物体颜色不仅与物体表面的反射、透射或吸收特性有关,还与照明光源的光谱功率分布有关,而且还和人的色视觉特性有关。因此,为了获得对颜色评价的一致结果,颜色测量必需采用色度学标准、CIE标准照明体、标准光源、标准的照明和观测条件。
颜色测量仪器的种类很多,但是总体上可以分为两大类:一类是分光光度计,另一类是直读式色差计。分光光度计是用多棱镜或光栅将多色光分离成单色光,通过光敏元件取得样品反射率或透过率,然后按公式计算出样品的三刺激值。直读式色差计是由一组滤色片和光电池组合成滤色器,模拟人眼色感觉测量物体颜色,可以在仪器上直接读出被测量样品颜色的三刺激值。
1 色差计滤色器的设计原理
测色色差计由照明系统、探测系统和数据处理系统3大部分组成。照明系统是白炽灯、卤钨灯或微型脉冲氙灯;探测系统多为硅光电池、硅光二极管,并匹配有模拟人眼色觉特性的滤色器;数据处理系统包括对所采集的信号放大,微机处理运算和显示、打印等输出[1 〗。其中仪器的测头是由照明系统和探测系统组成的,其结构如图1。
根据色度学原理和选定的标准照明光源,仪器的总体光谱响应特性(光源、光学系统和探测器的综合响应特性)应满足卢瑟(Luther)条件。在D65光源、10°视场下的卢瑟条件:
式中:
S(λ)———仪器光源的相对光谱功率分布;
SD(λ)———标准照明体D65的相对光谱功率分布;
-x10(λ),-y10(λ),-z10(λ)———10°视场色匹配函数(见图2);
Kx,Ky,Kz———与波长无关的常数;
τx(λ),τy(λ),τz(λ)———仪器特定滤光器的光谱透射率;
γ(λ)———仪器探测器未加修正前的相对光谱响应度。
式(1)中SD(λ)和-x10(λ),-y10(λ),-z10(λ)是定值,Kx,Ky,Kz是常数, S(λ)及γ(λ)的数值在选定光源和光电探测器后也确定下来。这样滤色器的光谱透过率τx(λ),τy(λ),τz(λ)决定了卢瑟条件的满足程度,而仪器符合卢瑟条件的完善程度,决定了仪器的测量准确度[1~3]。
2滤色器的设计
从图2的曲线,我们可以看到-x10(λ)的短波部分的曲线和-z10(λ)的曲线形状相似,但峰的高度不同。因此3个滤色器被分别设计成与-x10(λ)的长波峰、-y10(λ)和-z10(λ)相匹配,完整的-x10(λ)可以通过在长波长X信号上加约18%的Z信号即可[1]。
2.1滤色器的结构图
滤色器根据滤色片的组合方式不同可以有多种结构,通常选用比较简单的串联式结构,即把滤色片叠加起来,其结构图如图3。
2.2滤色器的透过率曲线的求取
光电探测器在红外和紫外波段都有响应,所以滤色器必需截止这些波段的响应,否则会造成严重的测量误差。在光源和被测物体之间放置一块隔热玻璃就可以大大降低红外和紫外波段对测量精度的影响。隔热玻璃的透过率τr(λ)可以用分光光度计等仪器测定。
由于仪器选定的标准照明体D65的相对光谱功率分布SD(λ)和10°视场色匹配函数-x10(λ),-y10(λ),-z10(λ)是已知的,而仪器光源相对光谱功率分布S(λ)和仪器探测器未加修正前的相对光谱响应度γ(λ)都可以用仪器测定,所以,滤色器的光谱透过率为:
其光谱透过率曲线如图4所示。
2.3滤色器特性
滤色器的光谱透过率与单块有色玻璃(即滤色片)的单位厚度透过率和厚度有关。光线通过有色玻璃介质,能量减少;能量损失是由介质表面反射和有色玻璃吸收引起的。根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,有色玻璃的透过率
式中:
E(λ)———有色玻璃的吸收率,它是波长的函数;
H———有色玻璃的厚度[4]。
滤色器匹配时,一块滤色片往往很难满足设计要求,通常要把几种滤色片串行联接起来。
滤色片串联时,不计滤色片叠加时相邻滤色片表面的能量损失,则滤色器的总透过率
式中:
Ei(λ)———第i片有色玻璃的吸收率;
Hi———第i片有色玻璃的厚度;
n———滤色片的片数。
2.4滤色器的匹配
选定照明光源和光电池的型号后,滤色器的透过特性决定了仪器满足卢瑟条件的程度,也决定仪器的精度。匹配滤色器时,首先根据滤色器透过率目标曲线和有色玻璃的透过率曲线,初步选定有色玻璃的牌号和片数n,经反复试验确定出有色玻璃的牌号。根据滤色器的特性编写确定有色玻璃厚度的程序,在计算机上进行模拟和优化匹配滤色器,从而确定出有色玻璃的片数和厚度。这样匹配出满足设计要求的滤色器。
3实验结果
用以上方法匹配出滤色器,确定出3组滤色器的滤色片的种类和厚度。在以卤钨灯做光源,硅光电池为探测器的系统中,模拟标准照明体D65,10°视场,采用1976CIELAB色空间,0/d观测条件下,以标准白色板为调白白板,对5块标准色板进行颜色测量,实验测得它们的三刺激值X, Y,Z如表1、表2、表3。
由以上图表可得出结论:对标准色板测量得到的三刺激值和标准值的差值都小于1.5,标准白板的色差ΔE*ab=0.13<0.15,仪器精度可达到设计要求。
4结论
试验证明:使用该方法设计出的滤色器,结构简单,能够使仪器的测量精度达到设计要求。
参考文献:
[1] ROY S BERNS.颜色技术原理[M].北京:化学工业出版社,2004.
[2]张红鸣,徐 捷.工业产品着色与配色技术[M].北京:中国轻工业出版社,2001.
[3]伊靖宇,胡维生,王继宪,等.颜色测控技术及标准应用手册[M].北京:国家建材局标准化研究所,1994.
[4]蒋月娟.光电色度计校正虑色器的一种设计方法[J].光学技术,2000,(1):92-94.
作者简介:韩玉明(1979-),男,河南南阳人,北京机械工业学院机械工程系硕士研究生,主要从事智能化测色数字仪器系统的研究。
