CN115307736B - 一种分光色度计集光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分光色度计集光系统。本发明的分光色度计集光系统包括：积分球、测试光路、定标光路。被测物置于积分球的窗口下方，积分球内设置有LED光源，测试光路采集被测物向四周散射或反射光线并耦合至第一导光光纤后由第一光谱仪对被照明的被测物进行光谱测量，定标光路采集积分球内侧壁被照明后向四周散射或反射光线并耦合至第二导光光纤后由第二光谱仪对积分球内侧壁散射光进行光谱测量，测得数据经计算机处理后，得到被测物色度值。其中，测试光路中设置有孔径光阑，可通过改变孔径光阑的形状和大小实现检测范围的变化。

Description

一种分光色度计集光系统

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种分光色度计集光系统。

背景技术

目前，很多行业如汽车、手机、纺织等对颜色的管控越来越严格，产品颜色的准确度已成为重要的评价指标之一。非接触式分光色度计可在线检测产品颜色，能够既高效又准确地测量产品颜色。分光色度计光学系统由集光系统和光谱仪系统两部分构成，集光系统收集来自被检目标的漫反射光，由光纤耦合进入光谱仪系统。集光系统的设计需考虑测量范围、测量角度、测量距离、杂光抑制等，是颜色测量技术环节中的关键之一。

现有技术方案中，集光系统通常由单镜片或一组镜片组成，直接将被测物表面的漫反射光收集至光纤端面。尽管该方案具备低成本的优势，但其直接成像的系统结构通常易受杂散光影响。此外，这种简单的集光系统很难对被测物表面检测范围进行调整，其检测范围通常受限于光纤端面尺寸或镜头口径。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种抗杂散光干扰，测量范围可调的分光色度计集光系统。

一种分光色度计集光系统，包括：

积分球，产生均匀漫反射光，照明被测物；

定标光路，光轴指向积分球内侧壁，用于采集所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线；

测试光路，光轴指向所述被测物，用于采集所述被测物向四周散射或反射的光线，包括：

一次成像镜组，所述被测物成像在该一次成像镜组一倍焦距与两倍焦距之间；

视场光阑，位于所述一次成像镜组的后焦面，该视场光阑的大小决定了采集光束的角度范围；

孔径光阑，与所述被测物所在平面关于所述一次成像镜组共轭，所述一次成像镜组对所述被测物所成像位于该孔径光阑所在平面；

准直镜组，位于所述一次成像镜组两倍焦距处，准直经过孔径光阑后的光束；

二次成像镜组，使经所述准直镜组准直后的光束在该二次成像镜组后焦面聚焦；

第一导光光纤，该第一导光光纤端面位于所述二次成像镜组的后焦面，聚焦后的光束由此耦合进入该第一导光光纤。

作为本发明的进一步改进，所述积分球包括：

LED光源，设置在所述积分球内部，使得该积分球内产生均匀漫反射光；

窗口，设置在所述积分球底部，所述积分球内的均匀漫反射光可透过窗口照明位于所述窗口下方的被测物；

第一出光口，位于所述积分球顶端，用于所述被测物向四周散射或反射的光线由所述积分球出射；

第二出光口，位于所述积分球顶端，用于所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线由所述积分球出射。

作为本发明的进一步改进，所述定标光路包括：

聚焦镜组，将所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线聚焦在该聚焦镜组后焦面；

第二导光光纤，该第二导光光纤端面位于所述聚焦镜组后焦面，经所述聚焦镜组聚焦后的光束由此耦合进入第二导光光纤。

作为本发明的进一步改进，所述一次成像镜组、所述准直镜组、所述二次成像镜组和所述聚焦镜组结构均相同，所述结构包括单透镜、双胶合透镜或多透镜组。

作为本发明的进一步改进，所述一次成像镜组、所述准直镜组、所述二次成像镜组和所述聚焦镜组结构为双胶合透镜，由材料为F_Silica，曲率半径为9.6、-6.9，厚度为2mm，口径为7mm的正透镜和材料为H-F5，曲率半径为-6.9、-17.2，厚度为2mm，口径为7mm的负透镜组成。

