上海昕瑞手持式分光测色仪设计

引 言

颜色是医学和工业鉴定的重要标志。对于医院的检验科来说，准确的颜色识别是疾病 诊断的重要依据。在涂料生产中，精密的颜色测 量是保证产品质量的重要标准。使用颜色测量代 替人眼不仅可以有效提高测量精度，而且可以为 计算机提供有效的颜色匹配数据。颜色测量有两 种不同的技术，一种是色差技术，另一种是分光技术。色差技术的原理是利用光电积分原理直 接测量物体表面的 3 个刺激值参数; 而分光技术 的原理是收集物体表面反射率光谱的功率分布， 测量样品的光谱光度特征，并将已知光谱光度特 征与相同波长的参考标准的光谱光度特征进行比 较。分光技术测色仪不仅精度高，而且具有更广 泛的实际应用。目前，国内外研究的分光测色仪 主要攻克的难题是光源的稳定性和光照的均匀 性。大部分手持式测色仪因此采用双光路光 学系统提高测量精度，不仅结构复杂、体积较大， 而且价格较昂贵。为了使手持式分光测色仪既可 以市场化、小型化和轻量化，又可以保持较高测量 精度，我们设计了一种不需要采用双光路测量系 统的手持分光测色仪。

设计原理

测量波长分布和测量分辨率
为光谱反射率因子，它是在相同条件下，目标反射 的光通量与目标的总漫反射之比。当 β( λ) 为 1 时，它被称为完全扩散物体。大量实验可以证明: 3 种颜色，只要其中的每一种都不能用其他两种 混合出来，就可以用他们匹配所有的颜色。匹配 某种颜色所需的三原色的值称为这种颜色的三刺 激值。国际照明委员会( CIE) 以 x( λ) y( λ) z( λ) 为 CIE 标准色度的光谱三刺激值。

不同的测量波长分布 λ 和分辨率 Δλ 导致 计算结果不同，这两个参数影响了仪器的精度。 目前大部分采用双光路光学系统的分光测色仪测 量波长分布 λ 为 380 ～ 780 nm，分辨率 Δλ 为 5 nm。较高的分辨率超出了人眼的识别能力，并且 对光源的稳定性要求、对探测器的检测要求也较 高，造成仪器成本增加。为了使仪器小型化和轻 量化，不需采用双光路系统进行校正，因而有必要 对波长分布和分辨率进行重新选取。我们将测量 波长分布 λ 分别设置为 380 ～ 780 nm、400 ～ 700 nm、410 ～ 600 nm，分辨率 Δλ 分别设置为 5 nm、 10 nm 和 15 nm。利用公式计算 CIE1931 标 准色度在标准光源 D65照射下的谱三刺激值。

照明技术研究
颜色也与光源光谱功率分 布 S( λ) 有关。光谱功率 S( λ) 的分布取决于光 源的性质。由于不同光源的光谱功率分布不同， 会导致探测器存在颜色输入误差。经过对阳光的 广泛测量和深入研究，CIE 推荐了五种标准光源， 其中优先推荐的是 D65 光源。因为 D65 光源的紫 外光谱更接近日光，可以更好地代表日光谱。 然而，实现 D65光源标准还在研究中，常用的代替 光源有卤钨灯和脉冲氙灯。LED 作为一种全固 态主动发光器件，具有工作电压低、发光效率高、 响应速度快、性能稳定可靠、工作温度范围宽等诸 多优点。随着 LED 照明技术的发展，对 LED 光源进行设计，可以用于代替 D65 标准光源。对 于 LED 光源来说，单颗 LED 光源不能满足手持 式分光测色仪的照明需要，需要对其进行设计，组 成发光阵列。

单色 LED 光源光谱功率分布都有一个相对 光强度最大处，该处对应的波长称为峰值波长，用 λp 表示，LED 半宽通常介于 15 ～ 45 nm。LED 光源为非相干光源，通过不同波段的 LED 光源组 合，可覆盖光度仪所需的可见光谱范围。其中，白 光 LED 光源是由荧光效应制成，可以在可见光光 谱中发光。但是白色 LED 光源在 470 ～ 490 nm 之间光强微弱，会降低探测器在该波段的信噪比， 可使用白色 LED 和蓝色 LED 的组合来提高该波段的信噪比。

对于漫射照明 8°方向观测条件，光线从半 球内表面各方向均匀地照明到目标孔径上，反 射光束轴线和目标中心法线成 8°角，探测器对 目标孔径区域的响应均匀。在接收光束轴线 5° 内所有方向上，采样孔径反射的辐射也是均匀 的。采用这种几何条件典型的应用就是积分球照明。
相同的目标在不同的照明和观测条件检测 时，会出现不同的结果，造成手持式分光测色仪的 一致性误差。对于带有荧光效应的物体来说，应 用漫射照明 8°方向观测条件时会对测量结果产 生显著的影响，而对于环形照明 0°方向观测条件 则没有明显的影响。同时，当应用漫射照明 8°方 向观测条件时，如果物体表面比较光滑产生镜面 反射，会影响测量精度，需要增加光阱结构排除镜 面反射的影响。为了实现手持式分光测色仪的小 型化和轻量化，提高测量精度，选择环形照明 0° 方向观测条件是合适的。

结 论
通过计算测量波长分布和分辨能力，选择 波长分布为 400 ～ 700 nm，分辨能力为 10 nm，这 样可以保持光度精度，降低手持式分光测色仪 的成本。经过论证，我们设计了一种由蓝色和 白色 LED 光源组成的合成光源，光谱功率分布 接近标准光源 D65 的颜色坐标和均匀的颜色空 间。通过对光谱反射率和照度均匀性的讨论， 我们选择了环形照明和 0°方向观测条件作为照 明和观测条件。我们计算了 LED 光源下表面的 光照，得到了目标表面的光照，并设计了手持式 分光色度计的结构，它的总长度不超过 200 mm。 通过实验，得到了光照分布，并与脉冲氙灯照明 和 0°方向观测条件、积分球光源漫射照明 8°方 向观测条件进行对比。我们设计的基于 LED 技 术的手持式分光测色仪具有成本低、精度高、携 带方便等优点。