CN105157842B - 一种带重复性优化装置的双光路分光测色仪和优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带重复性优化装置的双光路分光测色仪，被测样品夹持在第一积分球上的反射样品夹持位置，包括第一积分球和第二积分球，光源发出的光从第一积分球侧面的光入射孔入射至积分球内部，在积分球内经充分均匀化；第一积分球上主光路出光孔位置为与被测样品表面法线成‑8°角方向在积分球内壁上的投影；在第一积分球内壁上与被测样品表面法线成30°方向处设置辅光路出光孔；在主光路和辅光路之间设有第二积分球。本发明解决了由温度变化引起的传感器之间的相应效率一致性问题。经实验，本发明的中推荐的分光测色仪设计方法短期测量重复性△E<0.03，在温度大范围变化时重复性指标没有明显变化，相对于传统技术有显著改善。

Description

一种带重复性优化装置的双光路分光测色仪和优化方法

技术领域

本发明涉及双光路分光测色仪领域，具体是一种带重复性优化装置的双光路分光测色仪和优化方法。

背景技术

颜色测量仪器是将颜色这一心理物理量量化的常规测量仪器。颜色测量仪器从测量原理上来分有两种：光电积分式测色仪和分光测色仪。评价颜色测量仪器最关键的两个指标是测量重复性和示值误差。光电积分式测色仪器是在可见光范围内采用单颗硅光电二极管配合滤光片调整仪器的光谱响应，通过积分测量测得样品颜色的三刺激值X、Y、Z。这种技术手段很难达到较低的示值误差。目前主流的颜色测量仪器是分光测色仪，这种方法是通过测量被测样品表面的光谱反射率来计算颜色数据的，可达到较好的测量重复性和较低的示值误差。目前，分光测色仪的测量重复性可达到△E=0.04。目前国外有X’Rite,Datacolor, 美能达等公司推出了成熟的分光测色仪，国内的分光测色仪发展滞后于国外，目前只有杭州彩谱推出了便携式的分光测色产品。

目前，传统技术手段中，可达到分光测色仪器的短期测量重复性△E<0.05，在温度大范围变化时重复性△E<0.13。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种带重复性优化装置的双光路分光测色仪，被测样品夹持在第一积分球上的反射样品夹持位置，包括第一积分球和第二积分球，光源发出的光从第一积分球侧面的光入射孔入射至积分球内部，在积分球内经充分均匀化；第一积分球上主光路出光孔位置为与被测样品表面法线成-8°角方向在积分球内壁上的投影；在第一积分球内壁上与被测样品表面法线成30°方向处设置辅光路出光孔；在主光路和辅光路之间设有第二积分球。

进一步的，在第一积分球上与被测样品表面法线成8°角方向在积分球内壁上的投影上设置光阱。

进一步的，在第一积分球内设置两个挡板A、B。

进一步的，在主光路出光孔和辅光路出光孔的外侧光路上分别设置透镜组，将入射光线匀化后，聚焦至主分光光路、辅分光光路的入射狭缝处。

进一步的，第二积分球用于对主辅通道的传感器进行校准。

进一步的，所述第二积分球内部左侧开一光源入射孔，照明光源为卤钨灯，光线入射至第二积分球内部，第二积分球内表面涂覆白色漫反射涂料，使入射光线在积分球内部均匀化。

进一步的，所述第二积分球上下两端分别开出射狭缝，狭缝外置凸透镜，对出射光线进行准直，两个出射狭缝的出射光线经透镜准直后，再经过合束镜反射，入射至主、辅分光光路的入射狭缝处。

本发明还提供了一种双光路分光测色仪的重复性优化方法，包括如下步骤：

在开机校准时，进行传感器校准和黑校准：

传感器校准方法：点亮卤钨灯，得到主、辅通道的采样值分别为和；

计算比例系数；

开机黑校准是使用仪器对标准黑腔反射率进行测量，得到主、辅通道的采样值分别为和；

在实际测量时，测量过程分为两个步骤：

步骤1：点亮卤钨灯，对主、辅通道进行校准测试，获得当前仪器两个通道的采样结果；

步骤2：熄灭卤钨灯，点亮氙灯，对被测样品进行测量，获得仪器主、辅通道之间的采样结果；

对采样数据进行如下修正，

为修正后的主通道采样值，为修正后的辅通道采样值；

取每个波长的最终采样强度为：

通过定标，可将转化为被测样品的反射率数据。

本发明的带重复性优化装置的双光路分光测色仪在光路设计中采用双光路结构，采用两个传感器分别测量样品信号和光源信号，通过在光路结构中设置校准光源，解决了由温度变化引起的传感器之间的相应效率一致性问题。经实验，本发明的中推荐的分光测色仪设计方法短期测量重复性△E<0.03，在温度大范围变化时重复性指标没有明显变化，相对于传统技术有显著改善。

附图说明

图1是现有测试仪的双光路结构；

图2是硅光电池器件受温度的影响图；

图3是带重复性优化装置的双光路分光测色仪结构示意图；

图4是第二积分球的结构示意图；

图5是重复性优化前的测量结果图；

图6是重复性优化后的测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了达到良好的测量重复性，分光测色仪器通常同时测量样品表面反射信号和一部分积分球内壁。取积分球内壁的反射信号作为参考光来检测光源强度波动。如图1所示。在这种情况下，需要分别对两路信号进行分光和光谱强度检测。这种情况下，需要考虑两路传感器之间的差异性。

分光测色仪通常采用硅器件为传感器器件，在使用过程中，温度会对产生很大的影响，如图2所示。当两个传感器的温度特性有差异时，在温度变化后，采样结果也会出现一定的差异，导致测量重复性指标变差。

