CN111504462B - 一种可优化重复性的双光束测光装置及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可优化重复性的双光束测光装置，包括积分球、电控光调制器、测试光路以及参考光路；积分球包括光源、被测窗口、测试出射窗口、参考出射窗口；所述测试出射窗口与被测窗口分别位于所述积分球上下方的球面上；所述参考出射窗口与参考光路组成的光路光轴落在所述积分球内壁上；所述电控光调制器可以通过电控方式实现透明、雾化两种状态的切换；还提供基于上述可优化重复性的双光束测光装置重复性优化方法。本发明提供的可优化重复性的双光束测光装置仅采用一个积分球的结构实现有效校准两个传感器的不一致变化的功能，其结构简单、装配方便、易于微型化。

Description

一种可优化重复性的双光束测光装置及优化方法

技术领域

本发明涉及反射光谱的测量领域，特别涉及一种可优化重复性的双光束测光装置及优化方法。

背景技术

通过探测物体表面的反射光谱进而计算物体颜色参数的测色装置，通常采用双光束的光度方法进行测量，双光束测色装置有两条光路，一条测试样品的光路（以下简称“测试光路”），一条测试参考光的光路（以下简称“参考光路”），照明光源点亮后，两束光分别进入测试光路、参考光路，分别对测试光路、参考光路同时进行测量，对测量结果进行比较，计算出测试样品的反射光谱。在稳定的测试环境中，双光束测色设备有重复精度高、示值误差低的优点。具体的，参照图1，现有技术中的双光束测光装置包括积分球200、光源2001、被测窗口2002、被测物出射光窗口202、球壁出射窗口203、光谱仪204和205；其工作原理是在光源1001同一次发光时，同时采集所述被测窗口2002反射光线的色度值和所述积分球球壁反射光线的能量值。

然而，双光束测色设备开机校准后环境温度发生较大变化时，设备中两个传感器受温度、震动、电子干扰影响两个传感器以致性能发生不一致的变化，导致重复精度变差。

专利号为ZL 201510606503.8号，专利名称为“一种带重复性优化装置的双光路分光测色仪和优化方法”的发明专利（以下简称“038号专利”）公开了一种带重复性优化装置的双光路分光测色仪和优化方法，其双光路分光测色仪设置有第一积分球、第二积分球，第一积分球内设置有氙灯和挡板，第二积分球内设置有卤素灯挡板，第二积分球用于对主辅通道的传感器进行校准。

但将038号专利与附图1所示双光束测色装置进行对比，我们发现038号引入第二积分球装置对两个传感器的不一致变化进行校准，导致038号专利整个测色仪存在结构复杂、装配繁琐、不利于微型化等缺陷。

因此，现有技术有待于改进。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可优化重复性的双光束测光装置，具体方案如下：

包括积分球、电控光调制器、测试光路以及参考光路；所述测试光路包括测试耦合光路、测试传感器；所述参考光路包括参考耦合光路、参考传感器；

所述积分球包括光源、被测窗口、测试出射窗口、参考出射窗口；所述测试出射窗口与被测窗口分别位于所述积分球上下方的球面上，具体的，所述被测窗口与测试出射窗口位于积分球的同一个过球心的截面圆上；所述参考出射窗口与参考光路组成的光路的光由所述积分球内壁反射发出；

所述电控光调制器可以通过电控方式实现透明、雾化两种状态的切换。

优选地，当所述电控光调制器在透明状态时，所述电控光调制器透过的光谱范围为400nm~700nm。

优选地，所述积分球上还设有光吸收阱，所述测试出射窗口位于所述被测窗口法线的一侧，所述光吸收阱位于所述被测窗口法线的另一侧，所述测试出射窗口与被测窗口法线构成的光线出射角大小等于所述吸收阱与所述被测窗口法线构成的光线入射角大小。

优选地，所述电控光调制器在雾化状态时，所述电控光调制器出射面的散射光呈现朗伯散射或接近朗伯散射。

优选地，所述积分球内还设有挡板，用于防止光源发射的光直接照射到被测物上。

本发明还提供一种重复性优化方法，基于上述可优化重复性的双光束测光装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1：于所述可优化重复性的双光束测光装置开机时进行白、黑光谱发射率校准；具体的，在做白校准时，在电控光调制器呈透明状态下，记录下测试光路、参考光路的测量值Uw1(λ)和Uw2(λ)；在做黑校准时，在电控光调制器呈透明状态下，记录下测试光路、参考光路的测量值Ub1((λ)和Ub2(λ)；在做黑校准时，在电控光调制器呈雾化状态下，记录测试光路、参考光路的测量值U01(λ)和U02(λ)，计算比例系数k0(λ)，其计算公式为：k0(λ)=U01(λ)/U02(λ)；

