CN114252157A - 一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪及方法，使用氙灯作为分光测色仪的测量光源，通过滤光片对氙灯紫外部分的能量进行分割，通过机械结构调整紫外部分的能量在整个氙灯发光强度中的比例。使用自研仪器和待定标仪器对荧光物质比例确定的荧光标准板进行测量，通过该标准板的反射光谱强度，计算照明光源中紫外部分能量的强度区别。根据测量结果设计算法对待自研仪器照明光源光谱能量分布进行修正，从而降低台间差。设计了实验对方案效果进行了验证。验证结果显示应用本发明的技术后，荧光色的台间差显著减少。
Description
技术领域
本发明涉及颜色测量技术领域，尤其是涉及一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪及方法。
背景技术
荧光材料不仅能反射或透射一部分照明光源的光谱能量，而且在照明光源的激发下，还能在特定的光谱发射一定的能量，两部分能量综合影响颜色。CIE(InternationalCommission on illumination，国际照明委员会)要求颜色测量需要在标准照明体条件下进行。但是实际的照明光源的光谱功率分布与标准光源不一致。在测量可见光光谱范围内的光谱反射率时，若不考虑荧光测量，在保证光源辐射强度的前提下，光源的光谱相对功率分布与标准照明体不一致并不会对物体表面反射率测量产生影响。但是，当物体表面包含荧光物质时，光源中紫外光谱相对光功率分布会对物体表面反射率测量产生影响。由于不同生产商或同一生产商的不同仪器光源光谱有一定的差异，导致使用不同仪器测量荧光材料表面颜色时，相对于无荧光材料的测量结果台间差显著增大。
发明内容
为解决现有技术的不足，实现降低不同仪器之间对荧光色测量的台间差的目的，本发明采用如下的技术方案：
一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪，包括分光测色仪本体，分光测色仪本体的光源入口处设有荧光调节装置，荧光调节装置包括滤光片及滤光片调节机构，根据目标仪器的紫外部分光谱能量占比，通过滤光片调节机构，调节滤光片遮挡光源入口的占比，进而调节光源的紫外部分光谱能量，使光源中紫外部分光谱能量与目标仪器一致，从而根据目标仪器对本分光测色仪进行定标，减少目标仪器和本分光测色仪对于荧光样本测试的台间差。
进一步地，滤光片有两组，第一组用于降低紫外部分光谱能量比例，第二组用于提高紫外部分的光谱能量比例；通过测量含荧光材料的白色塑料板作为标准校准板，比较目标仪器与所述分光测色仪的光谱反射率，当目标仪器的光谱反射率较小时，说明分光测色仪的照明光源光谱分布中紫外部分的能量大于目标仪器，选用第一组滤光片遮挡光源入口，反之，选用第二组滤光片遮挡光源入口。待定标仪器和目标仪器可能会存在两种情况：待定标仪器的紫外相对光谱能量分布高于或低于目标仪器的紫外相对光谱能量分布，所以该结构需要既可以降低紫外部分光谱能量比例，又要可以提高紫外部分的光谱能量比例。
进一步地，荧光调节装置包括固定机构以及设置在固定机构上的滑杆、电机、滤光片和通光口，通光口与光源入口配合设置，滑杆在电机的驱动下伸缩，从而带动滤光片在通光口上移动，调整遮挡通光口的占比，电机与数据处理系统连接，获取滤光片移动的距离l。
进一步地，滤光片有两片，一片用于降低紫外部分光谱能量比例，另一片用于提高紫外部分的光谱能量比例，电机驱动两根滑杆，分别控制两片滤光片的移动。
进一步地，通光口边沿设有与滤光片配合设置的滑槽；通光口一侧设有滤光片固定装置；分光测色仪本体的光源入口处设有装配口，装配口上设有装配孔，与所述荧光调节装置上的固定孔配合设置。
