CN111896501A - 一种基于交叉偏振的光谱测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学检测仪器技术领域，特别是涉及一种基于交叉偏振的光谱测量系统及方法；系统，包括光学系统和光电转换器，所述光学系统包括球形壳体和按几何架构分布在球形壳体上的LED光源，所述LED光源带有线性偏振滤色片，所述球形壳体两端设置有样品反射孔和反射光出射孔，所述反射光出射孔的光通路依次设置有遮光挡板、线性偏振滤色片、平场凹面光栅和光电转换器；方法包括步骤S1放置待测样品；步骤S2记录光电转换器的电信号；步骤S3将待测样品替换为校正标准白板；步骤S4记录光电转换器的电信号；步骤S5式计算得到样品的光谱反射率；通过交叉偏振光学系统去除物体表面眩光，进而准确测量物体表面的光谱反射率信息。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测仪器技术领域，特别是涉及一种基于交叉偏振的光谱测量系统及方法。
背景技术
目前，分光光度计或色度计作为颜色测量仪器，可以测量物体表面的光谱反射率信息，并基于光谱信息计算颜色三刺激值、Lab值、密度值等数据，通过色差来评价产品质量，广泛应用于纺织、油漆涂料、造纸、印刷、包装、汽车、等行业。
现有技术中，光谱反射率测量相关设备称为分光光度计，按几何光结构可分为两类，第一种为基于45°/0°几何光学结构的测量仪器，也是目前普遍采用的颜色测量模式，广泛应用于色度计、分光光度计等设备；第二种为基于d/8°几何光学结构的测量仪器，此类仪器普遍采用积分球式形成漫反射光照环境，在颜色测量方面具有较好的准确性和稳定性。
45°/0°式测量设备结构简单，成本低，普遍采用45角照明0角接收几何光学结构方式进行测量，此几何模式能够排除镜面反射光的影响，但是对于高光泽度的非平滑表面样品，以及具有结构光特性的物体表面，很难保证颜色测量的准确性及可重复性。
d/8°式测量设备，通常采用积分球为理想的漫射光发生装置，利用积分球可以构建模拟理想的漫反射光源照射条件，其基本原理是利用混光特性，将光线在积分球内壁进行多次内反射，从而使被测样本表面的光线满足均匀性的要求，自从19世纪90年代积分球用于光源光度测量以来，积分球就被广泛应用于辐射度、光度、色度等各个领域。但是积分球尺寸体积较小，对制作工艺及材料要求较高。
以上类型的测色仪器对普通纸张、织物、涂料等物体的光谱反射率都能准确测量，当遇到高光或眩光特性的不平整表面，或光结构呈色的物体时，由眩光或高光导致的随机光强不均问题很难彻底解决，造成此类物体表面的测量差较大，系统误差难以控制，很难保证仪器的检测准确性，测试数据的可靠性，以及质量评价的稳定性，另外两种仪器都无法单独测量光泽度，这种由于光结构设计造成的缺陷很难解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于交叉偏振的光谱测量系统及方法，实现物体表面的光谱反射率信息测量，尤其是高光或眩光特性的不平整表面的光谱反射率信息测量。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种基于交叉偏振的光谱测量系统，包括光学系统和光电转换器，所述光学系统包括球形壳体和按几何架构分布在球形壳体上的LED光源，所述LED光源带有线性偏振滤色片，所述球形壳体两端设置有样品反射孔和反射光出射孔，所述反射光出射孔的光通路依次设置有遮光挡板、第一线性偏振滤色片、平场凹面光栅和光电转换器。
