影響色差計(jì)測量精度的因素分析
色差儀批發(fā)網(wǎng) / 2014-07-17
色差計(jì)作為顏色檢測的精密儀器被廣泛使用，顏色測量是一個極其復(fù)雜的課題，涉及到心理學(xué)、生理學(xué)、物理學(xué)、照明學(xué)、光學(xué)、信息學(xué)、幾何學(xué)等學(xué)科。物體顏色不僅與物體表面的反射、透射或吸收特性有關(guān)，還與照明光源的光譜功率分布有關(guān)，同時與色視覺特性有關(guān)。為了獲得對顏色評價(jià)的一致結(jié)果，顏色測量必需采用色度學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。三色匹配是顏色測量的物理基礎(chǔ),而國際照明學(xué)會(CIE)制定發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)是它的參照基準(zhǔn)。
色差計(jì)設(shè)計(jì)原理
生理解剖學(xué)和細(xì)胞學(xué)都證明人眼視網(wǎng)膜中的3種錐狀細(xì)胞能分別對可見光中的455±3(藍(lán)色)、530±3(綠色)、625±5(紅色)納米波長的輻射起反應(yīng)。由這種反應(yīng)引起的刺激值,就用作為CIE色度學(xué)系統(tǒng)的三刺激值。模擬人眼受刺激的三刺激值是顏色測量行之有效的方法。因此，定量地表示一個顏色，是跟據(jù)這個顏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以及相應(yīng)的色品坐標(biāo)x，y，z或x10，y10，z10來表示的。
色差計(jì)就是根據(jù)色度學(xué)原理，積分式直讀測色儀器的光源、光學(xué)系統(tǒng)和探測器的總體光譜響應(yīng)特性應(yīng)符合選定的標(biāo)準(zhǔn)照明體D65及10°視場色匹配函數(shù)下的三刺激值,即應(yīng)滿足盧瑟(Luther)條件：
式中：S(λ)——儀器光源的相對光譜功率分布；
SD(λ)——標(biāo)準(zhǔn)照明體D65的相對光譜功率分布；
x10(λ),y10(λ),z10(λ)——10°視場色匹配函數(shù)如(圖1,y軸為增益倍數(shù))；
Kx，Ky，Kz——與波長無關(guān)的常數(shù)；
?x(λ)，?y(λ)， ?z(λ)——儀器特定濾光器的光譜透射比；
(λ)——色差計(jì)探測器未加修正前的相對光譜響應(yīng)度。儀器的總光譜靈敏度符合盧瑟條件的完善程度，決定了色差計(jì)的測色準(zhǔn)確度。
圖1 10°視場色匹配函數(shù)
影響儀器精度的因素
儀器結(jié)構(gòu)(如圖2所示）
圖2 色差計(jì)的測頭結(jié)構(gòu)
色差計(jì)是由照明系統(tǒng)、探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3大部分組成的。其中照明系統(tǒng)是由光源、透鏡、隔熱玻璃和導(dǎo)光筒組成的，探測系統(tǒng)是由積分球、擋板、濾色片和光電池組成的，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集、放大電路構(gòu)成，由單片機(jī)處理實(shí)現(xiàn)液晶顯示、打印輸出等。
影響因素
1)照明系統(tǒng)。色差計(jì)內(nèi)部照明光源通常是標(biāo)準(zhǔn)A光源，而實(shí)際應(yīng)用中都需要測量物體在標(biāo)準(zhǔn)D65和C光源下的色度值，所以要模擬出D65光源，只要使儀器總的光譜靈敏度符合D65下的盧瑟條件即可。
在照明系統(tǒng)中影響測量精度的因素有:
○1照明光源：在設(shè)計(jì)光源的供電電路時要保證電源輸出電壓的穩(wěn)定性，這樣才能保證光源發(fā)光穩(wěn)定；其次儀器一定要預(yù)熱足夠長的時間，使光源光譜穩(wěn)定，才能進(jìn)行測量。
○2凸透鏡：作用是把光源發(fā)出的光變成均勻得“平行光”。但是實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)槲覀兊墓庠床皇屈c(diǎn)光源，所以只能得到近似的平行光。由此它對慮色器光譜透射比的影響如下：
其中,α為光線與慮色器法線的夾角;!為光束最大傾斜角；?為有色玻璃厚度。上式表明斜光束使得能量增強(qiáng)，因此慮色器的濾色片應(yīng)該適當(dāng)?shù)募雍?，以校正由斜光束帶來的影響?隔熱玻璃：因?yàn)楣怆娞綔y器在紅外和紫外波段仍有響應(yīng)，這是色差計(jì)所不需要的，也是不希望的。它對實(shí)際測量結(jié)果有很大的影響，所以我們選擇在透鏡下方增加一塊隔熱玻璃，用來消除紫外和紅外部分。下面是無隔熱玻璃時的測量結(jié)果見表1。
表1 無隔熱玻璃時的測量
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白色板
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紅色板
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綠色板
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藍(lán)色板
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黃色板
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X的標(biāo)準(zhǔn)值
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73.84
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20.18
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11.95
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17.53
|
60.94
|
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X的實(shí)測值
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74.18
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19.68
|
11.55
|
16.52
|
61.60
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差值△X
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0.35
