（光学工程专业论文）材料光谱光度特性测试系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 本课题基于光度学、色度学理论，设计了一种采用分光光度型测量方法对 材料的光谱光度特性及其色度评价参数进行测量的光电系统。本论文主要对该 系统设计方案在对材料光谱光度特性的测量方面进行了系统的阐述，同时针对 光源光谱光度特性的测量和评价对本系统扩展应用进行了探讨和设计。传统的 光谱光度计采用单色仪作为光谱扫描的手段，因而速度很慢，本系统采用硅光 电池作为参考通道的光电探测器来监视光源稳定性，以海洋光学的u s b 2 0 0 0 光 谱探测模块作为测量通道光谱探测的核心模块，自行设计p c 软件进行数据采 集和处理，可独立快速地完成对材料光谱反射比、光谱透射比的测量和试样色 度参数的计算与评价、测试数据的存储以及数据分析等功能。 全文共分七章。第章为绪论，介绍了材料光谱光度特性测量在国内外的 发展情况，在纺织印染、制浆造纸、建筑材料、航天材料和光学仪器零件等相 关工业领域内应用的历史和现状，说明了在工业生产中进行准确的光谱光度特 性测量的重要性，并在此基础上提出了课题的研究方向。第二章简要介绍了本 课题设计中所涉及到的光度学、色度学理论和知识背景，是本文的理论基础部 分。第三章给出了本系统的总体设计方案，介绍了系统的总体结构设计、光谱 光度定标以及材料光谱特性的测量方案，并在此基础上将系统设计分为硬件系 统和软件系统分别展开论述。第四章为硬件设计，主要包括光源稳定性监视系 统的设计方法和光谱探测系统( 海洋光学的光谱探测模块) 的内部实现机制， 从功能构成及其电气原理方面对光源稳定性监视系统的各个了功能进行阐述， 并对各个子系统的功能实现提出了切实可行的解决方案。第五章主要介绍p c 材料光谱光度特性测试软件，给出了一种使用个人计算机( p c ) 来控制仪器以 实现对材料光谱光度特性的测量，并在此基础上避行测试数据的分组管理、直 观显示和数据分析的软件实现方法。第六章主要是对系统的测试性能进行梭定， 采用中国计量科学研究院提供的一套标准反射板承1 透射板对本系统的准确度和 精确度等指标进行了计量测试和评价。对测量结果的详细分析和讨论表明，本 课题设计的材料光谱光度测试系统达到了预期的技术性能。第七章主要是针对 光源光谱特性的测试对系统进行了扩展设计研究，并从系统结构和软件方面进 行了说明。最后，在对本课题相关研究和技术进行总结的基础上，对本系统可 能的改进方向进行了展望。 关键词：材料光谱光度特性、光谱反射比、光谱透射比、分光光度测量、光源 光谱功率分布、相关色温、显色指数。 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 o nt h eb a s i so fp h o t o m e t r ya n dc o l o r i m e t r y , am e a s u r e m e n t s y s t e mi sd e s i g n e d f o rr e f l e c t a n c ea n dt r a n s m i s s i o no fm a t e r i a l sa n di t sc o l o r i m e t r i cp a r a m e t e r su s i n g s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es c h e m eo ft h i ss y s t e mi s i n t r o d u c e dm a i n l yo nt h es p e c t r o p h o t o m e t r i cm e a s u r e m e n tf o rt h em a t e r i a l s ；i n a d d i t i o n ，a st h ee x t e n d e da p p l i c a t i o no ft h i si n s t r u m e n t ，t h es p e c t r a lm e a s u r e m e n t a n di t sc o l o r i m e t r i ce v a l u a t i o no fl i g h ts o u r c e sa n do t h e rs e l f - l u m i n a n c eo b j e c ta r e a l s od i s c u s s e d ，ac c di sa d o p t e da st h es p e c t r a td e t e c t o ro ft h ed e s i g n e ds y s t e m a n dap h o t o - d i o d ea st h em o n i t o ro ft h el i g h ts o u r c e p cs o f t w a r ei sd e s i g n e d ，u s i n g b o r l a n dc + + b u i l d e r , t oc a r r yo u tt h ef u n c t i o n so fs p e