一种基于led光源的分光测色仪及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于LED光源的分光测色仪及其实现方法，包括：一积分球、耦合光路和光谱仪，其中，所述积分球的内壁上分布有8个LED组成的复合光源，且积分球球壁设置光源入射孔径，每个LED发出的光从光源入射孔径入射积分球内部，投射在积分球内壁上；耦合光路用于将测量口径处的光线耦合进入入射狭缝，同时去除积分球内壁的杂散光；光线从积分球的观察孔径出射后，经过耦合光路进入光谱仪的入射狭缝，经过分光光路分光后，投射到线阵传感器上，线阵传感器上的不同像元对应了不同波长处的光辐射强度。
【专利说明】-种基于LED光源的分光测色仪及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及反射光谱测量【技术领域】，特别设及一种基于L邸光源的分光测色仪及 其实现方法。
【背景技术】
[0002] 反射光谱测量是颜色测量的基本手段，通过获得被测样品表面可见光范围内的光 谱反射率曲线计算得到颜色=刺激值和其它色参数。分光颜色测量仪器的前身为分光光度 计，该两种仪器都用于测量被测样品的光谱反射比或光谱透射比。由于分光光度计的技术 的各项技术已经比较成熟，该些技术在在测色仪器中得到了很好的继承。目前的颜色测量 仪器从结构和测量原理上可W分为=种：光电积分颜色测量仪器、光谱扫描式颜色测量仪 器和分光测色仪。
[0003] 光电积分式颜色测量仪器不采用分光原理，一般采用单颗传感器对整个可见光波 段进行一次性积分测量。
[0004] 光谱扫描式的颜色测量仪器，结构与分光光度计非常相似，一般采用〇:D几何条 件。通过转动光栅，将光源发出的光首先分光成单色光，然后照射到被测样品上，再用单颗 传感器测量反射光信号。
[0005] 分光测色仪不对光源光进行分光，光源发出的光首先照射到被测样品上，收集反 射光后对反射光分光，再用阵列传感器进行检测。分光测色仪可W提供D: 0、45:0等几何条 件。目前的便携式的测色仪器一般都是分光测色仪。
[0006] 对于分光测色仪，由于颜色测量有其特殊的应用场合和测试特点，在仪器设计时 需要进行W下特殊的考虑。
[0007] 首先，分光测色仪的光谱范围不同。常规的分光测色仪的检测光谱范围集中在可 见光范围。CIE推荐的光谱检测范围为360-830nm。由于光谱短波和长波部分两段对色度 学计算影响较小，所W在大多数的颜色测量仪器设计中，光谱检测范围设置为380-780nm， 甚至400-700nm。但是，由于被检测样品的不同，如果仪器测试光源光谱范围有区别，也会给 测试结果带来较大的影响。尤其是在测量包含巧光物质的材料时，仪器光源光谱分布中是 否包含紫外成分会导致测试结果出现很大的偏差。
[000引其次，通常物体表面反射光谱形状比较平缓，在计算颜色=刺激值时，对仪器的波 长分辨率要求相对分光光度计稍低。CIE推荐计算的波长分辨率为Inm，在应用中可W选用 lOnm。目前大多数分光测色仪都选择lOnm波长分辨率。
[0009] 另外，在颜色测量中，测试几何条件相对于分光光度计要复杂许多。CIE对反射样 品、透射样品的测量都规定了多种测试几何条件。不同应用须选择相应的测试几何条件。由 于不同仪器生产厂商的技术路线不同，测试几何条件的设计方法也多有不同。不同的测试 几何条件导致仪器测量结果存在着一定的器间差。在仪器设计中需要对测试几何条件进行 严谨的设计。
[0010] 分光测色仪器的测量原理为测量物体的光谱反射或光谱透射特性，再选用CIE的 标准照明体和标准观察者，通过积分计算，求得颜色的=刺激值。分光测色仪器实际上是一 种物理量测色仪器，测量出材料表面光谱反射率后，根据CIE标准色度系统光谱=刺激值 函数计算出样品表面颜色的=刺激值X，Y，Z等一系列其他屯、理物理量参数。分光测色仪主 要是由光源，分光系统，光电检测系统W及电子控制与数据处理系统等主要部分构成。
[0011] 传统的分光测色仪多采用面鹤灯或氣灯作为测试光源。面鹤灯是颜色测量中最常 使用的可见光波段的光源。面鹤灯的高稳定性使其非常适合于作为颜色测量的照明光源或 福射定标光源。面鹤灯最重要的特点是它的输出谱线非常平滑，无断裂、尖峰或凹陷，如图 1所示。但是面鹤灯光谱分布在短波和紫外部分能量不足。该种情况会导致两个问题；1.短 波部分的测量信号信噪比较低，影响测量重复性。2.不能提供对巧光材料进行测量时需要 的紫外光谱能量。
[0012] 另外，面鹤灯的功耗较高，使得仪器的工作时间相应缩短。如果要在分光测色仪中 应用面鹤灯作为测试光源，应针对W上做优化考虑。氣灯光源在可见光和紫外的光谱范围 具有很好的光谱能量分布，如图2所示。很多分光测色仪器都采用脉冲氣灯作为照明光源。 但是，脉冲氣灯的功耗大、寿命相对低。
