CN103542938A - 基于d/8条件对sci误差修正的分光测色仪及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪及其方法，其设计了一种新型的分光测色仪，所述分光测色仪包括：光阱、光源、积分球、第一拨片、第一拨片控制装置、光谱仪、第二拨片、第二拨片控制装置和用于进行数据处理的处理装置；通过第一拨片控制装置控制第一拨片关闭或打开积分球上部开孔，实现了SCI和SCE两种测量条件，并通过第二拨片控制装置控制第二拨片打开或关闭积分球下部开孔，从而用标准白板的测试数据对不同被测样品的测量数据进行校正，消除了由于光源强度波动对测量带来的影响，增强了测量重复性;通过对样品表面SCI和SCE数据进行同时测量获得样品表面的光泽数据，根据预先建立的样品表面光泽数据对SCI测量数据进行修正的矫正模型，对SCI测量数据进行修正，有效减小了误差。
Description
技术领域
本发明涉及颜色测量技术领域，尤其涉及的是一种基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪及其方法。
背景技术
为了保证颜色数据的可对比性，颜色测量必须在标准照明和观察几何条件下进行。CIE(国际照明委员会International Commission on Illumination)在1971年推荐了四种用于反射样品测量的标准照明与观察几何条件：垂直/45(0/45)，45/垂直(45/0)，垂直/漫射（0/d），漫射/垂直(d/0)。为了便于讨论，可以将各种不同的照明与观察条件减少成三种最普通的几何条件：漫射照明、8度观察角、包含镜面反射成分（d/8:i）；漫射照明、8度观察角、消除镜面成分（d/8:e）；和45°环形照明、垂直观察（45/0:c）。
对表面颜色进行观测时，光泽会对颜色判定产生极大的影响。为了去除表面光泽对颜色测量带来的影响，通常采用d/8:i照明观测条件对颜色进行测量。在此结构中，需要采用积分球对材料表面反射光进行混光。但是，积分球的混光效果和理想情况有一定差距，导致在测量相同光谱反射率、不同光泽的样品时，得到的测量结果存在误差。
具体来说，对于一个测试样品，如图1所示，用折射率为n2涂料涂覆在基底材料表面，遮盖住基底材料的本色。当一束光强为I的平行光由折射率为n1的空气入射至样品表面时，在空气和样品的交界处发生了反射和入射，可以用式（1）描述：I=Ir+Ii （1）
式（1）中Ir为表面反射光光强，Ii为入射至涂料内部光强。Ir和Ii的比例关系，可以按照Fresnel（菲涅尔）公式进行计算，只和涂料的折射率相关，与其它因素不相关。Ir的光谱特性和入射光光谱一致。强度为Ii的入射光进入涂料层后，在涂料内部发生了透射和散射。在透射和散射过程中，材料本身对不同光谱的光吸收的差异性，导致了对不同波长的入射光产生了吸收。该部分光通过基底的反射，最终被人眼或探测器接收，这部分光是真正携带材料光谱信息的。
最终人眼或传感器所接收到的光线，不仅包括一部分反射光Ir，也包括一部分Ii携带材料光谱信息后的光线，分光测色仪测量几何条件示意图如图2所示，传感器信号可以用式（2）表示：
式（2）中，
为人眼或传感器接收的光信号，与材料表面反射光谱和材料表面光泽相关。Rintrinsic(λ)为涂料层反射光线，是与材料表面反射光谱相关的。r(g)为由于表面光泽导致接收到的表面反射光信号，只与光源光谱相关。在观察颜色和用仪器测量颜色时，测量和观察的结果取决于表面反射光中哪一部分，有多少进入了观察范围或测量角度。在人眼对材料表面的观察过程中，人眼感觉表面越光滑的材料，反射光越强。实际上，表面越光滑，代表材料表面的微结构越细致、越平整。当光线以一定角度入射至材料表面时，表面越光滑，则有更多的光线遵循镜面反射定律，在对应的反射方向进行观察，就会觉得反射光线越强，即式（2）中的r(g)比例越大。但是在接收到的信号中混入了大量光源光谱，会降低观察到的颜色饱和度。
CIE推荐的d/8:i测量结构如图3所示。在这种测量条件下，光源发出的光首先入射到积分球内壁上，通过积分球的混光作用对样品进行漫射照明，观察角度与材料表面法线方向成8°角度。在d/8:i结构中，进入观察角度的光强，包括一部分在材料表面发生的镜面反射光r(g)和一部分包含材料表面光谱信息的Rintrinsic(λ)。当被测材料是高光泽镜面时，测量孔径相对表面法线对称方向的积分球壁发出的光线经过被测物体表面的镜面反射之后，镜面反射光会进入测量孔径。在理想情况下，由于积分球的匀光作用，认为积分球内壁上的光强分布处处相等，在这种情况下，可以认为式（2）中
的大小以及r(g)和Rintrinsic(λ)的比例只与涂料表面折射率相关，与材料表面光泽不相关。
但是在实际情况下，在积分球d/8:i结构中，有两个特殊位置的光强分布是和积分球内其它位置不一致的。如图3所示的A和B位置。对于A位置由于光源影响，A位置的光强相对于积分球内其它位置会显著增强。对于B位置，如果在测量样品处放置高光泽样品时，也会改变样品反射光的光强空间分布，进而影响测试口径处的信号强度，如图4a和4b所示，比较了在d/8:i几何条件下测量高光泽表面和粗糙表面的情况。这两种表面假设其材料本身颜色相同，只是表面光泽有区别。入射至物体表面的光线来自积分球球壁，从各个方向入射。当材料表面是高光泽面时，如图4a所示，一部分镜面反射光会直接入射至观察孔径；当材料表面是粗糙面时，如图4b所示，进入观察孔径的镜面反射光比例减小。在该结构下对不同光泽的同种颜色样品进行测量时结果对应关系，请参阅图5a和图5b，对两组同色不同光泽的材料表面进行测量，比较了实际测试结果，对于同色材料表面，当光泽不同时，测量结果也会出现差异。