S2：实际测量时，在电控光调制器呈透明状态下，记录测试光路、参考光路的测量值Ut1(λ)和Ut2(λ)；在电控光调制器呈透明状态下，记录测试光路、参考光路的测量值Un1(λ)和Un2(λ)，并计算比例系数kn(λ)，计算公式为：kn(λ)=Un1(λ)/Un2(λ)；当测试光路、参考光路传感器受温度、震动、电子干扰性能发生改变且改变不一致，即k0(λ)≠kn(λ)，对传感器测量数据进行修正，修正公式：U1(λ)=Ut1(λ)*(k0(λ)/kn(λ))及U2(λ)=Ut2(λ)；

S3：结合工作标准白板反射率Rs(λ)，计算获得最终发射光谱数据R，其计算公式为：R=f(Rs(λ), Uw1(λ) , Uw2(λ) ,Ub1(λ), Ub2(λ), U1(λ), U2(λ))。

本发明提供的可优化重复性的双光束测光装置及优化方法具有以下优点：

1、本发明提供的可优化重复性的双光束测光装置仅采用一个积分球的结构实现有效校准两个传感器的不一致变化的功能，其结构简单、装配方便、易于微型化；同时通过电控光调制器的应用，设置于积分球外部，对积分球的结构无影响；

2、电控光调制器由电控实现透明和雾化状态，不需要额外机械结构，更加简单、可靠；

3、优选方案中，光吸收阱的设置，进一步保证了测试效果；

4、优选方案中，积分球内还设有挡板，用于防止光源发射的光直接照射到被测物上，进一步保证了测试效果；

5、本发明提供的重复性优化方法能够解决现有技术中双光束测光装置开机校准后因环境温度发生较大变化实现的重复精度降低问题，且操作简单方便。

附图说明

图1为现有技术中的双光束测光装置的结构原理示意图；

图2为本发明具体实施例提供的可优化重复性的双光束测光装置在电控光调制器呈透明状态下的工作原理示意图；

图3为本发明具体实施例提供的可优化重复性的双光束测光装置在电控光调制器呈透明状态下的立体结构示意图；

图4为本发明具体实施例提供的可优化重复性的双光束测光装置在电控光调制器呈雾化状态下的工作原理示意图；

图5为本发明具体实施例提供的可优化重复性的双光束测光装置在电控光调制器呈透明状态下的立体结构示意图；

图6为光吸收阱位置示意图；

图7为电控光调制器透明状态工作原理示意图；

图8为电控光调制器雾化状态工作原理示意图；

图9为本发明具体实施例提供的重复性优化方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

参照图2至图5，本实施例提供一种可优化重复性的双光束测光装置，包括积分球100、电控光调制器101、测试光路102以及参考光路103；所述测试光路102包括测试耦合光路1021、测试传感器1022；所述参考光路103包括参考耦合光路1031、参考传感器1032。

所述积分球100包括光源1001、被测窗口1003、测试出射窗口1004、参考出射窗口1006；所述测试出射窗口1004与被测窗口1003分别位于所述积分球100上下方的球面上，具体的，所述被测窗口1003与测试出射窗口1004位于积分球100的同一个过球心的截面圆上；所述参考出射窗口1006与参考光路103组成的光路的光由所述积分球100内壁反射发出。

所所述电控光调制器101可以通过电控方式实现透明、雾化两种状态的切换。具体的，所述电控光调制器101为聚合物型分散型液晶膜（Polymer Dispersed Liquid CrystalFilm），又称为PDLC，其结构如图7和图8所示，是以氧化铟锡（ITO）2a导电膜为载体、外部覆盖有耐高温聚酯薄膜（PET）1a的功能性薄膜，是液晶微滴4a均匀的分散在聚合物3a单体中的复合材料，而这种材料在电场的开关作用下可以显示出透明与散射两种状态。当对所述电控光调制器103施加电场时，由于由液晶分子构成的液晶微滴4a的光轴处于有序取向，液晶分子与基地折射率匹配，光透射而过，所述电控光调制器103呈现透明状态；去除电场时，由于由液晶分子构成的液晶微滴4a的光轴处于自由取向，其折射率与基体的折射率不匹配，当光通过基体时被微滴强烈散射而呈不透明的乳白状态或半透明状态。如图7所示，施加电场可调节液晶微滴4a的光轴取向，当两者折射率相匹配时，呈现透明态。当对所述电控光调制器101去除电场时，如图8所示，液晶微滴4a又恢复最初的散光状态。从而实现透明、雾化状态的电控切换。