c t r o p h o t o m e t r i c sc a l i b r a t i o n s p e c t r a ls a m p l i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，c o l o r i m e t r i ce v a l u a t i o n ，a n de t c ，s ot h a t t h e m e a s u r e m e n tf o r t h er e f l e c t a n c ea n dt r a n s m i s s i o no fm a t e r i a l sc a nb er e a l i z e d s a t i s f a c t o r i l y t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t so fe i g h tc h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ec u r r e n t c i r c u m s t a n c ei sd e s c r i b e df o rt h es p e c t r o p h o t o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s r e l a t e di n d u s t r yi nm ew o r l da n dt h e i rh i s t o r y t h ee m p h a s e sa r ep u to nt h e i m p o r t a n c eo fs u c hs p e c t r a lm e a s u r e m e t si ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，s ot h a tt h e o b j e c t i v ea n dt a s ko ft h i ss t u d ya r ep r e s e n t e d t h e2 r i dc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e l a t e d b a s i ct h e o r i e so f p h o t o m e t r y a n d c o l o r i m e t r ya n d t h eb a c k g r o u n do ft h e c o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o n s t h e3 r dc h a p t e rp r e s e n t st h eo v e r a l ls c h e m et h a t c o n c e r n sa b o u tt h e d e s i g n o ft h e s y s t e m sc o n f i g u r a t i o n ，s p e c t r o p h o t o m e t r i c c a l i b r a t i o n ，a n dt h em e a s u r e m e n tm e t h o d i nt h e4 t hc h a p t e r , t h eh a r d w a r eo ft h i s s y s t e mi sd e s c r i b e dw i t ht h ed i f f e r e n tm o d u l e si nd e t a i l s a n dt h ea p p l i c a b l em e t h o d s t oi m p l e m e n tt h e s ef u n c t i o n sa r ea l s oi s s u e d t h e5 t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n d e t a i l so ft h et e s ta n dc o n t r o ls o f t w a r eo np c w h i c hr e a l i z et h em e a s u r e m e n to f r e f l e c t a n c ea n dt r a n s m i s s i o no fm a t e r i a l sw i t ht h ei n s t r u m e n t t h e6 t hc h a p t e rg i v e s t h e a c c u r a c ya n dp r e c i s i o no ft h i ss y s t e mb a s e do i lt h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n t e x p e r i m e n t su s i n gt e ns t a n d a r dr e f l e c t a n c ea