CN103900695B - 一种基于法布里-珀罗干涉器的光谱测色仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于法布里‑珀罗干涉原理的光谱测色仪。它由光学系统、电路系统和计算机三部分组成。白光LED的光线通过光纤耦合进入法布里‑珀罗(F‑P)可调滤波器，由计算机驱动控制电路调节法布里‑珀罗滤波器的输出波长；波长可调的单色光进入积分球内，经匀光后照在样品上。样品的反射光被放置于积分球顶端偏8°的光电探测器所接收，探测器输出信号通过光电转换、放大、A/D转换，计算机根据色度学公式计算得到样品颜色。该光谱仪主要是能对颜色进行快速，便捷，精确地测量。

Description

一种基于法布里-珀罗干涉器的光谱测色仪

技术领域

本发明涉及一种基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪，属于光谱测色仪器领域。

背景技术

随着行业的发展，颜色已经作为产品质量的重要指标之一，因此需要测量颜色仪器不断地发展来满足现实需求。目前，颜色的测量方法主要有目视法、光电积分法和分光光度法三种。传统的颜色测量仪器体积庞大，造价贵，不易于携带，使得运用范围受到极大限制。本发明提出了一种基于法布里-珀罗干涉原理的测色光谱仪，它不仅制造成本低，推广面大，而且体积小，可以便携。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪，能对物体表面颜色进行快速、精确、实时地测量。

本发明主要由光学系统、控制模块和计算机三部分组成；光学系统包括白光LED光源(1)、可调滤波器(2)、积分球(3)、光电探测器(4)和样品(9)；电路系统包括放大电路(5)、A/D转换(6)和控制电路(7)；计算机(8)则通过接口与电路系统相连，用来操作和控制仪器的运行、光谱测色数据采集、处理、存储和显示。

可调滤波器由法布里-珀罗原理实现，法布里-珀罗可调滤波器的两块平面镜内表面涂有高反射材料，通过改变两块平面镜之间的距离，由nh＝λ/2实现波长可调，其中n、h分别为两块平面镜之间的介质折射率和间隔，λ是输出波长。法布里-珀罗可调滤波器由计算机驱动控制电路调节法布里-珀罗可调滤波器的输出波长。

白光LED的光线通过光纤耦合进入法布里-珀罗(F-P)可调滤波器，波长可调的单色光进入积分球内，经匀光后照在样品上。样品的反射光被放置于积分球顶端偏8度的光电探测器所接收，光电探测器把光信号转变为电信号，输出的信号经放大，A/D转换，计算机根据色度学公式计算得到样品颜色。从而对颜色进行快速，便捷，精确地测量。

光源采用白光LED，白光LED由紫蓝光LED、蓝光激发YAG荧光粉的pc-LED和红光LED构成，所述紫蓝光LED峰值波长为390-420nm、带宽为17-30nm，所述蓝光激发YAG荧光粉的pc-LED的色温为3000-6000K，所述红光LED峰值波长为620-670nm、带宽为17-30nm，构成波长范围为380nm-780nm的连续可见光。

积分球作为光收集器，其左边设有光纤固定座，作为照明光入射；顶端偏8°位置布置光电探测器，作为光信号探测用；底部为测量窗口，分别放置被测样品、黑腔和标准漫反射白板的参考样品。积分球直径为40-70mm，内涂硫酸钡、氧化镁或聚四氟乙烯漫反射材料。

光电探测器采用硅光电池，能够把光信号转变为电信号，再通过放大、A/D转换器转变为数字形式输出。

计算机通过接口与电路系统相连，主要是用来操作和控制仪器的运行，负责采集、处理、存储、显示光谱数据。

该测色仪采用光谱光度测色法，在仪器的测量窗口，先后放置黑腔和标准漫反射白板，作为光谱测量的0基准和标准光谱反射率曲线的基准。接着，由被测样品取代标准漫反射白板和黑腔，通过仪器扫描即可直接测量出被测样品的光谱反射比值ρ(λ)。然后根据三刺激值公式计算：

$X=K\mathrm{\Σ}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}$

$Y=K\mathrm{\Σ}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}$

$Z=K\mathrm{\Σ}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}$

其中P(λ)为白光LED的相对光谱功率分布，为CIE1931标准色度观察者色匹配函数，K为在标准漫反射白板下将Y归为100的归一化系数。

然后根据已有的三刺激值，导出色品坐标，计算公式如下：

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

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

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

最后根据色度学公式通过计算机计算显示出被测样品的颜色。

本发明主要是通过基于法布里-珀罗干涉原理的测色光谱仪对颜色进行快速，便捷，精确地测量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与达成的功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明由光学系统、电路系统和计算机三部分组成；光学系统包括白光LED光源(1)、可调滤波器(2)、积分球(3)、光电探测器(4)和样品(9)；电路系统包括放大电路(5)、A/D转换(6)、控制模块(7)；计算机(8)则通过接口与电路系统相连，用来操作和控制仪器的运行、光谱测色数据采集、处理、存储、显示。样品(9)包括被测样品(91)、黑腔(92)、标准漫反射白板(93)。

