CN104215333B - 二维式时序型色度计检测方法及该色度计 - Google Patents
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Abstract
一种二维式时序型色度计检测方法，用以分析至少一待测物表面的色彩并转换为色度，其中该色度计具有一个用以照射上述待测物表面的合成光源、一个取像装置、一个控制及演算输出装置及一个储存装置；且其中上述合成光源包括复数个中心波长位于可见光范围且彼此中心波长相异的LED，而上述待测物表面是被设置在一个预定待测区域，该待测区域则被区分为复数待测位置，以及该储存装置储存有每一上述待测位置对每一上述LED的反射以及该取像装置对每一上述中心波长的响应的整体补偿资料。
Description
技术领域
本发明是一种二维式时序型色度计检测方法及该色度计，特别是关于一种能准确量化计算物体表面色彩的色度计。
背景技术
用于人眼对于物体颜色的感知，是来自可见光照射至物体表面后，受到物体表面反射的漫射光，刺激活化负责彩色感光的视锥细胞，并将光刺激转换为电讯号至大脑视区进行判别，从而产生颜色知觉而辨别物体的颜色。可见光的波长范围虽然因人而异，但一般约可涵盖400～750nm。
由于人类感知色彩过程分别与光源、被照物表面、及观察者色彩认知有关，并非单纯决定于被照物，因此在定量化客观叙述物体所呈现色彩时，即使排除较难控制的观察者变因，仍然需要考量光源所造成的影响。为排除光源差异的干扰因素，统一对颜色的定义，国际照明委员会(International Commission on Illumination,CIE)定义出数种标准照明体与标准光源，及于1931年制定一色度图，通过物体的反射光与CIE制定的配色函数，针对不同的波长予以不同的权重考量，最后计算出色度值大小，因此任何颜色皆可以在色度图上以色度座标被标示出来。
实务上，颜色测量仪器主要可分为色度计与光谱仪，以CIE标准光源D作为光源，前者是在感光元件前添加符合CIE配色函数的滤光片，当待测物反射光通过配色函数滤光片至感光元件，经过电路的计算可得到对应的色度座标；后者则是利用光色散原理，在色散过的光后方排列多个感光元件，其数量依解析度而不同，然后量测出色光在可见光范围的光谱分布，再经由电路套上CIE配色函数算出色度座标。
其中，市面上色度计的配色函数滤光片在实务上很难镀制，以及相较于CIE标准光源D，色度计提供的光源并无法完全符合标准，造成其量测的色度值也存在误差，色度计仍具改善及进步的空间。
如中国台湾发明专利第I291549号「色度仪之色温可调式方法」，提到一种藉由调整色度仪中光源的色温，以模拟各CIE标准光源，其主要核心方法是先通过公式的运算，计算出光源所需光谱强度加上配色函数、物体反射率以及光功率计的波长频率响应后，根据计算出的结果，在利用24颗LED任意组合出符合上述计算出的光谱分布的光源，但在实务上，此种组合光源光谱分布复杂，无法通过简单的线性叠加达成，例如：D65+X光源中，500nm附近很难完全匹配，这些匹配不好的区域都是量测误差来源，实务上这并不是理想的解决方法。
因此，如何设计出色度测量准确度高，及利用多颗不同中心光谱LED所发光，且不须通过复杂的组合及严格的筛选，即可使得光源完全符合CIE标准照明体的定义，更重要的是，在测量大面积物体的表面色彩时，可以有效排除空间误差，使量测更具一定的准确度，以上各点将是制造色度计的重要课题。
发明内容
本发明之一目的在于提供一种色彩量测准确度高的二维式时序型色度计检测方法与色度计。
本发明的另一目的在于提供一种不须通过复杂计算即可利用多颗LED组合成光源的二维式时序型色度计检测方法与色度计。
本发明的又一目的在于提供一种符合CIE标准光源规范的二维式时序型色度计检测方法与色度计。
本发明的再一目的在于提供可量测大面积待测物表面色彩而排除空间误差的二维式时序型色度计检测方法与色度计。