n dt r a n s m i s s i o np l a t e s ，w h i c hs h o wt h a t t h ep e r f o r m a n c eo ft h i si n s t r u m e n tr e a c ht h ep r e d e t e r m i n e dt e c h n i c a ld e m a n da n d c a nb ea p p l i e dt ot h er e l a t e di n d u s t r i e s ；t h e7 t hc h a p t e re x t e n d st h es y s t e mt ot h eu s e o fs p e c t r a lm e a s u r e m e n to fl i g h ts o u r c ea n do t h e rs e l f - l u m i n a n c eo b j e c t s ，i n c l u d i n g t h ec o l o r i m e t r i ce v a l u a t i o n so fc o r r e l a t e dc o l o rt e m p e r a t u r e ( c c t ) a n dc o l o r r e n d e r i n gi n d e x i nt h e 8 t hc h a p t e r , t h er e s e a r c hw o r ka n dr e l a t e dd e s i g n sa r e s u m m a r i z e d ，a n dt h e ns o m ep o s s i b l ei m p r o v e m e n t sa r ep r o s p e c t e ds ot h a tm o r e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mi sl o o k e df o r w a r d k e yw o r d s ：s p e c t r o p h o t o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s ，s p e c t r a lr e f l e c t a n c e ， s p e c t r a lt r a n s m i s s i o n ，s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e a s u r e m e n t ，s p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o n o fl i g h ts o u r c e s ，c o r r e l a t e dc o l o rt e m p e r a t u r e ( c c t ) ，c o l o rr e n d e r i n gi n d e x 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 材料光谱光度特性的测量及意义 当光辐射照射到某种材料上时，则入射辐射的一部分被反射，一部分被吸收 和散射，还有一部分被透射，对于某些特殊材料，还会出现荧光和偏振现象。若 采用单色辐射照射材料，测量的各种特性称为光谱特性值；若采用复合光时( 白 光，一般为a 光源) 时，测量的各种特性值称为总的特性值。“1 进一步的研究表 明，材料的这些特性既与入射光辐射的波长有关，也与照明方向和观察方向有关。 定量测量材料的反射、透射、荧光和偏振的光谱分布和空间分布便构成了光谱光 度学的主要任务。 根据材料的光学特性值可将材料分为：只有反射的材料，如平面镜、无光泽 铝、漆和硫酸钡板等；弱透射、反射占优势的材料，如彩色滤色片、光泽织品， 纸张等；强透射材料，如窗玻璃，毛玻璃、乳白玻璃等。”1 近几十年来，随着科 学技术的发展，社会对材料和产品质量的要求和控制不断加强，对材料的光度、 色度特性的测量也日趋重要，材料光谱光度特性的测量已经成为光辐射测量的一 个重要部分。在空间技术中应用的一些材料的特性如它们的反射比，在民用产品 中如光学仪器、光学部件、印刷产品的光谱透射比、漫反射比以及颜色特性，荧 光材料的测量等都需要一些特殊的测量方法。 当测量反射比和透射比时，根据比较标准的不同，可将它们分为绝对测量和 相对测量。当被测反射通量( 或者透射通量) 与入射量相比时，则称为绝对测量； 当被测的反射通量( 或者透射通量) 与已知反射比( 或透射比) 的标准反射通量 ( 或者透射通量) 相比，再乘以已知标准的反射比( 或透射比) 时，则称为相对 测量。测量材料光谱光度特性的仪器有单光束和双光束两种。对单光束仪器，测 量采用置换法，在同一位置上交换被测材料和标准：对双光束仪器，测量是连续 比较被测材料和标准，两者放在仪器的两个不同位置伤，可同时或顺序求值。目 前，大多数仪器均采用相对测量的方法。 上个世纪6 0 年代之后，随着电子、计算机技术飞速的反展，新的光电探测 器件不断出现并得到应用，光谱光度测量的应用也蓬勃增长，各种光谱光度测量 仪器也应运而生。