（信号与信息处理专业论文）印品色度检测分光光度计的研究实现.pdf

摘要 论文题目：印品色度检测分光光度计的研究实现 学科专业：信号与信息处理 研究生：龚亚辉签名： 指导教师：胡涛教授签名： 摘要 分光光度计是目前印刷中常用的颜色测量仪器，它在颜色复制的过程控制中提供重要 的信息。分光光度计多数为便携式测试仪，且为价格昂贵的进口专用设备，不具备在线检 测功能。因此研究符合国内印刷企业在线应用的分光光度计，具有很大的研究价值。 本课题针对当前国内印刷业的发展现状，在分析色度学和国内外色度在线检测方法的 基础上，研究并尝试加工制作印品质量在线检测工具分光光度计。该装置基本上能够 实现印品色度的测量，并且能够对多种l e d 光源的光谱进行分析。 本文的主要工作和研究结论如下： 1 ) 分析现在国内外的分光光度计的发展和研究状况，对分光光度计各部分进行分 析，设计符合本课题要求的分光光度计整体结构。 2 ) 根据几何光学和物理光学理论，采用平面闪耀光栅作为分光元件设计完成一套分 光系统，并且设计、计算光线光路，并对光学元件进行选型和购买。很好的将混 合光均匀的分开。 3 ) 设计完成本课题的机械装置机构，采用l y l 2 合金材料设计加工出分光光度计机 械装置，并组装调试通过。 4 ) 设计电路系统的软、硬件系统，采用现在流行的控制芯片a t 8 9 s 5 2 设计光信号检 测、运放计算系统，和控制显示系统。 最后对白板和印刷油墨进行测试，并结合光电池相对响应曲线对采集的信号进行详细 分析。 关键词：色度学；分光光度计；闪耀光栅；a t 8 9 s 5 2 a b s t r a c t t i t l e ：p r i n tc h r o m ac h e c k ss p e c t r o p h o t o m e t e rr e s e a r c h a n dr e a u z a t i o n m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：y a h u ig o n g s u p e r v i s o r - p r o f t a oh u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：出幽q s i g n a t u r e ：止妇醍 t h es p e c 仃o p h o t o m e t e ri se o m n l o ne o l o r i m e t r yi n s t r u m e n tu s e di np r i n t i n ga tp r e s e n t i t o f f e r si m p o r t a n ti n f o r m a t i o nd u r i n gc o l o rr e p r o d u c t i o n m o s to fs p e c t r o p h o t o m e t e r s a r e p o r t a b l ea n de x p e n s i v ei m p o r t sf o rs p e c i a lu s e ，b u tt h e yc a n tb eu s e di no n l i n ed e t e c t i o n s o ， s t u d y i n go n - l i n ed e t e c t i o ns p e c t r o p h o t o m e t e rf o rd o m e s t i ce n t e r p r i s e s i si m p o r t a n t b a s e do nc o l o r i m e t r ya n do n l i n ed e t e c t i o nm e t h o do fh o m ea n da b r o a d ，t h e s p e c t r o p h o t o m e t e ra sp r i n t i n gq u a l i t yo n - l i n ed e t e c t i o ni u s t n m a e n tw a ss t u d i e da n d m a d eb a s e d 0 1 1d e v e l o p m e n to f d o m e s t i cp r i n t i n gi n d u s t r y t h es p e e t r o p h o t o m e t e rc a nm e a s u r ee o l o r i m e t r i c v a l u e so f p r i n t e dm a t t e ra n da n a l y z es p e c t r u mo f m a n yl e dl i g h ts o u r c e s t h em a i nw o r k a n dc o n c l u s i o n sa r ca sf o l l o w s ： 1 ) t h es p e c t r o p h o t o