作为本发明的进一步改进，所述孔径光阑的大小和形状由所述被测物所在平面内所需检测区域的大小和形状决定，该分光色度计集光系统的测量直径为1mm～4mm。

作为本发明的进一步改进，所述一次成像镜组与所述准直镜组在结构上对称放置，所述准直镜组和所述二次成像镜组在结构上对称放置。

作为本发明的进一步改进，所述视场光阑尺寸大于所述第一导光光纤端面尺寸。

一种分光色度计，包括：

如上所述的分光色度计集光系统，采集所述被测物向四周散射或反射的光线和所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线；

光谱仪系统，包括：

第一光谱仪，接收所述被测物向四周散射或反射的光线，对被测物进行光谱测量；

第二光谱仪，接收所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线，对积分球内侧壁散射光进行光谱测量；

计算机，对由所述第一光谱仪和所述第二光谱仪测得的光谱数据进行计算，得到被测物的色度值。

一种分光色度计光谱测量的方法，使用如权利要求9所述的分光色度计测量，包括以下步骤：

S1：点亮所述积分球内的所述LED光源，位于所述窗口下方的所述被测物和所述积分球内侧壁被该积分球内均匀漫反射光照明，向四周散射或反射光线；

S2：与所述测试光路光轴平行或近似平行的所述测试光束被该测试光路收集并耦合进入所述第一导光光纤；所述积分球内侧壁被照明后向四周散射或反射光线；与所述定标光路光轴平行或近似平行的所述定标光束被该定标光路收集并耦合进入所述第二导光光纤；

S3：进入所述第一导光光纤的光线传递至所述第一光谱仪，对所述被测物进行光谱测量；进入所述第二导光光纤的光线传递至所述第二光谱仪，对所述积分球内侧壁散射光进行光谱测量；

S4：所述第一光谱仪和所述第二光谱仪测得的数据经计算机处理后，得到所述被测物色度值。

本发明的有益效果：

1、本发明集光系统测试光路中孔径光阑与被测物面的共轭关系，使之可通过调整孔径光阑的开孔大小调整被测物表面检测范围。

2、本发明集光系统测试光路通过二次成像，视场光阑和孔径光阑阻止了视场外光线直接和通过一次散射进入光纤端面，大大降低了系统杂散光，光纤端面所接收到的光线基本均来源于被测物，极少数来源于其他表面的三次散射光线，杂光一般不足0.05％，大大提高了本发明集光系统的抗杂光干扰能力。

3、本发明集光系统测试光路中的三组镜组两两对称放置，可最大限度的消除像差，有效提高集光能力和光纤耦合效率。

附图说明

图1是本发明的分光色度计示意图。

图2是本发明的集光系统测试光路。

图3是本发明的测试光路中物与孔径光阑的共轭关系。

图4是本发明的集光系统定标光路。

图中标号说明：1、集光系统；2、积分球；201、LED光源；202、窗口；203、积分球内侧壁；3、测试光路；301、测试光束；302、一次成像镜组；303、视场光阑；304、孔径光阑；305、准直镜组；306、二次成像镜组；307、第一导光光纤端面；4、定标光路；401、定标光束；402、聚焦镜组；403、第二导光光纤端面；5、第一导光光纤；6、第二导光光纤；7、被测物；801、第一光谱仪；802、第二光谱仪；9、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明优选实施例公开了一种分光色度计，包括：集光系统1、光谱仪系统和计算机9，其中，集光系统1包括：