使仪器代替人眼对材料光谱光度、色度特性进行测量是工业生 产中的一个重要进步，由此可对材料的光谱光度特性作出客观的评价，不仅实现 了统一的工业检测标准，也使产品的光谱光度信息能够以量化的形式进行传递和 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 质量控制。目前，分光型光谱光度测量仪器在对产品光谱光度特性要求比较严格 的场合已经得到了广泛的应用。 1 2 本课题主要研究内容 随着工业的进步和科学与工程技术的不断发展，人们对材料的光谱光度特性 的质量要求不断提高。建筑材料的光谱反射比以及颜色质量怎么才能给人以美观 的感觉? 航天工业中特性材料的反射比达到怎样的标准才能使得航天器不因为 吸收光能过多而被烧毁? 光学仪器的光谱透射比达到怎样的要求才能有效的进 行测量? 造纸工业和印刷和纺织印染工业中产品的颜色质量到底合格不合格? 这些都需要一定的评价标准。利用分光光度测量的方法可以对材料的光谱反射比 和光谱透射比进行测量，还可以利用色度学的计算方法计算出材料的色度特性。 对于材料光谱特性的评价可以通过分析材料的光谱光度特性完成，还可以用色度 参数来分析它的色度质量。为跟随光度学和色度学的发展和不断地适应实际工业 生产的需求，希望有一种仪器可以对材料的光谱光度特性和颜色特征进行准确测 量并对其质量进行科学的评价，从而正确地反映材料样品的光谱光度特性，并能 够由此达到对生产过程的科学有效控制和指导。 本课题将在以下几个方面展开研究： 1 从光度学、色度学的测量原理出发，研究开发一种能够用于材料( 如建筑材 料、纸张、彩色印刷、印染、光学仪器零件和航天材料等工业产品) 光谱光 度特性的测试系统。 2 对分光型光谱光度测试系统的测量方案、系统定标以及测试结果的评价方法 进行分析和设计，并通过实际测量结果柬探讨提高系统测量精度的相关技 术。 3 针对发光体光谱光度特性和光源相关色度参数的测量和评价要求，进行系统 的扩展应用设计研究。 浙江大学硕士学位论文第二章光度学、色度学相关理论基础 第二章光度学、色度学相关理论基础 2 1 物体的光度性质 物体的光度学性质，即光学性质， 这是所有物体在入射光辐射的作用下， 决定了它们的亮度和色度( 颜色) ，这是 必然要显示出来的特征。 如图2 - 1 ，根据能量守恒定律可知，入射到透明物体表面的光通量中与反射 光通量币，、透射光通量中，和吸收不分巾。有如下关系 或 巾，+ 中。+ 中。= 西 d + f + 口皇1 ， 中， 图2 1 平菌透射物体 式中，p 、z 、a 分别成为表面层的反射比、透射比和吸收比。娃1 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 当物体为有色物质时，这些比值取决于入射光辐射的光谱组成。对于波长在 a 的区间内的单色辐射而言，上述比值分别称为光谱反射比i d ( a ) 、光谱透 射比f ( a ) 和光谱吸收比a ( a ) 。 任何光谱组成的辐射通量，都可以看作功率d p = p ) 4c f a 的许多单色辐射 组成的总和。因此，反射功率、透射功率和吸收功率可以分别写成成绩：p ( a ) d p 、 浙江大学顿= l 学位论文 第二章光度学、色度学相关理论基础 r ( z ) d p 年na ( z ) d p 。入射光通量中。、反射光通量m ，、透射光通量和吸收光通量垂。 可以分别表示为 中t2 峨f v ( z ) p ( z ) d z m ，。p 沙( a ) p 姐 中r2k f r ( z y ( z ) p ( z ) d z 中。；k - o 尸q ) 砌矽 据此，表面层目视反射比p v 、透射比印和吸收比o ，应写成 p r2 p ( 少( a ) ；p ( a ) d a f v ( z ) e ( z ) d z t r2 f f ( z ) v ( z ) p ( z ) d z p ( z ) p ( z ) d z 唧2 f a ( z y ( z ) p ( 2 ) d z f v ( z ) p ( z ) d z 式中所有积分范围均为可见光波段( 3 8 0 7 8 0 n m ) 。 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 由此可见，物质的反射比、透射比和吸收比，不仅与物质本身的光谱性质所 决定的p ( z ) 、f q ) 和a ( z ) 函数有关，而且还与表征入射光谱组成特性的p ( z ) 函 数有关。只有中性材料，其特性在任一光谱波段范围内与波长无关，即其光谱反 射比、光谱透射比和光谱吸收比分别等于某一常数。4 1 2 2 标准照明体和标准光源 在现实生活中，人们所见的缤纷世界都处于不同光源的照明之下，其中包括 如日光等自然光源和各种灯光等人工光源。随着天空云层、季节、地点的不同， 日光的光谱分布会有显著的差别：人工灯光的种类繁多，其光谱分布更是有着很 大的不同。 物体的颜色与照明光源有着密切的关系，同一物体在不同光源的照明下会呈 现不同的颜色，这一因素给颜色测量的可重现性带来了不便，也影响了颜色信息 的交流。