18使来自LED的光散射。

所述LED可以具有多种颜色(包括白色)。所述LED要这样选择以至于其发出的波长可补充由荧光灯18的荧光体发出的波长。典型地，LED 24的峰值波长会落在荧光灯18光谱的“峰值”之间。不过，由若干LED发出的波长会覆盖已存在于荧光灯18光谱中的波长，例如，为了要改变光谱的色平衡，或补偿若干荧光体在荧光灯18老化时衰减的输出。当使用多种颜色的LED 24，它们通常要沿着行列分布而不是组合在一起，以便促进来自不同LED的光的混合。

图5还示意性地示出了控制电路26，其与电源(未示出)连接。控制电路26通过线路28开关荧光灯泡18的电源，并通过线路30控制LED 24的电源。可选择地，荧光灯泡18的控制可由独立的电路处理。为简单起见，图5所示为从控制电路26通往每一LED24的单条线路，但当然，在实际上需要完整的电路。所述LED可以独立组的方式控制，其通常为一组单一颜色的LED。图中示出了三个组，即：由线路30a控制的LED 24a，由线路30b控制的LED 24b以及由线路30c控制的LED 24c。

控制电路26不但可以开关相应组的LED 24a，b，c，还可以独立地控制每一组的强度。这最好是通过使用脉冲宽度调制技术来实现，以改变发出的光的平均强度。通过在不同颜色的各个LED的不同强度图案之间切换，使用荧光灯管18来提供普通的背景照明以及用LED在部分光谱中提供特定基准光源所要求的额外的强度，单一光源12就可模拟不同的基准光源。

控制电路26还可控制不同颜色的LED 24的相对强度来补偿荧光灯18的老化。最简单而言，该电路26可根据绝对时间或灯的实际已使用时间来测量灯的老化，并按照预定的可预测每种荧光体随着时间变质的公式来调节LED的相对强度。或者，该电路26可响应灯18的随老化而改变的特征，诸如其光输出或其电气特性。

通过组合荧光灯管18和LED 24的输出所模拟的目标光谱可能并非基准光源本身的光谱，但可以考虑到所述室2的观测条件而调节。例如，所述室的内表面4，6，8会使光源的光在到达样本10前散射，并可能会改变其光谱。如果所述室2的特性是已知的，为顾及这些变化，那么光源12的目标光谱可作改变，从而使到达样本10的光比离开光源12的光与基准光源更加匹配。这可使两不同的观测室给出更一致的结果。可选择地或额外地，如果通过诸如数字摄影机16的观测设备来观测样本10，可调节目标光谱，以便对所述观测设备的光谱响应留出裕量。

图6所示为图4和图5所示的灯18和LED 24的可替代结构。包括漏斗形开口32的灯壳31装入室2的天花14。所述壳包括转角，从而令灯18和一或多个LED 24可安装在使其不能通过漏斗32直接照射入所述室2的位置上。来自灯18和LED的光藉由在灯壳31的顶部的小平面34而反射通过漏斗32，从而使光在进入所述室2之前可混合在一起。图6只示意性地示出所述小平面，在实际的装置中，小平面的数量和结构可以不同。反射器可设在灯18后面，以将灯的光导向所述小平面34。

如果设置多个光源，每一光源可具有各自的壳31，或多个灯18可在单一壳31内排列，并可能与单组的LED 24共享。

Claims (15)

1.一种相对于基准光源对样本(10)进行颜色测定的方法，包括以下步骤：

用包括荧光灯(18)和多个发光二极管(24)的光源(12)照射样本，其中所述发光二极管(24)的光谱补充所述荧光灯(18)的光谱，以便减小在所述光源(12)的总光谱和目标光谱之间的偏差；以及

观测被照射的样本(10)，以便测定其颜色。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述目标光谱为所述基准光源的光谱。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述样本(10)设置在观测室(2)中，其中所述目标光谱不同于所述基准光源的光谱，以便在光源(12)的光从所述室(2)的壁(8)反射到所述样本(10)上时补偿所述光的光谱变化。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：使用观测设备(16)进行样本(10)颜色测定，其中所述目标光谱不同于所述基准光源的光谱，以便补偿所述观测设备(16)的光谱响应。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述观测设备(16)为摄影机。

6.如上述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于：所述发光二极管包括不同颜色的二极管(24a，24b，24c)，所述方法进一步包括改变所述的不同颜色的二极管(24a，24b，24c)的相对强度，以便对应不同的目标光谱。

7.如上述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于进一步包括：控制发光二极管(24)的强度，以补偿荧光灯(18)在它老化时的光谱变化。

8.如上述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于：发光二极管(24)的光在到达样本(10)之前通过荧光灯(18)的灯泡扩散。

9.一种颜色测定装置，包括：

观测室(2)；

在观测室(2)内的用于照射视场(4)的光源(12)，所述光源(12)包括荧光灯(18)和多个发光二极管(24)，其中所述发光二极管(24)的光谱补充所述荧光灯(18)的光谱，以便减小在所述光源(12)的总光谱和目标光谱之间的偏差。

10.如权利要求9所述的颜色测定装置，其特征在于：所述发光二极管包括不同颜色的二极管(24a，24b，24c)，所述装置进一步包括用于控制所述的不同颜色的二极管(24a，24b，24c)的相对强度的控制设备(26)。

11.如权利要求9或10所述的颜色测定装置，其特征在于：所述荧光灯(18)的灯泡位于上述发光二极管(24)和上述视场(4)之间以用作来自发光二极管(24)的光的散射器。

12.如权利要求11所述的颜色测定装置，其特征在于：灯泡(18)为直管以及发光二极管(24)以线性阵列邻接所述直管排列。

13.如权利要求9或10所述的颜色测定装置，其特征在于：荧光灯(18)和发光二极管(24)的位置设置为使它们不能直接照射到所述视场(4)上。

14.如权利要求13所述的颜色测定装置，其特征在于：荧光灯(18)和发光二极管(24)设置在灯罩(31)之内，所述灯罩(31)凹入在所述观测室(2)的天花板(14)中。

15.如权利要求14所述的颜色测定装置，其特征在于进一步包括：多个小平面，它们被定位成将光从灯罩(31)向所述视场(4)反射。

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