CN114486754B - 基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法，在原有物体色度测量系统光路中，单色仪的后端加装分束镜和监视探测器A，用双探测器多次测量的做法，与样品反射光探测器B组合使用；先在样品架上放标准板，根据读取的探测器A信号和探测器B信号，计算测量标准板时的反射系数；再取下标准板，在样品架上放被测样品，根据读取的探测器A信号和探测器B信号，计算测量样品时的反射系数；最后根据测量标准板时的反射系数和测量样品时的反射系数，计算出归一化系数，进而计算出被测样品的反射比或反射因数。本发明有效的消除了光源波动、杂散光和电噪声对系统测量结果的影响，使测量系统的稳定度和精度都大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及物体色度测量技术领域，具体为一种基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法。
背景技术
物体色度类测量仪器是模拟人眼对物体颜色感知的一种测量仪器，主要包括测色色差计、白度计、彩色亮度计、比色计、色度仪、光谱测色仪等。它被广泛应用于纺织、印染、建材、化工、电影电视、汽车、摄影等行业。
反射物体和透射物体颜色的测量，源于对光谱反射因数的测量和计算。即只要测量出物体在可见波长范围内，规定的标准照明/观测的几何条件下的光谱反射因数和光谱透射比，即可计算出该条件下对应色空间的色度值。因此，颜色测量的根本是光谱反射因数和光谱透射比的测量。
对于反射颜色测量，国际照明委员会(CIE)推荐了四种照明/观测条件，它们分别是0/d(垂直照明/漫射接收)，d/0(漫射照明/垂直接收)，0/45(垂直照明/45°方向接收)，45/0(45°方向照明/垂直接收)。对于透射颜色测量，国际照明委员会(CIE)同样推荐了四种照明/观测条件，它们分别是0/0(垂直照明/垂直接收)，d/0(漫射照明/垂直接收)，0/d(垂直照明/漫射接收)，d/d(漫射照明/漫射接收)。这些条件概括了人眼观察物体时常见的几何条件并将其标准化，分别应用于不同的行业领域。测量系统一般由光源、单色仪、样品控制模块、探测器和计算机等部分组成，以反射测量为例，其结构如图1所示。
标准色板是用来向物体色度类测量仪器传递色度量值的标准器，而物体色度测量系统是用来给标准色板赋值的标准装置。因此物体色度测量系统的准确程度决定了整个色度测量体系的准确程度。
光源作为物体色度测量系统中的关键部分之一，其主要目的是以合适的方式将光线投射到被测物体上，经被测物体反射或透射后由探测器接收。光源起伏是指光源在交流或脉冲直流电源的驱动下，随着电流幅值的周期性变化，光通量、照度或亮度发生相应的变化，在人的视觉上表现为频率100HZ的光的周期性闪烁，简称为光波动，俗称频闪。在高精度物体色度测量系统中，通常选用溴钨灯作光源。实验表明，即使是经过挑选的溴钨灯，在开机40min后至3h范围内，光源起伏(包括光源总强度的起伏和由于分光而产生的光强起伏)仍不小于±0.4％。因此，如何消除光源起伏的影响是测量中特别是精密光学测量中必须解决的问题。
传统的物体色度测量系统采用单探测器测量入射光经物体透射或反射后的光信号，不可避免的会受光源起伏、杂散光和电噪声对系统测量结果的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法，能够消除光源起伏影响，使测量系统的稳定度和精度都大大提高。技术方案如下：
一种基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法，包括以下步骤：
步骤1：硬件安装：在原有物体色度测量系统光路中，单色仪的后端加装分束镜，使分开的两束光，一束通过加装的监视探测器A监测光源波动，另一束通过系统中原本的反射光探测器B进行标准板或样品测量；
