CN104792710B - 一种物体光学特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明通过配置光源电参数监测装置，监测在光源电参数的波动情况，测试时，待光源稳定发光后选择合适的时间窗口开启光测量装置进行信号采集测量工作，并可利用监测结果修正光测量装置测得的数据；同时还可配合温度控制装置，通过温度控制装置与光源电参数控制装置的反馈调节机制实现对光源的稳定输出，在降低成本的同时，提高了测试精确度，可广泛适用于测量各种物体光学特性，具有操作便捷、应用范围广、成本低、测量精度高等特点。

Description

一种物体光学特性测量装置

【技术领域】

本发明涉及物体光学特性检测领域，具体涉及一种物体反射率、透射率和颜色测量装置。

【背景技术】

日常生产、生活的需要，使得人们常常需要对物体的光学特性进行测量和评估，光学特性测量广泛应用于化工、食品、塑料、涂料、建筑等行业产品的质量控制环节。传统的光学特性测量，如颜色控制是通过操作人员对样本进行目测观察后作出判断，其判断结果带有强烈的主观性，评价结果也会随时间、环境或人员的变动而产生差异，导致评估存在较大的不准确性风险。科学技术的现代化发展，也带动了光学特性测量的水平的不断提高，从以往的依靠目测判断到借助特定的仪器进行现代化的色彩管理，评价结果也从主观性逐渐过渡到客观，光学特性评估的可靠性得到很大的提高。

目前，市场上一般的物体光学特性测量仪器通常采用光谱仪作为光测量装置，通过光谱仪测得经样品作用后光线的光谱或自身光度特性，利用这些光谱测试数据计算求得物体的三刺激值。根据所用光谱仪的数量，常见的颜色测量装置主要有以下两种类型：第一种，采用两个光谱仪，其中一个光谱仪作为光测量装置接收经样品作用后的光线，另一个光谱仪作为监测装置接收光源的光线，并监测光源变动以修正测量结果。通过设置两个光谱仪，经样品作用的光线和光源直接发出的光线通过两个光路分别得以测量，彼此不会干扰，此种装置虽然可获得较高的测量精度，但使用两个光谱仪的成本过高，同时造成仪器的体积庞大，影响测量的便捷性；另一种常见的颜色测量装置只采用一个光谱仪，减少了成本，同时仪器的体积得以缩小，但需通过在光谱仪的内部设置两个光接收通道，这两个光接收通道在一定程度上不可避免的会相互干扰，进而影响测量的准确性。

【发明内容】

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种物体光学特性测量装置，仅需配置一个光测量装置即可完成对被测样品的光学特性测量，通过设置光源电参数监控装置，监控光源在工作过程中电参数的变动，并在光源稳定发光后选择合适的时间窗口开启光测量装置进行信号采集测量工作，利用光源电参数监控装置的监测结果以修正光测量装置的测量结果。本发明在降低成本的同时，提高了测量的准确性。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种物体光学特性测量装置，其特征在于，包括光源组、光测量装置和光源电参数监测装置，所述的光源组发出特定光谱的光线并照射到被测样品上，光测量装置接收来自光源组并经被测样品作用后的光线，光源电参数监测装置监测光源组中光源的工作电参数。

本发明通过设置光源电参数监控装置用以监控光源工作过程中电参数的变动。以LED光源为例，在实际测量中，由于热漂移、电压或电流波动、机械振动或气压差异，都会造成LED光源特性随时间发生衰减，影响测试结果的重复性或一致性。从图1中可以看出，LED的结温对光输出有着显著的影响。本发明通过配置光源电参数监控装置，不仅可以监测光源发光光谱的稳定性，还可以利用监测获得的数据校正测量装置测得的光谱数据，提高测量的准确度。此外由于仅配置一个光测量装置，可大幅降低成本。

本发明还可通过以下技术方案进一步限定和完善：

作为一种技术方案，所述的光源组中至少包括一个LED光源。现有的物体光学特性测量设备，多采用闪光灯，也即脉冲光源，作为测试用光源，测试前通过设置闪光或者脉冲次数，在一个或多个脉冲时间窗口内完成采样测量，由于闪光测量过程中的脉冲宽度小，测量时间较短，因而测量精度不能得到很好的保证。本发明选用LED光源作为测试用光源，对LED光源采用直流驱动，在通电的初始阶段，LED的输出性能会显著变化，经过一段时间后，输出性能变化将趋于平稳，此时选择平稳阶段中一个合适的时间窗口开启信号采集测量工作，可保证测量在较长的时间窗口内进行，提高了测试的准确度。

