CN105606220B - 一种优化波长矫正方法及采用该方法的分光测色仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化波长矫正方法，包括如下步骤：测量标准白板在不同像元处的信号光强度；测量标准黑板在不同像元处的信号光强度；测量标准绿板在不同像元处的信号光强度；通过白板和黑板的采样结果，计算绿板在不同像元处的光谱反射曲线在仪器出厂前对仪器进行定标测量，取的最大值对应像元记录至仪器内部；在用户实际使用仪器时，每次开机后进行以上校正过程，得到的最大值对应像元，看与是否相同。

Description

一种优化波长矫正方法及采用该方法的分光测色仪
技术领域
本发明涉及分光测试仪，具体是一种优化波长矫正方法及采用该方法的分光测色仪。
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。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。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。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，这种方法同样是通过测量被测样品表面的反射光谱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。
在基于分光法的仪器设计原理如图1所示，通常使用在可见光范围内有充足分布的氙灯、卤钨灯作为照明光源，采用阵列探测器作为传感器，光栅作为色散器件。照明光源发出的光照在被测样品上，反射光进入分光色散系统，分光色散系统将反射光以一定波长分辨率分开投射在阵列传感器上，使阵列传感器获得整个可见光范围内的光谱分布。由于替代了传统的机械扫描式分光色散结构，分光法的测试时间很短，大大降低了对照明光源的工作时间和光源稳定性的要求，兼顾了仪器的测量速度、光谱分辨率和测量重复性等指标
分光颜色测量仪器的三刺激值计算方法是用样品的光谱反射曲线、标准照明体的光谱功率分布和所采用的2°或10°视场的三刺激值匹配函数，用等波长间隔法，在可见光光谱范围内加权计算。计算式为2-2和式2-3所示：
式2-2
和
式2-3
式中：
为标准照明体的光谱功率分布；
为反射色样品的光谱反射比;
为波长间隔；
、为调整因数，如下所示。
式2-4
三刺激值与色品坐标的关系为:
式2-5
和
式2-6
分光测色仪通过测量被测样品表面可见光范围内的光谱反射曲线计算得到颜色三刺激值和色坐标。对于式2-2和式2-3中波长范围和波长间隔（）的选择，视被测物体的光谱特性和计算精度的要求不同而不同。CIE15:2004推荐：精确波长范围应取360-830nm，波长间隔取1nm。对于大多数应用，波长范围380-780nm，波长间隔，不会产生过大的误差。实际上，具体应用可以根据精度和要求适当变化。比如在便携式分光测色仪的应用中，大多数仪器都选择了波长间隔，波长范围400-700nm；在计算机配色计算中，也有采用波长间隔，波长范围400-700nm。波长间隔越小，波长范围越宽，每次测量产生的数据量就越大。在实际应用中，同样需要考虑计算精度和工艺、材料客观条件相匹配。
色差按CIELAB均匀色空间下的色差公式计算，该公式为:
式 2-7
式中： 参考样品与被测样品两者明度指数的差值；
，参考样品与被测样品色度指数和相应的差值。
，，的计算公式如式2-8所示：
式 2-8
式中：
，，为被测样品的三刺激值；
，，为标准照明体的三刺激值，其值见表1。
表1标准照明体三刺激值
分光测色仪器的测量原理为测量物体的光谱反射曲线，再选用CIE的标准照明体和标准观察者，通过积分计算，求得颜色的三刺激值。分光测色仪器实际上是一种物理量测色仪器，根据CIE标准色度系统光谱三刺激值函数计算出样品表面颜色的三刺激值X，Y，Z等一系列其他心理物理量参数。分光测色仪主要是由光源，分光系统，光电检测系统以及电子控制与数据处理系统等主要部分构成。其中，对物体表面光谱反射曲线的测量是整个计算的基础。光谱反射曲线测量结果的稳定性决定了仪器其它颜色数据测量的稳定性。光谱反射率的计算方法。
分光测色仪结构示意图如图2所示。通过光源照射到被测物体表面上，反射光通过分光部件。分光部件的作用是将反射光按照不同的波长依次照射到线阵传感器上。线阵传感器上不同位置的像元测量得到的信号就代表了不同波长处反射信号光的强度。
测量得到传感器各个像元的信号光强度，根据传感器各个像元和波长的对应关系，将各个像元的信号光强度转化为不同波长处的信号光强度。
在现有的技术手段中，在仪器出厂时，需要采用定标方法计算传感器像元和波长的对应关系。将传感器每个像元的信号强度转化为对应波长处的信号强度。
在分光颜色测量仪器开机后，需要进行校正才能进行使用。校正分为白校准和黑校准两步。
具体的矫正流程为：
1.测量标准白板的不同波长处的信号光强度。
2.测量标准黑板的不同波长处信号光强度。
