测色仪器之分光测色仪和色差仪的原理及类型
2024-09-05
市面上用于颜色测量仪器的类型有多种,根据仪器获取三刺激值方式的不同,测色仪器可以分为两大类型,分别是分光式测色仪器即分光测色仪和光电积分式测色仪器即色差仪。本文对分光测色仪和色差仪的原理及类型做了介绍。
测色仪器之分光测色仪的原理及类型:
分光测色仪这类仪器不是直接测量颜色的三刺激值本身,而是测蚤物体的光谱反射或透射待性,也就是测得物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比,再选用 CIE推荐的标准照明体和标准观察者,通过下式的积分计算求得颜色的三刺激值。
在实际测量中,它一般以5~20nm的等距波长间隔,在380~780nm的波段内测得各波长的光谱反射(或透射)率。由于这类仪器测得的是最基本的颜色光学数据。所以它可用计算的方法灵活地得出颜色物体在各种条件下(如D65、C、A照明体)的三刺激值XYZ和X10Y10Z10。
根据光谱信号采集的方式,分光式仪器可分为单通道扫描式和多通道采集式。
1.单通道扫描式
传统的分光测色仪即是这种形式。它的光谱信号采集是单通道(波长)按顺序逐个扫描拾取。这决定了它的测量需要一定的时间,
这种仪器主要由电源、单色器、光电探测器、数据处理和输出装置几部分组成。光源一般为稳定性光源,如卤钨灯、氙灯;单色器是整个仪器的核心,其形式有棱镜分光式、光栅分光式和滤光片分光式等;探测器为光电倍增管、光电管,由于仪器的扫描机构和光路较复杂,使得仪器的体积较大。
2.多通道采集式
这属于新一代的分光测色仪仪器,它与传统分光测色仪的根本区别在于,光谱信号的采集是多通道同时进行的,因而它可在瞬间完成测量。它的信号采集方法是:被测光束经过狭缝透射到色散装置上,色散装置把它按波长顺序均匀地“一”字散开,透射到成线阵排列的光电传感器阵列上,阵列中的每个测量元对应地测得某一特定波长的光的辐射值,全部测量元所测得的数据便组成了被测试样的光谱反射率数据。这种仪器主要由光源、色散装置、探测器、信号采集电路、数据处理和输出装置几部分组成。光源多用脉冲光源,即脉冲氙灯;光电传感器阵列为光电二极管阵列或CCD;色散元件常为衍射光栅。
分光测色仪是颜色测量中的权威仪器,测量精度较高。传统的分光测色仪体积较大,成本也较高,使得它的使用受到很大的局限,一般仅适于实验室使用;新一代分光测色仪的出现,由于它采用了先进的技术和新的器件,使得仪器的结构大大简化,体积大为缩小,这将使其使用范围产生巨大的变换。
测色仪器之色差仪的原理及类型:
色差仪又叫光电积分式仪器,它是模拟人眼的三刺激值特性,用光电积分效应,直接测得颜色的三刺激值。这类仪器使用颜色滤光片,对所用的光电探测器的光谱响应进行滤色修正,使它与CIE标准观察者相一致。同时对照明光源也加以滤色修正,使之符合标准照明体的相对光谱功率分布。光电积分式仪器其总的光学条件应符合卢瑟条件,表达公式如下:
式中,S(λ)为仪器所用光源光谱功率分布;S0(λ)选定的标准照明体光谱功率分布;τx、τy、τz为XYZ三种滤色修正器的光谱透射比;x、y、z为选定的标准观察者(2°视场或10°视场)的光谱三刺激值;(λ)γ为探测器的光谱灵敏度;Kx、Ky、Kz为比例常数。
在实际的滤色修正中,我们不可能做到仪器完全符合卢瑟条件,只能近似符合。近似的程度决定了仪器的精度。光电积分式仪器在测量原理上存在误差,其精度自然比不上分光式仪器。这类仪器一般都由光源、探测器、数据处理器和输出单元几部分组成。光源多为稳定性光源,较多使用的是囱素灯。探测器为三个或四个经过滤色修正的硅光电池或光电管。在结构形式上一般有台式和便携式两种。由于光源的光谱功率分布和光电池的光谱灵敏度直接影响到光学模拟的结果,所以它们的稳定性和一致性在仪器制造中是十分重要的。光电积分式仪器对颜色的绝对测量精度不高,但对颜色的相对测量,尤其对中色差测量还是比较常见的。所以在很多场合中,我们称之为测色色差计。