依照本发明所揭示的一种二维式时序型色度计检测方法，用以分析至少一待测物表面的色彩并转换为色度，其中该色度计具有一个用以照射上述待测物表面的合成光源、一个取像装置、一个控制及演算输出装置及一个储存装置；且其中上述合成光源包括复数个中心波长位于可见光范围且彼此中心波长相异的LED，而上述待测物表面是被设置在一个预定待测区域，该待测区域则被区分为复数待测位置，以及该储存装置储存有每一上述待测位置对每一上述LED的反射以及该取像装置对每一上述中心波长的响应的整体补偿资料，该检测方法包括下列步骤：
a)逐一点亮上述合成光源的各LED，使其时序式照射至上述待测物表面；
b)由上述取像装置依照上述待测位置接收上述各LED照射至上述待测物表面的反射光，并输出一个反射资料；及
c)由上述控制及演算输出装置对所有上述反射光，依照每一上述的待测位置对每一照射的LED的反射资料及上述整体补偿资料进行补偿运算，并输出一个对应的色度资料。
以及一种二维式时序型色度计，用以分析至少一待测物表面的色彩并转换为色度，该色度计具有一个供设置上述待测物表面的预定待测区域，且该待测区域包括复数个待测位置，该色度计包括：
一个用以照射上述待测物表面的合成光源，包括复数个中心波长位于可见光范围且彼此中心波长相异的LED；
一个指令上述LED时序式逐一照射上述待测区域的控制及演算输出装置；
一个接收上述待测物表面各上述待测位置所反射上述LED反射光的取像装置，并输出至该控制及演算输出装置；以及
一个储存装置，储存有每一上述待测位置对每一上述LED的反射和该取像装置对每一上述中心波长的响应的整体补偿资料，供该控制及演算输出装置依照上述取像装置输出的反射资料及上述整体补偿资料进行补偿运算，并输出一个对应的色度资料。
其中补偿运算乃本发明的关键技术，补偿内容可分为对位置的补偿，以及对合成光源的补偿，对位置的补偿是通过在测量待测物之前对色度计进行校正，将一片标准白板设置在待测区域里，其中待测区域又可细分为多个待测位置，逐一点亮复数个LED，并由取像装置记录下每一个待测位置对应每一LED的反射资料，再针对每一LED计算出使每一待测位置均一化的位置补偿资料，以解决公知色度计在测量时，光源或待测物的位置，以及待测物表面的面积大小，在取像装置撷取反射资料时，因距离的不同所产生测量结果的误差。
如图1所示，本发明首先将标准白板放置于待测区域，并且将标准白板所涵盖的待测区域划分成一个例如3X3矩阵，并以例如一CCD元件作为取像装置，则对矩阵中的每一区块位置CCD将获得一个感测量度及色彩数值。此取像结果一方面会随LED的摆放位置而在空间方面有所差异，例如中间正对光源位置较亮、周围位置较暗的情形；另方面，也会随CCD对矩阵每一区块位置的相对空间差异，使所接收到的反射资料产生影响，若要获得正确感测资料，对于上述两者都必须给予对应的补偿，才能使得矩阵中所有区块位置测量结果皆是相同的亮度与色彩。
其次，由于本发明合成光源是利用多个中心波长相异的LED所组合而成，在取像装置撷取反射资料时，也会因取像装置中的感光元件对于不同的波长会有不同的响应大小，而造成测量的误差。尤其更进一步，当每一个LED本身发光的亮度及中心波长也会随着操作温度及老化等因素而有发光强弱差异、衰减、及波长漂移等现象。因此在实际测量之前，对于每一个LED都必须依据其发光强度与波长进行补偿，取得波长补偿资料，依照CIE标准光源的规范，作为补偿依据，例如通过多个LED可模拟出CIE标准光源D65的发光强度与光谱分布。
综合上述，藉由事先的校正取得位置补偿资料与波长补偿资料，并将两项补偿资料整合成整体补偿资料，且将该整体补偿资料记录在储存装置中，作为实际测量时，取像装置撷取到反射资料后，控制及演算输出装置进行补偿资料的依据，例如，在被划分为九宫格的待测物表面上，以红光LED进行照射，当取像装置撷取到九宫格中心点位置的反射光，控制及演算输出装置即可通过整体补偿资料，对该中心点的位置、红光波长以及CIE配色函数进行补偿运算，进而得到一个不会因待测物位置及光源种类而产生误差的测量结果，使每一次的测量都可以得到正确的色度资料。
因此本发明适合量测大面积的待测物，同时，不须特别对光源LED进行复杂的组合，即可模拟CIE标准光源，更重要的是，量测结果不因待测物、光源或取像装置位置有所改变而产生误差，以上所述即为本发明所着重的要点。
