CN111707368B - 基于多通道光谱的色差仪及反射率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于多通道光谱的色差仪及反射率测量方法,色差仪包括主机和校准盒,的主机包括积分球、光源、主传感器,积分球顶部一侧设有探测孔,侧面设有通光孔,底部设有测量口,通光孔外侧设置光源,探测孔外侧设置主传感器,校准盒包括外壳和设置在外壳顶部的白板,白板与测量口对应配合,校准盒与主机配合连接,传感器是多通道光谱传感器;方法包括S201、主机内置标准反射率与对应的多通道采样数据,S202、使用主机测量被测样品,得到多通道的目标颜色数据,S203、遍历主机,计算总差值,并记录最小值对应数据,S204、计算为λ通道数据cλ,S205、计算为λ通道数据sλ,S206、计算并输出反射率。
Description
技术领域
本发明涉及光学色差测量技术领域,尤其是涉及了基于多通道光谱的色差仪及反射率测量方法。
背景技术
随着光学测量技术的发展,在色差测量领域通常采用测色仪或色差仪测量色差,但传统的测色仪价格昂贵,而传统的色差仪无法输出光谱,且测色仪和色差仪普遍存在体积较大的问题,不方便携带;传统的仪器校准盒需要人工手动对准,且通常与仪器分开存放,容易丢失。
发明内容
为解决现有技术的不足,实现提高测量准确性,降低成本,提高便携性的目的,本发明采用如下的技术方案:
基于多通道光谱的色差仪,包括主机和校准盒,所述的主机包括积分球、光源、主传感器,所述的积分球顶部一侧设有探测孔,侧面设有通光孔,底部设有测量口,探测孔外侧设置主传感器,用于测量被测样品,通光孔外侧设置光源,保证测量范围内的波长都有光谱能量,所述的校准盒包括外壳和设置在外壳顶部的白板,白板与测量口对应配合,校准盒与主机配合连接,所述的传感器是多通道光谱传感器。
光通过通光孔直射到积分球内壁,通过积分球内壁的高反射材料多次反射,形成整个球体360°均匀发光,通过测量口照射到样品表面,主传感器通过探测口和测量口测量样品表面,获取测量数据。
所述的通光孔下端配合设置有挡光片,防止光源直射到测量口。
所述的探测孔配合设置有光阑片,用于限制主传感器的测量区域,保证只有测量口的反射光能够进入主传感器,而积分球的内壁光无法进入主传感器。
所述的光源一侧设有出光孔,出光孔另一侧设有辅传感器,用于测量光源的波动。
所述的主机自上而下依次由上盖、导光光圈、PCB板、主体配合构成,上盖内侧设有的内螺纹与导光光圈外侧设有的外螺纹通过螺纹连接,导光光圈设有的带内螺纹的螺丝固定孔,通过连接螺丝与主体连接,PCB板上设有指示光源,该结构能使主机外表面360°通体均匀发光,起到状态指示的效果。
所述的外壳顶部设有台阶形凹口,台阶形凹口底部设有白板,白板周围与主机的顶部和底部分别设置相应的磁吸装置,校准盒通过台阶形凹口与所述的主机套接,并通过磁吸装置磁吸固定,校准时,套接在主机底部,通过磁吸固定,不易脱落,同时避免人工校准时主机和校准盒不对应、未扣紧或未压紧的情形,导致校准异常,非校准时,倒扣并磁吸在主机顶部,同样通过磁吸固定,不易脱落,一体式携带、存放更为方便,同时避免校准盒的丢失。
设置在所述的主机底部的磁吸装置是开口铁环,所述的白板周围的磁吸装置是磁铁,开口铁环的开口处设置磁感应传感器,用于输出信号给主机的控制器,进行自动校准。
所述的控制器采用自动磁感应校准,包括如下步骤:
S101,控制器等待磁感应传感器放入中断;
S102,控制器感应到中断放入,当最后校准时间与当前时间的差值大于间隔阈值时继续S103,否则返回S101;
S103,当连续阈值内连续检测到磁铁的存在时继续S104,否则返回S101;
S104,多次校准测量,用于判断是否移动或拨动,当校准过程未发生磁铁移动时继续S105,否则返回S101;
S105,当每次校准测量之间的信号波动小于波动阈值时继续S106,否则返回S101;