当所述电控光调制器101呈透明状态时，如图2和图3所示，光源1001第一次点亮时，被测窗口1003处被测物的反射光通过测试耦合光路1021汇聚到测试传感器1022的入射口，实现测试光路102的探测，积分球100内壁经过参考出射窗口1006，被参考耦合光路1031汇聚到参考传感器1031入射口，实现参考光路的探测；光源1001第一次点亮，通过测试光路102、参考光路103的同时测量，并对测试传感器1022、参考传感器1032可以分析得到被测物体的光谱值；

当所述电控光调制器101呈雾化状态时，如图4和图5所示，光源1001第二次点亮时，所述电控光调制器101在积分球100外部、位于被测窗口1003与测试耦合光路1021之间的连线上，而且电控光调制器101雾化状态，阻断被测窗口1003处被测物体的反射光汇聚到测试传感器1022入射口，此时，积分球100内壁上的每一点都有反射光照射在电控光调制器101上，形成一个均匀光斑，所述光斑的光线部分被电控光调制器101散射反射进入积分球100内部，另外一部分光线在被电控光调制器101吸收之后，被电控光调制器101散射、并从电控光调制器101的另一面出射，出射光线在电控光调制器101的出射面上形成均匀的光斑，出射的光束呈现朗伯散射，与积分球100内壁的光散射状态一致，此时，测试耦合光路1021将电控光调制器101散射面的光线汇聚到测试传感器1022的入射口、并被测试传感器1022接收探测,积分球100内壁经过参考出射窗口1006，被参考耦合光路1031汇聚到参考传感器1031入射口，实现参考光路103的探测；光源1001第二次点亮，测试光路102和参考光路103同时分别测量积分球100的内壁数据、电控光调制器101出射面的数据，测试传感器1022、参考传感器1032的性能不发生变化的情况下下，测试传感器1022、参考传感器1032测量的数据的比例保持不变。

应用时，通过电控光调制器101两种状态的依次切换，光源1001在短时间内连续两次发光完成一次完整测量。

所述积分球100上还设有光吸收阱1005，所述测试出射窗口1004位于所述被测窗口1003法线的一侧，所述光吸收阱1005位于所述被测窗口1003法线的另一侧，其中，所述测试出射窗口1004与被测窗口1003法线构成的光线出射角大小等于所述吸收阱1005与所述被测窗口1003法线构成的光线入射角大小，通过光吸收阱1005对光线的吸收，避免光吸收阱1005处的光线对所述被测窗口1003产生镜面反射，避免该镜面反射的光线进入测试光路，实现了对镜面反射成分的消除。具体的，参照图7，所述被测窗口1003的中心位置设为A，被测窗口1003的法线为AD，所述测试出射窗口1004的中心位置设为B，所述光吸收阱1005的位置为C，连线AC与AD的夹角CAD大小等于夹角BAD，且位于同一平面。

所述光源1001设于积分球100内壁上，所述积分球100还包括挡板1002，用于避免光源1001直接照射被测窗口1003的被测物。

所述参考耦合光路1031包括两耦合镜片和一个反射镜，由参考出射窗口1006出来的光先照射在所述反射镜上然后经由两耦合镜片然后到参考传感器1032，反射镜的设置利于参考耦合光路1031的排布设计，更有利于微型化。

参照图9，本实施例还提供一种重复性优化方法，基于上述可优化重复性的双光束测光装置，具体包括以下步骤：

S1：于所述可优化重复性的双光束测光装置开机时进行白、黑光谱发射率校准；在做白校准时，在电控光调制器呈透明状态下，记录下测试光路、参考光路的测量值Uw1(λ)和Uw2(λ)；在做黑校准时，在电控光调制器呈透明状态下，记录下测试光路、参考光路的测量值Ub1((λ)和Ub2(λ)；在做黑校准时，在电控光调制器呈雾化状态下，记录测试光路、参考光路的测量值U01(λ)和U02(λ)，计算比例系数k0(λ)，其计算公式为：k0(λ)=U01(λ)/U02(λ)；