积分球2，包括：

LED光源201，点亮后可使得积分球2内产生均匀漫反射光；

窗口202，被测物7位于积分球窗口202下方，积分球2内的均匀漫反射光透过窗口202照明被测物7；

第一出光口，位于积分球2上方，用于被测物7向四周散射或反射的光线由积分球2出射；

第二出光口，位于积分球2上方，用于积分球内侧壁203向四周散射或反射的光线由积分球2出射。

测试光路3，光轴指向被测物7，用于采集被测物7向四周散射或反射的光线，如图2所示，包括：

测试光束301，由被测物7反射，与测试光路3光轴平行或近似平行的光束；

一次成像镜组302，被测物7成像在一次成像镜组302一倍焦距与两倍焦距之间；

视场光阑303，位于一次成像镜组302的后焦面，视场光阑303的大小决定了收集测试光束301的角度范围；

孔径光阑304，与被测物7所在平面关于一次成像镜组302共轭，如图3所示，一次成像镜组302对被测物7所成像位于孔径光阑304所在平面，孔径光阑304的大小和形状由被测物面内所检测区域的大小和形状决定，通过更换孔径光阑304，可实现任意形状区域的测量以及1mm～4mm的测量范围；

准直镜组305，位于所述一次成像镜组两倍焦距处，准直经过孔径光阑304后的光束；

二次成像镜组306，使经所述准直镜组305准直后的光束在该二次成像镜组306后焦面聚焦；

第一导光光纤5，第一导光光纤端面307位于二次成像镜组306焦面，聚焦后的测试光束301由此耦合进入第一导光光纤5；

在二次成像的过程中，视场光阑303和第一导光光纤端面307共轭，即视场光阑303的像经准直镜组305和二次成像镜组306后成像在第一导光光纤端面307，因此视场光阑303大小还决定了测试光路3在第一导光光纤端面307处的光斑大小。

定标光路4，光轴指向积分球内侧壁203，用于采集积分球内侧壁203散射光，如图4所示，包括：

定标光束401，由积分球内侧壁203反射，与定标光路4光轴平行或近似平行的光束；

聚焦镜组402，将积分球内侧壁203向四周散射或反射的光线聚焦在该聚焦镜组402后焦面；

第二导光光纤6，第二导光光纤端面403位于聚焦镜组402后焦面，聚焦后的定标光束401由此耦合进入第二导光光纤6；

在该光路中，第二导光光纤端面403大小决定了收集来自积分球内侧壁203平行光束的角度范围，对应所测内侧壁的大小和形状则由聚焦镜组402孔径大小和形状决定，由于定标光路4只需要收集来自积分球内侧壁203的散射光，积分球内侧壁203包络了整个球体，且可认为是均匀漫反射表面，因此所测区域不需要为特殊形状和大小，也不需要可调整。

光谱仪系统包括第一光谱仪801和第二光谱仪802，第一光谱仪801接收由测试光路3收集的被测物向四周散射或反射的光线，可对被照明的被测物进行光谱测量；第二光谱仪802接收由定标光路4收集的积分球内侧壁203被照明后向四周散射或反射的光线，可对积分球内侧壁203散射光进行光谱测量。

计算机9可对由第一光谱仪801和第二光谱仪802测得的光谱数据进行计算，得到被测物的色度值。

在本发明的实施例中，测试光路3中的三组镜组和定标光路4中的一组镜组结构均相同，单组镜组可以是单透镜、双胶合透镜或多透镜组；测试光路3的一次成像镜组302与准直镜组305在结构上对称放置，准直镜组305和二次成像镜组306在结构上对称放置。

在本发明的实施例中，测试光路3中视场光阑303尺寸大于第一导光光纤端面307尺寸，孔径光阑304尺寸小于被测物7经一次成像镜组302在孔径光阑304所在平面所成像的尺寸。