S106,将多次校准测量的平均值与之前最后校准的信号比较,当信号波动小于波动阈值时校准成功,保存多次校准测量的平均值及本轮最后一次校准测量时间,并返回S101,否则直接返回S101。
避免用户靠近磁铁或在磁铁感应校准过程中将校准盒拿开导致的校准数据异常的情形。
所述的外壳自上而下配合设置有白板、弹性装置、按键,按键顶部设有的触手与外壳顶部开设的校准盒孔、主机顶部的测量按键对应配合,按键底部边缘设有的凸出部与外壳底部的按键压板配合设置,防止按键向上弹出外壳,非校准时,倒扣在主机顶端,按键通过触手可以代替所述的测量按键,按键压板同时能对磁吸装置进行固定,防止磁吸装置在竖直方向上的位移。
基于多通道光谱的反射率测量方法,包括如下步骤:
S201,主机内置标准反射率与对应的多通道采样数据:
使用主机测量n个标准颜色,得到每个标准颜色的i个通道数据Sn,i,使用标准机器测量n个标准颜色,得到每个颜色的λ个反射率数据Tn,λ,并内置于主机;
S202,使用主机测量被测样品,得到多通道的目标颜色数据Ci;
S203,遍历主机,找到与目标颜色数据最接近的标准颜色的通道数据Sn,i,计算目标颜色与标准颜色在每个通道下的差值:
dn,i=Sn,i-Ci
计算总差值:
根据总差值Dn的最小值得到位置m(m∈n),并记录最小值对应的Sm,i和Tm,λ;
S204,将i通道目标颜色数据Ci计算为λ通道数据cλ,Ci为第i个通道数据,wi为第i个通道对应的波长,使用Ci和Wi计算及cλ:
bi=Ci+1-ki*Wi+1
cλ=ki*λ+bi
S205,将i通道接近色Sm,i计算为λ通道数据sλ:
b′i=Sm,i+1-k′i*Wi+1
sλ=k′i*λ+b′i
S206,计算并输出反射率:
本发明的优势和有益效果在于:
通过反射率测量方法提高了色差仪测量的准确性,同时降低了成本,实现主机和校准盒一体式结构,使校准盒在校准时可放置于主机底部,非校准时可放置于校准盒顶部,且通过校准盒按钮可以替代测试按钮直接按压进行测试,方便携带、存放的同时,又避免了校准盒的丢失,磁吸式的连接方式不易脱落,且结合自动磁感应校准方法还提供了校准盒的磁感应自动校准功能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明中部分主机剖面图。
图3a是本发明中主机顶部剖面图。
图3b是本发明中转动角度后的主机顶部剖面图。
图4a是本发明中导光光圈侧视图。
图4b是本发明中导光光圈俯视图。
图5是本发明中校准盒剖面图。
图6是本发明中转动角度后的校准盒剖面图。
图7是本发明中按键结构示意图。
图8a是本发明中校准盒底部示意图。
图8b是本发明中校准盒顶部示意图。
图9是本发明中校准状态剖面图。
图10是本发明中非校准状态剖面图。
图11是本发明中磁感应校准方法流程图。
图12是本发明中8通道传感器归一化光谱相应曲线图。
图13a是本发明中BCRA12块色砖标准反射率数据(400-700nm)曲线图。
图13b是本发明中BCRA12块色砖测量8通道数据曲线图。
图13c是本发明中BCRA12块色砖计算后反射率数据(400-700nm)曲线图。
图14a是本发明中标准白色与计算后白色反射率比较图。
图14b是本发明中标准灰色与计算后灰色反射率比较图。
图14c是本发明中标准灰色与计算后灰色反射率比较图。
图14d是本发明中标准黑色与计算后黑色反射率比较图。
图14e是本发明中标准紫红色与计算后紫红色反射率比较图。
图14f是本发明中标准红色与计算后红色反射率比较图。
图14g是本发明中标准橙色与计算后橙色反射率比较图。
图14h是本发明中标准黄色与计算后黄色反射率比较图。
图14i是本发明中标准绿色与计算后绿色反射率比较图。
图14j是本发明中标准绿色与计算后绿色反射率比较图。
图14k是本发明中标准蓝色与计算后蓝色反射率比较图。
图14l是本发明中标准蓝色与计算后蓝色反射率比较图。