3.经过以上的矫正，仪器才可测量被测样品不同波长处信号光强度，根据不同标准白板和标准黑板的已知光谱反射率，计算出被测样品在不同波长处的光谱反射率。
但是，由于仪器在实际使用中温度、湿度等客观条件会发生变化，导致分光光路中的光栅和透镜的相对位置会发生一定的变化。最终体现在，传感器各个像元和波长的对应关系发生一定的变化。比如原来第30个像元对应波长是383.5nm，在变化后，第30个像元对应的波长向长波方向移动，第30个像元的对应波长变为386.2nm。这种情况下，会导致仪器测量物体表面光谱反射率整体光谱数据会发生变化，致使颜色测量数据也发生变化，仪器整体稳定性变差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种优化波长矫正方法，包括如下步骤：
测量标准白板在不同像元处的信号光强度；
测量标准黑板在不同像元处的信号光强度；
测量标准绿板在不同像元处的信号光强度；
通过白板和黑板的采样结果，计算绿板在不同像元处的光谱反射曲线
在仪器出厂前对仪器进行定标测量，取的最大值对应像元记录至仪器内部；在用户实际使用仪器时，每次开机后进行以上校正过程，得到的最大值对应像元，看与是否相同。如果相同，则证明仪器的传感器像元和波长之间的对应关系没有出现偏差；如果不相同则证明仪器的传感器像元和波长之间的对应关系出现了偏差，需要进行修正。
进一步的，若偏差过大，则说明仪器出现了故障。
进一步的，所述正常偏差范围的确定方法为：将仪器放在一个恒温试验箱中，模拟仪器的使用温度从5℃变化为75℃，每变化10摄氏度进行一次测量，最大反射率的位置随温度变化，温度变化过程中，最大值对应像元的变化不会超过±3个像元；否则需要对像元和波长对应关系进行修正。
进一步的，像元和波长对应关系进行修正的方法：
在出厂定标时得到像元和波长的对应关系为：
在仪器出厂前对仪器进行定标测量，取的最大值对应像元记录至仪器内部；
在用户实际使用仪器时，每次开机需要对仪器进行校正，得到取的最大值对应像元。取和的差值为；
修正后的像元和波长对应关系为：
。
本发明还公开了一种分光测色仪，采用了上述的优化波长矫正方法。
本发明基于目前的分光测色仪器技术发展现状，针对光谱波长的准确性提出了优化设计方案，在仪器使用环境发生变化的情况下，保证分光测色仪器的波长准确性。
附图说明
图1是分光测色仪器原理图；
图2是样品在不同波长处的光谱反射率曲线图；
图3是绿色标准板光谱反射率曲线图；
图4是最大反射率的位置随温度变化示意图；
图5是在未进行传感器像元和波长校正时测量数据示意图；
图6是在采用本发明的方法进行校正后测量数据示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在现有的技术手段中，分光测色仪在开机后需要进行校正，分别是白校准和黑校准。本发明在现有的校准过程中，加入了一块绿色标准板。
该绿色标准板的光谱反射率曲线如图3所示。该绿色标准板的是由锆镨黄和锆钒蓝以37.2%和63.8%的比例组成混合颜料，应用于陶瓷釉中，对陶瓷片进行上釉处理。对陶瓷片进行上釉处理是为了防止绿色标准板表面粘灰尘之后不易清理。在上釉之后，陶瓷片表面相对光滑 ，容易清理。按照此配方设计出来的陶瓷片，其表面颜色具有很好的耐光照，耐潮湿性，在长期使用可以作为标准色板使用。
该绿色标准板的反射光谱曲线在520nm处有一最大值，用仪器测量时，对应于线阵传感器的第104个像元处的光谱反射率最大。
在仪器出厂时，通过定标手段获得传感器像元和波长的对应关系，如式1所示。
式1
其中，为传感器像元序号，为传感器序号为的像元所对应的波长，、、、、、为系数项。
本发明具体实际应用例中，系数项如表2所示。
参数 取值
327.5959141000
1.8652642530
0.0000198065
-0.0000019324
-0.0000000048
0.0000000000
表2系数表
通过计算即可得到传感器像元和波长对应关系如表3所示；
像元号 对应波长 像元号 对应波长 像元号 对应波长 像元号 对应波长
1 329.5 65 448.3 129 563.6 193 671.5
2 331.3 66 450.2 130 565.3 194 673.2
3 333.2 67 452.0 131 567.1 195 674.8
4 335.1 68 453.8 132 568.8 196 676.4
5 336.9 69 455.7 133 570.6 197 678.0
6 338.8 70 457.5 134 572.3 198 679.6
7 340.7 71 459.3 135 574.0 199 681.2
8 342.5 72 461.2 136 575.8 200 682.8
9 344.4 73 463.0 137 577.5 201 684.4
10 346.2 74 464.8 138 579.3 202 686.0
11 348.1 75 466.7 139 581.0 203 687.6