进一步地，分光测色仪本体包括照明系统、积分球、分光系统、传感器和数据处理系统，照明系统采用脉冲氙灯，积分球设有光源入口、测量口和观察口，积分球在光源入口的内侧设有挡板，防止光源直接照射在样品上，观察口设置在测量口表面法线方向的-8°，积分球内壁涂有高反射涂料，积分球设有光阱，光阱设置在测量口表面法线方向的+8°，从而兼容SCI和SCE测量条件，光源光线一部分通过滤光片进入积分球，另一部分直接进入积分球，在积分球的内壁进行漫反射，漫反射光通过测量口照射到被测材料表面，被测材料表面的反射光经观察口进入分光系统，经传感器转换进入数据处理系统。
一种改善荧光颜色测量台间差的方法，包括如下步骤：
S1，采用同一测量装置，分别测量待定标仪器和目标仪器的光源光谱相对功率分布Φ3600(λ)和Φ0(λ)，并计算目标仪器光源中紫外部分光谱能量占比δ3600；
S2，通过调整滤光片遮挡待定标仪器光源入口的占比，调节光源进入后的紫外部分光谱能量，使紫外部分光谱能量占比与目标仪器的δ3600一致。
进一步地，目标仪器和待定标仪器通过测量含荧光材料的白色塑料板作为标准校准板，得到光谱反射率R1(λ)和R2(λ)，当R1(λ)＜R2(λ)时，说明待标定仪器的照明光源光谱分布中紫外部分的能量大于目标仪器，选取一组降低紫外部分光谱能量的滤光片，反之，选取另一组提高紫外部分光谱能量的滤光片，遮挡光源入口，用于降低或提高紫外部分光谱能量的比例。待定标仪器和目标仪器可能会存在两种情况：待定标仪器的紫外相对光谱能量分布高于或低于目标仪器的紫外相对光谱能量分布，所以该结构需要既可以降低紫外部分光谱能量比例，又要可以提高紫外部分的光谱能量比例。
进一步地，目标仪器的光源中紫外部分光谱能量占比：
其中，Quv(λ)表示光谱中紫外部分的光谱能量总和，Qvis(λ)表示光谱中可见光部分的光谱能量总和，根据得到的δ3600计算出待标定仪器滤光片移动的距离l，公式如下：
其中，d表示光源的入口长度，l表示滤光片遮挡光源入口的长度，T(λ)表示滤光片的透过率光谱分布。对于待标定仪器，不必保证照明光源发光均匀，只需通过调整滤光片位置后测量实际的发光光谱来找到合适的比例。
进一步地，对待标定仪器的滤光片设置单位移动距离，每调整单位移动距离，均计算与目标仪器的台间差，将最小台间差与滤光片遮挡光源入口长度为l时的台间差进行比较，小于误差合理范围时，验证移动滤光片遮挡光源入口长度为l合理。
本发明的优势和有益效果在于：
本发明针对荧光物质颜色测量各种分光测色器台间差大的问题，设计了一款可以减小荧光物质颜色测量的台间差的分光测色仪，以及校正光源光谱功率分布的方法。本发明通过校正光源可以较好的提升不同仪器之间对荧光色测量的台间差水平。
附图说明
图1a是本发明中积分球的结构原理图。
图1b是本发明中测量装置的结构原理图。
图2a是本发明中滤光片调整装置结构示意图。
图2b是本发明中积分球装配口的结构示意图。
图2c是本发明中测量装置滤光片遮挡原理俯视图。
图3是本发明中滤光片的透过光谱曲线图。
图4a是本发明中标准校准板实物图。
图4b是本发明中标准校准板光谱反射率图。
图5是本发明中随第一滤光片位置变化对应的台间差曲线图。
图6a是本发明中对不含荧光物质样品校正后的自研仪器与CM-3600的台间差图。
图6b是本发明中对含荧光物质样品校正后的自研仪器与CM-3600的台间差图。
图7a是本发明中对不含荧光物质样品校正后的自研仪器与CS-826、X-Rite 7000A的台间差图。
图7b是本发明中对含荧光物质样品校正后的自研仪器与CS-826、X-Rite 7000A的台间差图。
图中：1、滑杆，2、电机，3、滤光片固定装置，4、滤光片，5、通光口，6、滑槽，7、固定孔，8、固定板，9、观察口，10、积分球，11、测量口，12、装配孔，13、装配口。