图中:1、主机,101、上盖,102、内螺纹,103、导光光圈,104、PCB板,105、主体,106、连接螺丝,107、LED灯,108、外螺纹,109、螺丝固定孔,2、校准盒,201、白板,202、台阶形凹口,203、外壳,204、弹簧,205、按键,206、凸出部,207、按键压板,208、磁铁,209、触手,210、校准盒孔,3、辅传感器,4、积分球,401、通光孔,402、测量口,403、探测孔,5、出光孔,6、光源,7、挡光片,8、开口铁环,9、光阑片,10、主传感器,11、磁感应传感器,12、测量按键,13、铁环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
如图1、2所示,基于多通道光谱的色差仪,包括主机1和校准盒2,所述的主机1采用D/8积分球4(光源漫反射照明/传感器8°角接收信号)包含镜面反射光测量结构。
积分球4直径为20mm,分为上半球和下半球两个部分。在积分球4下半球底部开一个直径为8mm的圆形孔作测量口402。积分球4的侧面开一个通光孔401,放置一个可见光(400-700nm)全光谱LED光源6,保证测量范围内的波长都有光谱能量,LED光源6至积分球4的下半球之间有一个光源挡光片7,防止光源6直射到测量口402。积分球4内壁喷涂高反射涂料,该涂料在测量波长范围内反射率大于等于98%,当光源6点亮后,光直射到积分球4内壁,通过积分球4内壁的高反射材料多次反射,形成整个球体360°均匀发光并照射到测量样品表面。
在积分球4上半球与测量口402垂直法线偏移的8°角,开有一个探测孔。同时在上半球的外表面,探测孔403的上部,放置一个厚度为0.1mm,开孔直径为1.5mm的光阑片9。光阑片9的上面,放置一个主传感器10用于测量被测样品。其中传感器入光孔、光阑、测量口402三者的中心同轴,且其同轴线与测量口402的垂直法线成8°角。在积分球4上半球外侧设置光阑,其作用在于限制传感器的测量区域,保证只有测量口402的反射光能够进入传感器。积分球4的内壁光无法进入传感器。
积分上半球光源6处,设置一个出光孔5,出光孔5的上端放置一个辅传感器3,用于测量光源6的波动。
传统的色差仪、测色仪校准,需要人工将主机1和校准盒2扣紧或压紧,会出现主机1和校准盒2没有贴紧导致校准异常问题,从而使测量数据出现偏差,并且需手动按键才能进行校准。
如图5-9所示,所述的校准盒2能够牢固的吸附在主机1的测量口402上,主机1自动感应校准盒2并自动执行校准功能。同时在非校准状态时,可以将校准盒2放置于主机1顶端替代主机1顶端原有测量按键12,方便校准盒2的携带、存放,避免校准盒2的丢失。
所述的校准盒2包括外壳203、白板201、弹簧204、按键205、磁铁208、按键压板207。外壳203顶部内侧开设台阶形凹口202,与主机1的底部套接;白板201设置在校准盒2上部,白板201的一侧与台阶形凹口202齐平;以白板201为中心呈360°在校准盒2内均匀放置6颗磁铁208;白板201底部放置一个弹簧204,弹簧204底部放置一个按键205,按键205边沿设有凸出部206,与按键压板207配合设置,按键压板207通过螺丝固定在外壳203内部,用于顶住按键205,防止按键205向下弹出,同时按键压板207通过按压对磁铁208进行固定,防止磁铁208在竖直方向上的位移。
白板201使用白色的陶瓷(氧化锆或氧化铝)材料,对其表面进行镜面抛光(或进行过釉),保证其表面颜色均匀、耐脏、耐刮,在长期的使用过程能够保证其颜色的稳定性。
按键205带有两个触手209,同时校准盒2顶部开设两个校准盒孔210,校准盒孔210的大小略大于按键205的触手209,安装时按键205压住上方弹簧204并将其触手209与校准盒孔210对准,安装后,按键205受到弹簧204向下的力会紧贴按键压板207,此时触手209与装配有白板201的校准盒2的上表面齐平,当用户对按键205进行按压的时候,触手209会穿过校准盒孔210,触手209顶部会突出装配有白板201的校准盒2的上表面。