S2：实际测量时，在电控光调制器呈透明状态下，记录测试光路、参考光路的测量值Ut1(λ)和Ut2(λ)；在电控光调制器呈雾化状态下，记录测试光路、参考光路的测量值Un1(λ)和Un2(λ)，并计算比例系数kn(λ)，计算公式为：kn(λ)=Un1(λ)/Un2(λ)；当测试光路、参考光路传感器受温度、震动、电子干扰性能发生改变且改变不一致，即k0(λ)≠kn(λ)，需要对传感器测量数据进行修正，修正方法如下：

U1(λ)=Ut1(λ)*(k0(λ)/kn(λ))

U2(λ)=Ut2(λ)

S3：结合工作标准白板反射率Rs(λ)，计算获得最终发射光谱数据R，其计算公式为：R=f(Rs(λ), Uw1(λ), Uw2(λ), Ub1(λ), Ub2(λ), U1(λ), U2(λ))。

本发明提供的可优化重复性的双光束测光装置及优化方法具有以下优点：

1、本发明提供的可优化重复性的双光束测光装置仅采用一个积分球的结构实现有效校准两个传感器的不一致变化的功能，其结构简单、装配方便、易于微型化；同时通过电控光调制器的应用，设置于积分球外部，对积分球的结构无影响；并且电控光调制器由电控实现透明和雾化状态，不需要额外机械结构，更加简单、可靠。

2、光吸收阱的设置，进一步保证了测试效果；

3、本发明提供的重复性优化方法能够解决现有技术中双光束测光装置开机校准后因环境温度发生较大变化实现的重复精度降低问题，且操作简单方便。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种可优化重复性的双光束测光装置，其特征在于：包括积分球、电控光调制器、测试光路以及参考光路；所述测试光路包括测试耦合光路、测试传感器；所述参考光路包括参考耦合光路、参考传感器；

所述积分球包括光源、被测窗口、测试出射窗口、参考出射窗口；所述测试出射窗口与被测窗口分别位于所述积分球上下方的球面上，具体的，所述被测窗口与测试出射窗口位于积分球的同一个过球心的截面圆上；所述参考出射窗口与参考光路组成的光路的光由所述积分球内壁反射发出；

所述电控光调制器可以通过电控方式实现透明、雾化两种状态的切换；

所述积分球上还设有光吸收阱，所述测试出射窗口位于所述被测窗口法线的一侧，所述光吸收阱位于所述被测窗口法线的另一侧，所述测试出射窗口与被测窗口法线构成的光线出射角大小等于所述吸收阱与所述被测窗口法线构成的光线入射角大小；

所述积分球内还设有挡板，用于防止光源发射的光直接照射到被测物上；

当所述电控光调制器在透明状态时，所述电控光调制器透过的光谱范围为400nm~700nm；

所述电控光调制器在雾化状态时，所述电控光调制器出射面的散射光呈现朗伯散射或接近朗伯散射；

基于上述可优化重复性的双光束测光装置的重复性优化方法，包括以下步骤：

S1：于所述可优化重复性的双光束测光装置开机时进行白、黑光谱发射率校准；具体的，在做白校准时，在电控光调制器呈透明状态下，记录下测试光路、参考光路的测量值Uw1(λ)和Uw2(λ)；在做黑校准时，在电控光调制器呈透明状态下，记录下测试光路、参考光路的测量值Ub1((λ)和Ub2(λ)；在做黑校准时，在电控光调制器呈雾化状态下，记录测试光路、参考光路的测量值U01(λ)和U02(λ)，计算比例系数k0(λ)，其计算公式为：k0(λ)=U01(λ)/U02(λ)；

S2：实际测量时，在电控光调制器呈透明状态下，记录测试光路、参考光路的测量值Ut1(λ)和Ut2(λ)；在电控光调制器呈透明状态下，记录测试光路、参考光路的测量值Un1(λ)和Un2(λ)，并计算比例系数kn(λ)，计算公式为：kn(λ)=Un1(λ)/Un2(λ)；当测试光路、参考光路传感器受温度、震动、电子干扰性能发生改变且改变不一致，即k0(λ)≠kn(λ)，对传感器测量数据进行修正，修正公式：U1(λ)=Ut1(λ)*(k0(λ)/kn(λ))及U2(λ)=Ut2(λ)；

S3：结合工作标准白板反射率Rs(λ)，计算获得最终发射光谱数据R，其计算公式为：R=f(Rs(λ), Uw1(λ) , Uw2(λ) ,Ub1(λ), Ub2(λ), U1(λ), U2(λ))。