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。
一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪，包括照明系统、分光系统、传感器和数据处理系统。照明系统采用脉冲氙灯作为照明光源，可以在紫外和可见光区域提供充足的光谱分布。如图1a所示，仪器光学结构采用d/8°照明观测条件。在光源的两侧加上挡板，防止光源直接照射在样品上。观察孔径设置在与被测样品表面法线方向-8°的积分球10壁上，观察口9径直径为24mm，测量口11径直径39mm，为了兼容SCI和SCE测量条件，在与被测样品表面法线方向+8°的积分球10壁上设置光阱。积分球10直径150mm，开口面积占4.74％，积分球10内壁喷涂高反射涂料硫酸钡。
如图1b所示，光线照射到积分球10内壁上形成漫反射光，漫反射光照射到被测材料表面，材料表面的反射光经过透镜通过光纤进入光栅型光谱仪。光栅光谱仪的分辨率为2.5nm，光谱响应范围为360-780nm。自研仪器在360-780nm波长范围内波长精度为0.3nm，光谱分辨率2.5nm,测量重复性为dE＜0.01。
如图2a、图2b所示，本发明的目的是设计一种荧光调节装置，对仪器的照明光源进行调整，保证照明光源中紫外部分(360-400nm)与可见光部分(400-700nm)的相对光谱功率与不同的目标仪器一致。设计了用电机2推动滤光片4的结构(荧光调节装置)，并将其固定在积分球10光源的入口处。
荧光调节装置包括固定板8以及设置在固定板8上的滑杆1、电机2、滤光片4和通光口5，通光口5与光源入口配合设置，滑杆1在电机2的驱动下伸缩，从而带动滤光片4在通光口5上移动，调整遮挡通光口5的占比，电机2与数据处理系统连接，获取滤光片4移动的距离l。通光口5边沿设有与滤光片4配合设置的滑槽6；通光口5一侧设有滤光片固定装置3；分光测色仪本体的光源入口处设有装配口13，装配口13上设有装配孔12，与所述荧光调节装置上的固定孔7配合设置。
在氙灯发出光线进入积分球10前设置滤光片4，通过步进电机2调整滤光片4的位置来调整进入积分球10的光线光谱能量分布，如图2c所示，光源光线的一部分通过滤光片4后再进入积分球10，另外一部分直接进入积分球10。在照明光源发光均匀的前提下，进入积分球10的光线相对光谱功率分布Φ'(λ)可以用下式表示：
其中，Φ(λ)是照明光源的相对光谱功率分布；T(λ)是滤光片4的透过率光谱分布；d是积分球10上照明光源的入口长度d＝66mm；l是滤光片4遮挡光源入口的长度。在实际的仪器设计中，不必保证照明光源发光均匀，可以通过调整滤光片4位置后测量实际的发光光谱来找到合适的比例。
待定标仪器和目标仪器可能会存在两种情况：待定标仪器的紫外相对光谱能量分布高于或低于目标仪器的紫外相对光谱能量分布。所以该结构需要既可以降低紫外部分光谱能量比例，又要可以提高紫外部分的光谱能量比例。设置了两个滤光片，第一滤光片为有色玻璃JB400，第二滤光片为有色玻璃ZBW2，电机2驱动两根滑杆1，分别控制两片滤光片的移动。。两个滤光片的透过率光谱分布如图3所示。若待定标仪器的紫外相对光谱能量分布高于目标仪器的紫外相对光谱能量分布，则选择第一滤光片，反之，选择第二滤光片。
对仪器进行标定。如图4a所示，以一块含荧光材料的白色塑料板作为标准校准板，将自研仪器向KONICA MINOLTA CM-3600A进行标定，使用KONICA MINOLTA CM-3600A测量标准校准板的光谱反射率，测量结果为R1(λ)，如图4b中的实线所示。使用自研仪器对标准校准板进行测量，首先将自研机器的滤光片4位置都移动到初始位置，不对氙灯发出的光线进行任何阻拦。在此条件下，对校准板进行测量其光谱反射率R2(λ)，测量结果如图4b中的虚线所示。从图中可以看出，由于紫外部分光谱分布不一致，导致光谱反射率有一定的差别，台间差ΔE0＝1.791。用同一个光谱仪测量KONICA MINOLTA CM-3600A和自研仪器(自研机器的滤光片4位置都移动到初始位置，不对氙灯发出的光线进行任何阻拦)的光源光谱相对功率分布Φ3600(λ)和Φ0(λ)，并计算目标仪器光源中紫外部分能量占比：