作为一种技术方案，所述的光源组至少包含一个LED白光源和一个LED独立补光源，所述的LED白光源和LED独立补光源组合发光形成所需的光线照射至被测样品上。LED白光源在380-780nm波段内具有全光谱分布，且具有发光效率高、光谱丰富、体积小、易控制驱动等特点。需要指出的是，对于具有明显颜色选择特性的被测样品，某一特定光源的光谱功率分布存在无法与被测物体颜色特性相匹配的情况，导致测得的光学特性与人眼实际感知不相符，即无法准确反映被测样品的光泽、透射、反射等特性，造成测量误差。因此，利用补光源配合白光源发光，获得更接近被测样品光学特性的光源，提高测试准确度。例如选择反射紫光为主的被测样品，测试时，在白光源照射的同时，通过补加紫光光源来增加紫光区域的光谱灵敏度，相比于仅白光源照射下的被测样品，补充的紫光光源可更显著地呈现被测样品的光学特性，从而获得高准确度的光学特性参数。作为优选，所述的独立补光源的补光波段应覆盖独立白光源中光谱灵敏度较低的波段，以实现提高待补光波段光谱响应度的目的。

作为优选，所述的光源组包括一个以上独立窄波源，所述的一个以上独立窄波源发出分立的窄波段光谱，利用窄波段光谱校正光源组的组合波段光谱。例如，选用白光LED光源和紫光LED光源组合作为光源组发光，测量时，首先仅用紫光光源作为发光光源，此时可以认为除紫光光源所在波段，其余波段外的光谱响应率为零，若此时其他波段存在光谱响应率，则可认为这些波段中存在噪声或杂散光。因而在后续使用白光光源和紫光光源组合作为入射光源时，此时应从测得的物体光学特性量值中除去此紫光以外部分噪声造成的误差，从而进一步提高了测量准确度。

作为优选，所述的光源组和对应的测量装置与被测样品之间构成d/8或8/d或d/0或0/d或45/0或者0/45的物体反射颜色测量几何条件，以及d/0或0/d或0/0等物体透射颜色测量几何条件，以满足目前国际国内的实际测量需求。

作为一种技术方案，还包括温度控制装置，所述的温度控制装置设置在光源组上，所述的温度控制装置根据LED光源结电压与结温的关联关系控制LED光源的工作温度。由于LED光源本身的稳定性因素，电压或频率的变化、局部湿度或其他环境状态的改变都会对光源的输出特性造成明显的影响，因此通过设置温度控制装置，利用LED光源结电压与结温的关联关系，实现对LED光源工作温度的控制。需要指出的是，温度控制装置还可用以补偿和调节由于环境状态变化对LED结温造成的影响。

作为一种技术方案，所述的光源电参数监测装置与温度控制装置电连接，温度控制装置根据光源电参数监测装置测得的光源电参数信息通过制冷或者加热的方式控制光源的工作温度。将光源电参数监测装置与温度控制装置电连接，通过两者的相互反馈，可获得稳定的光源输出特性，具体做法是：向光源组中通入恒流电流，光源电参数监测装置监测光源组的电参数波动，光源电参数监测装置将实测电参数信息反馈至温度控制装置，温度控制装置根据实测结果以制冷或者加热的方式调节光源组中开启光源的工作温度，光源电参数监测装置再次监测调整温度后光源组中光源的电参数波动情况，经过光源电参数监测装置与温度控制装置的多次反馈与调节后，光源组中光源的电参数波动趋于稳定，也即LED光源的工作温度趋于稳定，此时再开启光测量装置对被测样品进行光学特性测量。以LED光源为例，此种反馈调节方式利用的是LED结温与结电压的关联关系，当光源稳定后，光测量装置测得的数据即是LED光源稳定状态照射下的物体光学特性测量数据。相比未设置温度控制装置，此时无需再利用光源电参数监测装置测得的数据对光测量装置进行校正，即可实现准确测量。

