TW201441589A

TW201441589A - 二維式時序型色度計檢測方法及該色度計

Info

Publication number: TW201441589A
Application number: TW102115067A
Authority: TW
Inventors: Lan-Sheng Yang; yi-long Weng
Original assignee: Chroma Ate Inc
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-11-01
Also published as: TWI479134B

Abstract

一種二維式時序型色度計檢測方法，用以分析至少一待測物表面的色彩並轉換為色度，其中該色度計具有一個用以照射上述待測物表面的合成光源、一個取像裝置、一個控制及演算輸出裝置及一個儲存裝置；且其中上述合成光源包括複數個中心波長位於可見光範圍且彼此中心波長相異的LED，而上述待測物表面是被設置在一個預定待測區域，該待測區域則被區分為複數待測位置，以及該儲存裝置儲存有每一上述待測位置對每一上述LED的反射以及該取像裝置對每一上述中心波長的響應之整體補償資料。

Description

二維式時序型色度計檢測方法及該色度計

本發明是一種二維式時序型色度計檢測方法及該色度計，特別是關於一種能準確量化計算物體表面色彩的色度計。

用於人眼對於物體顏色的感知，是來自可見光照射至物體表面後，受到物體表面反射的漫射光，刺激活化負責彩色感光的視錐細胞，並將光刺激轉換為電訊號至大腦視區進行判別，從而產生顏色知覺而辨別物體的顏色。可見光的波長範圍雖然因人而異，但一般約可涵蓋400~750nm。

由於人類感知色彩過程分別與光源、被照物表面、及觀察者色彩認知有關，並非單純決定於被照物，因此在定量化客觀敘述物體所呈現色彩時，即使排除較難控制的觀察者變因，仍然需要考量光源所造成的影響。為排除光源差異的干擾因素，統一對顏色的定義，國際照明委員會(International Commission on Illumination,CIE)定義出數種標準照明體與標準光源，及於1931年制定一色度圖，透過物體的反射光與CIE制定的配色函數，針對不同的波長予以不同的權重考量，最後計算出色度值大小，因此任何顏色皆可以在色度圖上以色度座標被標示出來。

實務上，顏色測量儀器主要可分為色度計與光譜儀，以CIE標準光源D作為光源，前者是在感光元件前添加符合CIE配色函數的濾光片，當待測物反射光透過配色函數濾光片至感光元件，經過電路的計算可得到對應的色度座標；後者則是利用光色散原理，在色散過的光後方排列多個感光元件，其數量依解析度而不同，然後量測出色光在可見光範圍的光譜分佈，再經由電路套上CIE配色函數算出色度座標。

其中，市面上色度計的配色函數濾光片在實務上很難鍍製，以及相較於CIE標準光源D，色度計提供的光源並無法完全符合標準，造成其量測的色度值也存在誤差，色度計仍具改善及進步的空間。

如台灣發明專利第I291549號「色度儀之色溫可調式方法」，提到一種藉由調整色度儀中光源的色溫，以模擬各CIE標準光源，其主要核心方法是先透過公式的運算，計算出光源所需光譜強度加上配色函數、物體反射率以及光功率計的波長頻率響應後，根據計算出的結果，在利用24顆LED任意組合出符合上述計算出的光譜分佈之光源，但在實務上，此種組合光源光譜分布複雜，無法透過簡單的線性疊加達成，例如：D65+X光源中，500nm附近很難完全匹配，這些匹配不好的區域都是量測誤差來源，實務上這並不是理想的解決方法。

因此，如何設計出色度測量準確度高，及利用多顆不同中心光譜LED所發光，且不須透過複雜的組合及嚴格的篩選，即可使得光源完全符合CIE標準照明體的定義，更重要的是，在測量大面積物體的表面色彩時，可以有效排除空間誤差，使量測更具一定的準確度，以上各點將是製造色度計的重要課題。

