（光学工程专业论文）基于ccd光谱仪的测色色差计的研究.pdf

浙江火学硕j ：学位论文摘要 摘要 现代工业的发展使得颜色测量技术在化工、印染、纺织等行业得到了越来越广泛的 应用，测色色差计便是其中非常重要的一种测量仪器。经研究发现，目前通用的测色色差 计一般存在两个问题：一是多数采用光电积分式设计，其结构简单但精度较低；二是一般 只能在单一标准照明与观测几何条件下进行测量，无法得到不同模式下的样品颜色信息。 有鉴于此，在深入分析与研究了色度学基本理论和颜色测量主要方法的基础上，本 文提出了一种以c c d 光谱仪作为分光探测组件，采用直流光源照明下的单光束结构，兼 容0 d ：e 和4 5 0 两种标准照明观测条件下的反射样品和0 d 条件下的透射样品的测量的测 色色差计方案，并完成了前期研发的主体工作。 本文主要包括四部分工作内容：光学系统、机械结构、硬件电路和系统软件。光学 系统部分，采用卤钨灯为照明光源，以柯勒照明对出射光进行准直收束，提供均匀光照； 机械结构部分，参照c i e 标准照明与观测条件给出整体结构设计，同时计算得到系统各主 要组件的详细几何参数；硬件电路部分，设计了以a t 8 0 c 5 1 芯片为c p u 的单片机系统监 视光源的强度并控制转镜位置切换；系统软件部分，包括单片机软件和p c 机应用软件， 单片机软件主要实现了步进电机驱动脉冲的发生与分配以及单片机与p c 的串口通信，应 用软件则实现了p c 机与光谱仪u s b 接1 5 间的数据通信，完成系统配置、定标、光谱数据 读取与处理、结果显示与文件管理等功能模块的设计。最终实验结果表明，设计的测色系 统波长不确定度与重复性，0 d 和4 5 0 反射模式以及0 d 透射模式下的各项色度学指标的 稳定性、重复性、复现性与示值误差等均达到国家计量检定规程所规定的一级标准，4 5 0 反射模式下的测量指标也达到了二级标准，实现了预定目标。 全文分七章。第一章描述课题背景，国内外研究现状与课题研究内容；第二章介绍 了颜色测量相关的理论基础和基本方法；第三章给出了系统的总体方案、光源波动修正以 及定标设计，并简要介绍了本系统采用的分光检测模块；第四章主要阐述光学系统、机械 结构和硬件电路等硬件模块的相关设计工作，第五章则详细分析了单片机系统软件和p c 机应用软件的各功能模块的设计思路与具体实现；第六章给出相关验证性实验得到的数据 与结果分析，最后一章对全文进行了总结，并展望未来工作方向。 关键词：测色色差计；c c d 光谱仪；物体颜色快速测量 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r ym a k e st h ec o l o rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ym o r ea n d m o r ew i d e l yu s e di nt h ec h e m i c a li n d u s t r y , p r i n t i n ga n dd y e i n g ，t e x t i l ea n do t h e ri n d u s t r i e s t h e c o l o r - d i f f e r e n c em e t e ri so n eo fav e r yi m p o r t a n tk i n do fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t si nt h e s ea r e a s t h es t u d yf o u n dt h a tt h e r ea r et w oc o m m o np r o b l e m sf o rt h ec u r r e n tc o l o r - d i f f e r e n c em e t e r ： f i r s t ，t h em a jo r i t yu s ep h o t o e l e c t r i ci n t e g r a ld e s i g n ，w h i c hh a sas i m p l es t r u c t u r e ，b u tl o w a c c u r a c y ；s e c o n di sa sg e n e r a l l yt h e r ei so n l yo n es t a n d a r dg e o m e t r yc o n d i t i o no fi l l u m i n a t i o n a n do b s e r v a t i o nf o rc h o s e n ，i tc a nn o tg e ts a m p l ec o l o ri n f o r m a t i o no fd i f f e r e n tm o d e s f o rt h i sr e a s o n ，i n d e p t ha n a l y s i sa n ds t u d yo ft h eb a s i ct h e o r yo fc o l o rs c i e n c ea n d p r i m a r yc o l o rm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h i sp a p e rp r e s e n t s ap r o g r a mw h i c hu s i n gc c d s p e c t r o m e t e ra s t h es p e c t r o s c o p i cp r o b ec o m p o n e n t s ，a n ds e q u e n t i a li l l u m i n a t i o nf o ra s i n g l e - b e a ms t r u c t u