并且在测色仪的性能评价指标中，最重要的两个指标是重复性和示值误差。为了提高产品中的重复性，为了增强仪器的重复性，现有分光测色仪的设计中采用双光路设计方法来实现。分光测色仪的测量光源一般选择卤钨灯或者氙灯，这两种光源点亮时功耗非常大，所以在分光测色仪的设计，尤其是便携式分光测色仪的设计中，为了降低仪器的功耗，每次测量时需要尽量减少光源点亮的时间。典型结构如图6所示，在双光路设计中需要使用两个传感器同时进行采样，即用一路传感器监测光源的波动，用另一路传感器测量被测样品的反射光谱信号。在这种设计思路下，需要用两个传感器，两套分光光路来实现，导致成本增加。
在传统的测色仪设计中，通常需要在仪器外部附送一个标准白板，用来对仪器进行校准，在仪器长期使用过程中，通过测试白板，用白板数据对仪器的整体漂移做矫正。通常情况下，仪器开机时会进行设置校准的步骤，即对白板进行一次测试。但是，标准白板不容易保管，灰尘、磨损都会导致白板表面光谱发生变化。而且，每次对标准白板进行测试时，需要人工对准白板，如果操作不当（比如机器的底面和白板面贴合不紧）也会导致白板测试数据不客观，影响了仪器的矫正效果。
有鉴于此，对于不同测试结构的仪器，应该对其SCI测试条件下由于材料表面光泽导致的测量误差进行修正。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪及其方法，旨在根据样品表面光泽数据对SCI测量数据进行修正，减小不同光泽的同种颜色材料表面颜色测量的测量误差。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，用于测量样品的颜色，其中，所述分光测色仪包括：光阱、光源、积分球、第一拨片、第一拨片控制装置、光谱仪、第二拨片、第二拨片控制装置和用于进行数据处理的处理装置；
所述积分球的侧壁设置有一入射口，所述光源发出的光线通过所述入射口进入积分球；所述样品设置在积分球的下部开孔处；所述光谱仪设置在积分球上垂直于样品法线的-8°的位置处；所述光阱设置在积分球上垂直于样品法线的+8°的位置处，且在所述积分球上垂直于样品法线的+8°的位置处设置有上部开孔；所述第一拨片设置在光阱处，且第一拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；所述第一拨片控制装置连接第一拨片；所述第二拨片设置在积分球的下部开孔处，且在第二拨片上设置有标准白板；所述第二拨片控制装置连接第二拨片；所述光谱仪连接所述处理装置；
所述第一拨片控制装置控制所述第一拨片关闭积分球上部开孔，得到无光阱的SCI测量条件；然后所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光；所述第二拨片控制装置再控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光；所述处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得相应的第一测量结果；
所述拨片控制装置控制所述拨片打开积分球上部开孔，得到有光阱的SCE测量条件；然后所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光；所述第二拨片控制装置再控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光；所述处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得相应的第二测量结果；
所述处理装置根据所述第一测量结果和第二测量结果计算样品表面的光泽并对第一测量结果进行修正。
所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，其中，所述拨片控制装置为步进电机，所述处理装置为计算机。
所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，其中，所述光源为包括多个LED光源的LED复合光源。
所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，其中，所述LED复合光源包括5个LED光源，分别为色温3500K的白光LED，及峰值波长为400nm、480nm、680nm和700nm的单色LED。
一种采用上述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其中，所述方法包括以下步骤：
S1、光源发出的光进入积分球；
S2、第一拨片控制装置控制所述第一拨片关闭积分球上部开孔得到无光阱的SCI测量条件；所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S3、第二拨片控制装置控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S4、处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得第一测量结果ISCI；