为了统一颜色的评价标准和进行色度计算，c i e 对于颜色的测量和计算 推荐了几种标准照明体和标准光源”1 ，其中包括标准照明体a 、b 、c 和d 5 5 、 d 6 5 、d 7 5 等多种照明体d ，以及标准光源a 、b 和c 。这样，对颜色的评价 1 可以在c i e 规定的照明体或光源下进行，具有了统一的标准。 4 浙江大学硕士学位论文 帮二章光度学、鱼度学相关理论基础 f ( a ) d p 和a ( x ) d p 。入射光通量垂。、反射光通量西，、透射光通量和吸收光通量垂。 可以分别表示为 中。jk f ( z ) p ( a ) d x 中ik f p ( z ) v ( a ) p ( a ) d a 币r 。k f v ( a ，z ( a ) p ( x ) d a 巾。k 产( a p 以) p m 据此，表面层目视反射比伟、透射比。和吸收比口，应写成 p r2 f p ( a ) v ( z ) p ( ) d a ，f v ( x ) p ( ) d x 。，( ( ) p ( m a f ( z ) p ( z ) d z 哪2 f a ( y ( ) 尸( ) d ，f v ( z ) p ( a ) e z 式中所有积分范围均为可见光波段( 3 8 0 7 8 0 n m ) 。 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 由此可见，物质的反射比、透射比和吸收比，不仅与物质本身的光谱性质所 决定的p ( z ) 、f q ) 和a o ) 函数有关，而且还与表征入射光洁组成特性的p ( z ) 函 数有关。只有中性材料，其特性在任光谱波段范围内与波长无关，即其光谱反 射比、光谱透射比和光谱吸收比分别等于某一常数。“1 2 2 标准照明体和标准光源 在现实生括中，人们所见的缤纷世界都处于不同光源的照明之下，其中包括 如日光等自然光源和各种灯光等人工光源。随着天空云层、季节地点的不同， 日光的光谱分布会有显著的差别；人工灯光的种类繁多，其光谱分布更是有着很 大的不间。 物体的颜色与照明光源有着密切的关系，同一物体在不同光源的照明下会呈 现不同的颜色，这一因素给颜色测量的可重现性带来了不便，也影响了颜色信息 的交流。为了统一颜色的评价标准和进行色度计算，c 对于颜色的测量和计算 推荐r 几种标准照明体和标准光源”1 ，其中包括标准照明体a 、b 、c 和d s s 、 d 6 5 、d 7 5 等多种照明体d ，以及标准光源a 、b 和c 。这样，对颜色的评价”1 可以在c i e 规定的照明体或光源下进行，具有了统一的标准。 可以在c i e 规定的照明体或光源下进行，具有了统一的标准。 浙江大学硕士学位论文 第二章光度学、色度学相关理论基础 2 2 1 标准照明体 标准照明体a 代表了绝对温度2 8 5 6 k ( 1 9 6 8 年国际实用温标) 的完全辐射 体的辐射，它的色品坐标落在c i e l 9 3 1 的黑体轨迹上。2 1 标准照明体b 代表相关色温约为 4 8 7 4 k 的直射阳光。 标准照明体c 则代表相关色温大约 为6 7 7 4 k 的平均昼光，它的光色近似于 阴天的天空光。标准照明体d 代表各时 相目光的相对光谱功率分布，也被称之 为典型日光或重组目光。由于其与实际 f | 光具有很相近的相对光谱功率分布， 并且比标准照明体b 和c 更符合实际目 光的色品。虽然对于任意相关色温的d 照明体的光谱分布都可以由公式求得。 但是c i e 优先推荐d 5 5 、d 6 5 、d 7 5 的相 对光谱功率分布作为代表日光的标准照 波长( n l i l ) 图2 3c i e 标准照明体d s 5 、d 6 5 及d 7 5 的相对光谱功率分布 明体。图2 3 给出了d 照明体的相对光谱功率分布曲线。 c i e 标准照明体d 6 5 订1 是以在地球上不同地点对日光进行光谱辐射检测的大 量数据为基础，总结出的一组相对光谱功率分布数据，它的相关色温是6 5 0 0 k 。 标准照明体d 6 5 近似平均自然昼光，与整个天空的散射光和阳光同时照射在一个 水平面上的情况有很好的一致性。它是相关色温从6 0 0 0 7 0 0 0 k 范围内的“全 球月光”的平均值，而“全球日光”一般认为是在任何地方的日出后两小时到日 落前两小时的日光及从多云到晴朗的天空光的平均相对光谱功率分布。c i e 同时 推荐有标准照明体d 7 5 和d 5 5 ，分别用于表示天空散射光和照射在特定平面上的 日光，其相关色温分别为7 5 0 0 k 和5 5 0 0 k 。为了达到颜色测量的标准化，在可 能的情况下，应尽量使用标准照明体d 6 5 ，而d ，5 和d 5 5 一般作为在特定场合下 的替代光源。”1 2 2 2 标准光源 c i e 规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布，是规定的光源颜色标准。 标准照明体不一定必须由一个光源直接提供，也并不一定用某一光源来实现。为 了实现c i e 规定的标准照明体要求，还规定了相关的标准光源，以具体实现标 啪 硝 如 硝 。 浙江大学硕士学位论文 第二章光度学、色度学相关理论基础 准照明体所要求的光谱能量分布。c i e 推荐的标准光源a 、b 、c 的光谱功率分 布如图2 4 所示。 