CN200989826Y - 光谱色彩分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光谱色彩分析仪，包括照明***、光电摄谱仪和信号采集与处理***。主要技术特点是，照明***采用由标准光源照明的积分球，积分球形成的漫反射光照射样品并由样品反射，反射光经聚焦镜组后由光纤传输到光电摄谱仪，被全息平场凹面光栅分光成一平直光谱线，进而由线阵CCD探测器所接收，信号采集与处理***根据内置程序，对线阵CCD探测器的输出信号进行采集、存储及解算，最终获得样品的颜色参数并由显示屏输出。本实用新型不但具有小型化、智能化的特色，而且测色精度高、测色速度快，波长测量重复性好，具有很好的应用推广前景。

Description

光谱色彩分析仪

技术领域

本实用新型属于分光测色技术领域，主要涉及一种基于光电摄谱法的分光测色仪器，尤其涉及一种可精确测量物体颜色的小型智能化光谱色彩分析仪。

技术背景

对测色仪器来说，不仅要求测色精度高，而且希望测色快捷、方便，然而国内测色仪器普遍存在精度低、测速慢和体积大的问题。目前，国内用于测试物体颜色的测色仪器大致有两种，即色差计和分光测色仪。北京光学仪器厂生产的TG-PIIG全自动测色色差计，是用三个滤光片分别将三个探测器的相对光谱灵敏度S(λ)修正成国际照明委员会(CIE)推荐的光谱三刺激值，并用三个探测器测出样品的三刺激值X、Y、Z。由于制作滤光片的色玻璃品种有限，致使滤光片的修正精度比较差，颜色测量精度低。这类色差计的主要缺陷是体积很大，并且不能精确测量样品颜色的色品坐标，因而只适用于测量物体色差或控制物体颜色的行业。

分光测色仪分为两种，即采用光谱扫描原理的分光测色仪和采用光电摄谱原理的分光测色仪。采用光谱扫描原理的分光测色仪主要由分光光度计和计算机组成，并通过计算机进行色度计算和显示颜色参数，其中分光光度计一般由光源、单色器、探测器、数据采集装置组成，单色器分为棱镜分光式、光栅分光式和滤光片分光式，探测器采用光电倍增管或光电管。该类仪器采用光谱扫描原理，即通过机械扫描机构使单通道探测器对样品反射光逐个波长的光谱信号进行探测，由数据采集装置采集后再经计算机计算并显示数据。这类仪器的优点是精度较高，缺点是测试光路和机械结构复杂，测速慢，波长测量重复性差，而且对光源的稳定性要求较高。

采用光电摄谱法的分光测色仪器是目前国际上最先进的测色仪器。此类仪器一般由光源照明样品，由样品反射的复合光通过分光***分光，形成全波段光谱，再被多通道探测器(CCD，SPD)同时探测，多通道探测器将探测到的全波段光谱信号送入处理电路，经处理、计算后显示数据。日本著名的村上色彩研究所研制的系列分光测色仪器由分光测色装置和计算机组成，分光测色装置采用全息平场凹面衍射光栅分光和线阵CCD摄谱，该仪器精度很高，但体积也很大。美国Datacolor公司生产的DF110分光测色仪的分光测色装置同样采用全息平场凹面光栅分光，但摄谱探测器则采用自扫描光电二极管阵列(SPD)，而且该仪器采用微处理芯片实现颜色参数的计算。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，针对国内现有测色仪器存在的体积大、测速慢、波长重复性差的问题，提供一种采用光电摄谱原理的小型智能化分光测色仪器，即光谱色彩分析仪。

