色差仪光学系统是怎样的？色差仪光源有什么要求？
2024-05-16
色差仪作为光电积分式测色仪器，是利用仪器内部的标准光源照明被测物体，在整个可见光波长范围内进行一次积分测量。因此，其光学系统是其重要的组成部分，而光源又是光学系统的重要组成部分。本文对色差仪光学系统的组成及测试光源的要求做了介绍。
色差仪光学系统的构成：
一般来说，色差仪的光路系统主要由光源、透镜、隔热玻璃、导光筒、积分球和滤色片等几个部分构成，具体如下：
1.光源
光源首先考虑的是稳定性，光源定向性，寿命以及最终获得的光谱曲线的有效性。目前采用的多为卤素石英钨丝灯及氙灯两种光源。
钨灯是颜色测量仪器最常用的光源，它是一个内充惰性气体或者卤素（防止钨丝氧化和热蒸发）的白炽灯泡。用钨作灯丝材料是因为钨具有足够的强度，并能经受高温。经测试在可见光区钨灯的光谱曲线与黑体发射器光谱曲线几乎完全重叠。随着近年稳压电源和脉冲电源的发展，钨灯能够提供重复稳定的，高色温的光束，完全可以满足外观颜色测量对光源的需要。
氙灯是另一种常用于颜色测量仪器的光源。它是一个装有一对电极的充满氙气的密封玻璃管。当在电极上加上高电压时，内部氙气就会受到激发瞬间产生弧光，这属于一种充气放电灯。氙灯的优点在于谱线比白炽灯的谱线更接近于日光并且能量较高。但是氙灯光源需要比较复杂的高压震荡激发电路，维修亦非常复杂，在更换时，除了要更换灯泡外，还要更换整组电容，所以价格较贵。所以采用卤素钨灯（石英外壳）从技术和经济上均是最适宜的。特别是便携式仪器，需要轻巧，省电，便于维护和操作。
2.凸透镜
作用是把光源发出的光变成均匀的“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。
3.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。
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。
5.积分球
积分球是用金属做成一个内部空心的球，球的内表而均匀喷涂一层具有朗伯漫射特性的材料。该涂料还应该光谱选择性小、反射比高。积分球本质上在于它具有混光特性。一束光进入积分球后，经多次漫反射，就形成一个理想的漫射源。
这样就可以消除被测样品的不均匀性和探测器件受光的不均匀性带来的影响。
6.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。
色差仪测试光源的要求：
在色差仪中，选择什么样的光源，首先考虑的是稳定性，光源定向性，寿命以及最终获得的光谱曲线的有效性。目前采用的多为卤素石英钨丝灯及氙灯两种光源。
钨灯是颜色测量仪器最常用的光源，它是一个内充惰性气体或者卤素（防止钨丝氧化和热蒸发）的白炽灯泡。用钨作灯丝材料是因为钨具有足够的强度，并能经受高温。经测试在可见光区钨灯的光谱曲线与黑体发射器光谱曲线几乎完全重叠。随着近年稳压电源和脉冲电源的发展，钨灯能够提供重复稳定的，高色温的光束，完全可以满足外观颜色测量对光源的需要。
氙灯是另一种常用于颜色测量仪器的光源。它是一个装有一对电极的充满氙气的密封玻璃管。当在电极上加上高电压时，内部氙气就会受到激发瞬间产生弧光，这属于一种充气放电灯。氙灯的优点在于谱线比白炽灯的谱线更接近于日光并且能量较高。但是氙灯光源需要比较复杂的高压震荡激发电路，维修亦非常复杂，在更换时，除了要更换灯泡外，还要更换整组电容，所以价格较贵。所以采用卤素钨灯（石英外壳）从技术和经济上均是最适宜的。特别是便携式仪器，需要轻巧，省电，便于维护和操作。
色差仪测试光源怎么选？
传统的色差仪多采用卤钨灯或氙灯作为测试光源。卤钨灯是颜色测量中最常使用的可见光波段的光源。卤钨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辐射定标光源。卤钨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，如下图所示。但是卤钨灯光谱分布在短波和紫外部分能量不足。这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.不能提供对荧光材料进行测量时需要的紫外光谱能量。
另外，卤钨灯的功耗较高，使得仪器的工作时间相应缩短。如果要在色差仪中应用卤钨灯作为测试光源，应针对以上做优化考虑。氙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，如下图所示。很多色差仪器都采用脉冲氙灯作为照明光源。但是，脉冲氙灯的功耗大、寿命相对低。
随着LED技术的发展，越来越多的仪器生产商采用LED作为便携式色差仪的测量光源。LED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LED光源。仪器实际采用的LED复合光源如下图所示，是采用多个LED组成的复合光源，保证在可见光范围内有充足的光谱分布。复合LED光源在实际使用中，由于其结温变化，会使单个LED的发光强度和光谱分布发生改变。在进行仪器设计时，需要在仪器结构和算法设计上进行考虑以保证仪器重复性。
在分光颜色测量仪器的测量原理中，仪器首先测量出被测物体表面的光谱反射率，再通过光谱反射率计算出颜色数据。在仪器设计中，首先要保证照明光源在可见光范围内有充足的光谱分布，照射到被测样品表面后，反射光进入分光光路，之后以一定的光谱分辨率投射到阵列传感器上。
色差仪光学系统积分球的作用：
色差仪中积分球作为一个理想的漫反射光源或匀光其来使用，目的是为了消除光源本身原因造成的出射光线不均匀或者带有偏振方向。均匀的照射光线才能保证色差仪测里数据的准确性和稳定性。积分球之所可以实现这种功能主要是因为入射光线在积分球内部经过多次均匀漫发射。
我们暂且把色差仪使用积分球定义为理想积分球，那么其内壁的材料为理想漫反射材料，并且不考虑壁上开孔的影响，则积分球内壁上每一个面元都有均匀辐照度，这也是为什么积分球可以作为理想漫反射光源或均匀光源器件被使用的原因。
在通常情况下，光学扩散片在小心地使用状况下，可以降低测里时侦测器因为入射光源分布不均匀或光束稍微偏移所造成误差，从而提高测里的准确度。但是对于色差仪这种精密仪器来说仅仅是扩散片是完全不能满足要求的所以积分器作为光学扩散器被使用以使上述误差变得更小。使用积分球测里光通里时，测里结果更可靠，因为积分球可以降低并排除因光线形状、发射角度、侦测器相应位置的不同所带来的误差。
在更高级的分光色差仪中积分球与分光器搭配使用，将积分球输出的孔衔接与分光器的入射光栅前，以确保待测光源射入分光测色仪的角度相同，使测里精度再现性大幅提高。
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