分光测色仪的设计研究.pdf

1、第 27卷 第 3期2 0 0 1 年 5 月 光 学 技 术O PT ICAL T ECHN IQU E V o l127 N o13M ay 2001文 章 编 号 : 100221582 (2001) 0320281202分 光 测 色 仪 的 设 计 研 究 X蒋 月 娟(北 京 理 工 大 学 颜 色 科 学 与 工 程 国 家 专 业 实 验 室 , 北 京 100081)摘 要 : 介 绍 了 测 色 分 光 光 度 计 的 基 本 要 求 和 特 点 ; 简 要 说 明 了 测 色 分 光 光 度 计 软 件 系 统 的 基 本 组 成 和 要 求 ; 分 析了 波 长 范 围

2、 对 色 度 计 算 精 度 的 影 响 ; 并 对 色 度 计 量 中 标 准 白 板 的 要 求 做 了 介 绍 。关 键 词 : 分 光 光 度 计 ; 三 刺 激 值 ; 颜 色 测 量中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : AThe design of spectrophotom eter for color m ea sur ingJ IANG Yue 2jua n(N ational L abo rato ry of Co lo r Science and Engineering, Beijing Institute of T echno logy, Beijing 10

3、0081, Ch ina)Abstract: T he fundam ental requirem ents and features of a spectropho tom eter fo r co lo r m easuring are introduced1A nd the p rim ary constituents and requirem ents of softw are system of th is device are exp lained briefly1 T he effects of thew avelength range on the computerized a

4、ccuracy of co lo rity1 T he requirem ents of the standard w h ite p late in co lo rim etryare also introduced1Key words: spectropho tom eter; th ree2stim ulate value; co lo r m easurem ent1 分 光 测 色 原 理颜 色 是 一 个 三 维 物 理 量 , 现 代 色 度 学 的 发 展 为 用仪 器 客 观 地 、 定 量 地 评 价 颜 色 奠 定 了 基 础 。 为 了 计 算 光源 色 或 物 体 色

5、 的 色 度 参 数 , 首 先 需 对 光 源 的 光 谱 功 率分 布 或 物 体 的 光 谱 反 射 因 数 进 行 测 定 , 然 后 计 算 颜 色的 三 刺 激 值 , 最 后 再 由 三 刺 激 值 计 算 出 所 需 要 的 各 种颜 色 参 数 。颜 色 三 刺 激 值 的 计 算 方 法 是 用 颜 色 刺 激 函 数 分 别乘 以 C IE 光 谱 三 刺 激 值 , 并 在 整 个 可 见 光 谱 范 围 内 对这 些 乘 积 进 行 积 分 。 在 实 际 的 计 算 中 , C IE 推 荐 用 求 和来 近 似 积 分 , 表 达 式 为X = kKU(K) x

6、(K) $KY = kKU(K) y (K) $KZ = kKU(K) z (K) $K(1)式 中 U(K) 为 颜 色 刺 激 函 数 ; x (K)、 y (K)、 z (K) 为 标 准 观察 者 的 颜 色 匹 配 函 数 ; k 为 归 化 因 子 , 它 是 将 照 明 体(或 光 源 ) 的 Y 值 调 整 为 100 时 得 出 的 , 即k = 100 Ks (K) y (K) $K (2)对 于 表 面 色 的 精 确 测 量 , 采 用 光 谱 光 度 测 色 方 法 :即 通 过 定 量 地 比 较 “ 标 准 ” 和 “ 样 品 ” 在 同 一 波 长 上 的 单色

7、 辐 射 功 率 , 从 而 测 量 出 样 品 的 光 谱 透 射 比 或 光 谱 反射 因 数 。 为 了 定 量 地 比 较 两 个 单 色 辐 射 功 率 , 需 要 利 用由 单 色 仪 和 探 测 器 组 成 的 光 谱 光 度 计 装 置 。测 色 分 光 光 度 计 与 分 析 用 的 分 光 光 度 计 都 用 于 测量 物 体 的 光 谱 透 射 比 或 光 谱 反 射 比 , 因 此 有 许 多 共 同之 处 。 事 实 上 测 色 分 光 光 度 计 就 是 由 分 析 用 的 分 光 光度 计 发 展 而 来 的 。 但 是 两 种 分 光 光 度 计 的 用 途 不

