分光測色儀的工作原理及CIE測色標準介紹
2024-03-14
是顏色測量中常用的一類儀器,這種儀器不直接測量樣品顏色的三刺激值,而是在CIE規定的標準測色條件下,通過測量顏色反射或透射光譜,計算出顏色三刺激值,進而得出各種顏色參數。本文對分光測色儀的工作原理及CIE測色標準做了介紹。
分光測色儀的工作原理:
分光(guang)測(ce)色儀(yi)測(ce)量(liang)光(guang)譜(pu)(pu)透(tou)射(she)(she)(she)(she)比(bi)或(huo)光(guang)譜(pu)(pu)反(fan)射(she)(she)(she)(she)比(bi)都是采用(yong)(yong)(yong)(yong)比(bi)較(jiao)法(fa)。是通過定量(liang)地比(bi)較(jiao)某(mou)些已知光(guang)譜(pu)(pu)特(te)性的(de)(de)“標(biao)準(zhun)”(參(can)(can)照(zhao)(zhao)物)和樣(yang)品(pin)在同(tong)一波(bo)長上(shang)透(tou)射(she)(she)(she)(she)或(huo)反(fan)射(she)(she)(she)(she)的(de)(de)單色輻射(she)(she)(she)(she)功(gong)率,從而測(ce)出(chu)祥(xiang)品(pin)的(de)(de)光(guang)譜(pu)(pu)透(tou)射(she)(she)(she)(she)比(bi)或(huo)光(guang)譜(pu)(pu)輻亮度因數。測(ce)量(liang)透(tou)射(she)(she)(she)(she)樣(yang)品(pin)時選(xuan)用(yong)(yong)(yong)(yong)空(kong)(kong)氣作為參(can)(can)照(zhao)(zhao)標(biao)準(zhun),空(kong)(kong)氣是理想透(tou)射(she)(she)(she)(she)體,在整(zheng)個(ge)可見光(guang)譜(pu)(pu)范圍內透(tou)射(she)(she)(she)(she)比(bi)均為1。測(ce)量(liang)反(fan)射(she)(she)(she)(she)樣(yang)品(pin)時,用(yong)(yong)(yong)(yong)完全(quan)反(fan)射(she)(she)(she)(she)漫射(she)(she)(she)(she)體作為參(can)(can)照(zhao)(zhao)標(biao)準(zhun)。完全(quan)反(fan)射(she)(she)(she)(she)漫射(she)(she)(she)(she)體的(de)(de)反(fan)射(she)(she)(she)(she)比(bi)在各(ge)個(ge)波(bo)長上(shang)均為1。但是,沒有一種實際材(cai)料(liao)有這樣(yang)的(de)(de)特(te)性,只能選(xuan)擇與它性質(zhi)比(bi)較(jiao)接(jie)近(jin)的(de)(de)材(cai)料(liao)作為工(gong)作標(biao)準(zhun),目前常采用(yong)(yong)(yong)(yong)煙熏、壓(ya)粉或(huo)噴涂的(de)(de)氧化(hua)鎂,硫酸鋇(BaSO4),也有采用(yong)(yong)(yong)(yong)海龍(halon)、白陶瓷(ci)板等(deng)作為參(can)(can)照(zhao)(zhao)物的(de)(de)。這些材(cai)料(liao)要(yao)求在個(ge)波(bo)長上(shang)反(fan)射(she)(she)(she)(she)比(bi)盡可能接(jie)近(jin)1,而且耐久、易于制造(zao)、價格便(bian)宜。權(quan)衡各(ge)個(ge)條件(jian),硫酸鋇(BaSO4)是現在最好的(de)(de)一種材(cai)料(liao)。
為了實現比較測量(liang),可(ke)以(yi)有(you)兩種方案。最(zui)(zui)簡單的(de)是采用(yong)單光(guang)(guang)(guang)路(lu),儀器只有(you)一(yi)(yi)條光(guang)(guang)(guang)路(lu),將參照(zhao)(zhao)物(wu)和祥品(pin)依次交替(ti)放在(zai)光(guang)(guang)(guang)路(lu)中進行測量(liang)。該方案的(de)優點是能夠嚴格保持參照(zhao)(zhao)物(wu)和樣(yang)品(pin)在(zai)同一(yi)(yi)光(guang)(guang)(guang)路(lu)中進行測量(liang)。另一(yi)(yi)種方案是將單色(se)光(guang)(guang)(guang)分成兩束光(guang)(guang)(guang),一(yi)(yi)束通過參照(zhao)(zhao)物(wu),另一(yi)(yi)束通過樣(yang)品(pin)。雙(shuang)光(guang)(guang)(guang)束系(xi)統最(zui)(zui)基本的(de)要求是保持兩光(guang)(guang)(guang)路(lu)對稱,光(guang)(guang)(guang)學特性一(yi)(yi)致。并且在(zai)微(wei)機(ji)控制的(de)儀器中,也可(ke)以(yi)用(yong)微(wei)機(ji)校正光(guang)(guang)(guang)學特性的(de)不一(yi)(yi)致性。
