CN214953000U - 一种基于多通道rgb成像的色差仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于多通道RGB成像的色差仪，积分球，所述积分球开设有用于对准待测品的待测品窗口，以及用于供所述待测品的反射光线穿过的出射窗口；成像光路，所述成像光路正对所述积分球上的出射窗口；彩色图像传感器，所述彩色图像传感器正对所述成像光路，所述成像光路位于所述彩色图像传感器与出射窗口连线之间，用于接收所述待测品窗口处的所述待测品的反射光线；位于积分球内的照明部件，所述照明部件包括至少一个用于向所述积分球内部投射的LED光源；所述彩色图像传感器获取待测品与样品的图像以及RGB信息，以对比每一像素位置的RGB值，从而具备成本低，适用快速测量多色块的场景。

Description

一种基于多通道RGB成像的色差仪

技术领域

本实用新型涉及色差测量技术领域，具体为一种基于多通道RGB成像的色差仪。

背景技术

塑胶、印刷、油漆油墨、纺织、印染服装等行业的颜色管理领域，常需要对平面物体进行颜色测量。通常而言包括两个需求，一种是针对需要准确获得待测物体的颜色信息，衍生出测色仪，一般测量连续光谱下物体表面光谱反射率，典型地以分光测色仪为例，采用光栅或者色轮模块进行分光，能够准确的测量样品在测量范围内每间隔特定波长下的光谱反射率，从而获得光谱反射率曲线，但是使用光栅分光的分光测色仪其成本高。另一种需求是对生产中的产品与标准样品间的色差的测量，其对标准样品、生产中的产品本身颜色信息的精度要求不高，通常用于一线生产检测。可以理解，采用分光测色仪可以实现色差的测量，使用光谱反射率可以计算出各种光源条件下的XYZ三刺激值数据，但是分光测色仪的成本较高。

针对上述的第二种需求，也即待测物体与标准样品间的色差，衍生出色差仪，以模拟人眼观察下色彩的偏差。传统色差仪采用对应RGB的三个传感器，滤出RGB三个通道的颜色，以模拟人眼获得的三个刺激值；典型的，采用D65光源照射待测品，待测品表面反射的光源被RGB传感器接收，得到三个分量，根据1964 CIE XYZ色彩空间或者转换为1976 CIE L*a*b*色彩空间，测量显示出样品与被测样品的色差△E*以及△L*、△a*、△b*值。在此种测量方式下，待测品窗口作为一个点进行测量，无法获取待测品窗口中待测品的图像信息，并且在待测品为多色块的情况下，探测口的孔径需匹配单一色块的大小，即孔径需要小于待测色块的大小。

因此，现有技术中或存在因对绝对颜色信息要求不高而不需要成本高的设备，或存在因将待测品作为单一的色块测量，导致的无法获取更多的图像细节信息，测量更小的物体需要更换更小的测量口，通常最小只能测量2mm到4mm直径的面积，而且不同大小测量口的数据往往存在差别；无法测量含有花纹、图案、渐变色的物体表面颜色；无法测量含有相同非纯色图案的物体表面色差；无法评估测量口上整个测量面的颜色、色差细节；

基于此，在色差仪领域，亟需一种成本低、结构简单、多色块图像细节好的色差仪。

实用新型内容

本实用新型提出一种至少能解决背景技术中所提及现有技术缺陷的色差仪，包括了：

积分球，所述积分球开设有用于对准待测品的待测品窗口，以及用于供所述待测品的反射光线穿过的出射窗口；

成像光路，所述成像光路正对所述积分球上的出射窗口；

彩色图像传感器，所述彩色图像传感器正对所述成像光路，所述成像光路

位于所述彩色图像传感器与出射窗口连线之间，用于接收所述待测品窗口处的所述待测品的反射光线；

位于积分球内的照明部件，所述照明部件包括至少一个用于向所述积分球内部投射的光源；

所述彩色图像传感器获取待测品与样品的图像以及RGB信息，以对比每一像素位置的RGB值。

本方案中，光源经过积分球匀化，照射到待测品窗口，经由待测品表面散射的光线经过成像光路，被彩色图像传感器探测，电子系统读取彩色图像传感器的所探测图像的每一像素点的RGB信息，同理，获取所探测标准样品图像的每一像素点的RGB信息，像素位置对准之后，根据CIE规定的色彩空间，得到每个像素位置两幅图像的色差对比。显然，本实用新型探测待测品窗口上待测品表面图案，使得本实用新型的色差仪至少具备以下特点：