m e t e rd e v e l o p m e n t so fh o m ea n da b r o a dw e r es t u d i e d e a c hp a r tw a s a l s oa n a l y z e da n dt h ew h o l es 仃1 l c n i r co fs p e c t r o p h o t o m e t e rm e e t i n gt h e s i sd e m a n dw a s d e s i g n e d 2 ) a c c o r d i n gt og e o m e t r i c a la n dp h y s i c a lo p t i c s t h es y s t e mw a sf i n i s h e db yu s i n gg l a r e r a s t e ra sl i g h ts p l i te l e m e n t t h eo p t i c a lp a t ho fl i g h tr a yw a sd e s i g n e da n dc o m p u t e d t h eo p t i c sp a r t sw e r ec h o s e na n db o u g h tf o rt h ep u r p o s eo fs e p a r a t i n gm i x i n gl i g h t e v e n l y 3 ) t h eo r g a no fe q u i p m e n tw a sf i n i s h e d t h es p e c t r o p h o t o m e t e rw a sp r o c e s s e db yu s i n g l y l 2a l l o ym a t e r i a l sa n dd e b u g g e d 4 ) t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fe l e c t r o n i cs y s t e mw a sd e s i g n e d t h el i g h ts i g n a l d e t e c t i o n ，c a l c u l a t i n gs y s t e ma n dd i s p l a yc o n t r o l l i n gw e r ea l s od e s i g n e db yu s i n g p o p u l a rc o n t r o lc h i pa t 8 9 s 5 2 t h er e f l e c t i n gs p e c t r u ms o u r c eo f w h i t ea n di n kw a st e s t e d s i g n a lo fi n f o r m a t i o nc o l l e c t e d w a sa n a l y z e di nd e t a i lc o m b i n i n gw i t he l e c t r i ce y ec o r r e s p o n d i n gc u r v e k e y w o r d s ：c o l o r i m e t r y ；s p e c t r o p h o t o m e t e r ；g l a r er a s t e r ；a t 8 9 s 5 2 i i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知。除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：聋羔聋叮年j 月t 日 学位论文使用授权声明 本人：坠丝襁在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，邵：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位沦文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：二霉，篁垒至 导师签名： 。 年_ 了月2 7 日 1 绪论 1 绪论 本章从印刷行业的发展和需要入手，分析印刷行业印品色彩质量在线检测与控制的发 展和原理，介绍当前印品色彩质量检测的方法和手段并分析所存在的问题，重点介绍分光 光度计在印刷中的应用和发展。总结出本课题研究的意义和必要性。最后在此基础上，提 出本课题研究的主要内容及目标。 1 1 印品质量的在线检测 随着商品经济的发展和印刷产业的规模日益壮大，业外客户对于印刷产品质量的要求 和业内企业的竞争压力都在不断上升。在这种宏观环境下，企业要想长期生存，必须持续 不断的提高产品的质型1 l 。印刷品在印刷过程中的质量自动检测，是提高印品质量的重要 手段之一1 2 j ，它不仅是印刷质量数据化规范化的基础，而且是后续的印刷自动控制的必要 环节。尤其在高速运转的印刷机上，如不及时发现并排除故障，就意味有大量废、次品出 现。