采用比較測(ce)量(liang)能夠補償(chang)測(ce)量(liang)中由于光(guang)(guang)源(yuan)的(de)不穩定和探測(ce)器靈敏度、光(guang)(guang)學系統透射比、分光(guang)(guang)元件效率等隨(sui)波長而(er)變化的(de)各種因素的(de)影響(xiang)。這些因素對樣品和參照物具有相同的(de)影響(xiang)而(er)自動地相互抵消。
分光測色的結構組成:
分光測色儀主要(yao)由:光源和照明系統(tong)、準直系統(tong)、色散系統(tong)、成像(xiang)系統(tong)、接收系統(tong)等幾個部(bu)分組成。
1.光源和照明系統
分光(guang)(guang)(guang)測色儀(yi)器(qi)(qi)中光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的光(guang)(guang)(guang)譜分布不是關鍵因(yin)素,但光(guang)(guang)(guang)源(yuan)必須在(zai)儀(yi)器(qi)(qi)的整個(ge)波(bo)長范圍內發出(chu)連續的光(guang)(guang)(guang)譜輻射(she),并且有足夠的強度,使每一波(bo)長上(shang)都具有足夠能量(liang),那么在(zai)探測器(qi)(qi)上(shang)就有滿意的信(xin)噪(zao)比。可利(li)用透鏡或反射(she)鏡將光(guang)(guang)(guang)源(yuan)成像在(zai)單色器(qi)(qi)的入(ru)射(she)縫(feng)(feng)上(shang)以提高狹縫(feng)(feng)的照(zhao)度,照(zhao)在(zai)入(ru)射(she)縫(feng)(feng)上(shang)的光(guang)(guang)(guang)應盡可能均勻。
2.準直系統
準(zhun)直系(xi)(xi)統(tong)由入(ru)射(she)(she)狹縫(feng)和(he)準(zhun)直物(wu)鏡(jing)組成(cheng)。對于儀(yi)器內部的系(xi)(xi)統(tong)而言,入(ru)射(she)(she)狹縫(feng)成(cheng)為替代的、實(shi)際的光源(yuan),限(xian)制(zhi)著進入(ru)儀(yi)器的光束。入(ru)射(she)(she)狹縫(feng)位(wei)于準(zhun)直物(wu)鏡(jing)的焦平面上。這樣,由它(ta)發出的光束經準(zhun)直物(wu)鏡(jing)后成(cheng)為平行(xing)光束投向色(se)散系(xi)(xi)統(tong),造成(cheng)夫瑯和(he)費(Fraunhofer)的衍射(she)(she)條件。
3.色散系統
色(se)(se)(se)散(san)系統的(de)作用是(shi)將入射的(de)復合(he)光(guang)(guang)分(fen)解(jie)為光(guang)(guang)譜(pu)。分(fen)光(guang)(guang)測色(se)(se)(se)儀中(zhong)色(se)(se)(se)散(san)系統的(de)功能由單(dan)(dan)(dan)(dan)色(se)(se)(se)器(qi)(qi)完成(cheng),單(dan)(dan)(dan)(dan)色(se)(se)(se)器(qi)(qi)的(de)功能是(shi)輸(shu)出不同波長單(dan)(dan)(dan)(dan)色(se)(se)(se)光(guang)(guang)的(de)裝置。單(dan)(dan)(dan)(dan)色(se)(se)(se)器(qi)(qi)是(shi)分(fen)光(guang)(guang)測色(se)(se)(se)儀器(qi)(qi)中(zhong)最主要的(de)部分(fen)。根據(ju)單(dan)(dan)(dan)(dan)色(se)(se)(se)器(qi)(qi)中(zhong)色(se)(se)(se)散(san)元件(jian)的(de)不同大致可以分(fen)為:棱(leng)鏡或光(guang)(guang)柵分(fen)光(guang)(guang)的(de)單(dan)(dan)(dan)(dan)色(se)(se)(se)器(qi)(qi)、濾光(guang)(guang)片分(fen)光(guang)(guang)的(de)單(dan)(dan)(dan)(dan)色(se)(se)(se)器(qi)(qi)、可調諧(xie)激光(guang)(guang)器(qi)(qi)單(dan)(dan)(dan)(dan)色(se)(se)(se)器(qi)(qi)三類。
4.成像系統
成像系統(tong)的作用是將(jiang)空間色散開的各波長的光束匯聚在成像物(wu)鏡的焦平(ping)面上,形成按(an)波長依次排列的狹縫的單色像。
5.接收系統
