測(cè)色儀器之分光測(cè)色儀和色差儀的原理及類型
2024-09-05
市面上用于顏色測(cè)量?jī)x器的類型有多種,根據(jù)儀器獲取三刺激值方式的不同,測(cè)色儀器可以分為兩大類型,分別是分光式測(cè)色儀器即分光測(cè)色儀和光電積分式測(cè)色儀器即色差儀。本文對(duì)分光測(cè)色儀和色差儀的原理及類型做了介紹。
測(cè)色儀器之分光測(cè)色儀的原理及類型:
分光測(cè)色儀這類儀器不是直接測(cè)量顏色的三刺激值本身,而是測(cè)蚤物體的光譜反射或透射待性,也就是測(cè)得物體的光譜輻亮度因數(shù)或光譜透射比,再選用 CIE推薦的標(biāo)準(zhǔn)照明體和標(biāo)準(zhǔn)觀察者,通過下式的積分計(jì)算求得顏色的三刺激值。
在實(shí)際測(cè)量中,它一般以5~20nm的等距波長間隔,在380~780nm的波段內(nèi)測(cè)得各波長的光譜反射(或透射)率。由于這類儀器測(cè)得的是最基本的顏色光學(xué)數(shù)據(jù)。所以它可用計(jì)算的方法靈活地得出顏色物體在各種條件下(如D65、C、A照明體)的三刺激值XYZ和X10Y10Z10。
根據(jù)光譜信號(hào)采集的方式,分光式儀器可分為單通道掃描式和多通道采集式。
1.單通道掃描式
傳統(tǒng)的分光測(cè)色儀即是這種形式。它的光譜信號(hào)采集是單通道(波長)按順序逐個(gè)掃描拾取。這決定了它的測(cè)量需要一定的時(shí)間,
這種儀器主要由電源、單色器、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理和輸出裝置幾部分組成。光源一般為穩(wěn)定性光源,如鹵鎢燈、氙燈;單色器是整個(gè)儀器的核心,其形式有棱鏡分光式、光柵分光式和濾光片分光式等;探測(cè)器為光電倍增管、光電管,由于儀器的掃描機(jī)構(gòu)和光路較復(fù)雜,使得儀器的體積較大。
2.多通道采集式
這屬于新一代的分光測(cè)色儀儀器,它與傳統(tǒng)分光測(cè)色儀的根本區(qū)別在于,光譜信號(hào)的采集是多通道同時(shí)進(jìn)行的,因而它可在瞬間完成測(cè)量。它的信號(hào)采集方法是:被測(cè)光束經(jīng)過狹縫透射到色散裝置上,色散裝置把它按波長順序均勻地“一”字散開,透射到成線陣排列的光電傳感器陣列上,陣列中的每個(gè)測(cè)量元對(duì)應(yīng)地測(cè)得某一特定波長的光的輻射值,全部測(cè)量元所測(cè)得的數(shù)據(jù)便組成了被測(cè)試樣的光譜反射率數(shù)據(jù)。這種儀器主要由光源、色散裝置、探測(cè)器、信號(hào)采集電路、數(shù)據(jù)處理和輸出裝置幾部分組成。光源多用脈沖光源,即脈沖氙燈;光電傳感器陣列為光電二極管陣列或CCD;色散元件常為衍射光柵。
分光測(cè)色儀是顏色測(cè)量中的權(quán)威儀器,測(cè)量精度較高。傳統(tǒng)的分光測(cè)色儀體積較大,成本也較高,使得它的使用受到很大的局限,一般僅適于實(shí)驗(yàn)室使用;新一代分光測(cè)色儀的出現(xiàn),由于它采用了先進(jìn)的技術(shù)和新的器件,使得儀器的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,體積大為縮小,這將使其使用范圍產(chǎn)生巨大的變換。
測(cè)色儀器之色差儀的原理及類型:
色差儀又叫光電積分式儀器,它是模擬人眼的三刺激值特性,用光電積分效應(yīng),直接測(cè)得顏色的三刺激值。這類儀器使用顏色濾光片,對(duì)所用的光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)進(jìn)行濾色修正,使它與CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者相一致。同時(shí)對(duì)照明光源也加以濾色修正,使之符合標(biāo)準(zhǔn)照明體的相對(duì)光譜功率分布。光電積分式儀器其總的光學(xué)條件應(yīng)符合盧瑟條件,表達(dá)公式如下:
式中,S(λ)為儀器所用光源光譜功率分布;S0(λ)選定的標(biāo)準(zhǔn)照明體光譜功率分布;τx、τy、τz為XYZ三種濾色修正器的光譜透射比;x、y、z為選定的標(biāo)準(zhǔn)觀察者(2°視場(chǎng)或10°視場(chǎng))的光譜三刺激值;(λ)γ為探測(cè)器的光譜靈敏度;Kx、Ky、Kz為比例常數(shù)。
在實(shí)際的濾色修正中,我們不可能做到儀器完全符合盧瑟條件,只能近似符合。近似的程度決定了儀器的精度。光電積分式儀器在測(cè)量原理上存在誤差,其精度自然比不上分光式儀器。這類儀器一般都由光源、探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理器和輸出單元幾部分組成。光源多為穩(wěn)定性光源,較多使用的是囪素?zé)?。探測(cè)器為三個(gè)或四個(gè)經(jīng)過濾色修正的硅光電池或光電管。在結(jié)構(gòu)形式上一般有臺(tái)式和便攜式兩種。由于光源的光譜功率分布和光電池的光譜靈敏度直接影響到光學(xué)模擬的結(jié)果,所以它們的穩(wěn)定性和一致性在儀器制造中是十分重要的。光電積分式儀器對(duì)顏色的絕對(duì)測(cè)量精度不高,但對(duì)顏色的相對(duì)測(cè)量,尤其對(duì)中色差測(cè)量還是比較常見的。所以在很多場(chǎng)合中,我們稱之為測(cè)色色差計(jì)。