因此，印刷品在线质量检测应运而生。目前能提供全自动印刷品质量检测设备的有德 国、瑞士、美国、日本等国的厂商i 3 】f 4 1 。 印刷品在线检测技术的工作原理如图1 1 。在印刷过程中借助于联机的检测仪器对印 刷品进行在线检测，并实时将信息通过反馈回路输送到中央控制台，从而自动调节相应的 印刷机部件，实现对印刷品质量的在线控制。整个过程很少人工干预。 i 医习 l 图1 一l 印品在线检测的工作原理 f i g 1 - 1o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f p r i n tc h e c k i n go n l i n e 1 2 在线检测研究的现状与发展 对于连续印刷中微小的和偶然出现的质量问题，人工抽查无法解决，而印刷质量在线 检测系统则能保证印刷质量的高稳定和高水平。为此，国内外开展了大量的e pj $ l j 质量在线 检测系统研制工作。 印刷品的在线检测是在计算机的高速发展和硬件的普遍化的情况下变的越来越得到 西安理工大学硕士学位论文 广泛的应用。密度法、色度法和基于数字图像处理技术三种检测方法都在印品在线检测中 得到了运用。现在国外在线检测技术比较先进的主要有：海德堡公司推出的c p c 图像控 制系统，首家采用分光光度测量技术扫描图像，是由单纯的平面密度控制转向三维的光谱 色彩控制的尝试。它采用色度与密度的双重检测，可在不到3 0 s 内完成一个对开印张的检 测，处理印张上1 6 万个测量点的信息，与样张数据比较后，将墨区信息显示在彩色触摸 屏上；与海德堡不同，罗兰公司仍坚持通过印刷品墨色密度来检测印刷质量及印刷过程， 而没有追随业界宣传的改用光谱的测控方式。另外，瑞士的b o b s t 、美国的p r o i m a c e 等采用的是基于图像处理技术的方法。先利用高清晰度、高速摄像镜头拍摄标准图像，在 此基础上设定一定标准，然后拍摄被检测的图像，再将两者进行对比。c c d 线性传感器 将每一个像素的光量变化转换成电子信号，对比之后只要发现被检测图像与标准图像有不 同之处，系统就认为这个被检测图像为不合格印品【”。 印品在线检测的发展主要是从七十年代后期，由于印刷技术的飞速发展以及电子技 术、计算机技术在印刷业的广泛应用，特别是电分机的推广，为提高印刷质量和印刷工艺 过程的自动化提供了重要的物质基础。一些印刷业比较发达的国家，在应用各种测控条的 基础上，研制出各种印刷质量电子控制系统，这些质量控制系统的出现和应用，使印刷图 像的质量管理走上了电子显示程控化发展的道路州u 1 。 1 3 分光光度计在印刷中的应用 早期使用分光光度计的是油漆和油墨厂。他们希望油墨配料尽可能保持致，每次配 比浊墨时做到色差值最小。这不是一件很客易的事情，因为厂商是很难保证他们每次用的 色料等原材料的性能都是一样的。 在1 9 8 0 年末，色度测量与分光光度计开始应用在印刷厂，向已得到全世界公认的密 度测量方法提出了挑战。用色度测量方法，印刷人员面对的数值不再是密度值，而是l a b 值、e 色差值。 色度测量方法是将油墨颜色在三维颜色空间中显示出来( 如某一油墨的l a b 值为： 5 5 - 3 7 - 5 0 ) 。所以，用色度测量方法时，印刷人员不能直观地由l a b 值得出各个墨区墨量 的调整值，需将测量油墨的色度值与理想值相比较，进而计算出各个墨区的用墨量【引。色 度测量方法与密度测量方法相比，综合考虑了各种影响颜色变化的参数，如纸张和油墨对 光的吸收，纸白、纸张表面的结构、印刷油墨的阶调等。当印刷出来的颜色与理想值( 由 样张、打样稿、印前数据得到) 存在差别时，通过e 值显示出来唧 海德堡在其新推出的c p c 图像控制系统中，首家采用分光光度测量技术扫描图像， 通过分光光度计对印品的重要部分进行测量，然后根据得到的数据进行调整，可在不到 3 0 s 内完成一个对开印张的检测，处理印张上1 6 万个测量点的信息，并且可以同时连接4 台速霸印刷机。图1 - 2 为分光光度计的测量调整过程”。 2 1 绪论 图1 - 2 分光光度计的测量调整过程 f i g 1 - 2m e a 瑚j r ep r o c e s so f s p e c t r o p h o t o m e t e rm e a s u r i n g 测量工具基本上可以分为两类：离线或联机密度计、离线或联机分光光度计。离线检 测工具的缺陷是：印刷人员必须根据测量值估计出各个墨区用墨量，然后再进行调整。当 需要进行多色印刷时，这个过程将花费过多的时间，特别是当各色油墨供墨设备同时需要 调整时，会造成一时的混乱，不能及时进行调整；另一方面，在只用色标油墨进行印刷时， 有经验的印刷人员会相对容易地调出符合要求的密度值，而对于有专色的印活时，则加大 了印刷的难度。一般情况，密度计在测量标准油墨一青、品红、黄色油墨时，比较准确。 当测量专色时，显示的密度值是不可信的，是不能与色度测量值相提并论的，色度l a b 值不是依赖于油墨厚度得到的。所以，要快速得到准确、可信的测量值，就必须把测量仪 器在线联接到印刷机上的所有供墨设备上。而现在我们常见的分光光度计多为手持式、离 线工具。