在本发明的实施例中，积分球2直径为D，单组镜组焦距为f，则f<D；测试光路3中视场光阑303距一次成像镜组302主平面的距离约为f；测试光路3中孔径光阑304距一次成像镜组302主平面的距离约为1/(1/D-1/f)；测试光路3中视场光阑303距准直镜组305主平面的距离约为f；测试光路3中第一导光光纤端面307距二次成像镜组306主平面的距离约为f；定标光路4中第二导光光纤端面403距聚焦镜组402主平面的距离约为f。

在一个可选的实施方式中，测试光路3和定标光路4中的镜组均位于积分球2外侧。

实施例1

本实施例的积分球2内径为50mm，开孔大小为8mm，视场光阑303的直径为1mm，第一导光光纤5和第二导光光纤6的光纤直径为100μm。

集光系统1的测试光路3和定标光路4中单个镜组采用双胶合透镜，由材料为F_Silica，曲率半径为9.6、-6.9，厚度为2mm，口径为7mm的正透镜和材料为H-F5，曲率半径为-6.9、-17.2，厚度为2mm，口径为7mm的负透镜组成，该双胶合透镜焦距为17.21mm。其中，在一次成像镜组302、二次成像镜组306和聚焦镜组402中，正透镜在前，在准直镜组305中，负透镜在前。

测试光路3中各光学器件之间的间距如下：一次成像镜组302与物面之间的距离为52mm，视场光阑303与一次成像镜组302之间的距离为15.57mm，孔径光阑304与视场光阑303之间的距离为8.22mm，准直镜组305与孔径光阑304之间的距离为5.78mm，二次成像镜组306与准直镜组305之间的距离为2mm，第一导光光纤端面307与二次成像镜组306之间的距离为17.33mm。

定标光路4中各光学器件之间的间距如下：聚焦镜组402与积分球内侧壁203之间的距离为25mm，第二导光光纤端面403与聚焦镜组402之间的距离为15.57mm。理论不考虑镜片厚度，而实际镜片有厚度，故在前面理论部分加上了“镜头主平面”的概念，主平面位置一般位于镜组内部的某处，可以认为镜头是在主平面位置厚度为0的薄透镜。

该实施例中测试光路与第一导光光纤的耦合效率高于97％，定标光路与第二导光光纤的耦合效率高于98％。

本发明优选实施例公开了一种分光色度计光谱测量的方法，包括以下步骤：

S1：点亮积分球2内的LED光源201，位于积分球窗口202下方的被测物7和积分球内侧壁203被积分球2内均匀漫反射光照明，向四周散射或反射光线；

S2：与测试光路3光轴平行或近似平行的光束被测试光路3收集并耦合进入第一导光光纤5；积分球内侧壁203被照明后向四周散射或反射光线，其中与定标光路4光轴平行或近似平行的光束会被定标光路4收集并耦合进入第二导光光纤6；

S3：进入第一导光光纤5的光线传递至第一光谱仪801，对被照明的被测物进行光谱测量；第二导光光纤6的光线传递至第二光谱仪802，对积分球内侧壁203散射光进行光谱测量。

S4：第一光谱仪801和第二光谱仪802测得的数据经计算机9处理后，得到被测物色度值。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种分光色度计集光系统，其特征在于：包括：

