CN109374135A - 一种色彩测量模块及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种色彩测量模块及其系统，色彩测量模块包括透镜及传感器、反光板、光源、入射光调整部件，所述反光板置于所述光源与透镜及传感器之间；所述反光板组成反射光路通道，所述透镜及传感器位于反射光路通道上。本发明通过提出新测量原理，避免了对高光泽表面进行测量时，由于镜面反射所带来的测量系统失效问题。同时避免了使用积分球实现diffuse/0、diffuse/8等测量原理，造成了只能测量平坦且具有较大面积的样品的缺点，提升了本发明测量系统的样品可测范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种色彩测量模块及其系统，特别涉及一种能够有效测量具有高光泽、内陷等复杂特征的待测物色彩的测量系统。
背景技术
从1935年Hardy开始商业化第一个基于反射光的颜色测量仪器以来，物体表面颜色的测量已有几十年历史。方法主要为使用标准光源对物体进行照射，反射光经过传感器转化为测量结果。国际照明协会INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION，提出了45/0、0/45、0/diffuse以及diffuse/0 四种色彩测量原理。在这些X/Y测量原理中，X代表入射光与待测点所在平面法线的夹角(以下简称“入射角”)，Y代表待测点所在平面法线的夹角(以下简称“反射角”)，即：45/0测量法指入射角45度，接收器反射角0度；0/45入射角0度，接收器反射角45；0/diffuse入射角0度，接收器接受漫射光。diffuse/0 入射光漫射光，接收器反射角0度。
由于经济性，45/0测量模式运用广泛，其使用点光源在与样品表面法线夹角45度的锥面上放置三个以上点光源，使其能满足45/0测量方式。采用45/0测量模式的色差仪存在如下技术缺陷：(1)测量端多为圆锥状。(2)当待测物光泽度较高时，若待测物表面不平整，则会有大量镜面反射光传入测量光路，使得系统准确度降低，严重情形下会使得测量系统失效。
另一类测量方式diffuse/0,0/diffuse测量模式。diffuse/0,0/diffuse测量模式的色差仪，使用积分球来实现入射光漫射。积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，又称光度球，光通球等。球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔和放置光接收器件的接收孔。积分球的内壁应是良好的球面，通常要求它相对于理想球面的偏差应不大于内径的0.2％，以实现入射光的均匀入射。在这种测量模式下，漫射的入射光可以避免在高光泽度在镜面反射下，造成测量失效问题。在特定情况下，该diffuse/0测量模式的入射角和0/diffuse模式的反射角并不遵循严格0度，有时将其改为6～8度，转变为diffuse/8、8/diffuse模式。采用diffuse/0, 0/diffuse测量模式的色差仪存在如下缺陷：为了避免入射光入射至传感器和准确性，积分球要求尽量大，但是在测量时样品必须接触积分球，这使得测量仪器在样品端必须可以容纳尽量达的积分球，从而限制了可测样品的范围，同时也增加了制造测量仪的成本。
中国专利CN201110054241.0公开了一种色度及亮度均匀的光源及具该光源的色彩感测仪，采用复数个LED灯加上相应数量的导光板，以及一个LED灯对应一个导光板的方法，获取漫射光，最后采用diffuse/45的测量方式，对样品进行测量。该专利技术方案虽然解决了漫射光的问题，但系统复杂，探头体积大，因而要求待测物和测量仪额接触部分需留有较大的空间，导致使用该技术的色差测量设备，只能测量平坦且具有较大面积的待测物。
另外，现有技术中的技术方案还存在如下缺陷：(1)现有技术只考虑了如何产生漫射光源的问题，没有考虑光源和色差测量传感器的集成。即现有测量系统里光源和传感器都是相互独立的，这也是造成系统复杂、精度低、体积大的重要原因。(2)通常为PC端至仪器一对一控制，在数据量大，样品种类多，测量设备多的情况下系统管理成本很高