在主机1底部,围绕积分球4呈270°安装有一开口铁环8,开口铁环8与校准盒2的磁铁208对应配合,当校准盒2与主机1底部接近的时候,校准盒2通过磁吸自动套接主机1底部。同时在积分球4外侧,开口铁环8的开口处安装了一个磁感应传感器11(霍尔传感器、干簧管等),当校准盒2与主机1吸附时,磁感应传感器11会输出信号给主机1的控制器,进行自动校准。
校准盒2的内径略大于主机1外径(0.2mm),当校准盒2与主机1吸附后,由于白板201尺寸(10mm)大于测量口402(8mm)。此时白板201是全部覆盖住测量口402。
如图11所示,由于使用的是磁铁感应校准,当用户靠近磁铁208或者在校准过程中间用户将校准盒2拿开会导致校准数据出现异常,针对这些情况,采用了一套感应校准的方法,包括如下步骤:
(1)控制器等待磁感应传感器11放入中断;
(2)控制器感应到磁铁208放入,判断最后校准时间与当前时间的差值是否大于间隔阈值(如1分钟),若大于则继续(3),否则返回(1);
(3)连续阈值(如200ms)内,连续检测磁铁208是否放入,若检测到则继续(4),否则返回(1);
(4)多次校准测量(≥2次),用于判断是否移动或拨动,判断校准过程是否发生磁铁208移动,若未发生则继续(5),否则返回(1);
(5)判断每次校准测量的信号变化波动,若每次校准测量之间的信号波动小于波动阈值(如<1%)则继续(6),否则返回(1);
(6)将多次校准测量的平均值与之前最后校准的信号比较,信号波动小于波动阈值(如<1%)则校准成功,保存多次校准测量的平均值及本轮最后一次校准测量时间,并返回(1),否则直接返回(1)。
校准盒2还可以放置在主机1顶部,代替主机1的测量按键12使用,并且能够有效保护白板201、防止校准盒2丢失。在主机1顶部的内测放置一圈铁环13(360°),与校准盒2的磁铁208对应配合,主机1顶部设有测量按键12(其直径大于校准盒2的按键205),同时在测量按键12下方设置一圈弹性泡棉(或弹簧),使测量按键12受向上的弹力,测量按键12边缘设有测量按键12凸出部206,与主机1顶部内表面配合设置,防止测量按键12向上弹出,测量按键12上表面与外壳203表面齐平。如图10所示,当校准盒2倒扣向主机1顶部时,校准盒2通过磁吸牢固的套接在主机1顶部,按下校准盒2的按键205,触手209突出并按压测量按键12,起到代替测量按键12进行开关测量的作用。
如图3、4所示,在主机1靠近顶部附近,有一圈(360°)的导光光圈103。其实现原理如下:
导光光圈103使用半透明导光材料,其上部分带有外螺纹108用来固定上盖101(上盖101内测有内螺纹102)和导光光圈103。导光光圈103下部分内测有两个螺丝固定孔109,通过连接螺丝106将导光光圈103固定在主体105上面。导光光圈103和主体105之间,有一个PCB板104,PCB板104的表面每90°有一颗贴片三色(R、G、B)LED灯107,LED灯107朝上发光。当4颗LED灯107同时亮灯时,光照射到导光光圈103内测表面,由于导光光圈103使用半透明导光材料,光会随着半透明导光光圈103的形状往外侧扩散,从主机1外表面就能看到一个360°通体发光的效果。该结构能够达到360°通体均匀发光的同时,能够保证主机1的完整行,不会因为360°通体发光导致结构无法固定,用于指示不同工作状态,不同状态下会亮不同的灯,如测量状态时LED灯为蓝色,校准状态时LED灯为绿色,充电状态时LED灯为绿色。
传统的色差仪测量XYZ三刺激值,使用X、Y、Z三个滤光片+光电池作为探测器。用来模拟XYZ三刺激值得光谱响应,滤光片一般采用镀膜或有色玻璃粘合误差会比较大。而且滤光片+光电池的方式只能模拟一种标准光源(比如D65、A等光源)和角度(CIE1931 2°视场角或CIE1964 10°视场角)的响应曲线,无法做到各种光源和角度的切换。
分光测色仪采用光栅进行分光,能够准确的测量样品在测量范围内每间隔10nm波长下的光谱反射率,使用反射率可以计算出各种光源/角度下的XYZ三刺激值数据,但是使用光栅分光的分光测色仪其成本高。