可以测量小于2mm到4mm直径的图案；

可以测量含有相同非纯色图案，如含有花纹、图案、渐变色的物体的物体表面色差的问题；

可以评估测量口上整个测量面的图像色差细节；

结构简洁，装配难度、成本低。

在一种可能的实施方式中，所述光源为LED光源，所述LED光源的组合光谱至少覆盖可见光全光谱范围。

在一种可能的实施方式中，所述彩色图像传感器为采用拜耳阵列的CCD。

在一种可能的实施方式中，所述LED光源、彩色图像传感器与电子系统连接，电子系统驱动光源发光并读取彩色图像传感器的数据。

在一种可能的实施方式中，所述出射窗口的中心和所述待测品窗口的中心之间的连线与待测品窗口的法线夹角为8度。

在一种可能的实施方式中，所述出射窗口的中心和所述待测品窗口的中心之间的连线与待测品窗口的法线夹角为0度。

在一种可能的实施方式中，所述积分球包括上半腔与下半腔，所述成像光路与上半腔连接，且成像光路一端延伸至上半腔中，所述成像光路的另一端连接彩色图像传感器

在一种可能的实施方式中，所述积分球的上半腔内壁为白色设置，下半腔内壁为黑色设置。

在结合附图阅读本实用新型的具体实施方案的以下描述之后，本实用新型的其它方面和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1为测量口与色块相对大小示意图；

图2为由四个像素点组成的一个全色值单元示意图；

图3为本申请一实施例的剖视示意图；

图4为本申请一实施例光路示意图；

图5为本申请另一实施例剖视示意图；

图6为本申请另一实施例另一剖视示意图；

图7为本申请另一实施例光路示意图。

主要元件符号说明

色差仪	10
		积分球	101
成像光路	102
		待测品窗口	1011
出射窗口	1012
		光吸收阱	1013
通光通道	1014
		环状间隙	1015
环状	1016
		LED光源	103
图像传感器	104
		电机	105

具体实施方式

为了使实用新型的目的、原理、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，正如本实用新型内容部分所述，此处所描述的具体实施例用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要特别说明的是，根据说明书的文字或者技术内容可以确定的连接或位置关系，为了图画的简洁进行了部分的省略或者没有画出全部的位置变化图，本说明书未明确说明省略的或者没有画出的位置变化图，不能认为没有说明，为了阐述的简洁，在具体阐述时不再一一进行说明，在此统一说明。

为了说明传统色差仪测量多色块图案的局限性的，以下进行简要说明。可以理解，由于传统色差仪的待测品平面视为一个的像素点，这是由测量方式以及测量的目标参数决定的。从而，传统的色差仪适用于纯色的图案的色差的测量，那么需要保证待测品窗口的范围内只能包含同一色块。举例而言，当待测图案是由多个色块组成，如图1所示，传统色差仪需要针对每一色块进行色差测量，分别进行色差对比，导致测量效率低；并且，在测量图中E色块这类小色块时，由于待测品窗口需要落入待测色块的范围内，为匹配待测色块的大小，需要缩小待测品窗口的大小，也即孔径需要缩小，但孔径太小待测品窗口漫反射光线光强较小，在进行色差对比时，测量结果误差较大。同理，对于渐变色图案等，待测品窗口视距范围内包含不易区分边界的色块时，测量结果误差较大。

当然，基于多光谱成像的测色装置也可以用于色差的测量，例如，采用全光谱光源作为入射光，物体表面的反射光被多个相邻光谱范围的光谱传感器所探测，从而得到光谱反射率曲线，但此类装置对于多通道的设计，主要采用窄带滤色片切换与二维传感器的阵列配合的，体积较大，光学元件构成多，成本较大。因此，基于多光谱成像的测色装置一般用于获取准确的待测图案的颜色绝对值，而色差的测量并不需要待测图案精确的颜色参数，相对而言，其并不需要获取待测品与标准样品二者分别的颜色信息绝对值，而是能获取待测图案与标准样品(图案)两者的色差参数，用以评价生产中待测品与标准样品的色差的程度。

因此，需要明确，本申请所得提出色差仪10用于塑胶、印刷、油漆油墨、纺织、印染服装等需要对生产产品与标准样品平面图案的色差测量。

请参见图3至图4，为本实用新型色差仪10的一个实施例，包括：

积分球101，所述积分球101开设有用于对准待测品的待测品窗口1011，以及用于供所述待测品的反射光线穿过的出射窗口1012；成像光路102，所述成像光路102正对所述积分球101上的出射窗口1012；彩色图像传感器104，所述彩色图像传感器104正对所述成像光路102，所述成像光路102位于所述彩色图像传感器104与出射窗口1012连线之间，用于接收所述待测品窗口1011处的所述待测品的反射光线；位于积分球101内的照明部件，所述照明部件包括至少一个用于向所述积分球101内部投射光源；所述彩色图像传感器104获取待测品与样品的图像以及RGB信息，以对比每一像素位置的RGB值。