本發明之一目的在提供一種色彩量測準確度高的二維式時序型色度計檢測方法與色度計。

本發明之另一目的在提供一種不須透過複雜計算即可利用多顆LED組合成光源的二維式時序型色度計檢測方法與色度計。

本發明之又一目的在提供一種符合CIE標準光源規範的二維式時序型色度計檢測方法與色度計。

本發明之再一目的在提供可量測大面積待測物表面色彩而排除空間誤差的二維式時序型色度計檢測方法與色度計。

依照本發明所揭露的一種二維式時序型色度計檢測方法，用以分析至少一待測物表面的色彩並轉換為色度，其中該色度計具有一個用以照射上述待測物表面的合成光源、一個取像裝置、一個控制及演算輸出裝置及一個儲存裝置；且其中上述合成光源包括複數個中心波長位於可見光範圍且彼此中心波長相異的LED，而上述待測物表面是被設置在一個預定待測區域，該待測區域則被區分為複數待測位置，以及該儲存裝置儲存有每一上述待測位置對每一上述LED的反射以及該取像裝置對每一上述中心波長的響應之整體補償資料，該檢測方法包括下列步驟：a)逐一點亮上述合成光源的各LED，使其時序式照射至上述待測物表面；b)由上述取像裝置依照上述待測位置接收上述各LED照射至上述待測物表面的反射光，並輸出一個反射資料；及c)由上述控制及演算輸出裝置對所有上述反射光，依照每一上述的待測位置對每一照射的LED之反射資料及上述整體補償資料進行補償運算，並輸出一個對應的色度資料。

以及一種二維式時序型色度計，用以分析至少一待測物表面的色彩並轉換為色度，該色度計具有一個供設置上述待測物表面的預定待測區域，且該待測區域包括複數個待測位置，該色度計包括：一個用以照射上述待測物表面的合成光源，包括複數個中心波長位於可見光範圍且彼此中心波長相異的LED；一個指令上述LED時序式逐一照射上述待測區域的控制及演算輸出裝置；一個接收上述待測物表面各上述待測位置所反射上述LED反射光的取像裝置，並輸出至該控制及演算輸出裝置；以及一個儲存裝置，儲存有每一上述待測位置對每一上述LED的反射和該取像裝置對每一上述中心波長的響應之整體補償資料，供該控制及演算輸出裝置依照上述取像裝置輸出的反射資料及上述整體補償資料進行補償運算，並輸出一個對應的色度資料。

其中補償運算乃本案之關鍵技術，補償內容可分為對位置的補償，以及對合成光源的補償，對位置的補償是透過在測量待測物之前對色度計進行校正，將一片標準白板設置在待測區域裡，其中待測區域又可細分為多個待測位置，逐一點亮複數個LED，並由取像裝置記錄下每一個待測位置對應每一LED的反射資料，再針對每一LED計算出使每一待測位置均一化的位置補償資料，以解決習知色度計在測量時，光源或待測物的位置，以及待測物表面的面積大小，在取像裝置擷取反射資料時，因距離的不同所產生測量結果的誤差。

如圖1所示，本案首先將標準白板放置於待測區域，並且將標準白板所涵蓋的待測區域劃分成一個例如3X3矩陣，並以例如一CCD元件作為取像裝置，則對矩陣中的每一區塊位置CCD將獲得一個感測量度及色彩數值。此取像結果一方面會隨LED的擺放位置而在空間方面有所差異，例如中間正對光源位置較亮、周圍位置較暗的情形；另方面，也會隨CCD對矩陣每一區塊位置的相對空間差異，使所接收到的反射資料產生影響，若要獲得正確感測資料，對於上述兩者都必須給予對應的補償，才能使得矩陣中所有區塊位置測量結果皆是相同的亮度與色彩。

其次，由於本案合成光源是利用多個中心波長相異的LED所組合而成，在取像裝置擷取反射資料時，也會因取像裝置中的感光元件對於不同的波長會有不同的響應大小，而造成測量的誤差。尤其更進一步，當每一個LED本身發光的亮度及中心波長也會隨著操作溫度及老化等因素而有發光強弱差異、衰減、及波長漂移等現象。因此在實際測量之前，對於每一個LED都必須依據其發光強度與波長進行補償，取得波長補償資料，依照CIE標準光源的規範，作為補償依據，例如透過多個LED可模擬出CIE標準光源D65的發光強度與光譜分布。

綜合上述，藉由事先的校正取得位置補償資料與波長補償資料，並將兩項補償資料整合成整體補償資料，且將該整體補償資料記錄在儲存裝置中，作為實際測量時，取像裝置擷取到反射資料後，控制及演算輸出裝置進行補償資料的依據，例如，在被劃分為九宮格的待測物表面上，以紅光LED進行照射，當取像裝置擷取到九宮格中心點位置的反射光，控制及演算輸出裝置即可透過整體補償資料，對該中心點的位置、紅光波長以及CIE配色函數進行補償運算，進而得到一個不會因待測物位置及光源種類而產生誤差的測量結果，使每一次的測量都可以得到正確的色度資料。