图2 4c i e 标准光源a 、b 和c 的 相对光谱功率分布 标准光源a 由分布温度为2 8 5 6 k 的充气钨丝灯实现。如果要求更准确地实 现标准照明体a 的紫外辐射光谱分布，推荐使用熔融石英或玻璃壳带石英窗口 的灯。 标准光源b 由a 光源加罩b 型戴维斯一吉伯逊( d a v i s g i b s o n ) 液体滤光器 组成，其光色相当于中午日光。 标准光源c 则由a 光源加c 型戴维斯一吉伯逊( d a v i s - g i b s o n ) 液体滤光器 实现，以产生分布温度为6 7 7 4 k 的光谱辐射。”1 2 3 照明条件与观察条件、标准测量样品 2 3 1c i e 标准照明和观察条件 颜色测量必须在c i e 标准照明体或者标准光源下进行，这样可使测量的结果 便于国际对比。1 9 7 1 年c t e 正式推荐了四种用于反射样品测量的标准照明和观 察条件，见图2 5 。“1 垂直4 5 。( 0 4 5 ) 垂直样品表面方向照明，照明光束光轴与样品法线夹角不 超过1 0 0 ，在样品表面法线成4 5 。竽角的方向上测量，照明光束和测量光束 的任一光线与光轴间的夹角不应超过8 0 ( 见图2 - 5 a ) 。 浙江大学硕士学位论文 第二章光度学、色度学相关理论基础 4 5 0 垂直( 4 5 o ) 照明光束光轴与样品法线方向成4 5 。2 。角，测量方向光 轴和样品法线的夹角不超过1 0 0 ，照明光束和测量光束的任一光线与光轴问 的夹角不应超过8 0 ( 见图2 5 b ) 。 垂直漫射( o d ) 照明光束光轴与样品法线夹角不超过1 0 0 ，反射辐射通量 用积分球收集，照明光束的任一光线与光轴之间的夹角不应超过5 0 ，积分球 的直径可以任意选择，其开孔的总面积不应大于积分球总丽积的1 0 ( 见图 2 5 c ) 。 漫射垂直( d o ) 用积分球漫射照明样品，样品的法线与测量光束光轴之 间的夹角不应超过1 0 0 ，积分球的直径可以任意选择，其开孔的总面积不应 大于积分球总面积的1 0 ，测量光束的任一光线与光轴之间的夹角不应超过 5 0 ( 见图2 5 d ) 。”1 槲5 神 毒s 雨 图2 - 5c 1 e 标准照明和观察条件 对透射样品的色度测量，c i e 推荐了三种照明和观察条件 垂直垂直( o 0 ) 照明光束光轴与样品法线夹角不超过5 。，照明光束的任 一光线与其光轴间的夹角不应超过5 0 ，测量光束的几何条件与照明光束相 同。安置样品时，只让规则透射部分光辐射进入探测器，这一条件下测量的 浙江大学硕士学位论文 第二章光度学、色度学相关理论基础 数值成为规则透射比t 。 垂直漫射( 0 d ) 照明光束光轴与样品法线夹角不超过5 0 ，照明光束的任 一光线与其光轴间的夹角不应超过5 。用积分球收集半球形透射的光辐射通 量，积分球球壁的反射比应该一致，此时获得的测量值为全透射比f ，如果 在积分球上设置光泽陷阱可以消除规则透射部分的光辐射通量的影响，这一 条件下测量的数值称为漫透射比此时，对所有设置的光泽陷阱的尺寸、 形状和位置应作详细说明。如果探测器和光源的位置互相交换，照明和测量 条件为( d ，o ) 。 漫射漫射( d d ) 样品由积分球漫射照明，用积分球收集透射光辐射通量， 测鼍值成为双漫射透射比。吲 本试验测量光谱反射比、光谱透射比时采用o d 条件。 2 3 2 标准测量样品 颜色的测量需要测定色刺激函数妒( a ) i l l ，对于物体色需要测定物体的光谱辐 亮度系数筘( 柚或光谱反射比p q ) 。用比较测量方法可以获得这些参数，但在比 较测量中需要白色标准，这种标准的光谱辐亮度或者光谱反射比是已知的，它的 反射比应该比较高，而且不应该透光，稳定性要求很好。白色标准需要测量其绝 对光谱辐射亮度或光谱反射比。对于透射物体，通常采用绝对测量法，即用空气 作为标准透射测量样品，其光谱透射比在各个波长均为1 。 2 4c i e 标准色度系统与均匀颜色空间 色度学中所应用的方法和工具，都是以目视颜色匹配定律和国际上一致采用 的标准为基础的。国际照明委员会( c m ) ，通过其色度学委员会，推荐了色度 学方法和基本的标准。皓1 2 4 1c i e 标准色度系统 为了满足工业生产对颜色特性定量化和标准化的需要，在c i e l 9 3 1 年的年会 上，英国照明委员会提出了包括c i e l 9 3 1 标准色度观察者和色标系统、三个标准 浙江大学硕士学位论文 第二章光度学、色度学相关理论基础 光源( a 、b 和c ) 以及标准照明和观察条件在内的若干建议，由此奠定了现代 色度学的基础。比1 1 ) c i e l 9 3 1 标准色度系统 实验证明，几乎所有颜色都可以用三原色按照某个特定的比例混合而成即 c = i ( r ) + i ( g ) + 云( 口) ( 2 - 5 ) 在可见光范围内，每隔一定的间隔对各个波长的光谱色进行一系列匹配实 验，可以得到一组曲线i ( a ) 、虿( a ) 和云( a ) ，它表示在可见光范围内当各光谱线 的能量相同时，某一光谱线所对应的i ) 、i q ) 和云( ) 的混色结果与该光谱色 相同，我们称这三条曲线为光谱三刺激值曲线，而这个色度系统被称为c i e l 9 3 1 r g b 色度系统。 