影响色差计测量精度的因素分析


色差仪批发网 / 2014-07-17
色差计作为颜色检测的精密仪器被广泛使用,颜色测量是一个极其复杂的课题,涉及到心理学、生理学、物理学、照明学、光学、信息学、几何学等学科。物体颜色不仅与物体表面的反射、透射或吸收特性有关,还与照明光源的光谱功率分布有关,同时与色视觉特性有关。为了获得对颜色评价的一致结果,颜色测量必需采用色度学标准。三色匹配是颜色测量的物理基础,而国际照明学会(CIE)制定发布的标准色度学系统是它的参照基准。
色差计设计原理
生理解剖学和细胞学都证明人眼视网膜中的3种锥状细胞能分别对可见光中的455±3(蓝色)、530±3(绿色)、625±5(红色)纳米波长的辐射起反应。由这种反应引起的刺激值,就用作为CIE色度学系统的三刺激值。模拟人眼受刺激的三刺激值是颜色测量行之有效的方法。因此,定量地表示一个颜色,是跟据这个颜色所占匹配刺激三原色的分量,即三刺激值X,Y,Z或X10,Y10,Z10以及相应的色品坐标x,y,z或x10,y10,z10来表示的。
色差计就是根据色度学原理,积分式直读测色仪器的光源、光学系统和探测器的总体光谱响应特性应符合选定的标准照明体D65及10°视场色匹配函数下的三刺激值,即应满足卢瑟(Luther)条件: 
式中:S(λ)——仪器光源的相对光谱功率分布;
SD(λ)——标准照明体D65的相对光谱功率分布;
x10(λ),y10(λ),z10(λ)——10°视场色匹配函数如(图1,y轴为增益倍数);
Kx,Ky,Kz——与波长无关的常数;
x(λ),y(λ), z(λ)——仪器特定滤光器的光谱透射比;
(λ)——色差计探测器未加修正前的相对光谱响应度。仪器的总光谱灵敏度符合卢瑟条件的完善程度,决定了色差计的测色准确度。
 
图1  10°视场色匹配函数
影响仪器精度的因素
仪器结构(如图2所示)
 
图2  色差计的测头结构
色差计是由照明系统、探测系统和数据处理系统3大部分组成的。其中照明系统是由光源、透镜、隔热玻璃和导光筒组成的,探测系统是由积分球、挡板、滤色片和光电池组成的,数据处理系统是由数据采集、放大电路构成,由单片机处理实现液晶显示、打印输出等。
影响因素
1)照明系统。色差计内部照明光源通常是标准A光源,而实际应用中都需要测量物体在标准D65和C光源下的色度值,所以要模拟出D65光源,只要使仪器总的光谱灵敏度符合D65下的卢瑟条件即可。
在照明系统中影响测量精度的因素有:
○1照明光源:在设计光源的供电电路时要保证电源输出电压的稳定性,这样才能保证光源发光稳定;其次仪器一定要预热足够长的时间,使光源光谱稳定,才能进行测量。
○2凸透镜:作用是把光源发出的光变成均匀得“平行光”。但是实际上这是不可能的,因为我们的光源不是点光源,所以只能得到近似的平行光。由此它对虑色器光谱透射比的影响如下:
 其中,α为光线与虑色器法线的夹角;!为光束最大倾斜角;为有色玻璃厚度。上式表明斜光束使得能量增强,因此虑色器的滤色片应该适当的加厚,以校正由斜光束带来的影响。(隔热玻璃:因为光电探测器在红外和紫外波段仍有响应,这是色差计所不需要的,也是不希望的。它对实际测量结果有很大的影响,所以我们选择在透镜下方增加一块隔热玻璃,用来消除紫外和红外部分。下面是无隔热玻璃时的测量结果见表1。
表1  无隔热玻璃时的测量

 

白色板

红色板

绿色板

蓝色板

黄色板

X的标准值

73.84

20.18

11.95

17.53

60.94

X的实测值

74.18

19.68

11.55

16.52

61.60

差值△X

0.35

-0.5

-0.40

-1.01

0.66

Y的标准值

78.03

10.92

19.53

23.92

64.77

Y的实测值

78.08

10.06

21.16

25.46

65.36

差值△Y

-0.15

-0.86

1.63

1.54

0.59

Z的标准值

82.74

2.44

12.05

43.39

16.31

Z的实测值

82.69

3.06

11.67

42.07

17.87

差值△Z

-0.05

0.48

-0.38

-1.32

1.56

下面是有隔热玻璃时的测量结果见表2。
表2  有隔热玻璃时的测量结果

 