S5、第一拨片控制装置控制所述第一拨片打开积分球上部开孔得到有光阱的SCE测量条件；所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S6、第二拨片控制装置控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S7、处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得第二测量结果ISCE；
S8、计算样品的光泽值G=ISCI-ISCE；根据预先设置的根据样品表面光泽数据对SCI测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型，计算不同光泽的同种颜色样品表面光泽差相应的测量误差，根据所述测量误差对不同光泽的样品在无光阱的SCI测量条件下的第一测量结果进行修正。
所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其中，在所述步骤S1之前还包括：
S11、计算不同光泽的同种颜色样品表面光泽差ΔG和在SCI条件下的第一测量结果差值ΔI；
S12、计算多种颜色相应的光泽差ΔG和第一测量结果差值ΔI，对ΔG和ΔI进行线性拟合，获得拟合系数k和d，建立一种根据样品表面光泽数据对SCI测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型：ΔI=k*ΔG+d。
所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其中，所述光源为包括多个LED光源的LED复合光源。
所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其中，所述LED复合光源包括5个LED光源，分别为色温3500K的白光LED，及峰值波长为400nm、480nm、680nm和700nm的单色LED。
有益效果：
本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪及其方法，其设计了一种新型的分光测色仪，通过控制第一拨片控制装置控制第一拨片关闭积分球上部开孔，即将第一拨片处于积分球上部开孔与光阱之间，得到无光阱的SCI测量条件；还通过控制第一拨片控制装置控制第一拨片打开积分球上部开孔，即将第一拨片不处于积分球上部开孔与光阱之间，得到有光阱的SCE测量条件，从而可以兼容SCI和SCE两种几何测量结构，还通过第二拨片控制装置控制第二拨片关闭或打开积分球下部开孔，即将其处于或不处于样品与积分球下部开孔之间，从而分别对两种测量条件下的测量结果进行校正，大大提高了测量的重复性；通过对样品表面SCI和SCE数据进行测量，可获得样品表面的光泽数据，还建立了一种根据样品表面光泽数据对SCI测量数据进行修正的矫正模型，根据所述矫正模型计算不同光泽的同种颜色样品表面光泽差相应的测量误差从而对SCI测量数据进行修正，有效地减小了误差。
附图说明
图1为光线在薄膜表面的反射和入射的示意图。
图2为现有技术的分光测色仪测量几何条件的示意图。
图3为现有技术的CIE推荐的d/8:i测量结构的示意图。
图4a为现有技术的d/8:i测量条件下测量高光泽表面的示意图。
图4b为现有技术的d/8:i测量条件下测量低光泽表面的示意图。
图5a为第一组对同色不同光泽的材料表面进行测量的测量结果的示意图。
图5b为第二组对同色不同光泽的材料表面进行测量的测量结果的示意图。
图6为现有技术的分光测色仪双光路测量结构的示意图。
图7为本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪在SCI测量条件下关闭积分球下部开孔的结构示意图。
图8为本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪在SCI测量条件下打开积分球下部开孔的结构示意图。
图9为本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的光源的结构示意图。
图10为本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪在SCI测量条件下光线在积分球和样品间的多次反射的示意图。
图11为本发明提供的测试色板的示意图。
图12为700nm下测量高光泽与低光泽表面的光泽差值和测量差值数据的示意图。
图13为700nm下测量中光泽与低光泽表面的光泽差值和测量差值数据的示意图。
图14为本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪在SCI测量条件下未经光泽矫正的测量结果的示意图。
图15为本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪在SCI测量条件下经光泽矫正后的测量结果的示意图。
图16为本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪及其方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图7和图8，本发明提供的一种基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，用于测量样品的颜色，其中，所述分光测色仪包括：光阱、光源、积分球、第一拨片、第一拨片控制装置、光谱仪、第二拨片、第二拨片控制装置和用于进行数据处理的处理装置。