为解决上述技术问题，本实用新型包括照明***、光电摄谱仪、信号采集与处理***；所述的照明***含有标准电源、标准光源、积分球、聚焦镜组、样品室，积分球带有样品孔和出光孔，标准光源由标准电源供电并照明积分球，放有样品的样品室贴在积分球的样品孔处，积分球形成的漫反射光照射到样品后被反射，该反射光经积分球的出光孔后由聚焦镜组聚焦到光纤中；所述光电摄谱仪含有全息平场凹面光栅、线阵CCD探测器、光纤、壳体，全息平场凹面光栅、线阵CCD探测器封装在壳体中，光纤的一个端面位于聚焦镜组的后焦点上，另一端面位于全息平场凹面光栅的入射焦点上，由光纤引入的光信号被凹面光栅分光成一平直光谱线，并被线阵CCD探测器所接收；所述的信号采集与处理***含有CPLD、A/D转换器、两个存储器、CCD驱动电路、单片机、键盘、显示屏、USB口，CPLD的主要功能是，根据键盘输入的测试条件和测试命令，产生四路驱动脉冲送给CCD驱动电路，控制A/D转换器进行采样并对采样数据进行波长标定，控制单片机进行测试结果运算以及显示屏进行结果显示；所述第一存储器内装有国际照明委员会(简称CIE)三刺激值数据库、CIE照明体数据库、各波长对应于CCD响应像元位置的标定数据库；所述第二存储器用于存储测试过程的相关数据；CCD驱动电路接收四路驱动脉冲信号，使样品光谱线所在CCD上所对应的每个光敏元的电荷按顺序逐个输出，然后对这些电荷进行差分放大和滤波，最终输出样品的高频模拟信号；A/D转换器接收CCD驱动电路的输出信号，将其转换成数字信号后存入第二存储器；USB口用于本实用新型与外部电脑的连接；所述单片机的软件程序中含有计算样品反射率R(λ)的第一计算模块、计算样品颜色三刺激值X、Y、Z的第二计算模块、计算样品色品坐标x、y、z的第三计算模块、计算样品L^*、a^*、b^*、白度W和彩度C_ab ^*的第四计算模块，所述单片机的主要功能是根据CPLD命令，调用第一存储器中相应数据库的数据及第二存储器中经过波长标定的采样数据，依次用所述的四个计算模块计算出样品的颜色参数；所述显示屏在所述CPLD控制下显示样品的颜色参数。

根据本实用新型，所述的CIE三刺激值数据库含有2°和10°视场角下的标准三刺激值；所述的CIE照明体数据库含有A、B、C、D₅₀、D₅₅、D₆₅、D₇₅七种照明体的相对光谱功率值和这七种照明体照射到完全漫反射面上的三刺激值。

本实用新型的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本实用新型中的光电摄谱仪采用平场全息凹面光栅对样品反射光进行分光并采用线阵CCD探测器进行全波段摄谱，与国内现有技术中带有分光***和机械扫描机构的测色仪相比，体积大幅减小，测色速度明显提高，波长测量重复性好，对光源的稳定性要求降低了。

(二)采用CPLD控制单片机而不是计算机进行样品颜色参数的计算，与国内现有技术相比，本实用新型不仅测试精度高，而且还实现了小型化和智能化。

(三)采用更符合人眼观察情况的d/0测色条件，不但可应用于油漆、造纸、印刷、纺织等行业的颜色测量，而且还可以推广到工农业生产中的其它领域中。

附图说明

图1是本实用新型光谱色彩分析仪的组成示意图。

图2是本实用新型的信号采集与处理***硬件构成示意图。

图3是图2中的CPLD控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本实用新型作进一步的详述。

正如图1所示，本实用新型的优选实施例包括照明***、光电摄谱仪、信号采集与处理***。本实用新型的测量原理为标准光源发出的光在积分球内漫射照明样品，样品的反射光经聚焦镜组聚焦在光纤的一个端面上，由光纤导入光电摄谱仪的样品反射复合光经凹面光栅分光一平直光谱线，并被线阵CCD探测器所接收，线阵CCD探测器将样品的光谱线信号转换成电信号送入信号采集与处理***，经处理和运算得出样品的色品坐标等颜色参数。

本优选实施例的照明***包括标准电源、标准光源、积分球、样品室、聚焦镜组。标准电源为恒流源，在10分钟内输出电压的稳定性小于0.02％。标准光源为卤钨灯，其额定电压为12V，功率为50W，色温为2856K；卤钨灯灯罩设计呈环形，有2°倾斜角，防止直射光照射到样品孔和出光孔。积分球由两个直径为100mm的半球沿纵向拼接而成，卤钨灯放置在积分球纵向直径的顶端处，样品孔和出光孔分别位于积分球横向直径的两端，样品孔和出光孔的直径分别为10mm和4.6mm，且样品孔与出光孔总面积为积分球总面积的1.5％，满足不应超过积分球总面积的10％的条件；积分球内壁涂以主要含硫酸钡成分的白色漫反射层，其光谱反射率在测量光谱范围内基本相同，均在80％以上。样品室可以放置色板、印刷品、纸张和纺织品等多种样品，测试时，将样品室贴在积分球的样品孔处且样品垂直于积分球的横向直径，由此，样品可以被积分球形成的漫反射光照射，其反射光由积分球的出光孔射出。聚焦镜组含有两个胶合透镜和一个平凹透镜，其作用是对出光孔射出的光束进行会聚。本优选实施例的照明***实现了d/0照明观察条件和2°测量视场，同时采用将样品放在分光***前被复色光照明，减少所测光的偏振和样品表面的不规则的影响，可使本实用新型的测试结果与目视评价一致。