因此本案適合量測大面積的待測物，同時，不須特別對光源LED進行複雜的組合，即可模擬CIE標準光源，更重要的是，量測結果不因待測物、光源或取像裝置位置有所改變而產生誤差，以上所述即為本發明所著重之要點。

1‧‧‧二維式時序型色度計

11‧‧‧合成光源

111、111₁、111₂、111₃‧‧‧LED

12‧‧‧取像裝置

121‧‧‧CCD

13‧‧‧控制及演算輸出裝置

14‧‧‧儲存裝置

15‧‧‧預定待測區域

151‧‧‧待測位置

152‧‧‧矩陣

2‧‧‧標準白板

3’‧‧‧半球形反射罩

4’‧‧‧待測物

401-407‧‧‧步驟

501-504‧‧‧步驟

圖1是習知色度計光源照射分布及取像亮度不均示意圖。

圖2是本發明第一較佳實施例示意圖。

圖3為第一較佳實施例結構方塊圖。

圖4是本發明校正補償流程示意圖。

圖5是第一較佳實施例量測流程示意圖。

圖6是本發明第二實施例示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現；相同或相似的元件，將以相似的標號標示。

如圖2與圖3所示，本發明第一較佳實施例，二維式時序型色度計1包括：一個合成光源11、一個控制及演算輸出裝置13、一個取像裝置12及一個儲存裝置14，其中合成光源11是由例如20個中心波長位於可見光範圍且彼此中心波長相異的LED111所組成，控制及演算輸出裝置13可指令上述的LED111時序式逐一點亮，該取像裝置12包括一CCD 121元件，以及一個供設置待測物的預定待測區域15，且該預定待測區域15包括複數個待測位置151。如前所述，藉由上述20個中心波長彼此相異的LED111，並且分別控制其輸入電能，可以輕易組合出模擬任何特定波長分布的光源，例如CIE的標準光源D65。

在實際測量之前，本發明必須有一個前置的校正補償步驟，請一併參考圖4流程圖，在步驟401將一片標準白板2設置在預定待測區域15，並由控制及演算輸出裝置13指令點亮合成光源11中的一個LED111 照射該標準白板2，步驟402取像裝置12擷取每一待測位置151對應該LED111的反射資料，並輸出反射資料至控制及演算輸出裝置13，其中該反射資料包括，反射光強度及波長，步驟403由控制及演算輸出裝置13判斷每一個LED111是否皆已被單獨點亮過，如果否，則回步驟401繼續點亮其他LED111，直到每一個LED111皆被點亮且取像裝置12皆已完成取像後，在步驟404控制及演算輸出裝置13針對每一LED111計算出一個使每一待測位置151反射光均一化的位置補償資料，及在步驟405控制及演算輸出裝置13依照每一LED111的發光強度、及取像裝置12對每一LED111中心波長的響應，計算出一個使每一LED111發光強度模擬一個預定發光強度成分的波長補償資料，本實施例中，以CIE標準光源D65作為預定模擬的光源，隨後步驟406控制及演算輸出裝置13整合計算上述位置補償資料及波長補償資料，並獲得每一待測位置151對應每一LED111反射資料的整體補償資料，最後在步驟407將該整體補償資料傳送至儲存裝置14儲存。

本例中，將20個LED111平行排列成平面直照式光源，且LED111彼此的發光強度大致相等，預定待測區域15分為複數個待測位置151，在本例中是將其區隔為9個待測位置151。

實際量測時，將待測物放置預定待測區域15的矩陣152上，其步驟流程請參考圖5，步驟501由控制及演算輸出裝置13指令點亮平面直照式光源的一個LED111照射待測物，步驟502由CCD依照3X3矩陣中每一待測位置151接收該LED照射至待測物表面的反射光，並輸出一個對應的反射資料至控制及演算輸出裝置13，步驟503由控制及演算輸出裝置13判斷每一個LED111是否皆已被單獨點亮過，如果否，則回步驟501繼續點亮其他LED111，直到每一個LED111皆被點亮且取像裝置12皆已完成取像後，在步驟504由控制及演算輸出裝置13提取儲存裝置14中的整體補償資料，並對所有LED111反射光的反射資料與整體補償資料進行補償運算，其中前述補償運算更包括一個結合CIE配色函數的運算，並輸出一個該待測物表面的色度資料。