所述积分球的侧壁设置有一入射口，所述光源发出的光线通过所述入射口进入积分球；所述样品设置在积分球的下部开孔处；所述光谱仪设置在积分球上垂直于样品法线的-8°的位置处；所述光阱设置在积分球上垂直于样品法线的+8°的位置处，且在所述积分球上垂直于样品法线的+8°的位置处设置有上部开孔；所述第一拨片设置在光阱处，且第一拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；所述第一拨片控制装置连接第一拨片；所述第二拨片设置在积分球的下部开孔处，且在第二拨片上设置有标准白板；所述第二拨片控制装置连接第二拨片；所述光谱仪连接所述处理装置。
具体来说，所述第一拨片控制装置控制所述第一拨片关闭积分球上部开孔，得到无光阱的SCI测量条件；然后所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光；所述第二拨片控制装置再控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光；所述处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得相应的第一测量结果；
所述拨片控制装置控制所述拨片打开积分球上部开孔，得到有光阱的SCE测量条件；然后所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光；所述第二拨片控制装置再控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光；所述处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得相应的第二测量结果；
所述处理装置根据所述第一测量结果和第二测量结果计算样品表面的光泽并对第一测量结果进行修正。
优选地，所述拨片控制装置为步进电机，所述处理装置为计算机。样品受到光源经单色仪分光后在积分球的漫射照明，光谱仪在积分球上垂直于样品法线的-8°位置接收发射信号，光阱在积分球垂直于样品法线的+8°位置来消除反射光中的镜面反射，信号光由光谱仪进行采样，最后由微机***（即处理装置）进行数据处理而获得测量结果。
在实际应用时，由于在光阱处设置了一个第一拨片，由第一步进电机控制，在步进电机的控制下，第一拨片可使得上部开孔与光阱之间的光路导通或关闭。拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料，具体为拨片面对积分球的一侧设置有所述涂料。如图7所示，当第一步进电机控制第一拨片堵住积分球开孔时，即转动到在积分球与光阱之间时，此时的测量条件是无光阱的SCI测量条件。而当第一步进电机控制第一拨片打开积分球上部开孔时，此时的测量条件是有光阱的SCE测量条件。
请继续参阅图7和图8，在无光阱的SCI测量条件下，第二步进电机控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；即将第二拨片处于积分球下部开孔与样品之间，使其光路关闭；由于在所述第二拨片上设置有标准白板，那么光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
所述第二步进电机再控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；即将第二拨片不处于积分球下部开孔与样品之间，使其光路导通；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；所述处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得相应的第一测量结果，从而得到样品在SCI测量条件下的数据。
然后第一步进电机控制第一拨片打开积分球上部开孔时，此时的测量条件是有光阱的SCE测量条件。然后所述第二步进电机控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光；所述第二拨片控制装置再控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光；所述处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得相应的第二测量结果；从而得到样品在SCE测量条件下的数据。
所述处理装置根据所述第一测量结果和第二测量结果计算样品表面的光泽并对第一测量结果进行修正。
在传统的测色仪设计中，通常需要在仪器外部附送一个标准白板，用来对仪器进行校准，在仪器长期使用过程中，通过测试白板，用白板数据对仪器的整体漂移做矫正。通常情况下，仪器开机时会进行设置校准的步骤，即对白板进行一次测试。但是，标准白板不容易保管，灰尘、磨损都会导致白板表面光谱发生变化。而且，每次对标准白板进行测试时，需要人工对准白板，如果操作不当（比如机器的底面和白板面贴合不紧）也会导致白板测试数据不客观，进一步影响仪器的矫正效果。