本优选实施例的光电摄谱仪包括光纤、全息平场凹面光栅和线阵CCD探测器。光纤采用单模光纤，直径为0.4mm，其一个端面放置在聚焦镜组的后方焦点上且该端面带有只使380～780nm光通过的截止滤光片，另一个端面位于全息平场凹面光栅的入射焦点上，采用光纤传输样品反射光，可以保证光电摄谱仪的光接收效率。平场全息凹面光栅的作用是将光纤输出的样品反射光进行分光，使其为成一平面的光谱像，本优选实施例平场全息凹面光栅的波长范围为380～780nm，入射臂长为110.72mm，入射角为6°，380nm对应的出射臂长L₁为118.45mm，出射角为17.13°，780nm对应的出射臂长L₂为122.81mm，出射角为29.64°；光谱宽度26.64mm，曲率半径为113mm，刻线数为500g/m，外形直径为45mm。全息平场凹面光栅集色散、准直、聚焦功能于一体，与现有技术相比，本实用新型省去了准直透镜和成像物镜，体积减小，能量损失相应降低。全息平场凹面光栅成像一平直谱面，使线阵CCD探测器可同时探测所有光谱波段，提高了测量速度。线阵CCD光敏元阵列的像元数为2048个像元，像元尺寸为14μm×14μm，CCD光敏元阵列总长为28.672mm，在380～780nm内用到第100～1900个像元；根据不同样品反射光的强弱，对CCD的积分时间进行分档，选择为8ms和64ms两档。对CCD每一帧信号的每一个像元采样点位置相同。这相比传统的信号平滑后对每一个像元信号多次不定点采样然后取平均值的采集方式，提高了光谱测试的重复性。为了消除光栅分光所形成的二级谱，在CCD探测面上设有滤光片。

本优选实施例的信号采集与处理***如图2所示，包括CPLD、A/D转换器、两个存储器、CCD驱动电路、单片机、键盘、液晶显示屏、USB口。CPLD用于对本实用新型进行控制(控制流程参见图3)，其主要功能是，通过键盘接收用户选择的测试条件和测试命令，产生四路驱动脉冲送给CCD驱动电路，控制A/D转换器进行采样并对采样数据进行波长标定，控制单片机进行测试结果运算，控制液晶显示屏进行结果显示。第一存储器为E²PROM存储器，其内装有CIE照明体数据库、CIE三刺激值数据库、标定数据库；CIE照明体数据库含有A、B、C、D₅₀、D₅₅、D₆₅、D₇₅七种照明体的相对光谱功率值和这七种照明体照射到完全漫反射面上的三刺激值。标定数据库存有波长范围内每一波长值对应在CCD上响应的像元位置，CIE三刺激值数据库含有2°和10°视场角下的标准三刺激值。第二存储器为SRAM存储器，其功能是存储测试过程的相关数据。CCD驱动电路接收四路驱动脉冲信号，使CCD每一个光敏元的电荷按顺序逐个输出，然后对这些电荷进行差分放大和滤波，最终输出待测样品的高频模拟信号。A/D转换器接收CCD驱动电路的输出信号，将其转换成数字信号后送入第二存储器进行存储。USB口用于本实用新型与外部电脑的连接。单片机的主要功能是，根据CPLD的命令，调用第二存储器经过波长标定后的采样数据和第一存储器各数据库的相关数据计算测试结果。单片机内置程序中含有以下四个计算模块：

第一计算模块，主要完成样品反射率R(λ)的计算，其依据的计算公式为：

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{V\left(\mathrm{\λ}\right)-V_0\left(\mathrm{\λ}\right)}{V_W\left(\mathrm{\λ}\right)-V_0\left(\mathrm{\λ}\right)}\·R_W\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(1\right)$

式中，V(λ)为样品的光谱响应值，V₀(λ)为背景的光谱响应值，V_W(λ)为标准白板的光谱响应值，R_W(λ)为标准白板的光谱反射比；

第二计算模块，主要完成样品颜色三刺激值X、Y、Z的计算，其依据的计算公式为：

$X=k\underset{380\mathrm{nm}}{\overset{780\mathrm{nm}}{\∫}}S\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(2\right)$

$Y=k\underset{380\mathrm{nm}}{\overset{780\mathrm{nm}}{\∫}}S\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

$Z=k\underset{380\mathrm{nm}}{\overset{780\mathrm{nm}}{\∫}}S\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