接(jie)(jie)收系(xi)統(tong)的作用是(shi)將成像系(xi)統(tong)焦平(ping)面(mian)上的光(guang)(guang)譜能量(liang)接(jie)(jie)收,并檢測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)譜的強度、波長位置(zhi)。探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)是(shi)接(jie)(jie)收系(xi)統(tong)的主要部分(fen)。根據所使用的光(guang)(guang)探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)的不(bu)同,分(fen)為目(mu)視分(fen)光(guang)(guang)光(guang)(guang)度測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)(se)儀(yi)(yi)(以眼(yan)睛作為探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi))和自(zi)動分(fen)光(guang)(guang)光(guang)(guang)度測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)(se)儀(yi)(yi)(應(ying)用光(guang)(guang)電探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)),在顏色(se)(se)(se)科學研究和工業測(ce)(ce)(ce)量(liang)中應(ying)用廣泛的是(shi)后(hou)者。自(zi)動分(fen)光(guang)(guang)光(guang)(guang)度測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)(se)儀(yi)(yi)包括掃描式分(fen)光(guang)(guang)光(guang)(guang)度測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)(se)儀(yi)(yi)和快(kuai)速分(fen)光(guang)(guang)光(guang)(guang)度測(ce)(ce)(ce)色(se)(se)(se)儀(yi)(yi)。
6.數據處理系統
數(shu)(shu)據(ju)處(chu)理(li)系統是測色儀(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的重要(yao)部分,通(tong)過(guo)數(shu)(shu)據(ju)處(chu)理(li)系統可以(yi)進行(xing)大量的數(shu)(shu)據(ju)采集和(he)處(chu)理(li),減輕疲勞(lao)程(cheng)度(du)(du)(du),增(zeng)強儀(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的實時性;提(ti)高儀(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的自動(dong)化(hua)程(cheng)度(du)(du)(du),甚至使整個儀(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的操作(zuo)、測量、分析完全(quan)按程(cheng)序自動(dong)地進行(xing),并(bing)用數(shu)(shu)字或圖表形式顯示結果;可以(yi)對影響儀(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)精度(du)(du)(du)的某些(xie)誤差進行(xing)自動(dong)修正,提(ti)高儀(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)精度(du)(du)(du);利用計算機高速運算和(he)存(cun)儲(chu)功能,提(ti)高儀(yi)(yi)器(qi)(qi)(qi)的分析、測量速度(du)(du)(du)。
分光光測色儀CIE測色標準:
分光(guang)(guang)測(ce)色(se)儀是以(yi)色(se)度學(xue)為基礎設計的光(guang)(guang)學(xue)儀器,因此(ci),其需(xu)要滿足(zu)CIE所(suo)規定的一些測(ce)色(se)標準,具體如下:
1.照明和觀測條件
絕大(da)多數的(de)(de)(de)待測(ce)物體不是(shi)完全的(de)(de)(de)漫反射(she)體,因而(er)照明和(he)觀測(ce)條件對于光(guang)譜反射(she)率(lv)因數測(ce)量(liang)的(de)(de)(de)精(jing)確度和(he)實(shi)測(ce)結果產生(sheng)影響,為了提高測(ce)量(liang)精(jing)度和(he)統一(yi)測(ce)量(liang)方法,CIE于1971年正式推(tui)薦四(si)種測(ce)色的(de)(de)(de)標(biao)準照明和(he)觀測(ce)條件:0/d、d/0、0/45和(he)45/0,任何儀(yi)器(qi)都必(bi)須(xu)滿足其中的(de)(de)(de)一(yi)種。
2.標準光源
測量物(wu)(wu)體表面的(de)顏(yan)色(se),必須(xu)(xu)在一(yi)定的(de)光(guang)源下(xia)進行。為了統(tong)一(yi)顏(yan)色(se)的(de)標(biao)準(zhun),CIE規定了測色(se)的(de)標(biao)準(zhun)照(zhao)明體和標(biao)準(zhun)光(guang)源。CIE對(dui)“照(zhao)明體”和“光(guang)源”加以區分(fen):“光(guang)源”是指能發(fa)光(guang)的(de)物(wu)(wu)理輻射體,“照(zhao)明體”是指特定的(de)光(guang)譜功(gong)率分(fen)布(bu)(以表格(ge)函數(shu)形式給出),這一(yi)光(guang)譜功(gong)率分(fen)布(bu)不是必須(xu)(xu)由一(yi)個光(guang)源直接(jie)提供(gong),也不一(yi)定能用光(guang)源來實現。