8、 同 , 所以 测 色 分 光 光 度 必 须 有 自 己 的 特 点 与 其 用 途 相 适 应 。2 照 明 和 观 测 条 件绝 大 多 数 的 待 测 物 体 不 是 完 全 的 漫 反 射 体 , 因 而照 明 和 观 测 条 件 对 于 光 谱 反 射 率 因 数 测 量 的 精 确 度 和实 测 结 果 产 生 影 响 , 为 了 提 高 测 量 精 度 和 统 一 测 量 方法 , C IE 于 1971 年 正 式 推 荐 四 种 测 色 的 标 准 照 明 和 观测 条 件 : o d、 d o、 o 45 和 45 o, 任 何 仪 器 都 必 须 满 足其 中 的 一

9、种 。3 分 光 测 色 用 光 源测 量 物 体 表 面 的 颜 色 , 必 须 在 一 定 的 光 源 下 进 行 。为 了 统 一 颜 色 的 标 准 , C IE 规 定 了 测 色 的 标 准 照 明 体和 标 准 光 源 。 C IE 对 “ 照 明 体 ” 和 “ 光 源 ” 加 以 区 分 :“ 光源 ” 是 指 能 发 光 的 物 理 辐 射 体 ,“ 照 明 体 ” 是 指 特 定 的 光谱 功 率 分 布 (以 表 格 函 数 形 式 给 出 ) , 这 一 光 谱 功 率 分布 不 是 必 须 由 一 个 光 源 直 接 提 供 , 也 不 一 定 能 用 光 源来 实

10、 现 。C IE 推 荐 的 标 准 照 明 体 有 A、 B、 C、 D、 E。4 分 光 测 色 波 长 范 围 的 选 定在 C IE 出 版 物 N o1512 (1986)推 荐 的 三 刺 激 值 计182X 收 稿 日 期 : 2000211216 作 者 简 介 : 蒋 月 娟 (19442) , 女 , 江 苏 人 , 北 京 理 工 大 学 副 研 究 员 , 从 事 光 谱 色 度 仪 器 和 色 度 测 量 研 究 。算 公 式 中 , 求 和 的 波 长 范 围 为 360 830 nm , 波 长 间 隔为 1 nm。 要 求 得 准 确 的 三 刺 激 值 就 应

11、 按 照 上 述 要 求 进行 。 但 目 前 市 场 上 许 多 测 色 分 光 光 度 计 的 测 量 范 围 仅为 400 700 nm。 由 于 两 端 波 长 范 围 的 截 去 就 会 带 来三 刺 激 值 的 计 算 误 差 , 在 C IE 出 版 物 中 指 出 : 从 实 际目 的 出 发 , 波 长 范 围 可 取 380 780 nm ; 如 果 波 长 范 围小 于 380 780 nm , 将 会 导 致 误 差 。 我 们 研 制 的 SP21000 分 光 测 色 仪 , 按 两 种 波 长 范 围 测 试 结 果 如 下 :表 1380 780 nm样 品 号

12、 X Y Z x y1 631970 566 701138 130 581462 039 01332 193 01364 2202 581886 382 561471 597 361129 808 01380 542 01377 7673 691095 50 791399 135 431860 642 01366 850 01400 294表 2400 700 nm样 品 号 X Y Z x y1 631921 538 701121 741 581438 620 01332 091 01364 3032 561893 950 561455 377 361084 750 01380 504 01

13、377 9323 681694 851 751233 008 431857 067 01366 980 01401 908从 表 中 可 看 出 两 者 的 三 刺 激 值 差 异 大 些 , 色 差 也会 大 些 , 色 坐 标 相 差 无 几 。 因 此 , 在 具 体 问 题 中 , 如 果 认为 这 种 误 差 可 以 忽 略 , 则 可 以 采 用 截 短 波 长 范 围 的 方法 , 如 果 误 差 不 能 忽 略 , C IE 推 荐 用 外 插 法 补 齐 两 端 数据 , 即 让 截 去 的 测 量 数 据 等 于 最 接 近 的 端 部 测 量 数 据 ,例 如 在 400

14、 nm 处 Q(K) = 15138, 则 让 360 400 nm 波长 上 所 有 的 Q(K)都 等 于 15138。将 (1)式 改 写 成 下 列 一 般 积 分 形 式F = k830360m (K) g (K) $K (3)式 中 F =XYZ; m (K) 为 由 仪 器 测 量 的 物 体 的 光 谱 特 性 ,例 如 : B(K)、 Q(K)、 S(K) ; g (K) =S (K) x (K)S (K) y (K)S (K) z (K); g (K) 值 与被 测 样 品 无 关 。如 果 波 长 范 围 截 短 , 即 KL 360 nm , KU 830 nm , 则