$k=\frac{100}{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}S\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}}---\left(5\right)$

式中，S(λ)是所选照明体的相对光谱功率分布函数，R(λ)为样品反射率，

为CIE各波长对应的标准三刺激值数据；

第三计算模块，主要完成样品色品坐标x、y、z的计算，其依据的计算公式为：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}---\left(6\right)$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}---\left(7\right)$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}---\left(8\right)$

式中，X、Y、Z为样品颜色三刺激值；

第四计算模块，主要完成样品L^*、a^*、b^*、白度W和彩度C_ab ^*的计算，其依据的计算公式为：

当X/X₀或Y/Y₀或 Z/Z₀大于0.008856时，L^*、a^*、b^*用(9)～(11)式计算，

$L^{*}=116{(Y/Y_0)}^{\frac{1}{3}}-16$ (Y/Y₀＞0.008856)    (9)

$a^{*}=500[{(X/X_0)}^{\frac{1}{3}}-{(Y/Y_0)}^{\frac{1}{3}}]$ (X/X₀＞0.008856)    (10)

$b^{*}=200[{(Y/Y_0)}^{\frac{1}{3}}-{(Z/Z_0)}^{\frac{1}{3}}]$ (Z/Z₀＞0.008856)    (11)

当X/X₀或Y/Y₀或Z/Z₀小于0.008856时L^*、a^*、b^*用(12)～(14)式计算，

L^*＝903.3 Y/Y₀                    (12)

a^*＝3893.5(X/X₀_Y/Y₀)              (13)

b^*＝1557.4(Y/Y₀_Z/Z₀)              (14)

$W=100-{[{(100-L^{*})}^2+a^{*2}+b^{*2}]}^{1/2}$

$C_{\mathrm{ab}}^{*}={(a^{*2}+b^{*2})}^{1/2}---\left(15\right)$

式中，L^*是米制明度指数，a^*、b^*分别表示由色调和彩度形成的色感知属性，称之为色坐标。X₀，Y₀，Z₀是照明体的三刺激值；X、Y、Z为样品颜色三刺激值；

W是样品颜色白度，C_ab ^*是样品颜色彩度。

本实用新型的测试过程包括以下步骤。

第一步，开机后，根据用户需要通过键盘选择测试条件，如数据库中的照明体种类和视场大小，在样品室没有样品的情况下，通过键盘的背景测试功能键启动CPLD，CPLD控制CCD驱动电路进行测试，通过A/D转换器将第一组采样数据按分配的地址送入第二存储器，并调用第一存储器中的标定数据库对第二存储器中的第一组采样数据进行波长标定，也就是将不同的CCD响应像元与不同的波长相对应，得出背景的光谱响应值V₀(λ)。

第二步，在样品室放入标准白板，点亮卤钨灯而其他测试条件不变，通过键盘得白板测试功能键启动CPLD，CPLD控制CCD驱动电路进行测试，通过A/D转换器将第二组采样数据按分配的地址送入第二存储器，并调用第一存储器中的标定数据库对第二存储器中的第二组采样数据进行波长标定，得出白板的光谱响应值V_W(λ)。

第三步，在样品室放入样品，点亮卤钨灯而其他测试条件不变，通过键盘的样品测试功能键启动CPLD，CPLD控制CCD驱动电路进行测试，通过A/D转换器将第三组采样数据按分配的地址送入第二存储器，并调用第一存储器中的标定数据库对第二存储器中的第三组采样数据进行波长标定，得出样品的光谱响应值V(λ)。

第四步，CPLD控制单片机调用第二存储器中的V₀(λ)、V_W(λ)和V(λ)，由程序中第一计算模块计算样品反射率R(λ)；单片机根据第一计算模块的计算结果，再调用第一存储器中的照明体数据库和三刺激数据库，根据CPLD按照所选测试条件给出的数据地址，将选定照明体在波长范围内不同波长所对应的一组相对光谱功率值S(λ)以及选定视场的一组标准三刺激值数据

代入第二计算模块，计算出样品颜色的三刺激值X、Y、Z并将第二计算模块的计算结果代入第三计算模块，计算出样品的色品坐标x、y、z并存入第二存储器中。

第五步，单片机根据第三计算模块的计算结果以及CPLD给出的地址，调用照明体数据库中选定照明体的三刺激值数据，由第四计算模块计算出样品的L^*、a^*、b^*、白度W和彩度C_ab ^*并送入第二存储器存储。第六步，CPLD控制液晶显示屏显示第二存储器存入的样品色品坐标x、y、z，以及样品的L^*、a^*、b^*、白度W和彩度C_ab ^*参数。