在由c i e l 9 3 1r g b 色度系统计算颜色的三刺激值时会出现负值，这给大量 的数据处理带来了不便，因此，国际照明委员会( c i e ) 推荐了一组新的曲线， 即c 1 e 1 9 3 1x y z 色度系统。这个系统可以由c i e l 9 3 1r g b 系统通过某种线性关 系转换而来，即 = 爿 ( 2 6 ) 通过这样的转换，我们可以计算出c i e l 9 3 1x y z 色度系统中的光谱三刺激值 z ) 、y ( a ) 和z ( z ) ，我们称这三条曲线为“c i e l 9 3 1x y z 标准色度观察者光谱 三刺激值”，如图2 - 6 所示。它适用于2 。视场的中央视觉观察条件。 t “ ，m ， f。曜 级义心 穗氍抽m 图2 - 6c i e l 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值曲线 浙江大学硕：上学位论文 第二章光度学、色度学相关理论基础 2 ) c i e l 9 6 4 标准色度系统 因为c i e l 9 3 1 标准色度系统的观澳0 视场为2 0 ，不能概括所有情况，所以又制 订出c i e l 9 6 4 标准色度系统，它的观测视场是1 0 。，其定义式、数据及曲线略有 变化。转换关系为 一 x l o _ y l o z t o = 4 一 r i o g l o 一 ( 2 7 ) 图2 7c i e l 9 6 4 标准色度观察者光谱- - - * u 激值曲线 在e 述c i e1 9 3 1 和c i e1 9 6 4 标准色度系统中，各种颜色允许的公差差别很 大，这给工程应用带来很大困难。 2 4 2c i e 均匀颜色空间 1 ) c i e l 9 6 4 颜色空间m 由c i e l 9 3 1 色品图变换成c i e l 9 6 0u c s 噶1 图是色度学的个很大发展，但 它并没有表示出颜色的明度差别。1 9 6 4 年c i e 规定了“均匀颜色空间”的标定 颜色的方法，推荐了一组计算方程式，可用于同样亮度水平的颜色计算，也可用 于不同亮度的二颜色计算，我们称这一组方程式为“c i e l 9 6 4 均匀颜色空间”。吩1 t2 5 y 1 乃一1 71eys 1 0 0 u ；1 3 w ( “一“o ) y + = 1 3 w ( v vd ) 4 x x + 1 5 y + 3 z 6 y 并+ 1 5 y + 3 z ( 2 8 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章光度学、色度学相关理论基础 其中u o ，v o 是照明光源的色品坐标，颜色的差异为 a e = 【( a u + ) 2 + ( 矿) 2 + ( a w + ) 2 】1 2 ( 2 扪 2 ) c i e1 9 7 6l + u v 颜色空间枷 该公式是由c i e x y 色品图进行线性交换推导而得出的，而线性变换的目的 是为了改善色差计算数据与目测结果对比的均匀性。 颜色的差异为 式中 r ；1 1 6 ( y y o ) 们一1 6 “= 1 3 l ( “一h o 。) v + = 1 3 l ( v 一) s = 1 3 ( u - - d o ) 2 + ( v - - v 0 * ) 2 】1 2 c 2 _ + ( v ) 2 r h ，= a r c t g ( v 屈+ ) 瓦一【( 缸) 2 + ( 缸) 2 + ( 蛳+ ) 2 】。2 “= 4 x ( x + 1 5 y + 3 2 1 v = 9 y ( x + 1 5 y + 3 z ) = 4 x 。( x o + 1 5 y o + 3 z o ) ；9 r o c x o + 1 5 y o + 3 z o ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中，s 。为饱和度，c 为彩度，k 。为色调角；x 、y 、z 为色样的三刺激值， x o 、y o 、z o 为c i e 标准照明体的三刺激值( 常数) ，u 、v 分别为线性变换后色 样的色品坐标，1 1 0 、v 0 分别为线性变换后c i e 标准照明体的色品坐标。上式要 求x x o 、y y o 、z z 0 0 0 0 8 8 5 6 ，而对于不符合这一要求的极深颜色，应使用深 色修正公式。h 1 1 c i e l * u + v + 颜色空间中，以u 、v + 轴组成的平面表示颜色的色晶， l 轴表示颜色的明度。c i er u v 系统主要应用于光的加法混色，例如彩色电视 和图象处理方面。n 2 1 3 ) c i e1 9 7 6l a 。h 颜色空闻1 3 1 塑垩查兰堕主兰堡丝塞 丝兰里垄垦堂：鱼壁堂塑差型堡薹型 皈； ( 止) 2 + ( 血- ) 2 + ( 幻吖2 r - n 6 ( y y o ) 蜩一1 6 口划。陋盖。) 妒一( 巩) ”】 如2 0 0 ( v v o ) 怕一( z z 。) 怕 乞罱 o ) 2 + ( 厶) 2j 1 2 蚝；a r c t g ( b + n + 1 ( 2 1 3 ) 式中，皈为总色差，a l 为明度差，a a 、a b 为彩度差，c ：b 为彩度，h 。为 色调角：x 、y 、z 为色样的三刺激值，) ( 0 、y o 、z 0 为c i e 标准照明体的三刺激 值( 常数) 。