可以理解，在该实施例中，彩色图像传感器104探测待测品窗口1011的整个图案，实现多通道的色差测量，获取图案每一像素点的RGB值，在此基础上，进行每个像素位置的对两幅图像的像素位置色差对比，即像素位置对准之后，对两幅图像的同一像素位置的对应RGB值进行比较。实现对待测品窗口1011任意像素位置进行色差的分析，完成对待测品窗口1011范围内精准的图案色差二维分布的分析。

需指出，色差仪需要模拟人眼，获取每一像素点的RGB值，对应1964 CIE RGB色彩空间，可以获得待测品图案与标准样品的色差，或者线性变换到所有分量都是一个正的色彩空间，即1964 CIE XYZ空间；可选的，将获取每一像素点的RGB信息转换为1976 CIE Lab色彩空间，以△E*以及△L*、△a*、△b*评价色差程度。

以基于CIE L*a*b*色彩空间模型为例，CIE L*a*b*颜色空间使用L*，a*和b*坐标轴定义CIE颜色空间，所有颜色都可以用L*、a*、b*这三个数值表示。其中，明度指数L*(亮度轴)，表示黑白，0为黑色，100为白色，0～100之间为灰色；色品指数a*(红绿轴)，正值为红色，负值为绿色；色品指数b*(黄蓝轴)，正值为黄色，负值为蓝色。

可以理解，所述成像光路102用于耦合待测品窗口1011发出的反射光线，那么对于成像光路102的光学元件的设置，具备实现耦合反射光线的功能，即只有待测品窗口1011的反射光线才可以沿成像光路102被图像传感器104探测。进一步地，成像光路102接收的反射光线的具体成分(漫反射、镜面反射)根据预定的几何测量条件而定。例如根据CIE(Commission Internationale de l′Eclairage，国际照明委员会)15:2004推荐的有d:d、di:8°、8°：di、8°:de、de:8°、d:0°、45x:0°等。

可选的，对于照明部件的选择，可以是卤素灯或者是LED光源103，只需保证的标准样品与待测品的图像以及RGB信息的探测是在同一光源条件下进行的。优选地，照明部件选择LED光源103，因为LED光源103各波段能量较为均匀且响应时间快。进一步的，对于同时发光的光源数量，一般由多个光源组成预定的光谱范围，当然，若单个光源的光强满足测量要求时，也可以采用单个光源提供照明。

进一步的，由于本申请的色差仪需要模拟人眼观测，优选的，前述预定的光谱范围为可见光的全光谱范围，即400纳米至700纳米。

可选的，所述彩色图像传感器104优选为CCD(charge coupled device，电荷耦合元件)，整个彩色图像传感器104的面积都可以用来接收光信号，受光率接近100％。当然，对于受光率要求不高的场景，也可以采用更便宜的CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补式金属氧化物半导体)图像传感器104。由于人眼对绿色(G)的敏感度高，因此在模拟人眼观测的前提下，需要设置更多的绿色滤色片，以获取具有更高空间分辨率的图像。因而彩色图像传感器104采用的滤波阵列优选为较通用的拜耳阵列(RGGB)，即将2x2滤波矩阵当做最基本的全色值单元，如图2所示，通过统计单元内RGB光强度的比例，计算得出该像素点的色值。

应当注意，CIE的十种反射测量的几何条件中，典型的有di：8°几何条件，即成像光路102接收的待测品表面的反射光包含镜面反射的成分。对应的在本实施例中，如图3及图4所示的实施例，可选的，所述出射窗口1012的中心和所述待测品窗口1011的中心之间的连线与待测品窗口1011的法线夹角为8°，更进一步的，所述积分球101上半部分为半球形、下半部分为圆锥形，对于LED光源103的设置形式，所述LED光源103设置在所述积分球101上半部分，LED光源103与待测品窗口1011的连线设有挡板，避免LED光源103直射待测品表面引起测量误差。

具体的，积分球101内的光路如图3所示，积分球101内，LED光源103发光，经过匀化，照射在位于待测品窗口1011处的待测品表面，该表面漫反射以及镜面反射光由积分球101上的出射窗口1012射出，并由位于同一直线的成像光路102接收，进而被图像传感器104探测。采用di：8°这一测量方法得到的结果可以有效排除样品表面结构的影响，对于诸如有纹理纸张、金属，以及纺织品等样品的颜色测量尤为重要。

当然，可以理解，在di：8°测量条件下，可选的，在积分球101上设置光吸收阱1013，相对成像光路102所在侧，其设置于待测品窗口1011法线的另一侧。通过光吸收阱1013对光线的吸收，避免光吸收阱1013处的光线对所述待测品窗口1011产生镜面反射，避免该镜面反射的光线进入成像光路102，实现了对镜面反射成分的消除。所述电机105用于驱动光吸收阱打开(消除镜面反射成分)或者关闭(包含镜面反射成分)