r e ；i ti sc o m p a t i b l ew i t ht w os t a n d a r dl i g h t i n gc o n d i t i o n so f0 d ：ea n d4 5 0 ， a l s or e f l e c t i v eo b s e r v a t i o ns a m p l e sm e a s u r e m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o n so f0 d t h em a i nw o r ko f t h ee a r l yr e s e a r c hh a sb e e nw e l lc o m p l e t e d t h es y s t e mp r o g r a mc o m p r i s e sf o u rm a i np a r t s ：o p t i c a ls y s t e m ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h e h a r d w a r ec i r c u i t sa n ds y s t e ms o f t w a r e f o rt h eo p t i c a ls y s t e m ，w i t ht h eh a l o g e nl a m pa ss y s t e m l u m i n a n c e ，k o h l e ri l l u m i n a t i o nw a su s e dt op r o v i d eu n i f o r mi l l u m i n a t i o n ；f o rt h em e c h a n i c a l p a r t ，r e f e r r i n gt ot h ec i es t a n d a r dl i g h t i n gc o n d i t i o n s ，t h ec a l c u l a t i o ng i v e sd e t a i l so fm a jo r c o m p o n e n t so ft h es y s t e mp a r a m e t e r s ，a st h er e f e r e n c ef o rm e c h a n i c a ld e s i g n ；f o rt h eh a r d w a r e c i r c u i tp a r t ，a nr a d i a t i o ni n t e n s i t ym o n i t o r i n go fl i g h ts o u r c ea n dr o t a t i n gm i r r o rp o s i t i o nc o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e dw i t ha t 8 0 c 5 1m i c r o c o n t r o l l e rc h i pa sc p u ，a l s ot h es c h e m a t i cd i a g r a m a n dp c b d e s i g nw a st a k e no u tt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ec i r c u i td e s i g n ；f o rt h es y s t e m s o f t w a r ep a r t ，i n c l u d i n gt h es c ms o f t w a r ea n dt h ep ca p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，s c ms o f t w a r ei st o a c h i e v et h eo c c u r r e n c ea n dd i s t r i b u t i o no ft h es t e p p e rm o t o rd r i v ep u l s e s ，a sw e l la st h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm c ua n dp c a st o a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，w h i c hr e a l i z e dt h e s p e c t r o m e t e rd a t ac o m m u n i c a t i o nw i mt h eu s bi n t e r f a c e ，f u n c t i o nm o d u l e sf o rt h es y s t e m c o n f i g u r a t i o n ，c a l i b r a t i o n ，s p e c t r a ld a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，r e s u l t sd i s p l a ya n dd o c u m e n t m a n a g e m e n tw e r ed e s i g n e d t h ec o n t e n t so fh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds y s t e ms o f t w a r ep a r t sa r e t h e p a p e r sm a i nf o c u s 浙江大学硕七学位论文a b s t r a c t t h ep a p e ri n c l u d e ss