优选地，本发明通过在积分球的下部开孔处还设置有一由第二步进电机控制的第二拨片，也就是在在积分球的下部开孔处和被测样品之间设置了一个拨片，从而避免了杂质进入积分球中。并且在第二拨片上设置有一标准白板，可通过在第二拨片上涂覆和积分球内壁材料相同的白色漫反射材料来实现，相当于在第二拨片上设置了一个标准白板，从而将标准白板放置在了仪器内部，如图7和图8所示。由于每次测量都会对白板进行自动测试，所以可以实现每次测试时对仪器进行矫正，不需要用户特意进行矫正操作。
每次测量之前先点亮光源，用第二拨片堵住用于测量样品的测量口，对第二拨片上的白板进行一次测量（如图7所示），之后通过第二步进电机旋转第二拨片，打开测量口，对被测样品进行一次测量（如图8所示），然后关闭光源。在这种情况下，由于两次测量的时间间隔很短，可以近似认为两次测量时，光源强度不发生变化。通过已知的白板光谱反射率，从而计算出被测样品的光谱分布。具体的测量方法流程为：打开光源，控制第二拨片堵住积分球的下部开孔，也就是堵住测量口，并对第二拨片上的标准白板进行测量，然后传感器进行采样，信号值为Iw(λ)。然后，第二步进电机控制第二拨片旋转，露出测量口，从而对被测样品进行测量，传感器进行一次采样的信号值为It(λ)。最后关闭电源，控制第二拨片堵住测量口。最后取测试结果为
，通过这种处理可以达到较好的测量重复性。这样，在无光阱的SCI测量条件下，通过控制第二拨片关闭或打开积分球的下部开孔，分别得到的两次测量结果，可对无光阱的SCI测量条件下的测量结果进行校正，取其为两者的比值，即第一测量结果。同理，在有光阱的SCE测量条件下，也通过控制第二拨片打开或关闭，分别得到两次测量结果，对有光阱的SCE测量条件下的测量结果进行校正，取其为两者的比值，即第二测量结果。然后再根据所述第一测量结果和第二测量结果计算样品表面的光泽并对第一测量结果进行修正，从而有效地减小了无光阱的SCI测量条件下的测量数据的误差。
本发明提供的这种结构设计，只需要一路分光光路和一个传感器就可以实现高重复性的测量。另外，在平时仪器不工作的情况下，第二拨片是堵住测量口径的，只有在测试时口径才会打开很短的时间。在平时工作环境比较恶劣的情况下，保证了积分球内壁和白板不会轻易污损。
本发明通过分别在无光阱的SCI测量条件和有光阱的SCE测量条件下，均通过标准白板进行校正，使得测量数据更加准确。然后再根据所述第一测量结果和第二测量结果计算样品表面的光泽并对第一测量结果进行修正，从而有效地减小了无光阱的SCI测量条件下的测量数据的误差。
优选地，请参阅图9，本发明采用LED复合光源作为测量光源，功耗相对传统光源有较大的降低，所述LED复合光源由若干个LED光源组合成，保证了在可见光范围内有充足的光谱分布。在实际应用时，可选取5个LED组成复合光源，每个复合光源发出的光首先通过内壁为螺纹的孔径，入射至积分球内部。经过积分球的匀化作用，在测量孔径处对被测物体表面形成均匀测量。选取的LED共有5个，分别为色温3500K的白光LED，峰值波长为400nm、480nm、700nm、680nm的单色LED。在测试时，每个LED的光谱分布进行组合，所有LED一起点亮，从而保证了在380nm至780nm范围内有充足的能量分布。也可以去峰值波长为400nm、480nm、740nm、680nm的单色LED，此处波长值是较佳实施例，其光谱分布更均匀，测量效果更好。本发明采用LED复合光源，功率小，且寿命长，避免了现有技术中采用的光源的缺陷，以及光谱分布存在缺失的问题。
请继续参阅图7，在SCI测量条件下，测试光源发出的光经过在积分球内部漫射后，拨片部分的积分球内壁漫反射光通过两种方式经过被测样品表面入射至传感器。如图10所示：第一种方式是经过镜面反射光直接入射至传感器中，如图10中A->B->D光线；另一种方式是光线在被测材料表面发生漫反射后，经过积分球的匀化再次入射至被测材料表面发生反射，如图10中A->B->C->E->D。而每一次在样品表面的反射光，既包括光源光谱，也包括物体表面光谱。当光阱位置为完整的积分球内壁的情况下，在波长λ处经过被测材料表面的光线直接反射至传感器的光线A->B->D，传感器接收到的光谱辐射强度为；
I0(λ)=α0·Is(λ)+β0·R(λ)·Is(λ) (3)
其中，I0(λ)为传感器接收到的光谱辐射强度，Is(λ)为光线A->B的光谱辐射强度，α0为光线A->B在材料表面发生非朗伯反射时，光线B->D中所包括的入射光线光谱信息系数；R(λ)为被测样品表面光谱反射率，β0为光线A在材料表面发生非朗伯反射时，光线B->D中包括被测样品表面光谱信息。
而经过被测材料表面的光线没有直接反射至传感器的光线，以光线B->C为例，在积分球内壁发生了一次反射后入射至被测材料表面，之后入射至传感器；入射至传感器的光辐射量为：
I1(λ)=α1·I′s(λ)+β1·R(λ)·I′s(λ) (4)
其中，
I′s(λ)=α′0·Is(λ)+β′0·R(λ)·Is(λ) (5)
实际情况下，光源发出的光可能会经过若干次以上反射后再入射至传感器，传感器接受的光辐射量可以用下式表示，
I(λ)=I0(λ)+I1(λ)+I2(λ)+…+In(λ) (6)
I(λ)=Ks·Is(λ)(a0+a1·R(λ)+a2·R2(λ)+…+an·Rn(λ)) (7)
从上式可知，在积分球内部不设置光阱的情况下，光源发出的光经过对应位置的积分球球壁漫反射，再经过被测物体表面的若干次反射后，入射传感器的光辐射量与该积分球球壁位置的光辐射强度Is(λ)和被测材料表面光谱反射率R(λ)相关。SCI和SCE条件下进入传感器的光辐射量差可以用下式表示：
