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分光测色仪的测色原理及测色系统组成介绍

发布日期:2023-10-27 浏览次数:186

颜色测量仪器就是通过一定的途径求得三刺激值的工具,由于获得三刺激值的方法不同,测色仪器主要分为两类:分光测色仪和色度计,高速高精度分光测色仪属于前一种类型的仪器。本文对分光测色的测色原理及测色系统的组成作了介绍,对测色仪器知识感兴趣的朋友不妨了解一下!

台式分光测色仪

分光测色仪的测色原理:

分光测色仪是颜色测量最基本的仪器,对物体的反射光或透射光进行测量。它由光源、分光模块和电子线路控制模块三部分组成,如下图所示。

分光测色仪基本组成结构

其中光源为系统提供CIE规定的标准照明体;分光模块通过分光器件采集经待测物体反射或透射的光的光谱强度值进行光电信号转换并将转换后的电信号传输到电子线路模块;电子线路模块对电信号进行处理得到测量物体的光谱辐亮度因素或光谱透射比。通过测量物体的光谱反射或光谱透射特性,也就是测量物体的光谱辐亮度因素或光谱透射比,再选用CIE推荐的标准照明体和标准观察者,通过积分运算求得颜色的三刺激值。计算公式如下:

颜色三刺激值计算公式010

上式中,s(λ)为光源的光谱分布;β(λ)为物体的光谱辐亮度因素;x(λ)、y(λ)、z(λ)为标准观察者的光谱三刺激值。

分光测色仪通过对物体颜色三刺激值的测量来确定颜色,将人眼从颜色测量中解放了出来。


分光测色仪测色系统的组成:

分光测色仪由照明光源、提供单色光的色散系统和对通过仪器的光辐射进行测量的探测系统组成。

1.光源

光源必须在仪器的整个波长范围内发出连续的光辐射,并且有足够的强度,在每一波长上都应有足够的能量,使探测元件有满意的信噪比。

CIE中,光源定义为物理辐射体;照明体定义为特定的光谱分布,这样的光谱分布不一定能用一个具体的光源来实现。

CIE 规定了标准照明体,有 A、B、C、D、E。标准照明体D代表各时相日光的相对光谱功率分布(又称为典型日光、重组日光),D55、D65、D75的相对光谱功率分布作为代表日光的标准照明体,相当于相关色温5504k、6504k、7504k的D照明体。模拟D65的人工光源有:带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯、带滤光器的荧光灯。

2.测量的几何条件

使用分光光度计进行测量时,光源照明和探测器收集光能必须满足一定的几何条件:在对透射样品测量中,一般采用对样品垂直方向照明,透射方向探测照明光束的光轴与样品表面的法线不超过10°,照明光束中任一光线与光轴的夹角不应超过5°(不适合于漫透射物体色);在对反射样品(不透明物体)测量中,有四种测色的标准照明和观察条件:

(1)垂直/45°(0/45)

样品被一束光照明,照明光束的光轴与样品表面的法线不超过10°,在与样品表面的法线成45°的方向观测。照明光束中任一光线与光轴的夹角不应超过5°,观察光束也应遵守同样的限制。

(2)45°/垂直(45/0)

样品可以被一束或多束光照明,照明光束的轴线与样品表面的法线成45°±5°,观测方向和样品表面的法线之间的夹角不应超过10°,照明光束的任一光束和照明光束轴之间的夹角不应超过5°,观测光束也应遵守同样的限制。

(3)垂直/漫射(0/d)

样品被一束光照明,照明光束的光轴与样品表面的法线不超过10°。漫反射通量借助积分球来收集。镜面反射通量被吸收阱吸收,照明光束的任一光线与光轴的夹角不应超过5°。积分球的大小可随意,但其开孔的总面积不应超过积分球内反射总面积的10%(200mm)。

(4)漫射/垂直(d/0)

用积分球漫射照明样品,样品的法线和观测光束轴之间的夹角不应超过10°。积分球的大小可随意,但其开孔的总面积不应超过积分球内反射总面积的 10%(200mm)。观察光束中任一光线与光轴的夹角不应超过5°。

在0/45、45/0、d/0三种条件下测得的光谱反射因素称为光谱辐亮度因素。在0/d条件下测得的光谱反射因素为光谱反射比。

在反射测量中,0/45、45/0条件更符合目视观察样品的条件,常用于彩色图像的测量和彩色复制品的评价中。积分球照明和积分球探测的主要优点是:这种测量几乎和样品表面结构无关。

3.色散系统

色散系统能输出不同波长单色光的装置。色散元件有棱镜或光栅、滤光片等,色散元件将光源能量色散成波长函数,不同波长的单色光依次在空间排列成光谱带。

4.光度计量

光度计量部件使从单色器射出的单色光正确地照射到样品上,然后用光电探测元件解释光能,采用比较法测量及双光束光路,测定样品的透射比或反射比。

通常,在仪器内部将由色散系统产生的单色光辐射成样品光束和参考光束两条光路,当将样品放入光路内时,两条光束相等的状态被破坏,探测器就检测到差别,得到该波长时样品的透射比或反射比。

分光光度计测量光谱透射比和光谱反射比都是通过采用比较法,是通过定量的比较某些已知光谱特性的标准(参照物)和样品在同一波长上透射或反射的单色辐射功率,从而测得光谱的透射比或反射比。测量透射样品时,空气作为参照标准,整个可见光谱范围内透射比为1。测量反射样品时,用完全反射满射体(其反射比在各波长处为1)作为参照标准。

实现比较测量有两种方法:(1)采用单光路:将参照物和样品依次放在光路内进行测量。(2)双光束:将单色光分成两束光,一束通过样品,一束通过参照物,两光束对称。

常用的探测器有光电倍增管、光电池、光电管等。

5.测量数据的处理和输出

测量系统输出的基本数据是光谱反射比或透射比(样品的光谱反射比曲线或透射比曲线),其余数据是计算得到的。

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