因此研制在线使用的分光光度计具有重大的现实意义【1 1 l 【1 2 1 。 在印刷界，大部分使用的分光光度计是爱色丽公司的产品，现在爱色丽公司已经有很 多的产品，从普通到高档，基本上各种都有。如经济型色差仪c a 2 2 ，它简单方便，易携 带，主要做色差的评估；最新的台式分光仪x - r i t e8 0 0 0 ，它是最新型的产品，首家采用了 c c d 数码定位，u s b 接口、s p e c t r o l o n 非涂层积分球，高精度、长寿命设计；台式分光仪 c f s 5 7 经济型台式分光仪，可以满足一般的颜色测量和管理的需求，适用印染、涂料、 塑料、油墨等多个行业；x - r i t e s 0 0 系列分光密度仪如图1 3 ，它主要应用于印刷行业，能 够测量印刷中多种参数，功能完善，是印刷中必备的工具【1 3 】。 西安理工大学硕士学位论文 图l - 3x - r i t e5 0 0 系列分光密度仪 f i g 1 - 3x - r i t e5 0 0s p e c t r o p h o t o m e t e r 分光光度计应用于印刷及色彩控制的优势在于：通过进行光谱测量，正确定义颜色， 得到更多的颜色控制信息。它不仅能得到光谱反射率曲线、c i e 色度，还能得到密度、印 刷反差及灰度值等常用控制参数1 4 】。 1 4 本课题的主要研究内容与论文安排 印刷在线检测系统是个十分庞大而复杂的系统，而分光光度计作为检测工具，显得十 分重要。分光光度计是一种典型的光、机、电、算相结合的精密仪器，它涉及的学科门类 较多，技术复杂。 本论文主要的研究内容是研究、设计、加工出分光光度计，并对装置做参数分析。 本装置的最大特点是采用了仪器和底板分离式设计，现在可进行离线的印品测量，在 条件允许的条件下，可进行在线的安装实验。 在装置中，光学系统设计采用经典的采尼一特纳装置( c t ) 型。光栅为平面闪耀光 栅，增大了分光的能量。设计整个的机械加工图，采用l y l 2 作为装置的主要结构材料， 使仪器加工出来在保证稳定的情况下，减轻重量。设计电路系统，使装置能够正常工作 本论文分为四个主要部分，第一部分介绍分光光度计的理论基础一色度学理论，并给 出分光光度计的色度计算公式；第二部分介绍分光光度计系统的结构及其各个部分的组 成；第三部分介绍分光光度计的光学理论基础，特别介绍平面闪耀光栅理论；第四部分详 细讲述本课题中分光光度计的设计，还分别对光路设计、机械加工设计、电子系统软、硬 件的设计做详细的介绍。 4 2 分光光度计的色彩，色度学理论基础 2 分光光度计的色彩、色度学理论基础 印品检测的主要目的是以最少的经济的损失得到最好的印刷品，而印刷品是为了满足 人眼的需求而来，在线检测就是使印品的色彩更加完美。 印品质量在线检测的主要方法是对印品的色度值和样张的色度值作比较，看其是否满 足于人眼的要求。使印品的色度值和样张的色度值差别很小，使人眼无法分辨出来。分光 光度计就是来对印品检测的主要工具之一。它是建立在色度学的基础上，根据c i e 标准 色度学系统来精确计算印品的色度值，完成印品检测。 只有很好的理解色彩，才可以更好的对印品进行检测管理。而如何很好的理解色彩， 颜色的显色系统就变的异常重要。 色彩学是研究自然界颜色变化的基本规律、色彩美学规律以及色彩在人们生理上心理 上所产生的视觉效果的科学。色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色定量测量理论与技术 的科学，这是在最近几十年才发展起来的以物理光学、视觉生理、心理物理等学科领域为 基础的、综合性的一门科学。 2 1 颜色视觉 2 1 1 光、颜色、视觉 光是能量的一种存在的方式，它具有波粒二象性。从宏观上说，光是一种电磁波，根 据光的电磁理论，光是属于一定波长范围内的一季中电磁辐射。其中能被人眼直接接收并引 起视觉的光辐射只是电磁波狭窄的一个波段，波长在3 8 0 n m 7 8 0 n m 之间的光辐射，通常 称这一波段为可见光。视觉是光射入眼睛后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。在可见光 光谱范围内，不同波长的辐射引起人的不同颜色感受：7 0 0 n m 为红色，5 8 0 n m 为黄色， 5 1 0 h m 为绿色，4 7 0 为蓝色。光的颜色取决于进入人眼的可见光谱不同波长辐射的相对功 率分布，简称相对光谱功率分布。当进入到眼睛的光谱辐射波长发生变化或其相对功率分 布发生变化时，人眼对光的颜色感受也随着发生变化t 1 5 i 。 2 1 2 颜色视觉 颜色视觉( 即色彩) 的形成有四大要素：可见光、物体、眼睛和大脑。它遵循一定的 自然物理规律，但是要受生理以及心理学规律的制约。它主要是指颜色的适应性和颜色对 比。 颜色的适应性：由于物理刺激( 光) 对感受器( 眼睛) 的持续作用，而使感受性发生 变化的现象叫适应性。 颜色对比：色彩对比是指两种或两种以上的色彩放在一起时，由于互相影响的作用显 示出来差别的现象。它分为明度对比、色相对比、彩度对比。 