3.波長范圍
CIE推薦(jian)的(de)三(san)刺激(ji)值(zhi)(zhi)計(ji)(ji)算(suan)公(gong)式中,求和的(de)波(bo)(bo)長范圍(wei)為360~830nm,波(bo)(bo)長間隔(ge)為1nm。要(yao)求得(de)準(zhun)確的(de)三(san)刺激(ji)值(zhi)(zhi)就應按照上述要(yao)求進行。但目前市場上許多分光測(ce)色儀的(de)測(ce)量范圍(wei)僅為400~700nm。由于兩端(duan)波(bo)(bo)長范圍(wei)的(de)截去(qu)就會帶來三(san)刺激(ji)值(zhi)(zhi)的(de)計(ji)(ji)算(suan)誤差。
4.標準白板
分光(guang)測(ce)(ce)色(se)(se)儀是(shi)通(tong)過樣品反(fan)(fan)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)或(huo)透(tou)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)的(de)光(guang)能量與在(zai)同樣條件下標(biao)(biao)準(zhun)反(fan)(fan)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)或(huo)透(tou)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)的(de)光(guang)能量進行比(bi)較而得到樣品的(de)光(guang)譜反(fan)(fan)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)因數(shu)R或(huo)光(guang)譜透(tou)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)比(bi)τ的(de)。透(tou)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)標(biao)(biao)準(zhun)是(shi)空氣,反(fan)(fan)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)標(biao)(biao)準(zhun)是(shi)完全反(fan)(fan)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)漫射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)體,又稱朗伯表面。現實(shi)(shi)中不(bu)存在(zai)這(zhe)種理想概(gai)念(nian)的(de)實(shi)(shi)物標(biao)(biao)準(zhun),但是(shi)可以應用物理技術來校準(zhun)實(shi)(shi)物。我國(guo)色(se)(se)度(du)的(de)國(guo)家基(ji)(ji)(ji)準(zhun)采用雙(shuang)球(qiu)法(fa)對色(se)(se)度(du)基(ji)(ji)(ji)準(zhun)白(bai)板進行了絕(jue)對測(ce)(ce)量,然(ran)后用光(guang)譜光(guang)度(du)法(fa)將反(fan)(fan)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)(she)比(bi)量值傳遞(di)到保持量值的(de)副基(ji)(ji)(ji)準(zhun)和工作基(ji)(ji)(ji)板組上,并通(tong)過傳遞(di)標(biao)(biao)準(zhun)白(bai)板向各省(市)計量部(bu)門或(huo)使用單(dan)位傳遞(di)色(se)(se)度(du)量值。
工作標準白(bai)板除(chu)了要求反(fan)射比高、中性好、不(bu)透光(guang)、表面平整均勻及漫射性盡量好外,更重要的是必須(xu)具(ju)備:(1)光(guang)學穩定性好,長期重復使用量值(zhi)不(bu)變。(2)具(ju)有耐(nai)磨、抗震(zhen)特性,在頻繁的日常使用中不(bu)致損壞工作表面。(3)便于清潔。滿足上述(shu)技術條件,常用作工作標準白(bai)板的材料(liao)有:釉(you)面陶瓷白(bai)板、拋光(guang)乳(ru)白(bai)玻璃搪瓷白(bai)板等(deng)。
參(can)(can)比(bi)(bi)標(biao)準白(bai)(bai)板固定于雙光(guang)路(lu)測(ce)色儀的參(can)(can)比(bi)(bi)光(guang)束窗口處,其反(fan)射(she)比(bi)(bi)量值不(bu)必知道,但要求反(fan)射(she)比(bi)(bi)高、漫射(she)性(xing)好、光(guang)譜選擇性(xing)小(xiao)等特(te)點。主要用(yong)于儀器校準基(ji)線,以及(ji)在測(ce)量中(zhong)消除諸如光(guang)源和探測(ce)器靈敏度不(bu)穩(wen)定,或光(guang)路(lu)不(bu)對稱等因素帶來的系統誤差。BaSO4、HaLon及(ji)MgO等壓(ya)制成的漫射(she)白(bai)(bai)板可(ke)滿足參(can)(can)比(bi)(bi)標(biao)準白(bai)(bai)板的技(ji)術要求。