12 350.0 76 468.5 140 582.7 204 689.2
13 351.8 77 470.3 141 584.5 205 690.8
14 353.7 78 472.2 142 586.2 206 692.4
15 355.6 79 474.0 143 587.9 207 693.9
16 357.4 80 475.8 144 589.6 208 695.5
17 359.3 81 477.6 145 591.4 209 697.1
18 361.2 82 479.4 146 593.1 210 698.7
19 363.0 83 481.3 147 594.8 211 700.3
20 364.9 84 483.1 148 596.5 212 701.8
21 366.8 85 484.9 149 598.2 213 703.4
22 368.6 86 486.7 150 599.9 214 705.0
23 370.5 87 488.5 151 601.7 215 706.5
24 372.3 88 490.4 152 603.4 216 708.1
25 374.2 89 492.2 153 605.1 217 709.7
26 376.1 90 494.0 154 606.8 218 711.2
27 377.9 91 495.8 155 608.5 219 712.8
28 379.8 92 497.6 156 610.2 220 714.3
29 381.7 93 499.4 157 611.9 221 715.9
30 383.5 94 501.2 158 613.6 222 717.5
31 385.4 95 503.0 159 615.3 223 719.0
32 387.2 96 504.8 160 617.0 224 720.5
33 389.1 97 506.6 161 618.6 225 722.1
34 391.0 98 508.4 162 620.3 226 723.6
35 392.8 99 510.2 163 622.0 227 725.2
36 394.7 100 512.0 164 623.7 228 726.7
37 396.5 101 513.8 165 625.4 229 728.2
38 398.4 102 515.6 166 627.1 230 729.8
39 400.2 103 517.4 167 628.7 231 731.3
40 402.1 104 519.2 168 630.4 232 732.8
41 404.0 105 521.0 169 632.1 233 734.4
42 405.8 106 522.8 170 633.8 234 735.9
43 407.7 107 524.6 171 635.4 235 737.4
44 409.5 108 526.4 172 637.1 236 738.9
45 411.4 109 528.2 173 638.7 237 740.4
46 413.2 110 530.0 174 640.4 238 742.0
47 415.1 111 531.7 175 642.1 239 743.5
48 416.9 112 533.5 176 643.7 240 745.0
49 418.8 113 535.3 177 645.4 241 746.5
50 420.6 114 537.1 178 647.0 242 748.0
51 422.5 115 538.9 179 648.7 243 749.5
52 424.3 116 540.6 180 650.3 244 751.0
53 426.2 117 542.4 181 652.0 245 752.5
54 428.0 118 544.2 182 653.6 246 754.0
55 429.9 119 546.0 183 655.3 247 755.5
56 431.7 120 547.7 184 656.9 248 757.0
57 433.6 121 549.5 185 658.5 249 758.5
58 435.4 122 551.3 186 660.2 250 760.0
59 437.3 123 553.0 187 661.8 251 761.5
60 439.1 124 554.8 188 663.4 252 763.0
61 441.0 125 556.5 189 665.1 253 764.4
62 442.8 126 558.3 190 666.7 254 765.9
63 444.6 127 560.1 191 668.3 255 767.4
64 446.5 128 561.8 192 669.9 256 768.9
表3 传感器像元和波长的对应关系。
本发明对现有技术手段中的校正过程进行优化，在校正过程中加入了绿色标准板，在校正过程中，对绿色标准板测量其反射光谱信号，采用传感器像元的最大值对仪器的光谱波长偏移进行修正。