ΔG=K·Is(λ)(k0+k1·R(λ)+k2·R2(λ)+…+kn·Rn(λ)) (8)
由于多次反射的高次项对结果的影响有限，可以将式（8）简化为
ΔG=K0·Is(λ)(k0+k1·R(λ))+d0 (9)
ΔG=α0·Is(λ)+β0·Is(λ)·R(λ)+Y0 (10)
在SCI情况下对不同光泽的同色样品进行测量时，对高光泽和低光泽样品所测量的信号差值可以用式11表示，
ΔI=α1·Ｉs(λ)+β2·Is(λ)·R(λ)+γ1 (11)
其中，α1·Is(λ)是与光源光谱分布相关的，β2·Is(λ)·R(λ)是与材料表面光谱相关的，当材料表面光泽越大时，光源光谱在整个被测信号中所占的比例越大。
为了减小D/8结构下的分光测色仪由于不同色泽导致的测量误差，通过建立一根据样品表面光泽数据对SCI测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型。所述矫正模型建立过程如下所述。
首先准备不同光泽、相同颜色的样品。样品可设置为长方形，每个样品上设计了3个光泽不同的区域，分别是高光泽、中光泽区和低光泽区，具体尺寸和大小如图11所示，宽优选为7cm，高优选为5cm，为了防止测量时有光透过板材导致测量误差，样品板材厚度设置为5mm。该不同色泽、相同颜色的样品可通过相应的模具，用PP（聚丙烯，polypropylene）料进行注塑，用同一种色料进行注塑，融化温度为250℃，注塑温度为110℃，注塑压力55MPa。注塑成型后，在80摄氏度下恒温箱中干燥6个小时。具体来说，可制作27个色板，每个色板上有3个不同光泽的区域。用改进后的测色结构，即加了拨片和步进电机的分光测色仪对每种颜色样品的高、中、低光泽区域分别测试其SCI和SCE条件下的光谱反射率，选择的样品表面光谱反射率尽量在10%-90%均匀分布。为了防止样品低光泽区域处由于表面纹理对测试数据产生影响，在每次测量时都旋转120°，取3次测量的平均值。
然后，对每一个色板中不同光泽的区域进分别测试在SCI和SCE条件下的测试结果ISCI和ISCE，用两个测试结果的差值来代表材料表面的光泽程度，如式(12)所示。对于所有色板数据进行测量，共得到27组高光泽、27组半光泽和27组粗糙表面测试数据。
G=ISCI-ISCE (12)
测量两个不同光泽的同色样品在SCI条件下的测量结果，得到两个样品的光泽值G1、G2和测量值I1和I2。构建光泽差值和测量差值，所述光泽差值如式(13)所示，所述测量差值如式(14)所示。
ΔG=G1-G2 (13)
ΔI=I1-I2 (14)
然后计算多种颜色相应的光泽差ΔG和测量差值ΔI，，对得到的多个光泽差ΔG和测量差值ΔI通过matlab进行线性拟合，获得拟合系数k和d，建立一种根据样品表面光泽数据对SCI测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型：
ΔI=k*ΔG+d （15）
从而得到该仪器结构下ΔG和ΔI的关系如式（15）所示，在对样品进行测量时，可以按照式（15）对测量结果进行修正。
在实际应用时，上述27个色板样品，对高光泽和粗糙表面数据进行对比分析，以700nm为例比较每种情况下光泽值ΔG和测量差值ΔI之间的数据关系，如图12所示。
在实际应用时，上述27个色板样品，对半光泽和粗糙表面数据进行对比分析，以700nm为例比较每种情况下光泽值ΔG和测量差值ΔI之间的数据关系，如图13所示。
由图12和图13可知，对于同种颜色不同光泽的两个样品，当光泽差ΔG别较大时，会导致测量结果有较大测量误差，材料表面光泽差ΔG和测量差值ΔI线性关系越明显。而当对半光泽表面和粗糙表面进行对比测量时，由于光泽差别较小时，材料表面光泽差ΔG和测量差值ΔI线性关系不明确。
对所有27个色板对应的27组测试数据应用矫正模型。图14为本发明的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪在SCI测量条件下未经光泽矫正的测量结果的示意图。由于仪器的光谱分辨率是10nm，所以对间隔10nm测试数据建立ΔI和ΔG的修正模型，并应用于测量，具体来说，也就是每隔10nm根据式（15）对测量结果进行修正，得到如图15所示的测试结果。其中，---表示进行矫正后的高光泽测试结果；——表示进行矫正前的高光泽测试结果，………表示粗糙表面测试结果。在实验结果中，由于光泽的不同而对测量产生的误差已经有明显减小。对矫正前和矫正后的测试结果比较同色不同光泽样品的光谱曲线差别，计算方法如式（16）所示。
其中，I′(λ)SPD表示测试高光泽样品所得光谱曲线，I(λ)SPD表示测试低光泽样品所得光谱曲线。对27个色卡分别测量高光泽、半光泽和粗糙表面，对测量结果根据光泽值进行矫正，实验结果如表1所示：
表1
因此，本发明提供的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪在SCI测量条件下的测量结果，在经矫正后，降低了不同光泽的同种颜色材料表面颜色的测量误差，大大增加了一致性。本发明提供的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪在SCI测量条件下对颜色进行测量时，通过对材料表面的光泽进行测量，建立了光泽和测量误差的矫正模型，当材料表面光泽值较大时，对测量结果进行矫正，有效的减小了误差。