应当说明，本申请所指色差仪与测色仪在测量目的、获取的信息维度、处理信息的方法是区别的，例如对于测色仪，需要设置多通道以获取光谱的反射率曲线，而在本申请的色差仪获取的为图像信息以及RGB值。

作为积分球101几何条件的另一种实施方式，请参见图5至图7，采用CIE规定的45°的测量方式，此时成像光路102接收的光线不包含镜面反射。可以理解，45°指对于待测品表面，LED光源103从与待测品表面法线夹角为45度的方向进行照明，成像光路102、图像传感器104与待测片表面法线方向位于同一直线，即夹角为0度。在该种实施方式下，作为积分球101另一种结构形式，所述积分球101包括上半腔与下半腔，所述成像光路102与上半腔连接，且成像光路102一端延伸至上半腔中形成通光通道1014，所述成像光路102的另一端连接图像传感器104；如图6所示，在一次测量中，点亮LED光源103，积分球101的上半腔的内壁被照亮，光线在上半腔内壁匀化后，通过上下半腔间的环状间隙1015传播至下半腔、待测品窗口1011。待测品表面的反射光依次通过通光通道1014、成像光路102、被图像传感器104探测。

具体的，进行测量时，组成预定光谱范围的所有光源被点亮，发出的光被积分腔反射均匀化后，照射在待测品表面上，另外有部分光照射在环状1016上，物体表面和环状1016表面上的反射光经过通光通道1014进入成像光路102，并在图像传感器104上形成实像，被图像传感器104探测，依次完成一个周期的测量。

应当注意，对于积分球101，其理想条件至少包括以下：(1)积分球101的内表面是完整的几何球面；(2)积分球101内表面上每一点的半径相同；(3)积分球101内壁是均匀漫反射面；(4)积分球101内壁对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比。显然，在图5至图7的实施例中，事实上只需上半腔满足该积分球101的理想条件，整体而言，上半腔与下半腔组成的本申请所述“积分球101”的结构，包含满足理想积分球101条件的上半腔部分，从而，本申请所述“积分球101”应当扩大理解为一类具备匀光作用的腔体，其包含具备理想积分球条件的结构，而不限定为其整体都满足理想积分球条件。

值得一提的是，本实用新型的所提出色差仪采用单光路的形式，实现了现有双光束测色装置中的分光探测器用于测量色差的功能，减少了一个光路的使用，并用图像传感器取代了光谱传感器，有效降低了用于色差检测的仪器成本和装配复杂度。对于单光路的定义以及说明，可以参考本申请人在先申请的专利：CN201822090184.1。

应注意，本申请所称“图像传感器”均指彩色图像传感器，即可以获得R、G、B三个通道信息的图像传感器。

值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本实用新型的保护范围。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应认定为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多通道RGB成像的色差仪，其特征在于，包括：

积分球，所述积分球开设有用于对准待测品的待测品窗口，以及用于供所述待测品的反射光线穿过的出射窗口；

成像光路，所述成像光路正对所述积分球上的出射窗口；

彩色图像传感器，所述彩色图像传感器正对所述成像光路，所述成像光路位于所述彩色图像传感器与出射窗口连线之间，用于接收所述待测品窗口处的所述待测品的反射光线；

位于积分球内的照明部件，所述照明部件包括至少一个用于向所述积分球内部投射的光源；

所述彩色图像传感器获取待测品与样品的图像以及RGB信息，以对比每一像素位置的RGB值。

2.如权利要求1所述的色差仪，其特征在于，所述光源为LED光源，所述LED光源的组合光谱至少覆盖可见光全光谱范围。

3.如权利要求2所述的色差仪，其特征在于，所述彩色图像传感器为采用拜耳阵列的CCD。

4.如权利要求2所述的色差仪，其特征在于，所述LED光源、彩色图像传感器与电子系统连接，电子系统驱动光源发光并读取彩色图像传感器的数据。

5.如权利要求4所述的色差仪，其特征在于，所述出射窗口的中心和所述待测品窗口的中心之间的连线与待测品窗口的法线夹角为8度。

6.如权利要求4所述的色差仪，其特征在于，所述出射窗口的中心和所述待测品窗口的中心之间的连线与待测品窗口的法线夹角为0度。

7.如权利要求6所述的色差仪，其特征在于，所述积分球包括上半腔与下半腔，所述成像光路与上半腔连接，且成像光路一端延伸至上半腔中形成通光通道，所述成像光路的另一端连接彩色图像传感器。

8.如权利要求7所述的色差仪，其特征在于，所述积分球上半腔的内壁涂覆有白色涂层，下半腔的内壁为涂覆有黑色涂层。

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