[0013] 随着L邸技术的发展，越来越多的仪器生产商采用L邸作为便携式分光测色仪的 测量光源。L邸光源寿命长、响应快、功耗低，为了保证照明光源在可见光光谱范围内有充足 的光谱分布，需要用多个LED光源组合成复合L邸光源。
[0014] 国家技术监督局于1994年制定了 JJG 867-1994《光谱测色仪检定规程》，2002年 发布了 JJG 595-2002《测色色差计检定规程》。该两个检定规程分别应用于光谱扫描颜色 测量仪器和光电积分颜色测量仪器的检定，在检测指标上都有各自不同的针对性。对于分 光测色仪还没有适用的检定规程。在目前的实际检定工作中，各个计量检定机构对分光测 色仪多是应用JJG 595-2002来进行检定的。JJG595-2002提出了对测色仪器的复现性检测 要求。复现性检测的目的是为了评价仪器对被测样品表面照明均匀程度。复现性的检定办 法为，在仪器开机预热后，连续测量标准参考白板8次。8次测量中每次测量都要W白板中 屯、为轴转动约45度。测量结果的复现性指标A 1的计算方法如下： 狂 I眶； 其中，为仪器测量的各参数(=刺激值，色品坐标，色差等）的第i次测量值；狂为 测量的平均值。
[0015] 仪器复现性的评价分级标准如下表所示：
【权利要求】
1. 一种基于LED光源的分光测色仪，其特征在于，包括： 一积分球，其内壁上分布有8个LED组成的复合光源，且积分球球壁设置光源入射孔 径，每个LED发出的光从光源入射孔径设入积分球内部，投射在积分球内壁上； 耦合光路，用于将测量口径处的光线耦合进入入射狭缝，同时去除积分球内壁的杂散 光； 光谱仪； 光线从积分球的观察孔径出射后，经过耦合光路进入光谱仪的入射狭缝，经过分光光 路分光后，投射到线阵传感器上，线阵传感器上的不同像元对应了不同波长处的光辐射强 度。
2. 根据权利要求1所述的基于LED光源的分光测色仪，其特征在于，所述积分球的上半 球为规则半球体，积分球的下半球设计成圆锥状，圆锥角度为与底面法线方向成45°角。
3. 根据权利要求1所述的基于LED光源的分光测色仪，其特征在于，所述积分球为直径 45mm的积分球，光谱仪的入射狭缝的尺寸为75*750um。
4. 根据权利要求1所述的基于LED光源的分光测色仪，其特征在于，在积分球测试口处 设置参考白板拨片，参考白板的积分球侧表面为标准白板；用于当参考白板打开时，对被测 样品进行测量；当积分球关闭时，对参考白板进行测量。
5. 根据权利要求1所述的基于LED光源的分光测色仪，其特征在于，还包括一驱动装 置，其中，所述驱动装置采用步进电机驱动，通过步进电机控制线阵传感器旋转180°。
6. 根据权利要求5所述的基于LED光源的分光测色仪，其特征在于，所述步进电机的步 距角为1. 8° :每旋转18度对信号进行一次采样，每次测量实际进行10次采样，取采样平 均值作为采样结果。
7. -种权利要求1所述的基于LED光源的分光测色仪的实现方法，其特征在于，包括以 下步骤： 51、 每个LED发出的光从光源入射孔径设入积分球内部，投射在积分球内壁上； 52、 光线从积分球的观察孔径出射后，经过耦合光路进入光谱仪的入射狭缝，经过分光 光路分光后，投射到线阵传感器上，线阵传感器上的不同像元对应了不同波长处的光辐射 强度。
8. 根据权利要求7所述的基于LED光源的分光测色仪的实现方法，其特征在于，所述步 骤S2还包括： 通过步进电机控制第一齿轮进行转动，第一齿轮A带动第二齿轮进行转动，第二齿轮 通过轴承带动光谱传感器的安装板进行旋转，每旋转18度对信号进行一次采样，得到一采 样信号；每次测量实际进行10次采样，取采样平均值作为采样结果。
9. 根据权利要求7所述的基于LED光源的分光测色仪的实现方法，其特征在于，所述步 骤Sl之前还包括： 用标准仪器进行波长准确性测量，得到分光测色仪的峰值波长和传感器象元的对应关 系： X=A: *'n+rf;式 1 其中，X为波长，k为比例系数，d为常数项，n为像元序号。
10.根据权利要求9所述的基于LED光源的分光测色仪的实现方法，其特征在于，所述 步骤Sl之前还包括： 受到外界因素影响后，进行波长准确性测量时，会得到新的对应关系：
其中，F，^为新的比例系数和常数项； 此时需要根据式2对式1进行修正，将式1中的k和d，替换为新的定标系数F和，； 其具体修正方法如下： S01、每次开机后，对白色标准色板进行测量；测量时，依次点亮峰值波长400nm的LED1、峰值波长430nm的第三LED3、峰值波长500nm的LED5和峰值波长700nm的LED6 对白色标准色板的反射光信号进行测量，获得每个LED的峰值波长所对应的传感器象元
【文档编号】G01J3/46GK104501960SQ201410775107
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】袁琨, 朱东朔, 吴逸萍 申请人:杭州彩谱科技有限公司, 中国计量学院