基于上述基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，本发明还提供了一种采用上述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，如图16所示，其中，所述方法包括以下步骤：
S100、光源发出的光进入积分球；
S200、第一拨片控制装置控制所述第一拨片关闭积分球上部开孔得到无光阱的SCI测量条件；所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S300、第二拨片控制装置控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S400、处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得第一测量结果ISCI；
S500、第一拨片控制装置控制所述第一拨片打开积分球上部开孔得到有光阱的SCE测量条件；所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S600、第二拨片控制装置控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S700、处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得第二测量结果ISCE；
S800、计算样品的光泽值G=ISCI-ISCE；根据预先设置的根据样品表面光泽数据对SCI测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型，计算不同光泽的同种颜色样品表面光泽差相应的测量误差，根据所述测量误差对不同光泽的样品在无光阱的SCI测量条件下的第一测量结果进行修正。
进一步地，所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其特征在于，在所述步骤S100之前还包括：：
S110、计算不同光泽的同种颜色样品表面光泽差ΔG和在SCI条件下的第一测量结果差值ΔI；
S120、计算多种颜色相应的光泽差ΔG和第一测量结果差值ΔI，对ΔG和ΔI进行线性拟合，获得拟合系数k和d，建立一种根据样品表面光泽数据对SCI测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型：ΔI=k*ΔG+d。
优选地，所述光源为包括多个LED光源的LED复合光源。
优选地，所述LED复合光源包括5个LED光源，分别为色温3500K的白光LED，及峰值波长为400nm、480nm、680nm和700nm的单色LED。
综上所述，本发明提供的一种基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪及其方法，其设计了一种新型的分光测色仪，所述分光测色仪包括：光阱、光源、积分球、第一拨片、第一拨片控制装置、光谱仪、第二拨片、第二拨片控制装置和用于进行数据处理的处理装置；
所述积分球的侧壁设置有一入射口，所述光源发出的光线通过所述入射口进入积分球；所述样品设置在积分球的下部开孔处；所述光谱仪设置在积分球上垂直于样品法线的-8°的位置处；所述光阱设置在积分球上垂直于样品法线的+8°的位置处，且在所述积分球上垂直于样品法线的+8°的位置处设置有上部开孔；所述第一拨片设置在光阱处，且第一拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；所述第一拨片控制装置连接第一拨片；所述第二拨片设置在积分球的下部开孔处，且在第二拨片上设置有标准白板；所述第二拨片控制装置连接第二拨片；所述光谱仪连接所述处理装置；通过第一拨片控制装置控制第一拨片，从而控制积分球上部开孔和光阱之间的光路通断，兼容了SCI和SCE两种几何测量结构，通过第二拨片控制装置控制第二拨片，控制积分球下部开孔和样品之间的光路通断，分别测量从而对在不同测量条件下的测量数据进行校正，通过对样品表面SCI和SCE数据进行同时测量，从而获得样品表面的光泽数据，根据所述光泽数据建立了一种根据样品表面光泽数据对SCI测量数据进行修正的矫正模型，根据所述矫正模型计算不同光泽的同种颜色样品表面光泽差相应的测量误差从而对SCI测量数据进行修正，有效地减小了误差，大大改善了测试结果之间的一致性，具有很好的应用前景。进一步地，本发明采用多种LED组合成在可见光范围内有充足能量分布的光源，和已有技术相比，极大地降低了功耗；通过第二拨片控制装置控制第二拨片控制测量孔径分别对参考白板和被测样品进行测量，通过测量参考白板的数据监测光源变化，有效地提高了仪器测量重复性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，用于测量样品的颜色，其特征在于，所述分光测色仪包括：光阱、光源、积分球、第一拨片、第一拨片控制装置、光谱仪、第二拨片、第二拨片控制装置和用于进行数据处理的处理装置；