附图说明
图1是公知色度计光源照射分布及取像亮度不均示意图。
图2是本发明第一较佳实施例示意图。
图3为第一较佳实施例结构方块图。
图4是本发明校正补偿流程示意图。
图5是第一较佳实施例量测流程示意图。
图6是本发明第二实施例示意图。
符号说明
1…二维式时序型色度计 11…合成光源
111、1111、1112、1113…LED 12…取像装置
13…控制及演算输出装置
14…储存装置 15...预定待测区域
151…待测位置 152…矩阵
2…标准白板 3’…半球形反射罩
4’…待测物 401-407…步骤
501-504…步骤
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现；相同或相似的元件，将以相似的标号标示。
如图2与图3所示，本发明第一较佳实施例，二维式时序型色度计1包括：一个合成光源11、一个控制及演算输出装置13、一个取像装置12及一个储存装置14，其中合成光源11是由例如20个中心波长位于可见光范围且彼此中心波长相异的LED111所组成，控制及演算输出装置13可指令上述的LED111时序式逐一点亮，该取像装置12包括一CCD元件(图未示)，以及一个供设置待测物的预定待测区域15，且该预定待测区域15包括复数个待测位置151。如前所述，藉由上述20个中心波长彼此相异的LED111，并且分别控制其输入电能，可以轻易组合出模拟任何特定波长分布的光源，例如CIE的标准光源D65。
在实际测量之前，本发明必须有一个前置的校正补偿步骤，请一并参考图4流程图，在步骤401将一片标准白板2设置在预定待测区域15，并由控制及演算输出装置13指令点亮合成光源11中的一个LED111照射该标准白板2，步骤402取像装置12撷取每一待测位置151对应该LED111的反射资料，并输出反射资料至控制及演算输出装置13，其中该反射资料包括，反射光强度及波长，步骤403由控制及演算输出装置13判断每一个LED111是否皆已被单独点亮过，如果否，则回步骤401继续点亮其他
LED111，直到每一个LED111皆被点亮且取像装置12皆已完成取像后，在步骤404控制及演算输出装置13针对每一LED111计算出一个使每一待测位置151反射光均一化的位置补偿资料，及在步骤405控制及演算输出装置13依照每一LED111的发光强度、及取像装置12对每一LED111中心波长的响应，计算出一个使每一LED111发光强度模拟一个预定发光强度成分的波长补偿资料，本实施例中，以CIE标准光源D65作为预定模拟的光源，随后步骤406控制及演算输出装置13整合计算上述位置补偿资料及波长补偿资料，并获得每一待测位置151对应每一LED111反射资料的整体补偿资料，最后在步骤407将该整体补偿资料传送至储存装置14储存。
本例中，将20个LED111平行排列成平面直照式光源，且LED111彼此的发光强度大致相等，预定待测区域15分为复数个待测位置151，在本例中是将其区隔为9个待测位置151。
实际量测时，将待测物放置预定待测区域15的矩阵152上，其步骤流程请参考图5，步骤501由控制及演算输出装置13指令点亮平面直照式光源的一个LED111照射待测物，步骤502由CCD依照3X3矩阵中每一待测位置151接收该LED照射至待测物表面的反射光，并输出一个对应的反射资料至控制及演算输出装置13，步骤503由控制及演算输出装置13判断每一个LED111是否皆已被单独点亮过，如果否，则回步骤501继续点亮其他LED111，直到每一个LED111皆被点亮且取像装置12皆已完成取像后，在步骤504由控制及演算输出装置13提取储存装置14中的整体补偿资料，并对所有LED111反射光的反射资料与整体补偿资料进行补偿运算，其中前述补偿运算更包括一个结合CIE配色函数的运算，并输出一个该待测物表面的色度资料。
由此，设置色度计时根本不需要考虑各LED本身发光强度，只要善用后端的补偿运算，即可搭配出类似标准光源的照射效果，大幅降低筛选光源的门槛；另方面，由于各LED配置及取像装置的设置位置所造成的空间差异，也可以轻易藉由后端的补偿运算消除，使得整体的色度检测准确度与精密度都可以大幅提升。