西安理工大学硕士学位论文 2 2c i e 标准色度学系统 国际照明委员会( c m ) 规定的颜色测量原理、基本数据和计算方法，称作c i e 标准 色度学系统。c i e 标准色度学的核心内容是三刺激值及其派生参数来表示颜色。 c i e 对三刺激值和色品坐标的计算方法做了规定。对于物体色，光源、照明和观察条 件对颜色有一定的影响。为了统一测量条件，c i e 对光源、照明条件和观察条件也做了规 定。 2 2 1c i e l 9 3 1 标准色度学系统 c i e l 9 3 1 标准色度学系统，是1 9 3 1 年在c i e 第八次会议上提出和推荐的。它包括 c i e l 9 3 1 r g b 和c i e l 9 3 1 x y z 两个系统【1 6 1 。 a c i e l 9 3 1 r g b 系统 该系统使用的三原色分别为7 0 0 r i m ( 红) 、5 4 6 n m ( 绿) 、4 3 8 n m ( 蓝) 的光谱色为三 原色，并且分别用( r ) 、( g ) 、( b ) 表示。系统规定，用上述三原色匹配等能白光( e 光 源) 三刺激值相等。r 、g 、b 的单位三刺激值的光亮度比为1 0 0 0 0 ：4 5 9 0 7 ：o 0 6 0 1 。图 2 - 1 中偏马蹄形曲线为光谱色品点轨迹。 0 y 7 + o 9 9 一1 。o r = 7 0 0 n m ：k 1 8g = 5 4 6 1 t o m b = 4 3 5 8 n m 参照点：等匏i ：l = s e 1 c i e 原色： r g x ：1 2 7 5 - 0 2 7 8 1o y ：1 7 3 92 7 6 7 、k 5 5 0 z ：一0 7 4 30 1 4 1 0 6 o 。2 s e 飞 。a e 9 7 0 0 一，4- t 0- 1 8 - 0 2 o - ：广1 h4 o x 1 4 图2 - 1 c i er g b 色度图及r g b 向x y z 的转换 f i g 2 - 1c i er g bc h r o m a t i c i t yc h a r ta n dc h a n g eo f r g b - x y z b c 1 9 3 1 x y z 系统 c i e l 9 3 1 r g b 系统可以用来表达颜色和进行色度计算。但是该系统的光谱三刺激值存 在负值，这既不利于计算，也难于理解。因此c i e 同时推出了c i e l 9 3 1 x y z 系统。 6 。詈罄l ! m 加l 2 分光光度计的色彩、色度学理论基础 所谓c i e l 9 3 1 x y z 系统，就是在r g b 系统的基础上，用数学方法，选用三个理想的 原色来代替实际的三原色，从而将c i e r g b 系统中的光谱三刺激值，、g 、b 和色度坐标 r 、g 、b 均变为正值。 选择三个理想的原色( 三刺激值) x 、y 、z 。x 代表红原色，y 代表绿原色，z 代表 蓝原色，这三个原色不是物理上的真实色，而是虚构的假想色。从图2 - 1 中可以看至4 由 x y z 形成的虚线三角形将整个光谱轨迹包含在内。因此整个光谱色变成了以x y z 三角形 作为色域的域内色。在x y z 系统中所得到的光谱三刺激值a ) 、) ，( 丑) 、z ( 五) 和色度坐标 x 、y 、z 将完全变成正值。经数学变换，两组颜色空间的三刺激值有以下关系： x = 0 4 9 0 r + o 3 1 0 ( h 由2 0 0 b y = 0 1 7 7 r + 0 8 1 2 g + 0 0 1 l b( 2 1 ) z _ = o 0 1 0 g + o 9 9 0 b 两组颜色空间色度坐标的相互转换关系为： x = ( o 4 9 0 r + 0 3 1 0 9 + 0 2 0 0 b ) ( o 6 6 7 r + 1 1 3 2 9 + 1 2 0 0 b ) y = ( o 1 1 7 r + 0 8 1 2 ：g + 0 0 1 0 b ) ( o 6 6 7 r + 1 1 3 2 9 + 1 2 0 0 b ) ( 2 2 ) z = ( o 0 0 0 r + 0 0 1 0 9 + 0 9 9 0 b ) ( o 6 6 7 r + 1 1 3 2 9 + 1 2 0 0 b ) 为了使用方便，图2 1 中的x y z 三角形，经转换变为直角三角形，其色度坐标为x 、 y 。将各波长光谱色度坐标在图中描点，然后将各点连接，即成为c i e l 9 3 1 x y 色度图的光 谱轨迹。该光谱轨迹曲线落在第一象限之内，所以肯定为正值，这就是目前国际通用的 c i e l 9 3 1 x y 色度图。 c i e x y z 光谱三刺激值是由c i e r g b 光谱三刺激值经过式( 2 2 ) 光谱色度坐标之间 的转换得到的，记为工( z ) 、y ( 1 ) 、z ( 旯) ，又称为“c i e1 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激 值”，简称“c i e 标准色度观察者”，在物体色度值的计算中代表入眼的颜色视觉特征参数。 