e v e nc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e rd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n do ft h i s p r o j e c ta n dt h er e s e a r c hd e v e l o p m e n ti n l a n da n da b r o a d ；t h es e c o n dc h a p t e rg i v e st h er e l a t e d t h e o r e t i c a lb a s i sa n db a s i cm e t h o d sf o rc o l o rm e a s u r e m e n t ；t h et h i r dc h a p t e rs h o w st h eo v e r a l l d e s i g no ft h es y s t e m ，a sw e l la st h ec a l i b r a t i o ns c h e m e ；t h ef o u r t hc h a p t e ri n c l u d e sm e t h o d sa n d r e s u l t sf o ro p t i c a ls y s t e m ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa n ds c ms y s t e md e s i g n ；t h ef i f t hc h a p t e r d e s c r i b e st h ed e s i g ni d e a sa n dc o n c r e t er e a l i z a t i o no fe a c hf u n c t i o nm o d u l e so fs c ms y s t e m s o f t w a r ea n dp c - a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ；t h es i x t hc h a p t e rs h o w st h er e l e v a n td a t aa n dr e s u l t s a n a l y s i so b t a i n e df r o mv a l i d a t i o ne x p e r i m e n t sa n dt h ef i n a lo n es u m m a r i z e st h ew h o l ep a p e r a n dg i v e ss o m ep r o p o s a l sf o rt h ed i r e c t i o no ff u t u r ew o r k k e yw o r d s ：c o l o r - d i f f e r e n c em e t e r ；c c ds p e c t r o m e t e r ；q u i c km e a s u r e m e n to fs u r f a c e c o l o r i v 浙江大学硕士学位论文 插图和附表清单 插图和附表清单 图2 1 颜色环 5 图2 2明视觉与暗视觉的光谱光视效率曲线6 图2 3阶段学说的颜色视觉模型6 图2 4 颜色立体7 图2 5 标准照明体的相对光谱功率分布 8 图2 6 反射色测量的c i e 标准照明与观察几何条件 图2 7 透射色测量的c i e 标准照明与观察几何条件 图2 8c i e l 9 3 1 标准色度观察者光谱2 - , 1 激值曲线 图2 9c i e l 9 3 1x y z 系统色品图1 1 图3 1颜色测量系统总体方案框图1 7 图3 2系统光学结构示意图1 8 图3 3c c d 光谱仪内部结构示意图2 1 图3 4 平面衍射光栅色散原理 2 1 图4 1柯勒照明示意图 2 3 图4 2 部分机械结构示意图 2 5 图4 - 3光纤耦合示意图 2 6 图4 4 降压稳压器电路2 7 图4 5 光源监测电路 2 7 图4 6 步进电机定转子展开图 2 9 图4 7 步进电机驱动电源示意图3 0 图4 8l 2 9 8 n 引脚定义3 1 图4 9 单片机驱动控制电路原理图3 2 图4 1 0 光电开关结构与原理示意图3 3 图5 1单片机系统软件流程图3 5 图5 2 驱动控制模块流程图3 7 图5 3 系统软件总体构架示意图3 9 图5 4u s b 接口通信示意图4 0 图5 5串口通信程序模块流程图 4 1 9 1 0 1 1 浙江大学硕上学位论文 插图和附表清单 图5 6 系统定标过程示意图 图5 7 数据处理流程 4 3 图5 8 转镜切换消息响应 图5 9 软件主界面部分截图 图5 。1 0 系统应用软件主界面 4 2 4 4 4 4 4 6 表4 1l 2 9 8 n 的逻辑功能表 3 l 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 5 表6 6 表6 7 表6 8 波长检测结果( 单位r i m ) 5 0 标准白板重复测试数据( 0 d 反射) 5 0 标准白板转动测试数据( 0 d 反射) 5 0 标准白板性能指标评价结果( 0 d 反射) 5 1 标准白板重复测试数据( 4 5 0 ) 5 1 标准白板转动测试数据( 4 5 0 ) 5 1 标准白板性能指标评价结果( 4 5 o ) 重复测试数据( 0 d 透射) 5 2 表6 9 性能指标评价结果( 0 d 透射) 5 2 表6 1 0 色板重复测试数据( 4 5 0 ) 5 2 表6 。