所述积分球的侧壁设置有一入射口，所述光源发出的光线通过所述入射口进入积分球；所述样品设置在积分球的下部开孔处；所述光谱仪设置在积分球上垂直于样品法线的-8°的位置处；所述光阱设置在积分球上垂直于样品法线的+8°的位置处，且在所述积分球上垂直于样品法线的+8°的位置处设置有上部开孔；所述第一拨片设置在光阱处，且第一拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；所述第一拨片控制装置连接第一拨片；所述第二拨片设置在积分球的下部开孔处，且在第二拨片上设置有标准白板；所述第二拨片控制装置连接第二拨片；所述光谱仪连接所述处理装置；
所述第一拨片控制装置控制所述第一拨片关闭积分球上部开孔，得到无光阱的SCI测量条件；然后所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光；所述第二拨片控制装置再控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光；所述处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得相应的第一测量结果；
所述拨片控制装置控制所述拨片打开积分球上部开孔，得到有光阱的SCE测量条件；然后所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光；所述第二拨片控制装置再控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光；所述处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得相应的第二测量结果；
所述处理装置根据所述第一测量结果和第二测量结果计算样品表面的光泽并对第一测量结果进行修正。
2.根据权利要求1所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，其特征在于，所述拨片控制装置为步进电机，所述处理装置为计算机。
3.根据权利要求1所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，其特征在于，所述光源为包括多个LED光源的LED复合光源。
4.根据权利要求3所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪，其特征在于，所述LED复合光源包括5个LED光源，分别为色温3500K的白光LED，及峰值波长为400nm、480nm、680nm和700nm的单色LED。
5.一种采用权利要求1所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、光源发出的光进入积分球；
S2、第一拨片控制装置控制所述第一拨片关闭积分球上部开孔得到无光阱的SCI测量条件；所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S3、第二拨片控制装置控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S4、处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得第一测量结果ISCI；
S5、第一拨片控制装置控制所述第一拨片打开积分球上部开孔得到有光阱的SCE测量条件；所述第二拨片控制装置控制所述第二拨片关闭积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述标准白板上；所述光谱仪接收经标准白板表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S6、第二拨片控制装置控制所述第二拨片打开积分球下部开孔；所述光源发出的光经过积分球漫反射到所述样品上；所述光谱仪接收经样品表面反射过来的反射光并转换为相应的信号；
S7、处理装置对光谱仪两次测量的信号进行数据处理而获得第二测量结果ISCE；
S8、计算样品的光泽值G=ISCI-ISCE；根据预先设置的根据样品表面光泽数据对SCI测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型，计算不同光泽的同种颜色样品表面光泽差相应的测量误差，根据所述测量误差对不同光泽的样品在无光阱的SCI测量条件下的第一测量结果进行修正。
6.根据权利要求5所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括：
S11、计算不同光泽的同种颜色样品表面光泽差ΔG和在SCI条件下的第一测量结果差值ΔI；
S12、计算多种颜色相应的光泽差ΔG和第一测量结果差值ΔI，对ΔG和ΔI进行线性拟合，获得拟合系数k和d，建立一种根据样品表面光泽数据对SCI测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型：ΔI=k*ΔG+d。
7.根据权利要求5所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其特征在于，所述光源为包括多个LED光源的LED复合光源。
8.根据权利要求7所述的基于D/8条件对SCI误差修正的分光测色仪的实现方法，其特征在于，所述LED复合光源包括5个LED光源，分别为色温3500K的白光LED，及峰值波长为400nm、480nm、680nm和700nm的单色LED。
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