步骤2：在样品架上放标准板，根据读取的探测器A信号Sm,s和探测器B信号SS，计算测量标准板时的反射系数KS；
步骤3：取下标准板，在样品架上放被测样品，根据读取的探测器A信号Sm,x和探测器B信号SX，计算测量样品时的反射系数KX；
步骤4：根据测量标准板时的反射系数KS和测量样品时的反射系数KX，计算出归一化系数D，进而计算出被测样品的反射因数RX。
进一步的，所述步骤2中计算测量标准板时的反射系数KS具体为：
在相同的测量条件下，重复扫描l次，通过探测器B测得标准板反射光的响应SS，通过探测器A测得测量标准板时入射光的响应Sm,s；其平均响应计算如下
则测量标准板时的反射系数KS为：
式中，l为重复扫描次数；j为探测器信号读取次数；λi为波长；σ为偏振。
更进一步的，所述步骤3中计算测量样品时的反射系数KX具体为：
在相同的测量条件下，重复扫描l次，通过探测器B测得样品反射光的响应SX，通过探测器A测得测量样品时入射光的响应Sm,x；其平均响应按计算如下：
则测量样品时的反射系数KX为：
式中，l为重复扫描次数；j为探测器信号读取次数；λi为波长；σ为偏振。
更进一步的，所述步骤4计算出归一化系数具体为：
被测样品的反射因数RX计算如下：
RX(λi,σ)＝D(λi,σ)RS(λi,σ)
其中，RS(λi,σ)为标准板的反射因数。
更进一步的，非偏振入射的情况下，反射因数由下式计算：
更进一步的，所述分束镜选用K9玻璃做基材的立方体非偏振分束镜，使反射光和透射光在380nm～780nm波长范围内都按照1:1的光强分布比例；分束镜的通光孔径大于90％。
更进一步的，所述分束镜安装在一个四维微调工作台上，方便调节。
更进一步的，所述探测器A和探测器B为具有一致性光谱响应度的两个光电倍增管；且探测器A和探测器B前端都装有环形椭球反射镜。
本发明的有益效果是：本发明为了消除物体色度测量系统中光源起伏会对测量结果的影响，在原测量系统单色仪后端加装监视探测器。利用多次重复性测量数据，根据相关公式把接收信号向发射信号归一化，从而有效消除了光源起伏、杂散光和电噪声对系统测量结果的影响；经实验验证，归一化系数法是消除光源起伏影响的有效方法，采用此方法使测量系统的稳定度和精度都大大提高。
附图说明
图1为在反射测量系统中加装分束镜和监视探测器后的光路示意图；(a)0/d反射比测量装置示意图；(b)0/45反射因数测量装置示意图；(c)d/0反射因数测量装置示意图；(d)45/0反射因数测量装置示意图。
图2为本发明双探测器结构原理图。
图3为本发明双探测器在0/45反射装置上的光路图。
图4为本发明实施方法流程图。
图5为单探测器系统模拟光源波动响应图。
图6为本发明实施例的方法验证图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明采用在原测量系统中加装监视探测器，形成双探测器，并多次重复测量的做法，计算出归一化系数，从而有效消除了光源起伏、杂散光和电噪声对系统测量结果的影响。
1、双探测器测量原理
本发明把光源发出的光分成两束，一束用于样品测量，一束用于监视光源波动，把两束光的接收信号经过相应的公式计算出归一化系数D，其结构原理如图2所示。
采用相对测量的方法测量被测样品的反射因数RX，公式如下：
RX(λi,σ)＝D(λi,σ)RS(λi,σ) (1)
式中：λi为波长；σ为偏振；D(λi,σ)为归一化系数；RX(λi,σ)为样品的反射因数；RS(λi,σ)为标准板的反射因数。
非偏振入射的情况下，反射因数由下式计算：
2、硬件安装
在原有物体色度测量系统光路中，单色仪的后端加装分束镜和监视探测器A，用双探测器多次测量的做法，与样品反射光探测器B组合使用，利用归一化系数，有效消除光源波动、杂散光和电噪声对系统测量结果的影响。本实施例以0/45反射测量条件为例加以说明，其光路如图3所示。