由色度坐标的定义知： 工( 兄) = 工( 丑) 工( 兄) + y ( a ) + z ( 五) 】 y ( a ) = 歹( z ) ；( a ) + 歹( 丑) + ：( ) 】 ( 2 3 ) z ( d = z ( a ) 【j ( a ) + y ( + z ( 五) 】 且取d + ) ，( d + z ( 兄) = l 。 匹配物体反射色光所需要红、绿、蓝三原色的数量为物体色三刺激值，即x 、y 、z ， 也是物体色的色度值。物体色彩感觉形成的四大要素是光源、颜色物体、眼睛和大脑，物 体色三刺激值的计算涉及到光源能量分布s ) 、物体表面反射性能( 五) 和人眼的颜色视 觉工( 五) 、j ，( 五) 、z ( d 三方面的特征参数，即； 7 西安理工大学硕士学位论文 7 8 0 x = 七s ( 五) ( 五) ；m 7 9 0 y = 七s ( 五) ( 歹( d a ( 2 4 ) z = 七s ( 兄) ( j ( 五) 从 丽 其中： k = 1 0 0 差s ( a ) - ( 五) m ，弼o 式中： s ( 五) 为照射光源的相对能量分布，可查c i e 标准光源a 、c 、d 5 0 、d 5 5 、d 7 5 、d 6 5 的 相对光谱能量分布表【1 5 l 得到数据。 ( a ) 为印品表面的光谱反射率，定义为在波长五的光照下，样品表面反射的光通量 与入射光通量之比。 s ( x ) ( 兄) 表示进入人眼的辐射，是刺激人眼的物理量，称为颜色刺激函数。 ；( 旯) ，- ( 旯) ，：( 五) 为c i e l 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值，可查c i e l 9 3 i x y z 光 谱色度坐标和光谱三刺激值表得到数据。 上式表明当光源s ( 五) 或者物体( 发生变化时，物体的颜色x 、y 、z 随即也发生 变化，因此上式是一种最基本、最精确的颜色测量及描述方法，是现代进行色彩描述的基 础。所以知道了照射光源( 通常使用标准光源) 的相对光谱能量分布s ( a ) 及物体的光谱 反射率( ，物体的颜色就可以用色度值x 、y 、z 来精确地定量描述。 2 2 3 国际匀色空间与色差公式 为了进一步改进和统一色彩评价的方法，1 9 7 6 年c i e 推荐了新的色彩空间及其相关 色差公式，即c i e l 9 7 6 l * a * b * 系统，现在已被世界各国正式采纳成为国际通用的测色标准。 它适用于c i e 提供的标准光源色和物体色的表示与计算1 1 7 1 1 1 8 1 。 c i e l 9 7 6 l * a * b * 空间由c i e x y z 系统通过数学方法转换得到，转换公式为： ! 一 f = 1 1 6 ( y y o ) 3 1 6 r r o 0 0 1 ii 口= 5 0 0 ( x x o ) 一, 一( y k ) j 】 ( 2 5 ) !三 6 = 2 0 0 ( r r o ) 3 一( z z 。) 3 】 其中x 、y 、z 是物体的三刺激值；x o 、r o 、z 。为c i e 标准照明体的三刺激值；p 2 分光光度计的色彩、色度学理论基础 表示心理明度；a 、b + 为心理色度。 从上式转换中可以看出：由x 、y 、z 变换为p 、a + 、b + 时包含有立方根的函数变换， 经过这种非线性变换后，原来的马蹄形光谱轨迹消失。转换后的空间用笛卡儿直角坐标体 系来表示，形成了对立色坐标表述的心理色彩空间，如图2 3 所示。在这一坐标系统中， + 驴表示红色，- 1 3 * 表示绿色，+ b + 表示黄色，- b * 表示蓝色，颜色的明度由p 的百分数来 表示。 ll 伯 一 酋。 j e 彳 图2 - 3 心理颜色空间 f i g 2 - 3p s y c h o l o g i c a lc o l o rs p a c e 色差是指用定量的方法表示两种颜色给人色彩感觉上的差别。若两个色样样品都按 p 、a 、b 标定颜色，则两者之间的色差e a b 以及各项单项差可用下列公式计算： 明度差：p = pi - l * 2 色度差：a a * = a + l - a * 2 a b * = b 4 1 - b * 2 色 差：e 曲= 【( f ) 2 + ( a a ) 2 + ( 6 ) 2 】 ( 2 6 ) c i e l * a * b * 色度空间是1 9 7 6 年国际照明委员会推荐的均匀颜色空间，1 9 8 7 年我国发 布的g b 7 9 2 1 8 7 将l a 空间作为国家标准。目前在色彩设计及复制等行业中， c i e l * a * b * 色度空间已被普遍使用。 2 3 色度学在本课题中的应用 c 1 e 1 9 7 6 l a b 系统是目前应用最广泛的评价印品色彩质量的标准。p a 铀+ 及色差计 算公式为公式( 2 5 ) 和( 2 6 ) ，彩色印刷品最终呈色质量的色彩色差多按正态分布规律，若采 用“三倍标准差法”，可取士3 0 作为上、下界限来控制色差。根据国内外的经验表明：对 无特殊要求的一般印品，取a e = 6 色差单位作为印刷品颜色公差的控制范围是比较合理 的。