CN103411676B - 一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪。其结构为：光源(1)发出的光经过准直透镜(2)照到积分球(3)，经积分球漫射后照在样品(5)上，其漫反射光经透镜组(6)，通过线性可变滤光片(LVF)(7)，照到线性阵列PDA探测器(8)上，探测器输出的信号经放大器(9)、A/D转换器(10)，连接到计算机(11)上。该仪器采用了能快速分光，高稳定的LVF作为分光器件，一次性全部接收可见光光谱信号的PDA探测器作为光电接收系统，实现快速光谱扫描并对光谱信号进行数据处理，从而获得物体的颜色参数。具有测量速度快，测量精度高，操作简单，小型化的特点。

Description

一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪

技术领域

本发明涉及一种物体的测色仪器，属于颜色测量领域。该装置能良好地应用于彩色摄像、彩色印刷、油漆制造等行业的颜色测量中。

背景技术

颜色科学的不断发展，在科学技术、工业、商业、农业、艺术、军事等领域得到了广泛的应用。人们可以通过测量颜色，了解产品颜色或物体其他方面的属性(如果实成熟度、酒类质量等级等)。颜色测量仪器就是通过一定方法求得基于国际照明委员会(CIE)的三刺激值的工具。在现代光学分析仪器中，用于颜色测量的光学仪器，按照测色原理的不同可分为两大类：一类是光电积分测色仪器，另一类是光谱测色仪。前者是使用具有特定光谱灵敏度的光电积分元件，直接测量被测物体的三刺激值或色品坐标。其特点是测量速度快，但是精度不高。而后者是通过分光器件，测量物体的光谱光度，然后根据测得的光谱反射率或光谱透射率，经过数据处理系统得出物体色的三刺激值、色品坐标或其他色度参数。该仪器不但测量精度高，而且对于实现高准确度的色测量，对光电积分式色度计进行定标，或是建立色度标准都具有十分重要的意义。但由于这类仪器一般采用光栅或棱镜作为单色仪的分光器件，在进行光谱扫描时，需安装机械设置来控制光栅或棱镜的移动，因此测量速度慢，成本高。因此该仪器的应用也受到了限制。

近年来，发展了一种可变波长的干涉滤光片，它的光谱透射比随入射位置呈连续变化。与一般的窄带滤光片相比，它具有连续改变采样波长，增减采样密度和快速分光测色的特点。线性可变滤光片(LVF)镀膜在一块长条玻璃上，镀膜厚度随着基底的长度方向呈线性变化，根据光的干涉原理，沿着滤光片基板的长度方向线性透过不同波长的光，从而对入射光实现快速的、连续的光谱分布。此外，LVF器件体积小，可直接植入仪器内部，便于小型化，而且成本低，并且具有很高的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪，它能利用新型的LVF作为分光器件测量的优点，克服现有的光电积分仪器精度不高及光谱测色仪测色速度慢、成本高的缺点，实现对物体颜色高精度、快速的测量。

本发明的一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪由四个部分组成：照明系统、分光系统、光电接收系统、数据处理系统。

照明系统由光源和照明光学系统组成。采用脉冲氙灯或白光LED作为光源(1)，能在短时间发出很强的可见区全光谱白光，远强于卤钨灯。光学系统能使光源的能量得到充分利用，本发明用准直透镜(2)和积分球(3)组成的耦合光学系统，光经积分球(3)漫反射后照射到照明样品室(4)中的样品(5)上，样品反射的光再由透镜组(6)垂直照射到线性可变滤光片LVF(7)上；样品(5)包括被测样品和标准白板样品。