比较R1(λ)和R2(λ)，由于R1(λ)＜R2(λ)，说明自研仪器的照明光源光谱分布中紫外部分的能量大于目标仪器。需要使用第一滤光片对照明光源光谱进行调整。减小两仪器间的台间差就要使光源中紫外部分能量占比相同，将Φ0(λ)代入公式(1)，并于公式(2)得到的δ3600建立等式：
计算出滤光片4移动的距离l。
其中，Φ3600(λ)是CM-3600A光源光谱相对功率分布；Φ0(λ)是自研仪器在无滤光片遮挡时的光源光谱相对功率分布；d是积分球10上照明光源的入口长度，l是第一滤光片遮挡光源入口的长度，T1(λ)是第一滤光片的透过率光谱分布。
用步进电机2直接将滤光片推到目标位置l处，计算测量结果和KONICA MINOLTACM-3600A测量结果的色差ΔE1＝0.285。
为验证直接移动滤光片4至l处的合理性，设计了另一种算法进行验证：移动步进电机2调整第一滤光片的位置，每次调整距离为0.5mm，总距离为15mm。每调整一次均计算测量结果和KONICA MINOLTA CM-3600A测量结果的色差，结果如图5所示。
图中可以看出当l＝5mm时，色差取最小值ΔE2＝0.173。可以看出ΔE2<ΔE1，但ΔE1小于0.5在误差合理范围内，且能够对照明光源光谱进行快速调整。故直接移动第一滤光片至l处来调整照明光源光谱是合理的。
将第一滤光片固定在l处的位置，对含荧光和不含荧光的两个样品组进行测量，比较测量结果与CM3600测量结果的差别如图6a、图6b所示。
按照该方法将自研仪器和CS826、X-Rite 7000A都进行类似的调整，分别计算出的滤光片4位置。对含荧光和不含荧光的两个样品组进行测量，比较测量结果与目标仪器的差别，如图7a、图7b所示。由校正前后的自研仪器与标准机的台间差比较可知，校正光源后的自研仪器针对荧光颜色的测量可以减小与标准机之间的台间差。
本发明针对荧光物质颜色测量各种分光测色器台间差大的问题，设计了一款可以减小荧光物质颜色测量的台间差的分光测色仪，以及校正光源光谱功率分布的方法。该仪器通过校正光源能够很好的减小台间差，校正之前测量荧光物质的颜色与KONICA MINOLTACM-3600A、X-Rite 7000A、彩谱CS-826的台间差最大值分别为13.415、12.199、10.230，校正后台间差最大值分别为3.291、2.307、3.882。
因此，本发明可以较好的提升不同仪器之间对荧光色测量的台间差水平。
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 (10)
1.一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪，包括分光测色仪本体，其特征在于所述分光测色仪本体的光源入口处设有荧光调节装置，荧光调节装置包括滤光片(4)及滤光片调节机构，根据目标仪器的紫外部分光谱能量占比，通过滤光片调节机构，调节滤光片(4)遮挡光源入口的占比，进而调节光源的紫外部分光谱能量，使光源中紫外部分光谱能量与目标仪器一致。
2.根据权利要求1所述的一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪，其特征在于所述滤光片(4)有两组，第一组用于降低紫外部分光谱能量比例，第二组用于提高紫外部分的光谱能量比例；通过测量含荧光材料的标准校准板，比较目标仪器与所述分光测色仪的光谱反射率，当目标仪器的光谱反射率较小时，选用第一组滤光片遮挡光源入口，反之，选用第二组滤光片遮挡光源入口。