在色彩复制质量要求上，在国家质量监督检验检疫总局颁布的装潢印刷品g b 7 7 0 5 8 7 ( 平印) 、g b 7 7 0 6 8 7 ( 凸印) 、g b 7 7 0 7 8 7 ( 凹印) 的国家标准中，对彩色装潢印刷品的 同批同色色差为：一般产品e 。b ( 5 o o 6 0 0 ，精细产品e 曲g o o 5 0 0 ，同时国家还 将这一质量标准作为企业晋升的一项条件。 9 3 分光光度计 3 分光光度计 分光光度计作为印品在线检测的主要工具，是整个印品在线检测系统的核心部件，它 所完成的主要工作简单的说就是将可见光按要求分成单色光，然后照射到印品上，反射得 到光信号，光信号再由光电传感器转化为电信号进行处理计算，从而得到x y z 、l a b 、l k e 等色度值。 密度计是采用的可见光直接照射到印品上，根据印品对光的反射或透射能力的不同来 计算出印品的参刻1 9 1 。 分光光度计同样是根据印品对光的反射能力不同来计算出色度值，但是，它是根据不 同的单色光对印品同一点的反射能力的积分，它去除了其他色光的影响，更加精确的计算 印品的色度参数。其系统原理图如图3 1 所示： 图3 - 1 系统原理图 f i g 3 - 1t h ep r i n c i p l eo f s y s t e m 目前国内印刷业中使用的分光光度计主要是国外生产的手持式仪器，还能应用在印刷 机上作为在线检测仪器。但是随着不断的发展，分光光度计将在印品的检测中占据越来越 重要的位置 2 0 1 。 本装置是根据光的选择性吸收原理，采用前分光式分光，以平面闪耀光栅为分光元件， 凹面球面镜为准直仪元件，进行设计制作的。 西安理工大学硕士学位论文 3 1 分光光度计的理论基础 3 1 1 光吸收 分光光度分析是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构及物质问相互作用的有效 手段。大量实践证明，每种物质都有其特定的吸收光谱。因此，可根据吸收光谱的差异来 鉴别各种物质；还可以根据每种物质吸收光谱曲线上某些特征波长处的透射率t 或吸光 度的高低判别或测定该物质的浓度( 或含量) 。这些特性就是分光光度计定性分析和定量分 析的基础。 光的吸收作用主要是受朗伯定律和比耳定律两大物理定律支配的。朗伯定律指出，在 一定的波长下，光的吸收量与吸光材料的厚度成正比。比耳定律指出，光的吸收量与吸收 材料的浓度成正比。分光光度计就是根据印品上油墨量的大小会对光线有不同的吸收反射 能力，来计算它的色度值。不同的光照射到印品上，油墨从照射到的光里选择性吸收( 或 非选择性吸收) 一部分光谱波长的色光，而反射剩余的色光【2 l 】。 3 1 2 印品反射 印品反射是说，非透明印品受到光的照射后，由于表面分子结构差异而形成选择性吸 收色光，从而将可见光谱中的某一部分波长的辐射吸收，而将剩余的色光反射出来。这也 是反射性物体呈现色彩的主要原因。 光谱反射率p ( x ) 定义为“在波长 的光照射下，样品表面反射的光通量p ( 九) 与 入射光通量西i ( 九) 之比。”不同的物体有不同的光谱反射率。 光谱反射率p ( 丸) ：啡( 九) o i ( 九) ( 3 1 ) 从色彩的观点，每一个反射物体对光的反射效应，能够以光谱反射率分布曲线来描述。 如图3 2 ，入射白光光谱中，蓝色光和绿色部分别吸收，p 蓝( ) 、p 绿( ) 值接近 等于零；只有红色部分的辐射能被反射，具有较大的p 红( x ) 值，可以画出它的反射曲 线来，如图3 3 。 1 2 白光中i j 心 色 图3 - 2 印品油墨对光线的吸收 f i g 3 - 2a b s o r bc a p a b i l i t - o f p r i n t i n gi n k 图3 - 3 油墨反射光谱曲线 f i g 3 - 3t h er e f l e c t i o ns p e c t r u mc u r v eo f i n k 3 分光光度计 光线投射到白色的物体表面上，大部分被反射回来，故可将标准白对光的反射看作为 入射光的光通量o i ( 九) 。由此可以容易计算出印品的光谱反射率。 3 2 分光光度计的组成 根据工作波段的不同，分光光度计可以分为真空紫外分光光度计、可见光分光光度计、 紫外一可见光分光光度计、可见光分光光度计和紫外可见光近红外分光光度计，它们 的工作波段分别外o 1 n m - 2 0 0 n m 、3 5 0 n m - 7 0 0 n m 、3 8 0 n m 7 8 0 n m 、1 8 5 n m - 9 0 0 n m 和 1 8 5 n m 2 5 0 0 n m 。现在使用比较广泛的为紫外一可见光分光光度计。其中可见光分光光度 计是印刷中主要使用的工具。现就以可见光分光光度计为例介绍分光光度计的组成 2 2 1 1 2 3 2 4 1 1 2 5 2 6 1 。 典型的可见光分光光度计是由光源、单色器、样品台、检测器、信号处理系统组成。 其结构特征是五部分按直线排列方式组合。按光路的不同，分为前分光和后分光两种类型， 如图3 - 4 ，( a ) 表示前分光方式，即分光后再投射到印品上；( b ) 表示后分光方式，即从 光源出来的自光先投射到印品上，反射回来后再经单色仪进行分光。