用于传统物体表面，以及传统设备难以准确测量的高光和眩光物体表面，以及基于光结构呈色物体的光谱反射率信息。通过交叉偏振光学系统去除物体表面眩光，进而准确测量物体表面的光谱反射率信息，解决现有技术在测量眩光及高光类光滑物体表面时，不能准确测量光谱反射率信息的不足。通过测量的光谱反射率信息，可以根据CIE标准进一步计算CIEXYZ色度值、Lab色度值、密度值等，并进一步计算样品间色差、网点面积率等信息。
优选地，还包括信号处理系统，所述信号处理系统连接所述光电转换器的电信号输出端。
优选地，所述LED光源的几何架构分布为在仰角45°圆周范围内，均匀分布6个LED光源，方位角夹角为60°；在仰角90°圆周范围内，均匀分布8个LED光源，方位角夹角为45°。
优选地，所述LED光源包括外壳和外壳内依次设置的LED发光单元、漫透射蒙板和第二线性偏振滤色片，所述第二线性偏振滤色片可旋转固定在外壳内。
优选地，所述样品反射孔和所述反射光出射孔的中心点连线与球形壳体垂直轴线的夹角为8度。
优选地，所述光电转换器采用线阵CCD。
本发明还提供了一种基于交叉偏振的光谱测量方法，应用于上述的基于交叉偏振的光谱测量系统，包括如下步骤：
步骤S1，放置待测样品，将样品将出射孔与待测样品表面相对接；
步骤S2，记录光电转换器的电信号D(λ)；
步骤S3，将待测样品替换为校正标准白板；
步骤S4，记录光电转换器的电信号D0(λ)；
步骤S5，根据如下公式计算得到样品的光谱反射率：
R＝Rsd(λ)×D(λ)/D0(λ)
其中，Rsd(λ)为校正标准白板的光谱反射率。
步骤S5可以通过信号处理系统处理，通过交叉偏振光学系统去除物体表面眩光，进而准确测量物体表面的光谱反射率信息，解决现有技术在测量眩光及高光类光滑物体表面时，不能准确测量光谱反射率信息的不足。通过测量的光谱反射率信息，可以根据CIE标准进一步计算CIEXYZ色度值、Lab色度值、密度值等，并进一步计算样品间色差、网点面积率等信息。
本发明还提供了一种基于交叉偏振的光谱测量方法，应用于上述的基于交叉偏振的光谱测量系统，包括如下步骤：
步骤S1，放置校正标准白板，将样品将出射孔与校正标准白板表面相对接；
步骤S2，记录光电转换器的电信号D0(λ)；
步骤S3，将校正标准白板替换为待测样品；
步骤S4，记录光电转换器的电信号D(λ)；
步骤S5，根据如下公式计算得到样品的光谱反射率：
R＝Rsd(λ)×D(λ)/D0(λ)
其中，Rsd(λ)为校正标准白板的光谱反射率。
步骤S5可以通过信号处理系统处理，通过交叉偏振光学系统去除物体表面眩光，进而准确测量物体表面的光谱反射率信息，解决现有技术在测量眩光及高光类光滑物体表面时，不能准确测量光谱反射率信息的不足。通过测量的光谱反射率信息，可以根据CIE标准进一步计算CIEXYZ色度值、Lab色度值、密度值等，并进一步计算样品间色差、网点面积率等信息。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明所述一种基于交叉偏振的光谱测量系统及方法设计合理，结构简单，使用方便，特别适用于对于高光及眩光物体表面的光谱反射率信息测量，如特殊油漆、涂料、高光纸张、镭射膜等材料，还可以用于普通织物、纸张、油墨、涂料等材料的光谱反射率和色度值的测量。采用交叉偏振光结构设计，能够有效消除高光及眩光对测量的影响，保证材料表面同一点在不同测量角度的一致性，能正确测量各种类型材料表面光谱反射率和色度值，具有适用范围广的特点。
附图说明
图1是本发明所述基于交叉偏振的多光谱颜色测量系统的结构示意图；
图2是本发明所述LED光源的几何架构分布俯视图；
图3是本发明所述LED光源的几何架构分布剖面示意图；
图4是本发明所述LED光源结构示意图；。
其中：1、球形壳体；2、LED光源；3、样品反射孔；4、反射光出射孔；5、第一线性偏振滤色片；6、平场凹面光栅；7、光电转换器；8、信号处理系统；9、遮光罩，10、LED发光单元；11、漫透射蒙板；12、第二线性偏振滤色片。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