分束镜选用K9玻璃做基材的立方体非偏振分束镜，使反射光和透射光在380nm～780nm波长范围内都按照1:1的光强分布比例。分束镜的通光孔径大于90％，斜面镀分光膜，其余面镀增透膜。分束镜安装在一个四维微调工作台上，方便调节。
挑选光谱响应度一致性较好的两个光电倍增管分别作为探测器A和探测器B。探测器A和探测器B前端都装有环形椭球反射镜，形成汇聚光便于探测器接收。利用光探测器校准装置测量所使用探测器，其线性误差最大值为0.49％，两者的相对光谱响应度示值误差小于0.2％。
分束镜的安装应不改变原有系统的测量光路。为保证经分束镜透射出的光仍清晰可见，对分束镜的安装位置有更高的要求。安装前，找一块黑底的金属铁片，铁片表面粘切一张描图纸，固定在样品架前段的正中位置。在仪器开机的状态下，设置光源波长为550nm的单色光，这时光线会照射在描图纸上，用铅笔标记光斑位置和大小。在单色仪和样品架之间的中间位置放入带四维微调工作台的分束镜。先目视调节分束镜位置，使透射光线能照射在描图纸上，再调节四维微调工作台的各个方向，使透射光线光斑和刚才描图纸所标记位置重合。调整好透射光后，再用描图纸观察分束镜分出的反射光位置，在反射光路中安装监视探测器。
3、实验步骤
以0/45反射装置为例。首先，设置仪器波长测量范围为380nm～780nm，在仪器测量口放上标准板，在相同的测量条件下，用5nm间隔重复扫描l次，通过探测器B可测得标准板反射光的响应SS，通过探测器A可测得测量标准板时入射光的响应Sm,s。它们的平均响应按公式(3)和(4)计算：
式中：l为重复扫描次数；j为探测器信号读取。
那么，测量标准板时的反射系数KS为：
以550nm波长下的测量信号为例，对标准板重复测量10次，测量数据如表1所示。
表1探测器B测得的标准板反射光的响应和探测器A测得测量标准板时入射光的响应
其次，取下标准板，换上被测样品。同样用5nm间隔重复扫描l次，通过探测器B可测得样品反射光的响应SX，通过探测器A可测得测量样品时入射光的响应Sm,x。它们的平均响应按公式(6)和(7)计算：
测量样品时的反射系数KX为：
同样，以550nm波长下的测量信号为例，对测量样品重复测量10次，测量数据如表2所示。
表2为探测器B测得样品反射光的响应和探测器A测得测量样品时入射光的响应
再次，归一化系数D由下式计算：
非极化入情况下，反射因数R为：
最后，样品的最终光谱反射因数R为n次扫描的平均：
4、方案验证及结果
在实际检测过程中，光源强度的变化受其驱动电源的扰动和工作环境因素等的影响是不可避免的。因此，光源强度的变化对光谱反射因素或光谱透射比测量精度的影响是必然存在的。如何减少甚至是消除光源强度的变化对光谱反射因素或光谱透射比测量精度的影响是本文要解决的根本问题。
为了验证所提出的双探测器能消除光源波动影响的有效性，在单独测量标准板的过程中，通过调节光源驱动电源的输出电流来改变光照强度，模拟因光源驱动电源扰动以及环境因素等对光照强度的影响。记录了探测器B的响应信号，结果如图5所示。
从图5可明显看出，此次模拟光源驱动电源扰动实验，对标准板反射光响应SS的测量造成了明显的影响。在450nm～550nm范围内，因驱动电源的输出电流的调节，使反射光的响应测量出现了明显的凹点。
改变光照强度前后，探测器B在380nm～780nm范围内的平均响应信号如表3所示。
表3探测器B在改变光照强度前后的平均响应信号
同时，对探测器A的响应信号也做了记录，模拟实验对标准板入射光的响应Sm,s造成了同样的影响。
根据公式(5)计算出了测量标准板时的反射系数KS如图5所示。
从图5可明显看出，在440nm～580nm波长范围内，探测器相应信号因驱动电源输出电流的调节而出现的变化，因反射信号向入射信号的归一而得到了很好的消除。