1 1 滤色片重复测试数据( 0 d 透射) 5 3 i x 5 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：范成 签字日期：w 9 年歹月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 蛙威 翩签名：觚 签字目期： z a 口年3 月，日签字日期：力衫口年夕月( 矽日 浙江大学硕：仁学位论文致谢 致谢 本课题的研究工作是在本人导师姚军老师的悉心指导下完成的，无论是理论方案的 探讨、实验条件的配置还是实施过程的督正，姚老师都给予我了极大的关怀与帮助。导师 的教诲真正让我懂得了何为治学之道，何为立身之本。两年多的研究生生活所获良多，多 是得自导师的言传身教，在此谨向我一生的导师致以最衷心的感谢! 感谢工程中心的曹向群老师，以及徐海松老师、侯民贤老师和潘健老师，几位老师 的关照使本人的学习和研究工作得以顺利进行。 另外感谢实验室的张显斗、邹文海两位师兄和吕玮阁师姐，三位不仅在学业上给予 了我诸多指点，生活上更是为我树立了博学厚重孜孜以求的楷模；感谢陶奇、王胤文、徐 炳炎、倪怀远、高法灯、单闯、宫睿等同学，让我的学习与生活如此的丰富多姿充满欢乐! 同时感谢与我共度近三年研究生生涯的室友董延涛、付鑫同学以及光学工程所0 7 级 的同学们，感谢你们给予我的无私的友爱，给予我的种种帮助。 感谢我的家人，在我的攻读硕士学位的两年半的时间里，他们无微不至的关怀与真 爱才是我学习不断进步思想日益成熟的源动力，也永远是我今生今世最为宝贵的财富! 最后，感谢百忙之中评阅论文的诸位老师、专家和学者。感谢所有曾经帮助、鼓励 和关怀过我的人们! 洪威 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江火学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着现代工业的发展，颜色在纺织、印染、化工等行业中的应用越来越广泛，颜色 测量也成为评价相关产品质量的重要依据和手段。在颜色科学发展初期，人们主要依靠目 视的方法评价颜色，但显而易见，这种方法因同时受外界照明条件和观察者主观心理等多 个因素的影响，其准确度和一致性都较差【1 。3 1 。于是人们逐渐意识到必须研究如何对颜色 进行定量的描述与测量。 为了更好地研究人眼的颜色感觉机理，研究颜色的描述与计算问题，需要综合应用 光学、生理学、心理学等学科的知识，首先是必须找到外界光刺激与入眼的颜色视觉量之 间的对应关系，然后通过大量的科学实验，建立起色度色体系，以便解决如何对颜色进行 定量描述的问题，比如以一定照明观测条件下颜色样品的三刺激值x y z 来描述色样特征。 与此同时色度学体系也应给出判定两个色样是否相互匹配的条件，如在给定的照明观测条 件下，若两种色样的- 2 , 4 激值x 、y 、z 分别相等，则认为二者在该照明条件下为条件等 色，否则认为二者之间存在色型3 l 。 经过不同领域颜色科学工作者的研究与数据积累，以及国际照明委员会( c i e ) n 技术 协调，一套标准化的色度学系统逐渐建立起来。在这一过程中除了相应的c i e 标准化模型 与方法，还产生了大量的精确而复杂的光学模型、算法技术和各类测色系统，如递归二次 逼近及优化算法、绝对配色技术、通用颜色系统数学模型、神经网络技术等等。这些都使 得颜色科学日益丰富与完善。 以符合色度学原理的仪器代替人眼对颜色进行测量和判定便是其中的一个重要进 步，由此对物体颜色的差异做出客观的评价，不仅能够实现统一的工业检测标准，也使产 品的颜色信息能以量化的形式进行传递，便于产品质量控制。由于现代计算机技术的急速 发展，与计算机相结合几乎已是精密颜色测量与再现的必由之路，比如利用数码相机或扫 描仪等外设将图像信息输入计算机系统，经过特定的计算处理由打印机等输出显示。本课 题研究内容则主要集中在通过特定设备获取被测物体的反、透射光谱信息，再利用计算机 软件系统计算得到样品的三刺激值等色度学参数。 经过深入的市场调研，我们发现目前市面上通用的测色仪器多数存在以下问题：其 浙江人学硕士学位论文绪论 一，部分产品采用了光电积分式结构，即以特定光谱灵敏度的光电积分元件直接测量被测 物体的三刺激值或色品坐标，其结构较为简单，操作方便，但精度较低【4 1 ；其二，采用分 光光度武结构的测色系统由于多数采用脉冲光源，存在光源发射能量波动问题，一般均需 设置参照光路，如此使得系统结构变得更为复杂，成本也大大提高；其三，根据c i e 于 1 9 7 1 年正式推荐的几种颜色测量的标准照明与观测几何条件【川，几乎所有测色产品均设计 为在其中某一种标准模式下对反射或透射样品进行测量，而事实上对于表面的一次反射性 能介于高光泽和高漫射之间的一般试样，其色貌取决于外部照明的几何条件，这自然也使 得相关仪器的通用性受限。 基于以上原因，本课题设计的测色色差将以c c d 快速光谱仪作为分光探测组件，采 用直流光源照明下的单光束结构，兼容0 d ：e 和4 5 0 两种标准照明观测条件下的反射样品 和0 d 条件下的透射样品的测量，测得的光谱数据被传送到p c 机上迸行处理并对结果加 以显示，这样便可以相对简单的结构测得精度更高的多组数据，便于分析比较，提高测量 的准确性，同时还充分考虑到系统的小型化改进问题，对下一步的嵌入式方案进行了论证， 由此进一步开发的实用产品一旦投入工业生产必将产生明显的经济和社会效益。 1 2 国内外研究现状 就研究方法而言，颜色测量方法主要包括日视法、光电积分法和分光光度法三种6 遗】。 目视法是观测者以目测的方式比较待测样品和标准样品的颜色，从而给出待测试样的色度 评价，显然，此种方法的最终观测结果与照明观察方式以及观测者的主观心理因素有关， 现在已较少采用。 光电积分法是通过把探测器的光谱响应匹配成所要求的c i e 标准色度观察者光谱三 刺激值曲线，或某一特定的光谱响应曲线，由此对被测量的光谱功率进行积分测量。常见 的匹配方法有模板法和光学滤色片法。光电积分式结构测量速度快，测色精度取决于探测 器光谱灵敏度满足卢瑟条件的程度。当然，光源和探测器的稳