仪器测量重复性有两个指标：短期重复性和长期重复性。其中，长期重复性的评价方法是在仪器长期使用中，仪器的测量值变化。在仪器设计中是通过仪器开机校准保证仪器的长期重复性的。在仪器每次开机时进行开机校准，对标准白板进行测量，进行仪器的标定。

短期重复性是指，在仪器每次开机后，对某一样品进行多次连续测量，其测量值的波动。由于每次测量过程中仪器照明光源强度会发生一定的波动，所以在设计中通常采用双光路结构，采用两个传感器分别对主、辅通道进行测量。主通道对被测样品进行测量，辅通道对光源强度进行测量。但是，如果多次测量过程中由于温度条件变化，主、辅通道的传感器响应效率发生变化，两者响应效率不一致，则会导致测量结果出现波动。

本发明在目前已有的双光路方案中加入了校准光路，采用卤钨灯光源对传感器的波长准确性和传感器光电效率进行校准。具体结构如图3所示。

如图3所示的分光颜色测量系统的结构中，是对被测样品进行反射测量的。其中，被测样品夹持在第一积分球上的反射样品夹持位置。

仪器照明光源为氙灯，光源发出的光从积分球侧面的光入射孔入射至第一积分球内部，在积分球内经充分均匀化。

第一积分球上光阱的位置为与被测样品表面法线成8°角方向在积分球内壁上的投影。光阱的作用是为了使进入主分光光路的信号中没有被测样品表面的镜面反射光。

第一积分球上出光孔位置为与被测样品表面法线成-8°角方向在积分球内壁上的投影。其作用为使样品表面反射光信号进入主分光光路。设置两个挡板A和B，其作用为防止光源发出的光线不经过积分球匀化而直接照射到样品表面和进入主分光光路。

在第一积分球内壁上与被测样品表面法线成30°方向处开一适当大小的圆孔，用来监测光源信号，在该孔外设置反射镜和相关光路，使该信号进入辅助分光光路。

透镜组的作用是对入射光线进行匀化和聚焦，将入射光线匀化后，聚焦至主分光光路、辅分光光路的入射狭缝处。

第二积分球的作用为对主辅通道的传感器进行校准。第二积分球发出的光线经过合束镜反射后进入主、辅分光光路。第二积分球内部结构图如图4所示，第二积分球内部左侧开一光源入射孔，照明光源为卤钨灯，光线入射至积分球内部，积分球内表面涂覆白色漫反射涂料，使入射光线在积分球内部均匀化。在卤钨灯光源和两个出射狭缝间设置两个挡板，防止光源光线不经匀化直接出射。积分球上下两端分别开出射狭缝，狭缝外置凸透镜，对出射光线进行准直。两个出射狭缝的出射光线经透镜准直后，再经过合束镜反射，入射至主、辅分光光路的入射狭缝处。可以认为，每次测量时，入射至主、辅光路入射狭缝处的光辐射强度遵循一特定比例。

主、辅光路采用的传感器为相同的两只256像元线阵传感器，经波长定标后，每个像元可对应一特定的波长，再通过线性插值运算即可得到在400-700nm范围内，每间隔10nm处的信号强度。

仪器在使用之前需要对仪器进行开机传感器校准，在开机传感器校准时，首先点亮卤钨灯，对主光路传感器和辅助光路传感器同时进行一次采样。得到主光路传感器的采样结果为,得到辅光路传感器的采样结构为。其中，为波长，具体值为400-700nm范围内每间隔10nm的波长。

在每次测量时，首先点亮卤钨灯，对主光路传感器和辅助光路传感器同时进行一次采样。得到主光路传感器的采样结果为,得到辅光路传感器的采样结构为。

在两传感器不发生变化的前提下，应满足下式

但是，当温度条件发生变化时，两个传感器的光谱相应效率不一致，导致上式不满足，导致测量重复性不佳，所以需要对采样数据进行修正。

在开机校准时，进行传感器校准和黑校准：

传感器校准方法：点亮卤钨灯，得到主、辅通道的采样值分别为和；

计算比例系数k

开机黑校准是使用仪器对标准黑腔反射率进行测量，得到主、辅通道的采样值分别为和。

在实际测量时，测量过程分为两个步骤：

步骤1：点亮卤钨灯，对主、辅通道进行校准测试，获得当前仪器两个通道的采样结果。

步骤2：熄灭卤钨灯，点亮氙灯，对被测样品进行测量，获得仪器主、辅通道的采样结果。

对采样数据进行如下修正，

为修正后的主通道采样值，为修正后的辅通道采样值。

取每个波长的最终采样强度为：

通过定标，可将转化为被测样品的反射率数据。

实验验证方法：将仪器放置在恒温试验箱中，将仪器开机，进行开机黑白校准后，设置恒温试验箱温度以10摄氏度间隔，从10摄氏度变化值60摄氏度，每次变化后进行30次测量，评价仪器重复性变化。

如图5和6所示，经重复性优化后，分光测色仪器的短期测量重复性△E<0.03。

Claims (1)

1.一种双光路分光测色仪的重复性优化方法，包括如下步骤：

在开机校准时，进行传感器校准和黑校准：

传感器校准方法：点亮卤钨灯，得到主、辅通道的采样值分别为和；

计算比例系数；

开机黑校准是使用仪器对标准黑腔反射率进行测量，得到主、辅通道的采样值分别为和；

在实际测量时，测量过程分为两个步骤：

步骤1：点亮卤钨灯，对主、辅通道进行校准测试，获得当前仪器两个通道的采样结果；

步骤2：熄灭卤钨灯，点亮氙灯，对被测样品进行测量，获得仪器主、辅通道的采样结果；

对采样数据进行如下修正，

为修正后的主通道采样值，为修正后的辅通道采样值；

取每个波长的最终采样强度为：

通过定标，可将转化为被测样品的反射率数据。