更改后的矫正流程为：
1.测量标准白板在不同像元处的信号光强度。
2.测量标准黑板在不同像元处的信号光强度。
3.测量标准绿板在不同像元处的信号光强度。
4.通过白板和黑板的采样结果，计算绿板在不同像元处的光谱反射曲线。
在仪器出厂前对仪器进行定标测量，取的最大值对应像元记录至仪器内部。在用户实际使用仪器时，每次开机后进行以上校正过程，得到的最大值对应像元，看与是否相同。如果相同，则证明仪器的传感器像元和波长之间的对应关系没有出现偏差；如果不相同则证明仪器的传感器像元和波长之间的对应关系出现了偏差，需要进行修正。
本发明的具体实施例中，出厂定标时测量所得为104。在用户实际使用仪器时，每次开机后进行以上校正过程，得到，不是第104个像元，则说明仪器光路部分发生了偏差，需要进行矫正。比如，若最大值出现在传感器的第106个像元。说明如表3所示的传感器像元与波长之间的对应关系出现了偏差，需要对该对应关系进行调整。104像元原对应的波长为519.2nm, 106像元原对应的波长为522.8nm;在仪器出现偏差后，最大值出现在传感器的第106个像元，则106像元对应波长为519.2nm,104像元对应的波长应小于519.2nm。需要通过计算对表3所示的像元和波长对应关系进行调整。
但是，这种偏差会有一个正常范围，如果偏差过大，说明仪器出现了故障问题。正常偏差范围需要通过实验进行确定。
正常偏差范围的实验确定方法为：将仪器放在一个恒温试验箱中，模拟仪器的使用温度从5℃变化为75℃，每变化10摄氏度进行一次测量。最大反射率的位置随温度变化如图4所示。从图4中可以看出，温度变化过程中，最大值对应像元的变化不会超过±3个像元。所以可以认为，如果最大值对应像元的变化量超过了±3个像元，仪器出现故障，需要返厂维修。
像元和波长对应关系进行修正的方法：
在出厂定标时得到像元和波长的对应关系为：
在仪器出厂前对仪器进行定标测量，取的最大值对应像元记录至仪器内部。
在用户实际使用仪器时，每次开机需要对仪器进行校正，得到取的最大值对应像元。取和的差值为。
修正后的像元和波长对应关系为：
对如表4所示的13块BCRA标准色板进行测试，将仪器放在一个恒温试验箱中，模拟仪器的使用温度从5℃变化为65℃，每变化20摄氏度对每块色板进行一次测量，评价仪器的重复性色差数据，在未进行传感器像元和波长校正时，测量数据如图5所示；在采用本发明的方法进行校正后，测量数据如图6所示。仪器的测量重复性有了很大的改善。
表 4 BCRA标准色板。

Claims (3)

1.一种优化波长矫正方法，包括如下步骤：
测量标准白板在不同像元处的信号光强度I′white-pixel(npixel)；
测量标准黑板在不同像元处的信号光强度I′black-pixel(npixel)；
测量标准绿板在不同像元处的信号光强度I′green-pixel(npixel)；
通过白板和黑板的采样结果，计算绿板在不同像元处的光谱反射曲线
在仪器出厂前对仪器进行定标测量，取R′green-pixel(npixel)的最大值对应像元npixel-max记录至仪器内部；在用户实际使用仪器时，每次开机后进行以上校正过程，得到R′green-pixel(npixel)的最大值对应像元n′pixel-max，看n′pixel-max与npixel-max是否相同；如果相同，则证明仪器的传感器像元和波长之间的对应关系没有出现偏差；如果不相同则证明仪器的传感器像元和波长之间的对应关系出现了偏差，需要进行修正；
正常偏差范围的确定方法为：将仪器放在一个恒温试验箱中，模拟仪器的使用温度从5℃变化为75℃，每变化10摄氏度进行一次测量，最大反射率的位置随温度变化，温度变化过程中，最大值对应像元的变化不会超过±3个像元；否则需要对像元和波长对应关系进行修正；
像元和波长对应关系进行修正的方法：
在出厂定标时得到像元和波长的对应关系为：
λ＝A0+B1*npixel+B2*npixel 2+B3*npixel 3+B4*npixel 4+B5*npixel 5
在仪器出厂前对仪器进行定标测量，取R′green-pixel(npixel)的最大值对应像元 npixel-max记录至仪器内部；
在用户实际使用仪器时，每次开机需要对仪器进行校正，得到取R′green-pixel(npixel)的最大值对应像元n′pixel-max；取npixel-max和n′pixel-max的差值为Δn＝npixel-max-n′pixel-max；
修正后的像元和波长对应关系为：
λ＝A0+B1*(npixel+Δn)+B2*(npixel+Δn)2+B3*(npixel+Δn)3+B4*(npixel+Δn)4
+B5*(npixel+Δn)5。
2.如权利要求1所述的优化波长矫正方法，其特征在于：若偏差过大，则说明仪器出现了故障。
3.一种分光测色仪，其特征在于：采用了如权利要求1-2之一的优化波长矫正方法。
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