对于后分光式的分光 光度计，由于直接照射到印品上的光为复合光，是同时多波段检测，所以速度较快，但是 干扰性比较大；而前分光式分光光度计，虽然速度相对前者慢，但是杂色光较少，测试精 度较高。 从1 9 4 1 年世界第一台分光光度计面世到现在，几十年，随着光学和电子技术的发展， 光源、单色仪、信号采集处理不断的更新和发展，使仪器的测量精度、功能和自动化程度 不断提高，但是其结构排列方式仍基本不变。 ( a ) 前分光 ( b ) 后分光 图3 - 4 分光光度计结构特征 f i g3 - 4s p e c t r o p h o t o m e t c r c o n f i g u r a b l ec h a r a c t e r 3 2 1 光源 可见光分光光度计的光源应满足以下条件： 1 在仪器的工作波段范围内提供连续辐射，即光源可以发射连续光谱，以便记录一个 完全的吸收光谱； 西安理工大学硕士学位论文 2 光源发射的辐射能量具有足够的强度，其能量随波长变化尽可能小； 3 具有较好的稳定性； 4 有较长的使用寿命。 表3 1 列出了分光光度计中常用的光源。 表3 - 1 分光光度计常用光源 光源波长范围( )光子输出强度 氢灯1 8 5 - 3 7 5 弱，3 6 0 r i m 以上不能用 氘灯1 8 5 4 0 0 中等强度( 是氢灯的3 - 5 倍) 卤钨灯2 5 0 之0 0 0用玻璃灯壳时，3 2 0 r i m 以下无输出 钨灯3 2 0 - 2 5 0 0最好输出为4 0 0 1 2 0 0 r i m 能斯特灯 1 0 0 0 - 3 5 0 0 1 0 0 0 0 n m 以上输出弱 碳化硅棒1 0 0 瞄0 0 0 l e d3 8 0 - 一7 8 0中等强度 钨灯是可见和近红外光谱区的光源，适用的波长范围是3 2 0 n m 2 5 0 0 n m 。在一般分光 仪器中，灯丝的温度约为2 8 7 0 k 。此时发射的能量大部分在近红外区，当温度升高到4 0 0 0 k 时，发射的能量大部分在可见区，但此时灯的寿命显著减小。为克服这一缺点，人们研究 出卤钨灯，即在钨丝灯内壳充入一定卤素( 如碘、溴) ，在2 5 0 0 0 - 6 5 0 0 c 温度区间，碘与 蒸发到灯上的钨反应，生成气态碘钨化合物，使灯壁保持透明，同时生成的碘钨化合物又 向灯泡中心扩散，在灯丝附近的高温区分解成碘化物，抑制了钨的蒸发，游离的碘重新扩 散到灯壁，再与蒸发的钨化合，实现碘钨循环。这种碘钨灯具有了更大的发光强度和更长 的使用寿命，但由于卤钨灯发热量特别大，所以需要散热装置。故不适合用在小型的仪器 中，常用在台式紫外一可见分光光度计中。 现在手持式、小型的分光光度计等光学仪器多使用高亮度的白光l e d 做光源。 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 灯是随着当今社会对信息传播要求的日益增长而发展起来的一 种新型的光源，它是一种冷光源。如图3 - 5 为n i n g b os u n p u o p t o 公司的s l - 9 2 5 w c d e 白 光l e d 的发光光谱曲线【2 7 l 。它和上面几种光源相比，具有很明显的优势。 1 能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与c m o s 、t t l 电路兼容，控制方便； 2 发光响应时间极短c 0 1 u s ) ，能够显示快速变动的画面，高频特性好，亮度高，白 发白的l e d 光谱曲线和d 6 5 标准光源相似； 3 寿命长，使用寿命在1 0 万小时以上，甚至可达1 0 0 万小时； 4 结构牢固、可靠性高、抗冲击性能好、抗恶劣环境能力强； 5 功耗低，成本低，维护费用低： 6 体积小巧、重量轻、电极损耗小。 本课题选用了n i n g b os u n p uo p t o 公司的s l 一8 2 5 w c d e 白光l e d 作为分光光源。 1 4 3 分光光度计 1 2 t 0 o 。8 o 毒 o 2 o t a = 2 5 ，1 jl fl i f、 l ，一 j l， |、 i 、 4 0 01 5 05 0 0 5 5 0 8 0 08 5 0i 0 0 w a v e l e r g t h ( n m ) 图3 - 5s l 8 2 5 w c d el e d 发光光谱曲线 f i g 3 - 5s l 一8 2 5 w c d el e d c u r v eo f s p e c t r u m 3 2 2 单色器 分光光度计可用干涉滤色镜、棱镜、光栅进行分光。一般在精确颜色测量时，如色彩 测量，常采用棱镜或者光栅。 分光光度计采用的光源一般发射宽波段范围的连续辐射，然而在实际测量时希望采用 窄谱带或单色光( 见公式( 2 ，4 ) ) 。这是因为： ( 1 ) 采用窄谱带辐射才可能将彼此非常接近的吸收带分开； ( 2 ) 采用窄带才可能在最大吸收波长处进行测量，从而提高测量灵敏度； ( 3 ) 在定量分析时，采用窄带才能较好的遵守比耳定律和朗伯定律。 因此，必须采用合适的装