此外，本实用新型可以通过USB口将测试数据传输到外部电脑，用其内装的标定软件对本实用新型标定数据库中的数值进行标定；同时用户还可根据需要利用外部电脑中的扩展软件进行配色、色彩品质管理和看Musell表色图等。

本实用新型出厂时或经过一定时间的使用之后需要进行标定，其标定过程包括以下步骤：第一步，开机后，通过键盘选择照明体A和2°视场的测试条件，通过键盘上的标定功能键启动CPLD进行背景测试，测出V₀(λ)并存入第二存储器。第二步，在积分球的样品孔处放置汞灯并点亮，通过键盘的样品测试功能键启动CPLD测出V′(λ)，并存入第二存储器。第三步，通过USB口把第二存储器中的V₀(λ)、V′(λ)这些数据输入外部电脑，由其标定软件进行数据处理，并确定汞灯的404.7nm、4 35.8nm、546.1nm、577.0nm和5 79.1nm等波长值在CCD上响应的像元位置，经过计算得出波长范围内每一波长值在CCD上响应的像元位置。第四步，通过USB口将这些数据写入本实用新型第一存储器内的标定数据库中。至此，完成了本实用新型的标定工作。

本优选实施例的光谱色彩分析仪所达到的技术指标为：

波长范围：(380-780)nm

波长准确度为1nm，波长间隔为5nm，

色品坐标测量不确定度：ΔX＝ΔY≤0.005，

测量重复性(测量标准色板x，y最大值)均小于0.003，

照明几何条件：d/0(漫射照明/垂直接收)条件

样品照明面积：φ10mm

样品测量面积：φ8mm

测量时间：2秒

Claims (2)

1.一种光谱色彩分析仪，包括照明***、光电摄谱仪，所述的照明***含有标准电源、标准光源、积分球、聚焦镜组、样品室，积分球带有样品孔和出光孔，标准光源由标准电源供电并照明积分球，放有样品的样品室贴在积分球的样品孔处，积分球形成的漫反射光照射到样品后被反射，该反射光经积分球的出光孔后由聚焦镜组聚焦到光纤中；所述光电摄谱仪含有全息平场凹面光栅、线阵CCD探测器、光纤、壳体，全息平场凹面光栅与线阵CCD探测器封装在壳体中，光纤的一个端面位于聚焦镜组的后焦点上，另一端面位于全息平场凹面光栅的入射焦点上，由光纤引入的光信号被全息平场凹面光栅分光成一平直光谱线，并被线阵CCD探测器所接收；其特征在于：还包括信号采集与处理***，所述的信号采集与处理***含有CPLD、A/D转换器、两个存储器、CCD驱动电路、单片机、键盘、显示屏、USB口，CPLD的主要功能是，根据键盘输入的测试条件和测试命令，产生四路驱动脉冲送给CCD驱动电路，控制A/D转换器进行采样并对采样数据进行波长标定，控制单片机进行测试结果运算以及显示屏进行结果显示；所述第一存储器内装有CIE三刺激值数据库、CIE照明体数据库、各波长对应于CCD响应像元位置的标定数据库；所述第二存储器用于存储测试过程的相关数据；CCD驱动电路接收四路驱动脉冲信号，使样品光谱线所在CCD上所对应的每个光敏元的电荷按顺序逐个输出，然后对这些电荷进行差分放大和滤波，最终输出样品的高频模拟信号；A/D转换器接收CCD驱动电路的输出信号，将其转换成数字信号后存入第二存储器；USB口用于与外部电脑连接；所述单片机的软件程序中含有计算样品反射率R(λ)的第一计算模块、计算样品颜色三刺激值X、Y、Z的第二计算模块、计算样品色品坐标x、y、z的第三计算模块、计算样品L^*、a^*、b^*、白度W和彩度C_ab ^*的第四计算模块，所述单片机的主要功能是根据CPLD命令，调用第一存储器中相应数据库的数据及第二存储器中经过波长标定的采样数据，依次用所述的四个计算模块计算出样品的颜色参数；所述显示屏在所述CPLD控制下显示样品的颜色参数。

2.根据权利要求1所述的光谱色彩分析仪，其特征在于：所述的CIE三刺激值数据库含有2°和10°视场角下的标准三刺激值；所述的CIE照明体数据库含有A、B、C、D₅₀、D₅₅、D₆₅、D₇₅七种照明体的相对光谱功率值和这七种照明体照射到完全漫反射面上的三刺激值。

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