15、F t = kKUKLm (K) g (K) dK (4)产 生 的 相 对 误 差 e 为e = F t - FF (5)由 (3)式 、 (4)式 和 (5)式 可 得e = 1 + KUKLm (K) g (K) dK KU360m (K) g (K) dK+ 830KL m (K) g (K) dK- 1(6)计 算 表 明 : (1) 波 长 范 围 取 为 380 780 nm 时 计算 三 刺 激 值 引 起 的 最 大 误 差 也 是 很 小 的 , 而 且 这 些 误差 主 要 来 自 短 波 截 去 的 影 响 。 (2) 波 长 范 围 取 为 400700 nm 时 ,

16、 有 可 能 造 成 较 大 的 误 差 ; 短 波 截 去 对 Z 值影 响 最 大 , 对 Y 值 影 响 很 小 ; 长 波 截 去 对 X 值 影 响 最大 , 对 Z 值 没 有 影 响 。 因 此 , 测 色 分 光 光 度 计 的 波 长 范围 取 为 380 780 nm 较 为 适 宜 。荧 光 材 料 的 颜 色 特 性 也 是 用 三 刺 激 值 和 色 品 坐 标表 示 的 。 荧 光 材 料 不 仅 能 反 射 一 部 分 照 射 光 的 光 谱 成分 , 而 且 在 照 明 光 的 激 发 下 它 能 发 射 一 定 成 分 的 光 谱 ,所 以 荧 光 材 料 的

17、 颜 色 决 定 于 它 反 射 和 发 射 光 谱 的 总和 , 即BT (K) = BS (K) + BL (K) (7)式 中 BT (K) 为 波 长 K处 的 总 光 谱 辐 亮 度 因 数 ; BS (K) 为波 长 K处 反 射 辐 亮 度 因 数 ; BL (K) 为 波 长 L 处 的 荧 光 辐亮 度 因 数 。荧 光 材 料 光 谱 特 性 的 理 想 分 析 方 法 是 双 单 色 仪法 : 它 通 过 激 发 单 色 仪 给 样 品 以 某 一 单 色 光 照 射 , 然 后用 分 析 单 色 仪 来 测 量 可 见 波 段 各 波 长 K的 辐 射 度 因数 。许

18、多 荧 光 样 品 在 紫 外 光 辐 照 下 可 以 获 得 最 大 程 度的 激 发 , 因 此 测 色 用 荧 光 分 光 光 度 计 的 波 长 范 围 一 般为 300 780 nm。5 色 度 计 量 中 标 准 白 板 的 应 用测 色 分 光 光 度 计 是 通 过 样 品 反 射 或 透 射 的 光 能 量与 在 同 样 条 件 下 标 准 反 射 或 透 射 的 光 能 量 进 行 比 较 而得 到 样 品 的 光 谱 反 射 因 数 R 或 光 谱 透 射 比 S的 。 透 射标 准 是 空 气 , 反 射 标 准 是 完 全 反 射 漫 射 体 , 又 称 朗 伯 表面

19、 。 现 实 中 不 存 在 这 种 理 想 概 念 的 实 物 标 准 , 但 是 可 以应 用 物 理 技 术 来 校 准 实 物 。 我 国 色 度 的 国 家 基 准 采 用双 球 法 对 色 度 基 准 白 板 进 行 了 绝 对 测 量 , 然 后 用 光 谱光 度 法 将 反 射 比 量 值 传 递 到 保 持 量 值 的 副 基 准 和 工 作基 板 组 上 , 并 通 过 传 递 标 准 白 板 向 各 省 (市 ) 计 量 部 门或 使 用 单 位 传 递 色 度 量 值 。 样 品 的 光 谱 反 射 因 数 R (K)可 由 下 式 计 算R (K) = R o (K)

20、ro (K)3 r (K) = k or (K) (8)式 中 R o (K) 为 标 准 白 板 的 光 谱 反 射 比 ; ro (K) 为 标 准 白板 对 应 的 光 谱 响 应 量 值 ; r (K) 为 样 品 对 应 的 光 谱 响 应量 值 ; k o 为 校 正 系 数 。工 作 标 准 白 板 除 了 要 求 反 射 比 高 、 中 性 好 、 不 透光 、 表 面 平 整 均 匀 及 漫 射 性 尽 量 好 外 , 更 重 要 的 是 必 须具 备 : (1)光 学 稳 定 性 好 , 长 期 重 复 使 用 量 值 不 变 。 (2)(下 转 第 288 页 )282光