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-0.5
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-0.40
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-1.01
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0.66
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Y的標(biāo)準(zhǔn)值
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78.03
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10.92
|
19.53
|
23.92
|
64.77
|
|
Y的實(shí)測值
|
78.08
|
10.06
|
21.16
|
25.46
|
65.36
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差值△Y
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-0.15
|
-0.86
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1.63
|
1.54
|
0.59
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Z的標(biāo)準(zhǔn)值
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82.74
|
2.44
|
12.05
|
43.39
|
16.31
|
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Z的實(shí)測值
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82.69
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3.06
|
11.67
|
42.07
|
17.87
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差值△Z
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-0.05
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0.48
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-0.38
|
-1.32
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1.56
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下面是有隔熱玻璃時的測量結(jié)果見表2。
表2 有隔熱玻璃時的測量結(jié)果
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白色板
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紅色板
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綠色板
|
藍(lán)色板
|
黃色板
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X的標(biāo)準(zhǔn)值
|
73.84
|
20.18
|
11.95
|
17.53
|
60.94
|
|
X的實(shí)測值
|
73.98
|
19.58
|
11.78
|
16.86
|
61.40
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差值△X
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0.15
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-0.6
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-0.17
|
-0.87
|
0.46
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Y的標(biāo)準(zhǔn)值
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78.03
|
10.92
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19.53
|
23.92
|
64.77
|
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Y的實(shí)測值
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77.98
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10.16
|
20.86
|
24.96
|
65.56
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差值△Y
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-0.05
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-0.76
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1.33
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1.04
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0.76
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Z的標(biāo)準(zhǔn)值
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82.74
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2.44
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12.05
|
43.39