分光系统的作用是把混合光分成单色光。本发明中采用线性可变滤光片(LVF)作为分光器件，它具有高透过率(70～90％)和宽阻止带(99.8％)，高光谱分辨率和空间分辨率以及高采集光谱效率的特点。线性可变滤光片(LVF)能将可见光区波长范围为380-780nm的单色光均成像在出射面装置上。它的分光原理图如说明书附图所示。此外，线性可变滤光片(LVF)使用简单方便，大大弥补了光栅或棱镜作为单色仪时操作上的不便。更值得一提的是，相比光栅或棱镜而言，它没有移动部分，因此大大减少了光谱扫描所需的时间，提高了物体测色的速度，并节省了仪器的空间。

光电接收系统首先由光电探测器进行光电转换，再进行放大等处理后进行模数转换和数据处理。本发明使用硅光电二极管阵列探测器(PDA)(8)作为探测器。硅光电二极管阵列探测器(PDA)是一种半导体器件，当这种器件在光照下，由于光伏效应在P-N结上产生光电流。本发明中将PDA探测器的光敏单元固定在LVF分光器件的出射面上，当经线性可变滤光片(LVF)分光的单色光照射在二极管阵列装置上，每个波长的光强度即转变为相应的电信号，获得各波长的光谱能量，从而实现整个可见光区全部光谱的一次性完全接收。

本发明的数据处理系统以计算机(11)为载体。当基本数据即线性阵列PDA探测器接收放大后的光谱信号经A/D模数转换器(10)转化为数字信号后，存入计算机中，通过计算机可以得出采集到的光谱分布。计算机在得到光谱分布信息后，与标准白板的光谱参数比较，可以得到样品反射率ρ(λ)，进一步计算可以得到其他颜色数据，如色度坐标、色差等。具体计算方法：

$X=K\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)p\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

$Y=K\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)p\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

$Z=K\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)p\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

计算出样品的色度参数，其中，K为系数，P(λ)为标准照明体的相对功率分布，ρ(λ)为照明方式与之相对应的样品的反射率因数，为标准观察者的光谱刺激值，再根据以下公式进一步得出样品的色度坐标：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

从而达到测量物体颜色的目的。

附图说明

图1是本发明的整体仪器原理结构示意图。

图2是本发明的LVF分光器件原理结构示意图。

具体实施方式

实施方式

以下，结合说明书附图，对本发明的具体实施方案做具体介绍。

首先，对本实施方式所涉及的测色方法所使用的测色装置进行说明。

本实验装置包括：光源(1)——白光LED、准直透镜(2)、直径50mm的积分球(3)，构成照明系统；透镜组(6)、线性可变滤光片LVF分光器件(7)，构成分光系统，PDA探测器(8)、放大器(9)构成光电接收系统，A/D模数转换器(10)和计算机(11)构成数据处理系统。

光源(1)——白光LED，能在短时间发出很强的可见光区的全光谱白光。

准直透镜(2)和积分球(3)组成耦合光学系统，充分利用光能。

透镜组(6)，使从样品反射、积分球(3)出来的光能平行入射到LVF分光器件(7)上。

本发明的线性可变滤光片LVF分光器件(7)是在透明玻璃衬底(12)上镀制楔形的“三明治”薄膜结构，第一层和第三层均为所镀的高反射膜层(13)，中间一层为介质膜隔层(14)。膜层厚度沿着衬底方向呈线性增长，根据光的干涉原理，滤光片衬底的长度方向将线性透过不同波长的光，对入射光实现连续的光谱分光，其尺寸为：30×8mm，覆盖了可见区全光谱。