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种色彩测量模块及其系统，以提供更普适可测样品范围包含普通材料和高光泽度材料、内陷样品表面等，具体准确性好，成本经济的光源与传感器一体化的表面色差测量系统。
本发明采取如下技术方案：
(1)一种色彩测量模块，包括透镜及传感器、反光板、光源、入射光调整部件，所述反光板置于所述光源与透镜及传感器之间；所述反光板组成反射光路通道，所述透镜及传感器位于反射光路通道上。
(2)根据(1)所述的色彩测量模块，所述入射光调整部件从内到外依次设置导光板、光扩散板和光过滤板。
(3)根据(1)或(2)所述的色彩测量模块，反射光路通道与样品法线方向相同或反射光路通道与样品法线方向呈8度。
(4)根据(1)-(3)任一项所述的色彩测量模块，还包括芯片和测量腔体，所述测量腔体用于放置待测样品。
(5)根据(1)-(4)任一项所述的色彩测量模块，所述测量腔体呈鞍状结构。
(6)根据(1)-(5)任一项所述的色彩测量模块，所述测量腔体内壁由低光反射比的材料组成，防止由于材料内壁反射造成的测量误差。
(7)根据(1)-(6)任一项所述的色彩测量模块，所述反光板呈圆环状，中间圆孔作为反射光光路通道使得反射光可以进入透镜及传感器；所述色彩测量模块总体呈圆锥形。
(8)根据(1)-(7)任一项所述的色彩测量模块，在样品端外部设有固定圆环平板。
(9)根据(1)-(8)任一项所述的色彩测量模块，所述传感器为线性传感器，其中红绿蓝三色传感单元的数量相同，即R:G:B＝1:1:1。
(10)根据(1)-(9)任一项所述的色彩测量模块，所述导光板为光学级聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯板材；所述传感器为彩色线性CCD或CMOS传感器；所述的色彩测量模块为一体化设备。
(11)一种色彩测量系统，包括采集系统、控制系统、数据库和报警系统；
当测量被触发时，控制系统向采集系统下达采集命令；
采集系统返回数据，并进入数据缓存队列；
通过从数据库中读取校准参数并通过数据格式转换，得到样品表面颜色数据；
将样品表面颜色数据送入警报系统，将样品表面颜色数据与标准样品数据进行比对，如色差超过预设的警报值，则报警系统进行报警。
(12)根据(11)所述的色彩测量系统，所述采集系统采用权利要求1-9 任一项所述的色彩测量模块进行采集数据。
(13)根据(11)或(12)所述的色彩测量系统，所述控制系统为移动手持设备。
(14)根据(11)-(13)任一项所述的色彩测量系统，将多次测量或仅一次测量的测量结果与标准样品对比分析，显示结果至图形化界面，同时上传至数据库；在测量命令下达前，选入不同的校准选项，在样品分析后，上传数据库控制系统内，及时更新校准参数。
(15)根据(11)-(14)任一项所述的色彩测量系统，还包括数据分析系统，所述数据分析系统仅与数据库连接，根据特征筛选数据，并进行统计分析。
1、色彩测量模块详细描述如下：
本发明提供一种色彩测量模块从内至外(样品测量端)分别为：透镜及传感器、反光板、光源、入射光调整部件，该入射光调整部件可进一步包括：导光板、光扩散板、光过滤板。反光板放置于光源和滤镜与传感器之间，主要用于防止光源直射入滤镜与传感器，造成测量误差，同时增加光源照射效率。
导光板通常为光学级聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯板材，运用液晶屏的背光模组技术实现对光线的引导分布。光源产生光后，由导光板引导光源的光通量，从导光板正面(样品方向)射出。其将点光源转化为面光源。通过导光板之后，需附加光扩散板，利用光扩散板在微观上改变了光线行进路线的特性，使由导光板传导的光线漫射。
在光扩散板之后，使用光过滤板对入射光光谱和强度进行调整。使得入射光更符合测量条件。至此，本发明得到了多角度均匀漫射的入射光。
入射光调整部件(导光板、光扩散板、光过滤板)上存在反射光光路通道，该通道由反光板包围，防止入射光路进入透镜及传感器。本发明测量原理中，反射光光路通道通常位于样品端法线方向以实现diffuse/0测量，或偏移8°实现 diffuse/8测量。