针对传统色差仪测量不准确,分光测色仪价格昂贵的情况,使用了一种低成本可见光(400-700nm)8通道传感器,基于多通道光谱的反射率测量方法,能够测量400-700nm每间隔10nm的光谱反射率。
如图12所示,在可见光范围(400-700nm)内选用8通道光谱传感器(>8通道更优),8个通道的响应曲线能够比较均匀的覆盖400-700nm。8个通道峰值波长分别为415nm、445nm、480nm、515nm、555nm、590nm、630nm、680nm(其他相类似波长也一样),其半波宽度在25-50nm之间。
基于多通道光谱的反射率测量方法,包括如下步骤:
(1)主机1内置标准反射率与对应的8通道采样数据:
准备1000(颜色越多越优)个标准颜色(从红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白、灰、黑均匀分布);使用主机1测量1000个标准颜色,得到每个标准颜色8通道数据:
Sn,i
n:1到1000,i:1到8(对应波长分别为415nm、445nm、480nm、515nm、555nm、590nm、630nm、680nm),使用标准机器测量1000个标准颜色,得到每个颜色的31个反射率数据(400-700nm间隔10nm):
Tn,λ
n:1到1000,λ:400nm、410nm……690nm、700nm。
(2)使用主机1测量被测样品,得到8通道目标色数据:
Ci
i:1到8(415nm、445nm、480nm、515nm、555nm、590nm、630nm、680nm)。
(3)遍历内置在主机1里面的1000个标准颜色,从1000个标准颜色里找到与目标颜色最接近的标准颜色,计算目标色与标准色在8个通道每个通道下的差值:
dn,i=Sn,i-Ci
计算目标色与标准色的总差值:
对总差值Dn进行排序得到最小值位置m,并记录最小值对应的Sm,i和Tm,λ。
(4)将8通道目标色Ci计算为31通道数据cλ,Ci为8通道数据,Wi为通道对应的波长分别为415、445、480、515、555、590、630、690,使用Ci和Wi计算出ki、bi及cλ(i=1到7,当i=8时,取i=7):
bi=Ci+1-ki*Wi+1
cλ=ki*λ+bi
i为λ与Wi最接近的时候的i。
(5)同样,将8通道接近色Sm,i计算为31通道数据sλ(i=1到7,当i=8时,取i=7):
b′i=Sm,i+1-k′i*Wi+1
sλ=k′i*λ+b′i
i为λ与Wi最接近的时候的i。
(6)计算反射率:
反射率验证结果:
BCRA12块色砖标准反射率数据(400-700nm)、8通道数据、计算后反射率数据(400-700nm)如图13所示,标准反射率数据与计算后反射率数据比较如图14所示。
通过验证,该方案能够输出光谱反射率,使用光谱反射率计算D65/10°下的Yxy值,对比标准Yxy数据,示值误差能够满足《JJG595测色色差计检定规程》二级合格要求。BCRA12块色砖数据如下:
JG595测色色差计检定规程示值误差要求:
BCRA12块色砖使用CIE1976色差公式比较色差,数据如下:
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.基于多通道光谱的色差仪,其特征在于包括主机(1)和校准盒(2),所述的主机(1)包括积分球(4)、光源(6)、主传感器(10),所述的积分球(4)顶部一侧设有探测孔(403),侧面设有通光孔(401),底部设有测量口(402),探测孔(403)外侧设置主传感器(10),通光孔(401)外侧设置光源(6),所述的校准盒(2)包括外壳(203)和设置在外壳(203)顶部的白板(201),白板(201)与测量口(402)对应配合,校准盒(2)与主机(1)配合连接,所述的传感器是多通道光谱传感器;