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16.31
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Z的實(shí)測值
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82.64
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3.06
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11.87
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42.51
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17.67
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差值△Z
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-0.1
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0.48
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-0.18
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-0.88
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1.36
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從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在沒有隔熱玻璃的數(shù)據(jù)中與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差較大，并且某些數(shù)據(jù)超出了1.5，不能達(dá)到國家一級品的要求；而在加了隔熱玻璃以后數(shù)據(jù)誤差變小，達(dá)到國家一級品的要求。
○4導(dǎo)光筒：為了保證光線照射到待測樣品上時，光線與透鏡軸線的夾角不超過10°，需要把一些傾斜角較大的光線去處掉，這樣消除去雜散光。
2)探測系統(tǒng)。光照射在被測物體上,然后反射到下半積分球內(nèi)，經(jīng)隔板漫反射進(jìn)入上半積分球，最后經(jīng)濾色片選擇性吸收后被光電池吸收轉(zhuǎn)變成電信號。
○1隔板：在積分球上半球和下半球之間安裝一個與積分球相同材質(zhì)的隔板，使光線形成漫反射，在積分球內(nèi)漫反射積分計(jì)算，以避免沒有經(jīng)過漫反射積分的光線直接到達(dá)探測器。
○2積分球：積分球是一個中空的球腔,球腔上開有入孔和出孔，腔壁一般為具有漫反射性質(zhì)的涂層。當(dāng)積分球用于激光功率與能量測量時，被測激光束從入孔射入，經(jīng)過腔壁復(fù)雜的漫反射后，一部分光被腔壁吸收，其余從入孔和出孔射出。通過特殊的設(shè)計(jì)，可使出射光能量比入射光低幾個數(shù)量級，將強(qiáng)激光衰減，用弱光探測器測量取樣出孔處的光功率、波形和能量，換算后即可得到原入射光束的相應(yīng)參數(shù)。在0/d條件下當(dāng)量光譜反射比(經(jīng)過多次反射的綜合作用結(jié)果ρs(λ)的計(jì)算公式如下：
ρs(λ)為積分球內(nèi)壁材料的光譜反射比；D為積分球內(nèi)腔直徑；f為積分球開口面積和總面積之比；s為樣品被照射面積。
從上面的公式可以分析出，光譜反射比經(jīng)過積分球后損失較大，這就大大減小了儀器的信噪比。傳統(tǒng)的內(nèi)壁材料一般是BaSO4噴涂，它容易老化和脫落，所以經(jīng)過一段時間，儀器的精度會有很大變化。實(shí)驗(yàn)中采用了一種合成樹脂來制造積分球，減小了上述影響。
○3濾色片：當(dāng)選定照明光源和光電池的型號后,濾色片的透過特性決定了色差計(jì)滿足盧瑟條件的程度,也決定儀器的精度。濾色片的匹配原理是當(dāng)濾色片疊加時，總透過率是各片透過率的乘積，某一型號的濾色片的透過率是其厚度的指數(shù)函數(shù)。在匹配濾色片的時，首先要確定其透過特性，可以通過分光光度計(jì)或別的儀器測出；其次經(jīng)過大量試驗(yàn)確定濾色片的型號，根據(jù)測得透過率特性和色匹配函數(shù)的曲線，通過做大量的試驗(yàn)大體上確定濾色片的型號；最后用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能優(yōu)化濾色片的厚度和種類，從而擬合出所需的曲線。
在配制濾色片時，應(yīng)該同一批的濾色片厚度相同，不同批的應(yīng)該重新配制厚度。因?yàn)椴煌蔚耐穸韧吞柕臑V色片由于加工條件和其它因素的影響，其透射率不是完全一樣的。
3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)影響計(jì)算結(jié)果的因素有很多主要如下:
○1黑筒：色差計(jì)測量之前必需進(jìn)行調(diào)零、調(diào)白,用黑筒調(diào)零。理想的黑筒是把光源照射的光全部吸收，實(shí)際上是不能實(shí)現(xiàn)的，所以要選擇吸光性特別好的材料放在黑筒底部，同時黑筒內(nèi)壁應(yīng)車成螺紋以增強(qiáng)光漫反射。
○2接地：接地是抑止噪聲和防止干擾的重要方法。在電信號傳輸?shù)倪^程中，用電纜屏蔽層接地，采用并聯(lián)式一點(diǎn)接地方式，各自的地電位由各自的地電阻和地電流決定，不存在共用阻抗耦合產(chǎn)生的干擾。
○3放大倍數(shù)：光電流經(jīng)過放大，然后連接電阻變成電壓信號。放大倍數(shù)要適中，否則嚴(yán)重影響測量結(jié)果。這是因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓是一定值，所采集信號經(jīng)放大處理后一定要小于這個數(shù)值。
結(jié)果
這些提高精度的方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，取得了很好的效果。并成功地應(yīng)用在新型數(shù)字色差計(jì)上，通過實(shí)踐證明，這些因素如照明系統(tǒng)的隔熱玻璃、積分球的校正、濾色片的優(yōu)化和增益的調(diào)整是必須考慮的。通過對色差計(jì)軟件和硬件的調(diào)整和改進(jìn)，使其達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)一級品的要求。
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