从光源发出，到反光板的反射，和入射光调整部分(导光板、光扩散板、光过滤板)，所得到的多角度均匀漫射的入射光在样品表面反射后，通过由反光板隔离出来的反射光光路通道，通过透镜等光路调整到达传感器。
传感器可使用彩色线性传感器，传感器不同位置对应采集颜色如下所示。R (红色)、G(绿色)、B(蓝色)按顺序排列在一行内。这种彩色线性传感器内，红绿蓝三色传感单元的数量是一样的，即R:G:B＝1:1:1，可以提供更加精确的测量。但在普通的面阵彩色传感器中，红绿蓝三色传感单元的数量是不同的，即绿色传感单元的数量是总传感单元数量的一半，蓝色和红色的传感单元的数量相同，各占四分之一，即R:G:B＝1:2:1。这种传感器结构，显然会导致绿色的信噪比高，测量精度高，而红蓝两色的测量精度低，从而导致了整个系统测量精度低的问题。使用彩色线性传感器，比普通面阵传感器数据量小，总传输时间短，使得系统反应更加灵敏。同时单位时间内可载信息量更大，对比通常使用的8bit，线性传感器更易于传输10bit、12bit、14bit等编码，使得测量所得结果的量化分级数量跟多，色彩准确度高。
传感器每一个单位像素都可以得到其所截得的光通量的强度。可以得到在任意时间点t，传感器测量的颜色为：
其中，M_σ为每个像素的颜色采样矩阵，如R(红色)对应 G(绿色)对应B(蓝色)对应
在测量时，光源于t0时刻起稳定，取一定时间长度ΔT平均结果，可得测量结果：
在漫射光源中心(diffuse/0)或近中心(diffuse/8)开孔安装传感器，从而形成光源和传感器一体化的装置，是本发明的一大特色。光源传感一体化装置由光源、导光板、扩散板、滤色板等漫射光源部件，以及镜头、传感器等感光传感器所组成，集成度高，测量精度高，使用方便，体积小，使得新型色差仪即能测量一般的大面积表明，也可以测量凹凸形状的小面积表面。
本发明使用漫射光在样品表面入射，降低了材料镜面反射对测量结果的影响，可以使可测样品范围推广至高光泽度材料。同时，使用此种原理进行色彩测量，测量腔体外部的形状、大小等要求远远低于积分球测量。反光板、光源、入射光调整部件、与测量腔体可以依据测量需求进行改变。去除了积分球对样品表面需平坦且面积较大的要求。使用彩色线性CCD、CMOS传感器并形成一体化设备，更进一步化简了测量系统。这样为形成普适可测样品范围包含高光泽度材料、内陷样品表面的准确性好，成本经济的一体化光源与传感器表面色差测量系统提供了原理和设备支持。
2、控制系统详细描述如下：
下达测量命令后，位于色彩测量模块的传感器将测量数据，传输到移动设备。移动设备将传感器数据解码，同时通过校准参数修正后，得其在不同的颜色系统该样品的表面颜色，如:RGB、xyz、CMYK等。对某样品数次测量后，与数据库内标准样品进行对比，得到该样品表面与标注样品表面色彩偏差值。偏差将传入报警系统与数据库存储。
本发明控制系统使用移动端通用应用软件设计，降低测量使用门槛，同时具有校准和调试后台功能，适合专业人员使用。数据连接数据库，具有统计分析功能，可依据不同样品、不同批次建立样品标准，能得到历史色差数据统计，适合工厂质检部门对大批量样品检测使用。
本发明通过提出新测量原理，避免了对高光泽表面进行测量时，由于镜面反射所带来的测量系统失效问题。同时避免了使用积分球实现diffuse/0、diffuse/8 等测量原理，造成了只能测量平坦且具有较大面积的样品的缺点，提升了本发明测量系统的样品可测范围。本发明通过在漫射光源中心或近中心开孔安装传感器，从而形成光源和传感器一体化的装置；其光源传感一体化装置由光源、导光板、扩散板、滤色板等漫射光源部件，以及镜头、传感器等感光传感器所组成，集成度高，测量精度高，使用方便，体积小，使得新型色差仪即能测量一般的大面积表面，也可以测量凹凸形状的小面积表面。得到了普适的可测样品范围包含高光泽度材料、内陷样品表面的准确性好，成本经济的一体化光源与传感器表面的色差测量系统。
附图说明
以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。
图1为本发明第一实施例的左视图。
图2为本发明第一实施例的正视图。
图3为本发明第一实施例的剖面图。