所述的外壳(203)顶部设有台阶形凹口(202),台阶形凹口(202)底部设有白板(201),白板(201)周围与主机(1)的顶部和底部分别设置相应的磁吸装置,校准盒(2)通过台阶形凹口(202)与所述的主机(1)套接,并通过磁吸装置磁吸固定;
设置在所述的主机(1)底部的磁吸装置是开口铁环(8),所述的白板(201)周围的磁吸装置是磁铁(208),开口铁环(8)的开口处设置磁感应传感器(11);当校准盒(2)与主机(1)吸附时,磁感应传感器(11)会输出信号给主机(1)的控制器,进行自动校准;
所述的控制器采用自动磁感应校准,包括如下步骤:
S101,控制器等待磁感应传感器(11)放入中断;
S102,控制器感应到中断放入,当最后校准时间与当前时间的差值大于间隔阈值时继续S103,否则返回S101;
S103,当连续阈值内连续检测到磁铁(208)的存在时继续S104,否则返回S101;
S104,多次校准测量,当校准过程未发生磁铁(208)移动时继续S105,否则返回S101;
S105,当每次校准测量之间的信号波动小于波动阈值时继续S106,否则返回S101;
S106,将多次校准测量的平均值与之前最后校准的信号比较,当信号波动小于波动阈值时校准成功,保存多次校准测量的平均值及本轮最后一次校准测量时间,并返回S101,否则直接返回S101。
2.如权利要求1所述的基于多通道光谱的色差仪,其特征在于所述的通光孔(401)下端配合设置有挡光片(7)。
3.如权利要求1所述的基于多通道光谱的色差仪,其特征在于所述的探测孔(403)配合设置有光阑片(9)。
4.如权利要求1所述的基于多通道光谱的色差仪,其特征在于所述的光源(6)一侧设有出光孔(5),出光孔(5)另一侧设有辅传感器(3)。
5.如权利要求1所述的基于多通道光谱的色差仪,其特征在于所述的主机(1)自上而下依次由上盖(101)、导光光圈(103)、PCB板(104)、主体(105)配合构成,上盖(101)内侧设有的内螺纹(102)与导光光圈(103)外侧设有的外螺纹(108)通过螺纹连接,导光光圈(103)设有的带内螺纹的螺丝固定孔(109),通过连接螺丝(106)与主体(105)连接,PCB板(104)上设有指示光源。
6.如权利要求1所述的基于多通道光谱的色差仪,其特征在于所述的外壳(203)自上而下配合设置有白板(201)、弹性装置、按键(205),按键(205)顶部设有的触手(209)与外壳(203)顶部开设的校准盒孔(210)、主机(1)顶部的测量按键(12)对应配合,按键(205)底部边缘设有的凸出部(206)与外壳(203)底部的按键压板(207)配合设置。
7.利用权利要求1所述的基于多通道光谱的色差仪进行基于多通道光谱的反射率测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
S201,主机(1)内置标准反射率与对应的多通道采样数据:
使用主机(1)测量n个标准颜色,得到每个标准颜色的i个通道数据Sn,i,使用标准机器测量n个标准颜色,得到每个颜色的λ个反射率数据Tn,λ,并内置于主机(1);
S202,使用主机(1)测量被测样品,得到多通道的目标颜色数据Ci;
S203,遍历主机(1),找到与目标颜色数据最接近的标准颜色的通道数据Sn,i,计算目标颜色与标准颜色在每个通道下的差值:
dn,i=Sn,i-Ci
计算总差值:
根据总差值Dn的最小值得到位置m,m∈n,并记录最小值对应的Sm,i和Tm,λ;
S204,将i通道目标颜色数据Ci计算为λ通道数据cλ,Ci为第i个通道数据,Wi为第i个通道对应的波长,使用Ci和Wi计算cλ:
bi=Ci+1-ki*Wi+1
cλ=ki*λ+bi
S205,将i通道接近色Sm,i计算为λ通道数据sλ:
b′i=Sm,i+1-k′i*Wi+1
sλ=k′i*λ+b′i
S206,计算并输出反射率:
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