实施例1
如图1-4所示，一种基于交叉偏振的光谱测量系统，包括光学系统和光电转换器7，所述光学系统包括球形壳体1和按几何架构分布在球形壳体1上的LED光源2，所述LED光源2带有线性偏振滤色片，所述球形壳体1两端设置有样品反射孔3和反射光出射孔4，所述反射光出射孔4的光通路依次设置有遮光挡板9、第一线性偏振滤色片5、平场凹面光栅6和光电转换器7。
用于传统物体表面，以及传统设备难以准确测量的高光和眩光物体表面，以及基于光结构呈色物体的光谱反射率信息。通过交叉偏振光学系统去除物体表面眩光，进而准确测量物体表面的光谱反射率信息，解决现有技术在测量眩光及高光类光滑物体表面时，不能准确测量光谱反射率信息的不足。通过测量的光谱反射率信息，可以根据CIE标准进一步计算CIEXYZ色度值、Lab色度值、密度值等，并进一步计算样品间色差、网点面积率等信息。
优选地，还包括信号处理系统8，所述信号处理系统8连接所述光电转换器7的电信号输出端。
优选地，所述LED光源2的几何架构分布为在仰角45°圆周范围内，均匀分布6个LED光源2，方位角夹角为60°；在仰角90°圆周范围内，均匀分布8个LED光源2，方位角夹角为45°。
优选地，所述LED光源2包括外壳和外壳内依次设置的LED发光单元10、漫透射蒙板11和第二线性偏振滤色片12，所述第二线性偏振滤色片12可旋转固定在外壳内。
优选地，所述样品反射孔3和所述反射光出射孔4的中心点连线与球形壳体1垂直轴线的夹角为8度。
优选地，所述光电转换器7采用线阵CCD。
本发明还提供了一种基于交叉偏振的光谱测量方法，应用于上述的基于交叉偏振的光谱测量系统，包括如下步骤：
步骤S1，放置待测样品，将样品将出射孔3与待测样品表面相对接；
步骤S2，记录光电转换器7的电信号D(λ)；
步骤S3，将待测样品替换为校正标准白板；
步骤S4，记录光电转换器7的电信号D0(λ)；
步骤S5，根据如下公式计算得到样品的光谱反射率：
R＝Rsd(λ)×D(λ)/D0(λ)
其中，Rsd(λ)为校正标准白板的光谱反射率。
LED发光单元10发出的光束，经漫透射蒙板11散射，第二线性偏振滤色片12的滤波处理后，进入球形壳体1内部，并通过样品反射孔3照射到测量样品表面，杂散光线被球形壳体1内壁上的黑色涂覆层吸收，经过测量样品反射后的光束通过球形壳体1的反射光出射孔4出射，经第一线性偏振滤色片5滤除偏振光，出射至平场凹面光栅6，经过平场凹面光栅色散，照射至光电转换器7，经光电转换器7转换为电信号，再通过信号处理系统8计算处理，得出被测物品表面的光谱反射率，进而计算得到颜色三刺激值、密度值等数据。所述的光电转换器7采用线阵CCD电荷耦合器件是现有技术中常用的比较先进的光电转换器，多用于图像及光信号获取。
带有偏振滤色片的LED光源2与球形壳体1螺纹连接，附图2显示了光源的几何架构分布特征；样品反射孔3与反射光出射孔4的连线，与球形壳体1垂直中轴线的夹角为8度。其中样品反射孔3设置有可替换的目标窗用于更改测量孔径，配备有2.54cm,1.5cm,0.75cm三种测量孔径；
带有偏振滤色片的LED光源2，其内部结构如图4所示，包含LED发光单元10，其光谱范围为360nm-780nm,漫透射蒙板11，第二线性偏振滤色片12，第二线性偏振滤色片12可以通过旋转改变偏振角度。
球形壳体1的直径为20.0cm，内壁喷涂黑色哑光吸光材料，样品反射孔的直径为3.0cm,LED光源连接孔直径为0.8cm。
反射光出射孔4处设置黑色遮光罩9，防止光源LED光源2发出的光直射进入出射孔4,直射平场凹面光栅6,遮光罩9长度为1.2cm，厚度为1mm.
