影響色差計測量精度的因素分析
色差儀批發(fā)網(wǎng) / 2014-07-17
色差計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雜的課題，涉及到心理學、生理學、物理學、照明學、光學、信息學、幾何學等學科。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的一致結(jié)果，顏色測量必需采用色度學標準。三色匹配是顏色測量的物理基礎(chǔ),而國際照明學會(CIE)制定發(fā)布的標準色度學系統(tǒng)是它的參照基準。
色差計設(shè)計原理
生理解剖學和細胞學都證明人眼視網(wǎng)膜中的3種錐狀細胞能分別對可見光中的455±3(藍色)、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x，y，z或x10，y10，z10來表示的。
色差計就是根據(jù)色度學原理，積分式直讀測色儀器的光源、光學系統(tǒng)和探測器的總體光譜響應(yīng)特性應(yīng)符合選定的標準照明體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)——標準照明體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，決定了色差計的測色準確度。
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 色差計的測頭結(jié)構(gòu)
色差計是由照明系統(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，由單片機處理實現(xiàn)液晶顯示、打印輸出等。
影響因素
1)照明系統(tǒng)。色差計內(nèi)部照明光源通常是標準A光源，而實際應(yīng)用中都需要測量物體在標準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；其次儀器一定要預熱足夠長的時間，使光源光譜穩(wěn)定，才能進行測量。
○2凸透鏡：作用是把光源發(fā)出的光變成均勻得“平行光”。但是實際上這是不可能的，因為我們的光源不是點光源，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，因此慮色器的濾色片應(yīng)該適當?shù)募雍?，以校正由斜光束帶來的影響?隔熱玻璃：因為光電探測器在紅外和紫外波段仍有響應(yīng)，這是色差計所不需要的，也是不希望的。它對實際測量結(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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藍色板
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黃色板
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X的標準值
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73.84
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20.18
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11.95
|
17.53
|
60.94
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X的實測值
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74.18
|
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
|
-0.40
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-1.01
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0.66
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Y的標準值
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78.03
|
10.92
|
19.53
|
23.92
|
64.77
|
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Y的實測值
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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
|
1.63
|
1.54
|
0.59
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Z的標準值
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82.74
|
2.44
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12.05
|
43.39
|
16.31
|
|
Z的實測值
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82.69
|
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
|
-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
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藍色板
|
黃色板
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X的標準值
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73.84
|
20.18
|
11.95
|
17.53
|
60.94
|
|
X的實測值
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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
|
-0.17
|
-0.87
|
0.46
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Y的標準值
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78.03
|
10.92
|
19.53
|
23.92
|
64.77
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Y的實測值
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77.98
|
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
|
0.76
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Z的標準值
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82.74
|
2.44
|
12.05
|
43.39
|
16.31
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Z的實測值
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82.64
|
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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從以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，在沒有隔熱玻璃的數(shù)據(jù)中與標準值的偏差較大，并且某些數(shù)據(jù)超出了1.5，不能達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，達到國家一級品的要求。
○4導光筒：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)漫反射積分計算，以避免沒有經(jīng)過漫反射積分的光線直接到達探測器。
○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，可使出射光能量比入射光低幾個數(shù)量級，將強激光衰減，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。實驗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或別的儀器測出；其次經(jīng)過大量試驗確定濾色片的型號，根據(jù)測得透過率特性和色匹配函數(shù)的曲線，通過做大量的試驗大體上確定濾色片的型號；最后用計算機強大數(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。因為不同批次的同厚度同型號的濾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)影響計算結(jié)果的因素有很多主要如下:
○1黑筒：色差計測量之前必需進行調(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，實際上是不能實現(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，否則嚴重影響測量結(jié)果。這是因為A/D轉(zhuǎn)換的基準電壓是一定值，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驗室進行實驗和改進，取得了很好的效果。并成功地應(yīng)用在新型數(shù)字色差計上，通過實踐證明，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。通過對色差計軟件和硬件的調(diào)整和改進，使其達到了國家標準一級品的要求。
客服一