可调滤波器由MEMS技术制造的法布里-珀罗滤波器，法布里-珀罗可调滤波器的两块平面镜内表面在可见区内的光谱反射率为95％，通过改变两块平面镜之间的距离，由nh＝λ/2实现波长可调，其中n、h分别为两块平面镜之间的介质折射率和间隔，所用介质是空气，n＝1；h的调节范围为300.19-300.39um，实现380-780nm的波长调节范围。

光源采用白光LED，白光LED由紫蓝光LED、蓝光激发YAG荧光粉的pc-LED和红光LED构成，所述紫蓝光LED峰值波长为405nm、带宽22nm的LED，所述蓝光激发YAG荧光粉的pc-LED的色温为4000K，所述红光LED峰值波长为660nm、带宽30nm的LED，构成波长范围为380nm-780nm的连续可见光。

积分球直径为50mm，内涂硫酸钡漫反射材料，从而构成基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪。

测量时，白光LED的光线通过光纤耦合进入法布里-珀罗(F-P)可调滤波器，波长可调的单色光进入积分球内，经匀光后照在样品上。样品的反射光被放置于积分球顶端偏8度的光电探测器所接收，光电探测器把光信号转变为电信号，输出的信号经放大，A/D转换，计算机根据色度学公式计算得到样品颜色。

首先在仪器的测量窗口分别放置黑腔和标准漫反射白板，黑腔的漫反射率为0，标准漫反射白板在整个可见区内的光谱反射率为96％，从而对仪器校0和96％基线；然后即可对样品进行颜色测量。

Claims (6)

1.一种基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪，包括光学系统、电路系统和计算机三部分，其特征是光学系统包括白光LED光源(1)、可调滤波器(2)、积分球(3)、光电探测器(4)和样品(9)；电路系统包括放大电路(5)、A/D转换(6)和控制模块(7)；计算机(8)则通过接口与电路系统相连，用来操作和控制仪器的运行、光谱测色数据采集、处理、存储和显示，白光LED的光线经光纤，耦合到可调滤波器(2)后，输出的波长可调的单色光进入积分球(3)内，经积分球(3)匀光后照在样品(9)上，样品(9)的反射光被放置于积分球(3)顶端偏8°的光电探测器(4)所接收，光电探测器(4)把光信号转变为电信号，光电探测器(4)输出的信号经放大和A/D转换，计算机根据色度学公式计算得到样品颜色；

可调滤波器采用法布里-珀罗可调滤波器，法布里-珀罗可调滤波器的两块平面镜内表面涂有高反射材料，通过改变两块平面镜之间的距离，由nh＝λ/2实现波长可调，其中n、h分别为两块平面镜之间的介质折射率和间隔，λ是输出波长；

光源采用白光LED，所述白光LED由紫蓝光LED、蓝光激发YAG荧光粉的pc-LED和红光LED构成，其波长范围为380nm-780nm；

样品(9)包括被测样品(91)、黑腔(92)或标准漫反射白板(93)。

2.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪，其特征是法布里-珀罗可调滤波器由计算机驱动控制模块调节法布里-珀罗可调滤波器的输出波长。

3.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪，其特征是所述紫蓝光LED峰值波长为390-420nm，带宽为17-30nm，所述蓝光激发YAG荧光粉的pc-LED的色温为3000-6000K，所述红光LED峰值波长为620-670nm，带宽为17-30nm。

4.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪，其特征是所述积分球直径为40-70mm，内涂硫酸钡、氧化镁或聚四氟乙烯漫反射材料。

5.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪，其特征是在仪器的测量窗口，先后放置黑腔和标准漫反射白板，作为光谱测量的0基准和标准光谱反射率曲线的基准。

6.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉原理的光谱测色仪，其特征是由被测样品取代标准漫反射白板，通过调节法布里-珀罗可调滤波器的出射波长，测量出被测样品的光谱反射比值ρ(λ)，然后根据三刺激值公式计算

$X=K\mathrm{\Σ}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}$

$Y=K\mathrm{\Σ}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}$

$Z=K\mathrm{\Σ}\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}$

获得色品坐标：

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

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

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

其中，P(λ)为白光LED的相对光谱功率分布，为CIE1931标准色度观察者色匹配函数，K为在标准漫反射白板下将Y归为100的归一化系数；

从而根据色度学计算公式，通过计算机显示出被测样品的颜色。