分光测色仪的工作原理及CIE测色标准介绍
2024-03-14
分光测色仪是颜色测量中常用的一类仪器，这种仪器不直接测量样品颜色的三刺激值，而是在CIE规定的标准测色条件下，通过测量颜色反射或透射光谱，计算出颜色三刺激值，进而得出各种颜色参数。本文对分光测色仪的工作原理及CIE测色标准做了介绍。
分光测色仪的工作原理：
分光测色仪测量光谱透射比或光谱反射比都是采用比较法。是通过定量地比较某些已知光谱特性的“标准”（参照物）和样品在同一波长上透射或反射的单色辐射功率，从而测出祥品的光谱透射比或光谱辐亮度因数。测量透射样品时选用空气作为参照标准，空气是理想透射体，在整个可见光谱范围内透射比均为1。测量反射样品时，用完全反射漫射体作为参照标准。完全反射漫射体的反射比在各个波长上均为1。但是，没有一种实际材料有这样的特性，只能选择与它性质比较接近的材料作为工作标准，目前常采用烟熏、压粉或喷涂的氧化镁，硫酸钡（BaSO4），也有采用海龙（halon）、白陶瓷板等作为参照物的。这些材料要求在个波长上反射比尽可能接近1，而且耐久、易于制造、价格便宜。权衡各个条件，硫酸钡（BaSO4）是现在最好的一种材料。
为了实现比较测量，可以有两种方案。最简单的是采用单光路，仪器只有一条光路，将参照物和祥品依次交替放在光路中进行测量。该方案的优点是能够严格保持参照物和样品在同一光路中进行测量。另一种方案是将单色光分成两束光，一束通过参照物，另一束通过样品。双光束系统最基本的要求是保持两光路对称，光学特性一致。并且在微机控制的仪器中，也可以用微机校正光学特性的不一致性。
采用比较测量能够补偿测量中由于光源的不稳定和探测器灵敏度、光学系统透射比、分光元件效率等随波长而变化的各种因素的影响。这些因素对样品和参照物具有相同的影响而自动地相互抵消。
分光测色的结构组成：
分光测色仪主要由：光源和照明系统、准直系统、色散系统、成像系统、接收系统等几个部分组成。
1.光源和照明系统
分光测色仪器中光源的光谱分布不是关键因素，但光源必须在仪器的整个波长范围内发出连续的光谱辐射，并且有足够的强度，使每一波长上都具有足够能量，那么在探测器上就有满意的信噪比。可利用透镜或反射镜将光源成像在单色器的入射缝上以提高狭缝的照度，照在入射缝上的光应尽可能均匀。
2.准直系统
准直系统由入射狭缝和准直物镜组成。对于仪器内部的系统而言，入射狭缝成为替代的、实际的光源，限制着进入仪器的光束。入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。这样，由它发出的光束经准直物镜后成为平行光束投向色散系统，造成夫琅和费（Fraunhofer）的衍射条件。
3.色散系统
色散系统的作用是将入射的复合光分解为光谱。分光测色仪中色散系统的功能由单色器完成，单色器的功能是输出不同波长单色光的装置。单色器是分光测色仪器中最主要的部分。根据单色器中色散元件的不同大致可以分为：棱镜或光栅分光的单色器、滤光片分光的单色器、可调谐激光器单色器三类。
4.成像系统
成像系统的作用是将空间色散开的各波长的光束汇聚在成像物镜的焦平面上，形成按波长依次排列的狭缝的单色像。
5.接收系统
接收系统的作用是将成像系统焦平面上的光谱能量接收，并检测光谱的强度、波长位置。探测器是接收系统的主要部分。根据所使用的光探测器的不同，分为目视分光光度测色仪（以眼睛作为探测器）和自动分光光度测色仪（应用光电探测器），在颜色科学研究和工业测量中应用广泛的是后者。自动分光光度测色仪包括扫描式分光光度测色仪和快速分光光度测色仪。
6.数据处理系统
数据处理系统是测色仪器的重要部分，通过数据处理系统可以进行大量的数据采集和处理，减轻疲劳程度，增强仪器的实时性；提高仪器的自动化程度，甚至使整个仪器的操作、测量、分析完全按程序自动地进行，并用数字或图表形式显示结果；可以对影响仪器精度的某些误差进行自动修正，提高仪器精度；利用计算机高速运算和存储功能，提高仪器的分析、测量速度。
分光光测色仪CIE测色标准：
分光测色仪是以色度学为基础设计的光学仪器，因此，其需要满足CIE所规定的一些测色标准，具体如下：
1.照明和观测条件
绝大多数的待测物体不是完全的漫反射体，因而照明和观测条件对于光谱反射率因数测量的精确度和实测结果产生影响，为了提高测量精度和统一测量方法，CIE于1971年正式推荐四种测色的标准照明和观测条件：0/d、d/0、0/45和45/0，任何仪器都必须满足其中的一种。
2.标准光源
测量物体表面的颜色，必须在一定的光源下进行。为了统一颜色的标准，CIE规定了测色的标准照明体和标准光源。CIE对“照明体”和“光源”加以区分：“光源”是指能发光的物理辐射体，“照明体”是指特定的光谱功率分布（以表格函数形式给出），这一光谱功率分布不是必须由一个光源直接提供，也不一定能用光源来实现。
3.波长范围
CIE推荐的三刺激值计算公式中，求和的波长范围为360～830nm，波长间隔为1nm。要求得准确的三刺激值就应按照上述要求进行。但目前市场上许多分光测色仪的测量范围仅为400～700nm。由于两端波长范围的截去就会带来三刺激值的计算误差。
4.标准白板
分光测色仪是通过样品反射或透射的光能量与在同样条件下标准反射或透射的光能量进行比较而得到样品的光谱反射因数R或光谱透射比τ的。透射标准是空气，反射标准是完全反射漫射体，又称朗伯表面。现实中不存在这种理想概念的实物标准，但是可以应用物理技术来校准实物。我国色度的国家基准采用双球法对色度基准白板进行了绝对测量，然后用光谱光度法将反射比量值传递到保持量值的副基准和工作基板组上，并通过传递标准白板向各省（市）计量部门或使用单位传递色度量值。
工作标准白板除了要求反射比高、中性好、不透光、表面平整均匀及漫射性尽量好外，更重要的是必须具备：（1）光学稳定性好，长期重复使用量值不变。（2）具有耐磨、抗震特性，在频繁的日常使用中不致损坏工作表面。（3）便于清洁。满足上述技术条件，常用作工作标准白板的材料有：釉面陶瓷白板、抛光乳白玻璃搪瓷白板等。
参比标准白板固定于双光路测色仪的参比光束窗口处，其反射比量值不必知道，但要求反射比高、漫射性好、光谱选择性小等特点。主要用于仪器校准基线，以及在测量中消除诸如光源和探测器灵敏度不稳定，或光路不对称等因素带来的系统误差。BaSO4、HaLon及MgO等压制成的漫射白板可满足参比标准白板的技术要求。
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