如图4所示，LED发光单元10发出的光，经漫透射蒙板11散射，并经第二线性偏振滤色片12滤波，得到线性偏振光。其中，第二线性偏振滤色片12可以旋转角度改变偏振角度，漫透射蒙板11采用高透光率漫透射材料，并且在漫透射蒙板11表面附有一层红外截止NIR滤色片，用于过滤紫外光谱以及近红外光谱，厚度在0.5mm-3.5mm之间，表面至少附加一层NIR红外截止滤光膜。
球形壳体1内壁涂覆黑色高吸光材料，应当能够反射至少95％的光线，在350nm-850nm范围内的吸光率大于97％。
通过调整LED光源第二线性偏振滤色片12的角度，以及反射光出射孔4处第一线性偏振滤色片5的角度，可以实现交叉偏振，消除反光；如果两处第一线性偏振滤色片5角度设置为平行，能够增强反光；结合不同偏振状态，可以计算物体表面光谱反射率，进而计算得到颜色三刺激值、密度值等数据。
通过交叉偏振光学系统去除物体表面眩光，进而准确测量物体表面的光谱反射率信息，解决现有技术在测量眩光及高光类光滑物体表面时，不能准确测量光谱反射率信息的不足。通过测量的光谱反射率信息，可以根据CIE标准进一步计算CIEXYZ色度值、Lab色度值、密度值等，并进一步计算样品间色差、网点面积率等信息。
实施例2
与实施例1不同的是一种基于交叉偏振的光谱测量方法，应用于上述的基于交叉偏振的光谱测量系统，包括如下步骤：
步骤S1，放置校正标准白板，将样品将出射孔3与校正标准白板表面相对接；
步骤S2，记录光电转换器7的电信号D0(λ)；
步骤S3，将校正标准白板替换为待测样品；
步骤S4，记录光电转换器7的电信号D(λ)；
步骤S5，根据如下公式计算得到样品的光谱反射率：
R＝Rsd(λ)×D(λ)/D0(λ)
其中，Rsd(λ)为校正标准白板的光谱反射率。
综上，通过交叉偏振光学系统去除物体表面眩光，进而准确测量物体表面的光谱反射率信息，解决现有技术在测量眩光及高光类光滑物体表面时，不能准确测量光谱反射率信息的不足。通过测量的光谱反射率信息，可以根据CIE标准进一步计算CIEXYZ色度值、Lab色度值、密度值等，并进一步计算样品间色差、网点面积率等信息。
以上对本发明所提供的一种刷牙情况监测系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于交叉偏振的光谱测量系统，其特征在于，包括交叉偏振光学系统和光电转换器(7)，所述光学系统包括球形壳体(1)和按几何架构分布在球形壳体(1)上的LED光源(2)，所述LED光源(2)带有线性偏振滤色片，所述球形壳体(1)两端设置有样品反射孔(3)和反射光出射孔(4)，所述反射光出射孔(4)的光通路依次设置有遮光挡板(9)、第一线性偏振滤色片(5)、平场凹面光栅(6)和光电转换器(7)。
2.根据权利要求1所述的基于交叉偏振的光谱测量系统，其特征在于，还包括信号处理系统(8)，所述信号处理系统(8)连接所述光电转换器(7)的电信号输出端。
3.根据权利要求1或2所述的基于交叉偏振的光谱测量系统，其特征在于，所述LED光源(2)的几何架构分布为在仰角45°圆周范围内，均匀分布6个LED光源(2)，方位角夹角为60°；在仰角90°圆周范围内，均匀分布8个LED光源(2)，方位角夹角为45°。
4.根据权利要求3所述的基于交叉偏振的光谱测量系统，其特征在于，所述LED光源(2)包括外壳和外壳内依次设置的LED发光单元(10)、漫透射蒙板(11)和第二线性偏振滤色片(12)，所述第二线性偏振滤色片(12)可旋转固定在外壳内。
5.根据权利要求3所述的基于交叉偏振的光谱测量系统，其特征在于，所述样品反射孔(3)和所述反射光出射孔(4)的中心点连线与球形壳体(1)垂直轴线的夹角为8度。
6.根据权利要求3所述的基于交叉偏振的光谱测量系统，其特征在于，所述光电转换器(7)采用线阵CCD。
7.一种基于交叉偏振的光谱测量方法，应用于权利要求1-2或4-6所述的基于交叉偏振的光谱测量系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，放置待测样品，将样品将出射孔(3)与待测样品表面相对接；
步骤S2，记录光电转换器(7)的电信号D(λ)；
步骤S3，将待测样品替换为校正标准白板；
步骤S4，记录光电转换器(7)的电信号D0(λ)；
步骤S5，根据如下公式计算得到样品的光谱反射率：
R＝Rsd(λ)×D(λ)/D0(λ)
其中，Rsd(λ)为校正标准白板的光谱反射率。
8.一种基于交叉偏振的光谱测量方法，应用于权利要求1-2或4-6所述的基于交叉偏振的光谱测量系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，放置校正标准白板，将样品将出射孔(3)与校正标准白板表面相对接；
步骤S2，记录光电转换器(7)的电信号D0(λ)；
步骤S3，将校正标准白板替换为待测样品；
步骤S4，记录光电转换器(7)的电信号D(λ)；
步骤S5，根据如下公式计算得到样品的光谱反射率：
R＝Rsd(λ)×D(λ)/D0(λ)
其中，Rsd(λ)为校正标准白板的光谱反射率。
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