作为一种技术方案，所述的光测量装置在待光源组的光源点亮且稳定后开启信号采集测量工作。由于在通电的初始阶段，LED的输出性能不太稳定，经过一段较短的时间后，其输出性能变化将趋于平稳，此时选择平稳阶段中一个合适的时间窗口，开启光测量装置进行信号采集测量工作。本发明与传统的脉冲光源测量有着本质的区别，脉冲光源测量是通过在测试前设置脉冲次数，在一个或多个脉冲时间窗口内完成测量，由于测量过程中的脉冲宽度小，实际测量的时间较短，因而测量精度不能得到很好的保证。本发明可保证测量在较长的时间窗口内进行，测试精度得到进一步的提升。

作为优选，所述的光测量装置为光谱辐射计或者光谱辐射测量模块，可测得被测样品的光谱信息，并根据获得的光谱信息得到与光谱信息相关的颜色信息，如被测样品的光谱反射率、透射率、色坐标等。

作为一种技术方案，所述的光源电参数监测装置监测光源组中光源的电参数，根据光源电参数与光源发光光谱的依赖关系，推算出光源的实际发光光谱，并修正光测量装置的测量结果。所用光源不同时，光源电参数监测装置的监测参数也随之变化：当光源为LED时，光源电参数监测装置的监测的是LED的电流或电压；当采用其他类型的光源，如钨丝灯，光源电参数监测装置的监测的是电功率。光源电参数监测装置监测的是光源组的电参数波动，利用光源电参数与光源发光光谱的依赖关系可将监测获得的电参数转换为光学参数，进而推算出光源的实际发光光谱；而光测量装置测量的是经被测样品作用后的光源的光谱，利用前者对后者进行修正，可获得更为精确的测量结果。

作为优选，当所述的光源组采用LED光源作为检测用光源，所述的光源电参数监测装置监测光源组中LED光源的工作电参数，根据LED光源电参数与LED光源结温以及LED光源发光光谱的依赖关系，推算LED光源的实际发光光谱，并修正光测量装置的测量结果。鉴于LED光源的输出特性，其结温与电参数之间有着密切的联系，通过电参数与光学参数的转换，可推算出LED光源的实际发光光谱，修正光测量装置的测量结果。

综上所述，本发明利用组合LED光源作为检测用光源，在仅设置一个光谱仪作为光测量装置的情况下，通过配置光源电参数监测装置，监测检测用光源的电参数波动情况，待光源稳定发光后选择合适的时间窗口开启信号采集测量工作，并可利用监测结果修正光测量装置测得的数据，同时还可配合温度控制装置，通过温度控制装置与光源电参数控制装置的反馈调节机制实现对LED光源的稳定输出，提高测试精度。可广泛适用于各种物体光学特性的测量，具有操作便捷、应用范围广、测量精度高等特点。

【附图说明】

附图1是白色大功率LED光通量与CCT的温度依赖特性曲线；

附图2是实施例1的示意图；

附图3、4是实施例2的示意图；

附图5是实施例3的示意图；

附图6是实施例4的示意图；

附图7是实施例5的示意图。

1-光源组；11-LED白光源；12-LED补光源；2-光测量装置；3-光源电参数监测装置；4-被测样品；5-温度控制装置；6-积分球；7-光陷阱；8-被测透射样品。

【具体实施方式】

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种物体光学特性测量装置的工作原理示意图，包括光源组1、光测量装置2、光源电参数监测装置3，光源组1中包括LED光源，且由恒流驱动。工作时，向光源组1中通入恒流电流，光源电参数监测装置3监测光源组1的电压波动，在通电的初始阶段，LED的输出性能会显著上升，经过一段较短的时间后，输出性能变化将趋于平稳，此时选择平稳阶段中一个合适的时间窗口开启光测量装置3进行信号采集测量工作，测量结束后，利用监测获得的数据修正光测量装置2测得的光谱数据。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例还包括温度控制装置5。如图3和4所示，工作时，向光源组1中通入恒流电流，光源电参数监测装置3监测光源组1的电压波动，并将实测电压信息反馈至温度控制装置5，温度控制装置5根据实测结果调节(加热或制冷)光源组1中开启光源的温度，光源电参数监测装置3再次监测调整温度后光源组1中开启光源的电压波动情况，经过光源电参数监测装置3与温度控制装置5的多次反馈与调节后，光源组1中开启光源的电压波动趋于稳定(V_F＝V_F(0))，此时开启光测量装置2对被测样品4进行光学特性测量。