图4为本发明第二实施例的左视图。
图5为本发明第二实施例的正视图。
图6为本发明第二实施例的剖面图。
图7位色彩测量模块的立体图。
图8为本发明第三实施例的顶视图。
图9为本发明第三实施例的侧视图。
图10为本发明第三实施例的剖面图。
图11为本发明控制系统的流程图。
图中，1为样品端，1-1位圆环平板，2为光过滤板，3为光扩散板，4为光源，5为导光板，6为反光板，7为透镜及传感器，8为芯片，9为反射光路通道。
具体实施方式
实施例1
对于色彩测量模块，使用本发明原理进行色彩测量，测量腔体外部的形状、大小等要求远远低于积分球测量。反光板、光源、入射光调整部件与测量腔体可以依据测量需求进行改变。
如附图1、图2、图3所示，一种色彩测量模块，包括透镜及传感器7、反光板6、光源4、入射光调整部件和芯片8，所述入射光调整部件从内到外依次设置导光板5、光扩散板3和光过滤板2。所述反光板6置于所述光源4与透镜及传感器7之间；所述反光板6组成反射光路通道9，所述透镜及传感器位于反射光路通道上。反射光路通道与样品法线方向相同。
如图1、2、7所示，色彩测量模块的测量腔体呈鞍状，正面宽度不变，侧面宽度由传感器端至样品端宽度逐渐降低，宽度减少量和高度符合二次曲线。顶面宽度可不受传感器和透镜尺寸所限，可以测量内陷样品表面颜色。如轮毂等。色彩测量腔体内壁由低光反射比的材料组成，防止由于材料内壁反射造成的测量误差。
用以接触样品的样品端，形状可以依据样品表面形状制定。本实施例样品端呈圆弧形表面，表面上有矩形孔用于测量样品。此变化用于测量内陷圆柱形样品材料表面颜色。
该矩形孔法线方向为由反光板分割入射光调整部件所得到的反射光路通道，并通向透镜和传感器。
反光板在实际中的尺寸与形状并不限制于原理部分尺寸与形状所述，本实施例使用反光板组合分割得到防止光源及入射光调整部件的空间，此设计可以阻止入射光进入透镜和传感器。
本实施例中，光源位于导光板侧部，使用侧入光式导光方式。本实施例中光源选用为符合国际照明协会标准的D65，导光板由激光网点加工所得，得到高光转换率的面光源。随后利用光扩散板导光板传导的光线漫射，通过光过滤板，到达样品表面。
实施例2
如附图4、图5、图6所示为色彩测量模块第二实施例的左视图、正视图、截面图，本实施例与实施例1的区别在于：反射光路通道与样品法线方向呈8 度。此时实施例表面本发明反射光路与样品法线方向不仅能呈0度，也可以有相应变化实现diffuse/8原理。
实施例3
如图8、图9、图10所示，为色彩测量模块第三实施例的顶视图，侧视图和截面图。
色彩测量模块包括透镜及传感器7、反光板6、光源4、入射光调整部件和芯片8，所述入射光调整部件从内到外依次设置导光板5、光扩散板3和光过滤板2。所述反光板6置于所述光源4与透镜及传感器7之间；反光板6位于中部，呈圆环状，中间圆孔作为反射光光路通道9，所述透镜及传感器7位于反射光路通道9上，使得反射光可以进入透镜和传感器7。色彩测量模块总体呈圆锥形，样品端外部有固定圆环平板1-1，使得仪器与样品表面接触良好。所述光源 4为一系列光源，排列呈环状。导光板6和样品端之间有光过滤板2和光扩散板3，形状同倒圆台侧表面。从反光板6向下，分别为透镜及传感器7和芯片8。
此实施例示例，色彩测量模块由于集成一体，方便替换原有45/0测量原理类仪器，提高原有仪器测量样品和可测范围。
实施例4
如附图11所示为本实施例的控制系统的流程图，该控制系统可为手持 android移动设备，通过有线端口与色彩采集系统通讯。启动后会不断检查是否连接，若连接则进入测量准备状态。当测量被触发时，控制系统向采集系统下达采集命令。采集系统返回数据，并进入数据缓存队列。通过从数据库中读取校准参数并通过数据格式转换，得到得该样品在不同的颜色系统该样品的表面颜色，如：RGB、xyz、CMYK等。得到数据后会将其送入警报控制系统，通过对比标准样品数据，及时对样品色差超过警报值的情况进行警报。
将多次测量或仅一次测量的测量结果与标准样品对比分析，显示结果至图形化界面，同时上传至数据库。测量命令下达前，选入不同的校准选项，在样品分析后，上传数据库控制系统内，可以及时更新校准参数。