为了验证双探测器的最终效果，需要比较双探测器测量样品时的测量结果和仅有探测器B的情况下的测量结果。仅有探测器B时，被测样品的反射因数RX按公式(12)计算：
拿两块经上级机构溯源的标准白板，一块作为标准板一块作为样品。在不改变驱动电源输出电流的情况下，对被测样品继续进行了实验，测量出了样品反射光的响应SX和测量样品时入射光的响应Sm,x，根据公式(8)计算出测量样品时的反射系数KX，再分别根据公式(1)和公式(12)分别计算出双探测器和单探测器条件下的光谱反射因数，最终分别求出D65光源、10°视场条件下，双探测器和单探测器两种情况下的CIE色度值如下表1所示。
表4系统测试数据
从表4数据可看出，在不使用加装监视探测器A的情况下，此次模拟光源驱动电源扰动实验，使系统测量结果偏离了标准值，而在使用了探测器A后，取得了满意的测量结果，如图6所示。进一步说明了双探测器、归一化系数法消除了光源扰动的影响。
综合上述理论分析和实验结果可以看出，归一化系数法是消除光源起伏影响的有效方法，采用此方法使测量结果的稳定度和精度都大大提高，可以广泛应用于各类物体色度测量系统及其它各类精密光学测量系统中。
Claims (4)
1.一种基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：硬件安装：在原有物体色度测量系统光路中，单色仪的后端加装分束镜，使分开的两束光，一束通过加装的监视探测器A监测光源波动，另一束通过系统中原本的反射光探测器B进行标准板或样品测量；
步骤2：在样品架上放标准板，根据读取的探测器A信号Sm,s和探测器B信号Ss，计算测量标准板时的反射系数KS；
步骤3：取下标准板，在样品架上放被测样品，根据读取的探测器A信号Sm,x和探测器B信号SX，计算测量样品时的反射系数KX；
步骤4：根据测量标准板时的反射系数KS和测量样品时的反射系数KX，计算出归一化系数D，进而计算出被测样品的反射因数RX；
所述步骤2中计算测量标准板时的反射系数KS具体为：
在相同的测量条件下，重复扫描l次，通过探测器B测得标准板反射光的响应SS，通过探测器A测得测量标准板时入射光的响应Sm,s；其平均响应计算如下
则测量标准板时的反射系数KS为：
式中，l为重复扫描次数；j为探测器信号读取次数；λi为波长；σ为偏振；
所述步骤3中计算测量样品时的反射系数KX具体为：
在相同的测量条件下，重复扫描l次，通过探测器B测得样品反射光的响应SX，通过探测器A测得测量样品时入射光的响应Sm,x；其平均响应按计算如下：
则测量样品时的反射系数KX为：
式中，l为重复扫描次数；j为探测器信号读取次数；λi为波长；σ为偏振；
所述步骤4计算出归一化系数具体为：
被测样品的反射因数RX计算如下：
RX(λi,σ)＝D(λi,σ)RS(λi,σ)
其中，RS(λi,σ)为标准板在0/d条件下的光谱反射比或在d/0条件、0/45条件或45/0条件下光谱反射因数；
非偏振入射的情况下，反射因数由下式计算：
2.根据权利要求1所述的基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法，其特征在于，所述分束镜选用K9玻璃做基材的立方体非偏振分束镜，使反射光和透射光在380nm～780nm波长范围内都按照1:1的光强分布比例；分束镜的通光孔径大于90％。
3.根据权利要求1所述的基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法，其特征在于，所述分束镜安装在一个四维微调工作台上。
4.根据权利要求1所述的基于归一化系数消除光源起伏对物体色度测量影响的方法，其特征在于，所述探测器A和探测器B为具有一致性光谱响应度的两个光电倍增管；且探测器A和探测器B前端都装有环形椭球反射镜。
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