白色板

红色板

绿色板

蓝色板

黄色板

X的标准值

73.84

20.18

11.95

17.53

60.94

X的实测值

73.98

19.58

11.78

16.86

61.40

差值△X

0.15

-0.6

-0.17

-0.87

0.46

Y的标准值

78.03

10.92

19.53

23.92

64.77

Y的实测值

77.98

10.16

20.86

24.96

65.56

差值△Y

-0.05

-0.76

1.33

1.04

0.76

Z的标准值

82.74

2.44

12.05

43.39

16.31

Z的实测值

82.64

3.06

11.87

42.51

17.67

差值△Z

-0.1

0.48

-0.18

-0.88

1.36

从以上实验数据可以看出,在没有隔热玻璃的数据中与标准值的偏差较大,并且某些数据超出了1.5,不能达到国家一级品的要求;而在加了隔热玻璃以后数据误差变小,达到国家一级品的要求。
○4导光筒:为了保证光线照射到待测样品上时,光线与透镜轴线的夹角不超过10°,需要把一些倾斜角较大的光线去处掉,这样消除去杂散光。
2)探测系统。光照射在被测物体上,然后反射到下半积分球内,经隔板漫反射进入上半积分球,最后经滤色片选择性吸收后被光电池吸收转变成电信号。
○1隔板:在积分球上半球和下半球之间安装一个与积分球相同材质的隔板,使光线形成漫反射,在积分球内漫反射积分计算,以避免没有经过漫反射积分的光线直接到达探测器。
 
○2积分球:积分球是一个中空的球腔,球腔上开有入孔和出孔,腔壁一般为具有漫反射性质的涂层。当积分球用于激光功率与能量测量时,被测激光束从入孔射入,经过腔壁复杂的漫反射后,一部分光被腔壁吸收,其余从入孔和出孔射出。通过特殊的设计,可使出射光能量比入射光低几个数量级,将强激光衰减,用弱光探测器测量取样出孔处的光功率、波形和能量,换算后即可得到原入射光束的相应参数。在0/d条件下当量光谱反射比(经过多次反射的综合作用结果ρs(λ)的计算公式如下:
ρs(λ)为积分球内壁材料的光谱反射比;D为积分球内腔直径;f为积分球开口面积和总面积之比;s为样品被照射面积。 
从上面的公式可以分析出,光谱反射比经过积分球后损失较大,这就大大减小了仪器的信噪比。传统的内壁材料一般是BaSO4喷涂,它容易老化和脱落,所以经过一段时间,仪器的精度会有很大变化。实验中采用了一种合成树脂来制造积分球,减小了上述影响。 
○3滤色片:当选定照明光源和光电池的型号后,滤色片的透过特性决定了色差计满足卢瑟条件的程度,也决定仪器的精度。滤色片的匹配原理是当滤色片叠加时,总透过率是各片透过率的乘积,某一型号的滤色片的透过率是其厚度的指数函数。在匹配滤色片的时,首先要确定其透过特性,可以通过分光光度计或别的仪器测出;其次经过大量试验确定滤色片的型号,根据测得透过率特性和色匹配函数的曲线,通过做大量的试验大体上确定滤色片的型号;最后用计算机强大数据处理功能优化滤色片的厚度和种类,从而拟合出所需的曲线。 
在配制滤色片时,应该同一批的滤色片厚度相同,不同批的应该重新配制厚度。因为不同批次的同厚度同型号的滤色片由于加工条件和其它因素的影响,其透射率不是完全一样的。 
3)数据处理系统影响计算结果的因素有很多主要如下: 
○1黑筒:色差计测量之前必需进行调零、调白,用黑筒调零。理想的黑筒是把光源照射的光全部吸收,实际上是不能实现的,所以要选择吸光性特别好的材料放在黑筒底部,同时黑筒内壁应车成螺纹以增强光漫反射。 
○2接地:接地是抑止噪声和防止干扰的重要方法。在电信号传输的过程中,用电缆屏蔽层接地,采用并联式一点接地方式,各自的地电位由各自的地电阻和地电流决定,不存在共用阻抗耦合产生的干扰。 
○3放大倍数:光电流经过放大,然后连接电阻变成电压信号。放大倍数要适中,否则严重影响测量结果。这是因为A/D转换的基准电压是一定值,所采集信号经放大处理后一定要小于这个数值。
结果 
这些提高精度的方法在实验室进行实验和改进,取得了很好的效果。并成功地应用在新型数字色差计上,通过实践证明,这些因素如照明系统的隔热玻璃、积分球的校正、滤色片的优化和增益的调整是必须考虑的。通过对色差计软件和硬件的调整和改进,使其达到了国家标准一级品的要求。

 

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