21、 学 技 术 第 27 卷处 理 是 体 全 息 存 储 的 重 要 应 用 领 域 。事 实 上 , 有 一 些 应 用 对 容 量 、 数 传 率 和 存 取 速 率 有 特 别 的要 求 , 而 如 今 还 没 有 可 满 足 这 些 要 求 的 设 备 。 体 全 息 存 储 具 有满 足 这 些 要 求 的 潜 力 , 并 行 通 道 探 测 阵 列 再 加 上 大 数 据 页 面 能达 到 很 高 的 数 据 读 出 率 , 并 且 相 位 编 码 参 考 光 复 用 方 案 能 快 速访 问 大 型 数 据 库 , 因 而 在 存 储 体 系 中 占 据 重 要 地 位 。最 初

22、 体 全 息 存 储 主 要 应 用 于 大 型 图 书 馆 以 长 期 保 存 文 本 、视 频 和 声 频 数 据 。 随 着 数 据 采 掘 的 兴 起 , 人 们 的 兴 趣 已 由 大 型的 数 据 仓 库 向 发 现 数 据 间 的 联 系 以 辅 助 决 策 或 精 细 化 商 业 程序 方 向 发 展 。 体 全 息 存 储 因 具 有 内 容 寻 址 的 能 力 而 在 这 一 应 用领 域 有 很 大 的 吸 引 力 。3 结 束 语(1) 任 何 新 的 存 储 技 术 都 必 须 同 市 场 上 已 经 成 熟 的 技 术进 行 竞 争 。 例 如 , 磁 盘 存 储

23、现 在 是 0103 美 元 M B 16 。 如 果 体 全息 存 储 不 够 便 宜 , 就 不 会 有 市 场 , 用 户 不 会 为 了 性 能 上 的 微 小改 善 而 付 出 额 外 的 费 用 。 存 储 容 量 要 超 过 300GB , 体 全 息 存 储才 能 在 硬 件 和 价 格 上 同 磁 存 储 竞 争 , 而 这 大 约 需 要 3000 美 元 ,这 显 然 大 大 超 出 了 普 通 PC 机 用 户 所 愿 意 承 担 的 存 储 费 用 。 所以 体 全 息 存 储 技 术 的 发 展 目 标 不 应 是 为 取 代 现 有 的 成 熟 技 术 ,而 是

24、作 为 存 储 体 系 的 一 个 必 要 补 充 。(2) 体 全 息 存 储 技 术 尽 管 已 经 取 得 很 大 进 展 , 然 而 离 商 品化 还 有 距 离 。 对 体 全 息 存 储 系 统 来 说 , 要 以 较 低 的 价 格 实 现 激光 、 空 间 光 调 制 器 和 探 测 器 阵 列 的 对 准 , 还 是 一 个 巨 大 的 挑 战 。(3) 寻 找 合 适 的 存 储 材 料 对 体 全 息 存 储 来 说 仍 是 一 个 尚待 解 决 的 问 题 , 至 今 还 没 有 一 种 材 料 同 时 具 有 性 能 、 容 量 和 价格 的 综 合 优 势 。参 考

25、 文 献 : 1 Sincerbox G T 1 Ho lograph ic sto rage: are w e there yet? availablefrom wo rld w ide w eb site DB OL , h ttp: www 1op tics1arizona1edu glenn ho lograp11h tm 2 Gabo r D. A new m icro scope p rincip leJ . N ature, 1948 . 161: 77413 van H eerden P J1 T heo ry of op tical info rm ation sto rag

26、e in so lidsJ 1 A pp l1 Op t1 1963, 2 (4) : 393 40014 M ok F H , T ack itt M C, Sto ll H M 1 Sto rage of 500h igh2reso lutionho logram s in a L iN bO 3 crystal J 1 Op t1L ett1 1991, 16 (8) : 6056071 5 P saltis D ,M ok F1 Ho lograph ic m emo ries J 1 Scientific Am erican,1995, 273 (5) : 706 H esselin

27、k L 1 D igital ho lograph ic data sto rage look s ahead J 1Pho tonics Spectra, 1996, 30 (3) : 44 461 7 H eanue J F, Bashaw M M , H esselink L 1 V o lum e ho lograph ic sto r2age and retrieval of digital data J 1 Science, 1994, 265 (5) : 7497521 8 P saltis D , M ok F1 Ho lograph ic M emo ries J 1 SC