上式必须满足x x o 、y y o 、z z 0 0 0 0 8 8 5 6 ，对于不符合这一要求 的极深颜色，采用上述公式会引起色空间的畸变，导致很大误差。为解决这一问 题p a u l i 提出了一个解决办法并被c i e 所采纳，即c i e l a b 深色修正公式。1 r = 9 0 3 3 ( y y o ) 口；5 0 0 ，( x x 。) 一，( r r o ) 1 b + = 2 0 0 f ( y y o ) 一，( z z 。) ，( x x o ) = 7 7 8 7 ( x x o ) + 1 6 1 1 6 ，y k ) = 7 7 8 7 ( y y o ) + 1 6 1 1 6 ，( z z 。) = 7 7 8 7 ( z z 。) + 1 6 1 1 6 ( 2 1 4 ) c i e l 9 7 6l ab 均匀颜色空间是一个三维体系， a + 和b + 组成的平面表示颜色 的色品，f 表示颜色的明度。自从该色差公式推出以来，在工业界得到了广泛 的应用，特别是在染料或颜料制造、涂料、纺织印染、油墨、塑料着色等行业的 产品颜色质量控制中有着很重要的地位。5 1 浙江大学硕士学位论文第三章系统的总体方案设计 第三章系统的总体方案设计 3 1 总体结构 本课题的研究目的是设计一种可行的材料光谱光度特性测量方案，能够实现 对样品的反射、透射光谱特性进行准确测量，还将通过色度学原理及基础色度计 算方法对被测样品的各种色度参数进行计算和判定。h “在这一思想的指导下， 将测试系统规划为以下几个部分，其中主要包括可调恒流电源、标准光源、光学 系统、光源稳定性监视系统、光谱采集系统以及p c 机管理软件等。 1 1 可调恒流电源：提供标准光源稳定工作所需的恒定工作电流。 2 1 标准光源”1 ：为样品的光谱特性测量提供照明光源。 3 1 光学系统：使光源发出的光辐射对被测样品表面进行均匀稳定的照明， 反射( 透射) 光经过积分球的多次漫反射后被探测器接收，实现0 d 的 c i e 标准照明与观察几何条件。 4 、光源稳定性监视系统：本系统把探测器接收到的光信号转换为电信号， 并进行精密和高速的放大处理后进行采样和模数转换( a d ) 等，完成 对经光源监视探测系统处理过的信号的采集和数字化，并将测试信号读 入单片机。采用a t m e l 公司的8 0 3 1 系列a t 8 9 c 5 2 ，单片机接收光源监 视信号，通过r s 一2 3 2 接口将光源监视信号实时传送到p c 机以进行光源 稳定补偿。 5 ) 光谱采集系统：光谱采集系统采用海洋光学的u s b 2 0 0 0 光谱探测模块， 对测量通道光信号进行实时监控采集，并通过u s b 接口将信号输送到 p c 机。 6 、p c 系统：接收用户操作指令，完成对光谱探测模块和光源监视系统的控 制和本地数据的管理，其中包括数据通信和处理，并以表格和图形方式 显示测量结果和数据库管理、仪器定标、光谱探测模块初始化等功能。 材料光谱特性测试系统的总体结构如图3 1 所示，采用0 d 照明与观测几何 条件e 1 7 1 。当测试反射样品时，标准光源d 6 5 发出的光经过透镜组准直后成为平 行光束垂直入射于被测样品上，被样品反射后的反射光在积分球内经多次漫反射 和充分混合后，其中部分光被积分球挡板后探测口的光纤探头接收，光线由光纤 传入光谱探测模块，经模块内的凹面分光光栅反射后照射到模块内的c c d 上， 浙江大学硕士学位论文第三章系统的总体方案设计 转换成光电流后就得到了不同波长处的光激励，即光谱功率分布。光电流经过预 先仪器的波长校正后得出样品反射光的波长和光谱功率分布数据，经u s b 接口 输出到p c 机。 反射样品 图3 1 材料光谱光度测试系统 参考通道处的探测器接收光源的光谱功率，输出的微弱光电流经过二级放大 电路放大后再由模数转换器件转换为数字信号，然后读入单片机系统。单片机 可以根据模数采样值经过计算得到光源的能量，这个信号作为光源稳定性的补 偿。经过几次测量，p c 机从u s b 端口处得到标准板、样品和校零黑筒的光谱功 率分布后，再加以光源补偿就可以计算出试样的光谱反射比。用户可以通过p c 机软件完成系统定标和仪器的初始化等各种操作。 透射样品测试系统与反射测试系统相似，只是样品位置和积分球内的挡板位 置有所变化，其他功能与反射测试系统相同。 3 2 照明光学系统设计 光源发出的光线经过光学系统后均匀地照射在被测样品上，光学系统减少了 杂散光进入积分球所造成的影响。本系统是在对被测样品所反射( 透射) 的光信 号的接收、转换的基础上实现系统的后续核心功能的，因此，合理地设计照明方 1 4 浙江大学硕士学位论文 第三章系统的总体方案设计 案是系统功能准确实现的保障。在本系统中，光学照明部分采用透射光亮视场照 明，一般有以下两种方式_ 1 9 1 实现： 1 ) 柯勒照明：该方法把光源像成在物镜入瞳面上，如图3 2 所示。柯勒镜( 即 图3 - 2 柯勒照明示意图 聚光镜前组) 把光源放大成像至聚光镜后组的前焦平面上，照明系统的孔径光阑 就位于该焦平面，聚光镜后组又把孔径光阑成像在无穷远。照明系统的视场光阑 紧贴在柯勒镜后，被聚光镜成像在物平面上。照明系统的孔径光阑确