摘要:介绍一种可用于精密测量颜色的新型光度计。它不但可测量光源或屏幕的色坐标、色温、亮度和照度,配上标准光源还可以测量物体色。该仪器采用单片机技术,配有标准串行接口,并带有充电电池,具有体积小、使用方便等特点。
一、C-2001型色度计测色原理
一般色度计的探测器是用三个经滤色片光电转换器件构成,其光谱灵敏度模拟CIE标准色度观察者的三刺激值曲线见图1。由于xb(λ)和z(λ)的曲线很相似,许多色度计中只需分别修正成xr(λ),y(λ),z(λ)。测量时通过测出各组探测器输出的光电流值(Rr, G,B),按公式(1)得出三刺激值(X, Y,Z),进而计算出待测色的色坐标x,y。
如果探测器经过修正后的光谱灵敏度精确地符合光谱三刺激值曲线xr(λ), y(λ), z(λ),用任一已知光谱功率分布或色坐标的光源即可定出Kr和Kb。但实际上,使探测器的相对光谱灵敏度完全符合三刺激值的理论曲线是不可能的,因而转换系数Kr和Kb对不同色源不尽相同,它们随色源的相对光谱功率分布而改变。测出与待测色源对应的修正系数是精确测量色度的基础。
C-2001型色度计采用的三组独立传感器都经过精细的光谱匹配,其光谱响应非常接近标准光谱三刺激值曲线见图1。定标时选取在色度图上均匀分布的5个点对应的颜色作为色源(见表1),调整三通道的输出电流,使得对标准A光源定标时修正系数均为1,标出其它各色对应的修正系数Kr,Kb。
将五组系数存储在中央处理器中,在实际测量时仪器根据待测色自动选用与其最接近的修正系数按公式
(1)及公式(2)计算色坐标。
这种色度计制作和定标较为复杂,但测量结果较一般选用固定校正系数的色度计精确,用户使用也非常方便。
二、C-2001型色度计工作原理
图2是C2001型色度计的原理框图,其中包括探头前置放大器、程控模拟开关、程控放大器、A/D转换器、中央处理器、数据存储器、键盘、显示模块、串行接口电路、电源等部分。
探头内的光电转换器件采用线性好、灵敏度高、噪声低的硅光电池,三个光电池分别配有一组滤光片,一起封装在一个金属壳中,彼此严格屏蔽。用四运算放大器LF444中的三个作为电流放大器,将探头输出的三组电流信号放大,并转换成电压信号,汇同用于电池检查的一路电压信号接入模拟开关,程控模拟开关每次选择一路电压信号进入程控放大器。程控放大器有4级,级差为10倍,用十进制3 1/2位A/D时,使得该仪器光度测量范围达7个量级。A/D转换器MC14433轮流输出各位的位选信号和该位的8421码,中央处理器采集此数字信号并进行转换,按修正系数等于1按公式(1)和公式(2)初步计算出色坐标。
通过比较找出与待测色最接近的标准色的修正系数,计算出被测色源的色坐标x,y。在LCD屏上显示出来。为便于用户在测量偏色,或长期使用后校准,仪器设置了二次修正功能。仪器内数据存储器存储了3个修正系数Cx,Cy,Cl,每次测量时都要按公式(3)最终计算出色坐标xc、yc和光度值。
在仪器定标时这三个修正系数均为1,年检时在标准标定条件下可通过键盘上的相应键修改此系数。
由于仪器使用充电电池供电,为省电,显示器采用2行20位点阵液晶模块。用交流电供电时可增加背光照明。仪器还具有串口通讯功能,可与PC机联机,将测量结果传输到PC机上处理。这对于用此仪器进行自动测量和监测控制的用户是非常方便的。
三、软件设计
图3是C2001型色度计的简易程序流程图。为缩短程序代码,程序用汇编语言编写,各步都有英文提示。它能完成采集零点、采样给出色坐标、测电池电压、显示光度值、显示1964色度空间的色坐标u′,v′;计算并显示待测色源的色温、调整修正系数、与微机通讯等。想调整修正系数时,按三次AJST键进入调整状态,按A-JST键循环显示Cx,Cy,Cl,通过按上箭头或下箭头键增大或减小它们的值,每次按0·5%的幅度变化。调整好后可按MEM键存储修改后的系数。
四、仪器的性能指标
(1)光度测量范围:0-1·999×105lx;
(2)色温测量范围:2200-15000K;
(3)测量误差:Δx=Δy=±0.008;
五、C-2001型色度计的其它应用方式
(1)根据用户需要,使用模拟D65光源作为C2001色度计的配件,可精确测量物体的表面色。
(2)将前置放大器做在探头里面,在计算机里插一块多通道数据采集卡与探头直接相连测量色度,这对于用微机进行颜色测量来说是非常方便的。
C-2001型色度计已经通过部级鉴定,并在一些行业得到应用,实际应用表明它具有很强的实用性和可靠性。
参考文献:
[1]荆其诚,等·色度学[M]·北京:科学出版社,1979
[2]何立民·MCS-51系列单片机应用系统设计[M]·北京航空航天大学出版社,1991
[3]李华·MCS-51系列单片机实用接口技术[M]·北京航空航天大学出版社,1997
[4]高稚允,高岳·光电检测技术[M]·北京:国防工业出版社,1995
收稿日期: 1999-01-08
作者简介:王术军(1967-),男,吉林省榆树人,北京师范大学讲师,硕士,从事光电探测技术研究。