前一实施例的平面直照式光源是目前最常见的光源型式，但可能导致光线分布不均匀的情形，即使可以藉由上述补偿运算弥补，但仍有可以更进一步改善的空间，因此本发明的第二实施例，如图6所示，合成光源包括一个半球形反射罩3’，其反射面朝向预定待测区域，及20个不同中心波长的LED1111、1112、1113是平行排列且发光方向朝向半球形反射罩3’设置，取像装置则设置在半球形反射罩3’的顶部开口，待测物4’设置在预定待测区域，藉由半球形反射罩3’内壁面高反射、高扩散的材质使各不同中心波长的LED1111、1112、1113照射光达到更好的混光效果，以提供更均匀化的光线照射。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (8)
1.一种二维式时序型色度计检测方法，用以分析至少一待测物表面的色彩并转换为色度，其中该色度计具有一个用以照射上述待测物表面的合成光源、一个取像装置、一个控制及演算输出装置及一个储存装置；且其中上述合成光源包括复数个中心波长位于可见光范围且彼此中心波长相异的LED，而上述待测物表面是被设置在一个预定待测区域，该预定待测区域则被区分为复数待测位置，以及该储存装置储存有每一上述待测位置对每一上述LED的反射以及该取像装置对每一上述中心波长的响应的整体补偿资料，该检测方法包括下列步骤：
a)逐一点亮上述合成光源的各LED，使其时序式照射至上述待测物表面；
b)由上述取像装置依照上述待测位置接收上述各LED照射至上述待测物表面的反射光，并输出一个反射资料；及
c)由上述控制及演算输出装置对所有上述反射光，依照每一上述的待测位置对每一照射的LED的反射资料及上述整体补偿资料进行补偿运算，并输出一个对应的色度资料。
2.如权利要求1所述的检测方法，更包括在步骤a)前的下列预处理步骤：
d)将一片标准白板设置在上述预定待测区域，并逐一点亮上述每一LED照射该标准白板；
e)记录每一上述待测位置对每一上述LED的反射资料；
f)针对每一上述LED，计算出一个使每一上述待测位置反射光均一化的位置补偿资料；
g)依照每一上述LED的发光强度、及该取像装置对每一上述LED中心波长的响应，计算出一个使上述LED发光强度模拟一个预定发光强度成分的波长补偿资料；及
h)整合计算上述位置补偿资料及波长补偿资料，获得每一上述待测位置对每一上述LED反射资料的该整体补偿资料。
3.如权利要求2所述的检测方法，其中计算上述波长补偿资料的预定发光强度成分是符合CIE标准光源D65的成分比例。
4.一种二维式时序型色度计，用以分析至少一待测物表面的色彩并转换为色度，该色度计具有一个供设置上述待测物表面的预定待测区域，且该预定待测区域包括复数个待测位置，该色度计包括：
一个用以照射上述待测物表面的合成光源，包括复数个中心波长位于可见光范围且彼此中心波长相异的LED；
一个指令上述LED时序式逐一照射上述预定待测区域的控制及演算输出装置；
一个接收上述待测物表面各上述待测位置所反射上述LED反射光的取像装置，并输出至该控制及演算输出装置；以及
一个储存装置，储存有每一上述待测位置对每一上述LED的反射和该取像装置对每一上述中心波长的响应的整体补偿资料，供该控制及演算输出装置依照上述取像装置输出的反射资料及上述整体补偿资料进行补偿运算，并输出一个对应的色度资料。
5.如权利要求4所述的色度计，其中上述合成光源是一个平行排列上述各LED的平面直照式光源。
6.如权利要求4所述的色度计，其中上述合成光源包括一个反射面朝向上述预定待测区域的半球形反射罩，以及上述各LED是平行排列且发光方向朝向上述半球形反射罩设置。
7.如权利要求4、5或6所述的色度计，其中上述合成光源各LED彼此发光强度相等。
8.如权利要求4、5或6所述的色度计，其中上述取像装置包括一组电荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)。
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