3.根据权利要求1所述的一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪，其特征在于所述荧光调节装置包括固定机构以及设置在固定机构上的滑杆(1)、电机(2)、滤光片(4)和通光口(5)，通光口(5)与光源入口配合设置，滑杆(1)在电机(2)的驱动下伸缩，从而带动滤光片(4)在通光口(5)上移动，调整遮挡通光口(5)的占比，电机(2)与数据处理系统连接，获取滤光片(4)移动的距离l。
4.根据权利要求3所述的一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪，其特征在于所述滤光片(4)有两片，一片用于降低紫外部分光谱能量比例，另一片用于提高紫外部分的光谱能量比例，电机(2)驱动两根滑杆(1)，分别控制两片滤光片的移动。
5.根据权利要求3所述的一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪，其特征在于所述通光口(5)边沿设有与滤光片(4)配合设置的滑槽(6)；通光口(5)一侧设有滤光片固定装置(3)；分光测色仪本体的光源入口处设有装配口(13)，装配口(13)上设有装配孔(12)，与所述荧光调节装置上的固定孔(7)配合设置。
6.根据权利要求1所述的一种改善荧光颜色测量台间差的分光测色仪，其特征在于所述分光测色仪本体包括照明系统、积分球(10)、分光系统、传感器和数据处理系统，照明系统采用脉冲氙灯，积分球(10)设有光源入口、测量口(11)和观察口(9)，积分球(10)在光源入口的内侧设有挡板，观察口(9)设置在测量口(11)表面法线方向的-8°，积分球(10)内壁涂有高反射涂料，积分球(10)设有光阱，光阱设置在测量口(11)表面法线方向的+8°。
7.一种改善荧光颜色测量台间差的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1，采用同一测量装置，分别测量待定标仪器和目标仪器的光源光谱相对功率分布Φ3600(λ)和Φ0(λ)，并计算目标仪器光源中紫外部分光谱能量占比δ3600；
S2，通过调整滤光片(4)遮挡待定标仪器光源入口的占比，调节光源进入后的紫外部分光谱能量，使紫外部分光谱能量占比与目标仪器的δ3600一致。
8.根据权利要求7所述的一种改善荧光颜色测量台间差的方法，其特征在于所述目标仪器和待定标仪器，通过测量含荧光材料的标准校准板，得到光谱反射率R1(λ)和R2(λ)，当R1(λ)＜R2(λ)时，选取一组降低紫外部分光谱能量的滤光片，反之，选取另一组提高紫外部分光谱能量的滤光片，遮挡光源入口，用于降低或提高紫外部分光谱能量的比例。
9.根据权利要求7所述的一种改善荧光颜色测量台间差的方法，其特征在于所述目标仪器的光源中紫外部分光谱能量占比：
其中，Quv(λ)表示光谱中紫外部分的光谱能量总和，Qvis(λ)表示光谱中可见光部分的光谱能量总和，根据得到的δ3600计算出待标定仪器滤光片(4)移动的距离l，公式如下：
其中，d表示光源的入口长度，l表示滤光片(4)遮挡光源入口的长度，T(λ)表示滤光片(4)的透过率光谱分布。
10.根据权利要求9所述的一种改善荧光颜色测量台间差的方法，其特征在于对所述待标定仪器的滤光片(4)设置单位移动距离，每调整单位移动距离，均计算与目标仪器的台间差，将最小台间差与滤光片(4)遮挡光源入口长度为l时的台间差进行比较，小于误差合理范围时，验证移动滤光片(4)遮挡光源入口长度为l合理。
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