在数据分析端，可以分样品，时间段等特征筛选数据，并进行统计分析。与传统pc控制端或仪器存储得到的分析不同，数据分析端仅连接数据库。由于分析部分与控制部分分离，可以对上传至数据库的海量测量结果进行分析，不必要提升控制系统的设备运算速度。本实施例可依据不同样品、不同批次建立样品标准，能得到历史色差数据统计等数据。
本实施例色彩采集模块，通过提出新测量原理，使其高光泽表面进行测量准确度提高，改变了测量端外形，突破了积分球测量方法所带来的尺寸限制。实施例在漫射光源中心或近中心开孔安装传感器，从而形成集成度高，测量精度高，使用方便，体积小、更普适的新型色差仪。
本实施例控制系统，基于android移动端设计，不仅使用门槛很低，对应与 pc控制端的解决方案更经济。同时具有校准和调试后台功能，适合专业人员使用。采集和数据分析分离，同时完善的数据分析功能，是工厂质检部门对大批量样品检测的经济解决方案。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，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 (15)
1.一种色彩测量模块，其特征在于，包括透镜及传感器、反光板、光源、入射光调整部件，所述反光板置于所述光源与透镜及传感器之间；所述反光板组成反射光路通道，所述透镜及传感器位于反射光路通道上。
2.根据权利要求1所述的色彩测量模块，其特征在于，所述入射光调整部件从内到外依次设置导光板、光扩散板和光过滤板。
3.根据权利要求2所述的色彩测量模块，其特征在于，反射光路通道与样品法线方向相同或反射光路通道与样品法线方向呈8度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的色彩测量模块，其特征在于，还包括芯片和测量腔体，所述测量腔体用于放置待测样品。
5.根据权利要求4所述的色彩测量模块，其特征在于，所述测量腔体呈鞍状结构。
6.根据权利要求5所述的色彩测量模块，其特征在于，所述测量腔体内壁由低光反射比的材料组成，防止由于材料内壁反射造成的测量误差。
7.根据权利要求1-3任一项所述的色彩测量模块，其特征在于，所述反光板呈圆环状，中间圆孔作为反射光光路通道使得反射光可以进入透镜及传感器；所述色彩测量模块总体呈圆锥形。
8.根据权利要求7所述的色彩测量模块，其特征在于，在样品端外部设有固定圆环平板。
9.根据权利要求1-3任一项所述的色彩测量模块，其特征在于，所述传感器为线性传感器，其中红绿蓝三色传感单元的数量相同，即R:G:B＝1:1:1。
10.根据权利要求1-3任一项所述的色彩测量模块，其特征在于，所述导光板为光学级聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯板材；所述传感器为彩色线性CCD或CMOS传感器；所述的色彩测量模块为一体化设备。
11.一种色彩测量系统，其特征在于，包括采集系统、控制系统、数据库和报警系统；
当测量被触发时，控制系统向采集系统下达采集命令；
采集系统返回数据，并进入数据缓存队列；
通过从数据库中读取校准参数并通过数据格式转换，得到样品表面颜色数据；
将样品表面颜色数据送入警报系统，将样品表面颜色数据与标准样品数据进行比对，如色差超过预设的警报值，则报警系统进行报警。
12.根据权利要求11所述的色彩测量系统，其特征在于，所述采集系统采用权利要求1-10任一项所述的色彩测量模块进行采集数据。
13.根据权利要求11所述的色彩测量系统，其特征在于，所述控制系统为移动手持设备。
14.根据权利要求11所述的色彩测量系统，其特征在于，将多次测量或仅一次测量的测量结果与标准样品对比分析，显示结果至图形化界面，同时上传至数据库；在测量命令下达前，选入不同的校准选项，在样品分析后，上传数据库控制系统内，及时更新校准参数。
15.根据权利要求11所述的色彩测量系统，其特征在于，还包括数据分析系统，所述数据分析系统仅与数据库连接，根据特征筛选数据，并进行统计分析。
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2018
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