实施例3

如图5所示，本实施例中公开了一种物体光学特性测量装置，包括光源组1、光测量装置2、光源电参数监测装置3、积分球5和光陷阱6，光源组1由四个独立光源组成，分别为一个LED白光源11、红色LED、绿色LED和蓝色LED等三个独立补光源12，光源组1位于与被测样品4法线之间夹角为8°的入射方向上，光测量装置2位于积分球5的水平出射口上，光源组1和测量装置2与被测样品4构成8/d的颜色测量几何条件；光测量装置2为光谱辐射计。

测量时，单独开启光源组1中LED白光源11，或同时开启LED白光源11和一个或者多个独立LED补光源12，照射到被测样品4上，被测样品4的反射光线经积分球5充分漫反射后，被光测量装置2接收、测量，其中被测样品4的镜面反射光线被位于与光源组1所在方向对称的光陷阱6吸收，以消除镜面反射的影响。

本实施例还包括用以监测光源组1中各个独立光源电参数波动的光源电参数监测装置3，测量结束后可以利用监测获得的数据校正测量装置测得的光谱数据。本实施例系统结构简单、紧凑，测试结果重复性和一致性高，测量速度快，适用于工业产线及现场快速和实验室测量。

实施例4

如图6所示，本实施实现d/0的透射测量。包括光源组1、光测量装置2、光源电参数监测装置3、积分球5和被测透射样品7，测量时，光源组1位于与积分球5水平出光口呈90°的入射方向上，被测透射样品7位于积分球5的水平出射口上，光测量装置2位于被测透射样品7之后的光路上，光源电参数监测装置4设置用以监测光源组1中各个独立光源的电参数波动。

实施例5

如图7所示，与实施例4不同的是，本实施例实现45/0的颜色测量，光源组1由一个LED白光源11与一个紫色LED补光源12组成，测量时，光源组1位于与被测样品4法线之间夹角为45°的入射方向上，发出的光线经被测样品4反射后被设置被测样品4法线上(即0°)的光测量装置2接收和测量。

本实施例中，被测样品主要选择反射紫光，测试时，在开启LED白光源11照射的同时，通过补加紫光补光源12来增加紫光区域的光谱灵敏度。

需要强调的是，以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种物体光学特性测量装置，其特征在于，包括光源组(1)、光测量装置(2)和光源电参数监测装置(3)，所述的光源组(1)发出特定光谱的光线并照射到被测样品(4)上，光测量装置(2)接收来自光源组(1)并经被测样品(4)作用后的光线，光源电参数监测装置(3)监测光源组(1)中光源的工作电参数，所述的光测量装置(2)为光谱辐射测量模块，所述的光源电参数监测装置(3)监测光源组(1)中光源的工作电参数，根据光源电参数与光源发光光谱的依赖关系，推算出光源的实际发光光谱，并修正光测量装置(2)的测量结果。

2.如权利要求1所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，所述的光源组(1)中至少包括一个LED光源(11)。

3.如权利要求1或2所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，所述的光源组(1)至少包含一个LED白光源(11-1)和一个LED独立补光源(11-2)，所述的LED白光源(11-1)和LED独立补光源(11-2)组合发光形成所需的光线照射至被测样品(4)上。

4.如权利要求1所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，所述的光源组(1)包括一个以上独立窄波源，所述的一个以上独立窄波源发出分立的窄波段光谱，利用窄波段光谱校正光源组(1)的组合波段光谱。

5.如权利要求2所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，所述的光源组(1)中的LED光源(11)采用恒流驱动。

6.如权利要求1或2所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，还包括温度控制装置(5)，所述的温度控制装置(5)设置在光源组(1)上，所述的温度控制装置(5)利用LED光源结电压与结温的关联关系控制LED光源的工作温度。

7.如权利要求6所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，所述的光源电参数监测装置(3)与温度控制装置(5)电连接，温度控制装置(5)根据光源电参数监测装置(3)测得的光源电参数信息以制冷或者加热的方式控制光源的工作温度。

8.如权利要求1所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，所述的光源电参数监测装置(3)监测光源组(1)中光源的工作电参数，根据光源电参数与光源发光光谱的依赖关系，推算出光源的实际发光光谱，并修正光测量装置(2)的测量结果。

9.如权利要求1或2所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，所述的光源电参数监测装置(3)监测光源组(1)中LED光源的工作电参数，根据LED光源电参数与LED光源结温以及LED光源发光光谱的依赖关系，推算LED光源的实际发光光谱，并修正光测量装置(2)的测量结果。

10.如权利要求1所述的物体光学特性测量装置，其特征在于，所述的光测量装置(2)为光谱辐射计。