积分球，产生均匀漫反射光，照明被测物；

定标光路，光轴指向积分球内侧壁，用于采集所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线；

测试光路，光轴指向所述被测物，用于采集所述被测物向四周散射或反射的光线，包括：

一次成像镜组，所述被测物成像在该一次成像镜组一倍焦距与两倍焦距之间；

视场光阑，位于所述一次成像镜组的后焦面，该视场光阑的大小决定了采集光束的角度范围；

孔径光阑，与所述被测物所在平面关于所述一次成像镜组共轭，所述一次成像镜组对所述被测物所成像位于该孔径光阑所在平面；

准直镜组，位于所述一次成像镜组两倍焦距处，准直经过孔径光阑后的光束；

二次成像镜组，使经所述准直镜组准直后的光束在该二次成像镜组后焦面聚焦；

第一导光光纤，该第一导光光纤端面位于所述二次成像镜组的后焦面，聚焦后的光束由此耦合进入该第一导光光纤；

其中，所述一次成像镜组与所述准直镜组在结构上对称放置，所述准直镜组和所述二次成像镜组在结构上对称放置。

2.如权利要求1所述的分光色度计集光系统，其特征在于：所述积分球包括：

LED光源，设置在所述积分球内部，使得该积分球内产生均匀漫反射光；

窗口，设置在所述积分球底部，所述积分球内的均匀漫反射光可透过窗口照明位于所述窗口下方的被测物；

第一出光口，位于所述积分球上方，用于所述被测物向四周散射或反射的光线由所述积分球出射；

第二出光口，位于所述积分球上方，用于所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线由所述积分球出射。

3.如权利要求1所述的分光色度计集光系统，其特征在于：所述定标光路包括：聚焦镜组，将所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线聚焦在该聚焦镜组后焦面；

第二导光光纤，该第二导光光纤端面位于所述聚焦镜组后焦面，经所述聚焦镜组聚焦后的光束由此耦合进入第二导光光纤。

4.如权利要求3所述的分光色度计集光系统，其特征在于：所述一次成像镜组、所述准直镜组、所述二次成像镜组和所述聚焦镜组结构均相同，所述结构包括单透镜、双胶合透镜或多透镜组。

5.如权利要求3所述的分光色度计集光系统，其特征在于：所述一次成像镜组、所述准直镜组、所述二次成像镜组和所述聚焦镜组结构为双胶合透镜，由材料为F_Silica，曲率半径为9.6、-6.9，厚度为2mm，口径为7mm的正透镜和材料为H-F5，曲率半径为-6.9、-17.2，厚度为2mm，口径为7mm的负透镜组成。

6.如权利要求1所述的分光色度计集光系统，其特征在于：所述孔径光阑的大小和形状由所述被测物所在平面内所需检测区域的大小和形状决定，该分光色度计集光系统的测量直径为1mm～4mm。

7.如权利要求1所述的分光色度计集光系统，其特征在于：所述一次成像镜组与所述准直镜组在结构上对称放置，所述准直镜组和所述二次成像镜组在结构上对称放置。

8.如权利要求1所述的分光色度计集光系统，其特征在于：所述视场光阑尺寸大于所述第一导光光纤端面尺寸。

9.一种分光色度计，其特征在于：包括：

如权利要求1-8任意一项所述的分光色度计集光系统，采集所述被测物向四周散射或反射的光线和所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线；

光谱仪系统，包括：

第一光谱仪，接收所述被测物向四周散射或反射的光线，对被测物进行光谱测量；

第二光谱仪，接收所述积分球内侧壁向四周散射或反射的光线，对积分球内侧壁散射光进行光谱测量；

计算机，对由所述第一光谱仪和所述第二光谱仪测得的光谱数据进行计算，得到被测物的色度值。

10.一种分光色度计光谱测量的方法，其特征在于：使用如权利要求9所述的分光色度计测量，包括以下步骤：

S1：点亮所述积分球内的所述LED光源，位于所述窗口下方的所述被测物和所述积分球内侧壁被该积分球内均匀漫反射光照明，向四周散射或反射光线；

S2：与所述测试光路光轴平行或近似平行的测试光束被该测试光路收集并耦合进入所述第一导光光纤；所述积分球内侧壁被照明后向四周散射或反射光线；与所述定标光路光轴平行或近似平行的定标光束被该定标光路收集并耦合进入第二导光光纤；

S3：进入所述第一导光光纤的光线传递至所述第一光谱仪，对所述被测物进行光谱测量；进入所述第二导光光纤的光线传递至所述第二光谱仪，对所述积分球内侧壁散射光进行光谱测量；

S4：所述第一光谱仪和所述第二光谱仪测得的数据经计算机处理后，得到所述被测物色度值。