线性阵列PDA探测器(8)，实现可见光区全部光谱的一次性完全接收，测量速度快，占用面积小，线性范围宽，灵敏度高。

A/D模数转换器(10)，将PDA探测器(8)接收放大后的光谱信号转化为数字信号。

计算机(11)，通过A/D模数转换器(10)实时采集数据，并对采集到的数据进行计算、处理和输出。

接着，说明使用上述使用装置和计算公式实现物体测色，其过程为：

首先，选择待测样品(5)装入样品室(4)中。接下来开始测色过程。本发明使用计算机(11)控制光源(1)的发光时间，照明光源经过准直透镜后，准直的光从积分球(3)的入口入射到积分球(3)内，光经积分球(3)漫反射后，经过多次漫反射，照射到样品(5)上，样品反射的光由积分球(3)出口进入到透镜组(6)中，产生平行光。这些平行光将垂直入射到线性可变滤光片(LVF)(7)的镀膜表面，根据线性可变滤光片(LVF)(7)的分光特点，入射的平行光将形成一系列按波长排列的单色光，投射到线性阵列PDA探测器(8)上。线性阵列PDA探测器(8)能一次性接收全部的光谱信号，并将该信号经放大器(9)放大后，传输给A/D模数转换器(10)，输出电信号存入计算机(11)内。被测样品和标准白板样品分别经过这样的测试。计算机在得到被测样品和标准白板样品的光谱分布信息后，被测样品与标准白板的光谱参数比较，得到被测样品反射率ρ(λ)，然后根据色度学中刺激值的计算公式：

$X=K\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)p\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

$Y=K\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)p\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

$Z=K\underset{380}{\overset{780}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)p\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

计算出样品的色度参数，其中，K为系数，P(λ)为标准照明体的相对功率分布，ρ(λ)为照明方式与之相对应的样品的反射率，为标准观察者的光谱刺激值，再根据以下公式进一步得出样品的色度坐标：

$x=\frac{X}{X+Y+z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

从而获得物体的颜色参数，完成测色过程。

测量前，先用546.1nm、435.8nm的绿、蓝汞灯光谱线和632.8nm的He-Ne激光器照到积分球内，这些光最后落到PDA探测器上，定出三个波长的对应位置，再根据LVF的位置带宽精度，由线性回归定出各个位置对应的波长。

Claims (5)

1.一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪，其特征在于，包括：光源(1)，准直透镜(2)，积分球(3)，样品(5)，透镜组(6)，线性可变滤光片(LVF)(7)，线性阵列探测器(PDA)(8)，A/D模数转换器(10)和计算机(11)构成；其光路为：光源(1)发出的光经过准直透镜(2)照射到积分球(3)内，经积分球漫反射照在样品(5)上，其漫反射光经透镜组(6)垂直射到线性可变滤光片(LVF)(7)上，进而照射到线性阵列探测器(PDA)(8)感光面上，线性阵列探测器(PDA)输出的信号通过放大器(9)、A/D模数转换器(10)，到计算机(11)进行数据处理，从而获得物体的颜色参数；分光采用的线性可变滤光片(LVF)(7)，在玻璃衬底上镀制“三明治”薄膜结构，上中下三层分别为：高反射膜、介质隔层、高反射膜。

2.根据权利要求书1所述的一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪，其特征在于：采用的光源(1)为脉冲氙灯或白光LED光源，能在短时间内发出很强的光，发光时间由计算机(11)控制。

3.根据权利要求书1，所述的线性可变滤光片(LVF)为长方形结构，长、宽尺寸为(20～50)×(5～12)mm，宽度方向的膜层厚度一样，对波长的透过率一致；长度方向的膜层厚度从始端到末端线性变化，透过率峰值波长随位置而变化；不同的位置对应于不同的波长透过，除该波长及一定带宽的波长范围的其他波长被抑制，该滤光片透过波长的范围为380～780nm，各个位置对应的波长带宽为5～20nm。

4.根据权利要求书1所述的一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪，其特征在于：将线性阵列探测器(PDA)(8)的光敏单元固定在线性可变滤光片(LVF)(7)分光器件的出光面上，PDA长度方向与线性可变滤光片(LVF)长度方向一致，所述的线性阵列探测器(PDA)是象元为256～2048元的阵列硅光电二极管探测器。

5.根据权利要求书1或4，所述的测色仪每个象元对应的波长可由546.1nm、435.8nm的绿、蓝汞灯光谱线和632.8nm的He-Ne激光器定出三个波长的对应位置，再根据LVF的位置带宽精度，由线性回归定出各个位置对应的波长。