由此，設置色度計時根本不需要考慮各LED本身發光強度，只要善用後端的補償運算，即可搭配出類似標準光源的照射效果，大幅降低篩選光源的門檻；另方面，由於各LED配置及取像裝置的設置位置所造成的空間差異，也可以輕易藉由後端的補償運算消除，使得整體的色度檢測準確度與精密度都可以大幅提升。

前一實施例的平面直照式光源是目前最常見的光源型式，但可能導致光線分布不均勻的情形，即使可以藉由上述補償運算彌補，但仍有可以更進一步改善得空間，因此本發明的第二實施例，如圖6所示，合成光源包括一個半球形反射罩3’，其反射面朝向預定待測區域，及20個不同中心波長的LED111₁、111₂、111₃是平行排列且發光方向朝向半球形反射罩3’設置，取像裝置則設置在半球形反射罩3’的頂部開口，待測物4’設置在預定待測區域，藉由半球形反射罩3’內壁面高反射、高擴散的材質使各不同中心波長的LED111₁、111₂、111₃照射光達到更好的混光效果，以提供更均勻化的光線照射。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧二維式時序型色度計

11‧‧‧合成光源

12‧‧‧取像裝置

13‧‧‧控制及演算輸出裝置

14‧‧‧儲存裝置

Claims

一種二維式時序型色度計檢測方法，用以分析至少一待測物表面的色彩並轉換為色度，其中該色度計具有一個用以照射上述待測物表面的合成光源、一個取像裝置、一個控制及演算輸出裝置及一個儲存裝置；且其中上述合成光源包括複數個中心波長位於可見光範圍且彼此中心波長相異的LED，而上述待測物表面是被設置在一個預定待測區域，該預定待測區域則被區分為複數待測位置，以及該儲存裝置儲存有每一上述待測位置對每一上述LED的反射以及該取像裝置對每一上述中心波長的響應之整體補償資料，該檢測方法包括下列步驟：a)逐一點亮上述合成光源的各LED，使其時序式照射至上述待測物表面；b)由上述取像裝置依照上述待測位置接收上述各LED照射至上述待測物表面的反射光，並輸出一個反射資料；及c)由上述控制及演算輸出裝置對所有上述反射光，依照每一上述的待測位置對每一照射的LED之反射資料及上述整體補償資料進行補償運算，並輸出一個對應的色度資料。
如申請專利範圍第1項所述的檢測方法，更包括在步驟a)前的下列預處理步驟：d)將一片標準白板設置在上述預定待測區域，並逐一點亮上述每一LED照射該標準白板；e)記錄每一上述待測位置對每一上述LED的反射資料；f)針對每一上述LED，計算出一個使每一上述待測位置反射光均一化的位置補償資料； g)依照每一上述LED的發光強度、及該取像裝置對每一上述LED中心波長的響應，計算出一個使上述LED發光強度模擬一個預定發光強度成分的波長補償資料；及h)整合計算上述位置補償資料及波長補償資料，獲得每一上述待測位置對每一上述LED反射資料的該整體補償資料。
如申請專利範圍第2項所述的檢測方法，其中計算上述波長補償資料的預定發光強度成分是符合CIE標準光源D65的成分比例。
一種二維式時序型色度計，用以分析至少一待測物表面的色彩並轉換為色度，該色度計具有一個供設置上述待測物表面的預定待測區域，且該預定待測區域包括複數個待測位置，該色度計包括：一個用以照射上述待測物表面的合成光源，包括複數個中心波長位於可見光範圍且彼此中心波長相異的LED；一個指令上述LED時序式逐一照射上述預定待測區域的控制及演算輸出裝置；一個接收上述待測物表面各上述待測位置所反射上述LED反射光的取像裝置，並輸出至該控制及演算輸出裝置；以及一個儲存裝置，儲存有每一上述待測位置對每一上述LED的反射和該取像裝置對每一上述中心波長的響應之整體補償資料，供該控制及演算輸出裝置依照上述取像裝置輸出的反射資料及上述整體補償資料進行補償運算，並輸出一個對應的色度資料。
如申請專利範圍第4項所述的色度計，其中上述合成光源是一個平行排列上述各LED的平面直照式光源。
如申請專利範圍第4項所述的色度計，其中上述合成光源包括一個反射面朝向上述預定待測區域的半球形反射罩，以及上述各LED是平行排列且發光方向朝向上述半球形反射罩設置。
如申請專利範圍第4、5或6項所述的色度計，其中上述合成光源各LED彼此發光強度相等。
如申請專利範圍第4、5或6項所述的色度計，其中上述取像裝置包括一組電荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)。