28、IEN T IF ICAM ER ICAN 1 1995, 273 (5) : 70 7619 Burr G W , M ok F H , P saltis D 1 Sto rage of 10, 000 ho logram s inL iN bO 3FeC 1 CL EO 19941 10 D enz C, Pauliat G, Roo sen G, T schudi T 1 V o lum e ho logramm ultip lexing using a determ inistic phase encoding m ethod J 1Op t1 Comm un11991, 85: 17

29、11 11 BernalM P, Burr G W , Coufal H , Grygier R K, Hoffnagle J A ,Jefferson C H , M acfarlane R M , Shelby R M , Sincerbox G T ,W ittm ann G1 Ho lograph ic D ata Sto rage M aterials J 1 M ater1Res1 Bull1 1996, 21: 51 601 12 M a J, Chang T , Hong J, N eurgaonkar R , Barbastath is G, P saltisD 1 E le

30、ctrical F ixing of 1000 angle2m ultip lexed ho logram s in SBN :751 Op t1 L ett1, 1997, 22 (14) : 11161 13 O rlov S, A kella A , H esselink L , N eurgaonkar R 1 H igh sensitivi2ty, two2co lo r non2vo latile reco rding in lith ium niobate C 1 CL EO1997 po stdeadline paper1 14 Bacher G, Ch iao M , D u

31、nning G, Klein M , N elson C, W ech sler B1U ltralong dark decay m easurem ents in BaT iO 3 J 1 Op t1 L ett1,1996, 21 (1) : 181 15 M eerho lz, V o lodin B L , Sandalphon, Kippelen B, Peygham barianN 1 A pho to refractive po lym er w ith h igh op tical gain and diffractionefficiency near 100% J 1N at

32、ure, 1994, 371: 497. 16 Ju C, D ai F, Hong J1 Statistics of bo th op tical and electrical no isein digital vo lum e ho lograph ic data sto rage J 1 E lectron1 L ett1,1996, 32 (15) : 1400 14021 17 Fegrus J1 O nce mo re the pendulum sw ings J 1 D ata Sto rage,2000 (1) 1 18 N eifeldM A , Chou W C1 Info

33、 rm ation theo retic lim its to the capac2ity of vo lum e ho lograph ic op tical m emo ry J 1 A pp l1Op t11997,36: 514 5171 19 Shelby R M , Hoffnagle J A , Burr G W , Jefferson C M , Bernal MP, Coufal H , Grygier R K, G ther H ,M acfarlane R M , Sincerbox GT 1 P ixel m atched ho lograph ic data sto

34、rage w ith m egabit pagesJ 1 Op t1L ett11997, 22: 1509 15111(上 接 第 282 页 )具 有 耐 磨 、 抗 震 特 性 , 在 频 繁 的 日 常 使 用 中 不 致 损 坏 工作 表 面 。 (3)便 于 清 洁 。 满 足 上 述 技 术 条 件 , 常 用 作 工作 标 准 白 板 的 材 料 有 : 釉 面 陶 瓷 白 板 、 抛 光 乳 白 玻 璃 、搪 瓷 白 板 等 。参 比 标 准 白 板 固 定 于 双 光 路 测 色 仪 的 参 比 光 束 窗口 处 , 其 反 射 比 量 值 不 必 知 道 , 但 要 求

35、反 射 比 高 、 漫 射性 好 、 光 谱 选 择 性 小 等 特 点 。 主 要 用 于 仪 器 校 准 基 线 ,以 及 在 测 量 中 消 除 诸 如 光 源 和 探 测 器 灵 敏 度 不 稳 定 ,或 光 路 不 对 称 等 因 素 带 来 的 系 统 误 差 。 BaSO 4、 H aL on及 M gO 等 压 制 成 的 漫 射 白 板 可 满 足 参 比 标 准 白 板 的技 术 要 求 。6 色 度 测 量 仪 器 的 软 件 系 统软 件 系 统 除 完 成 仪 器 测 量 控 制 外 , 重 要 的 任 务 是进 行 各 种 颜 色 参 数 计 算 , 软 件 系 统

36、 必 须 有 完 整 的 数 据文 件 : 标 准 照 明 体 , 如 常 用 的 A、 C、 D 65、 CW F、 TL 84等 ;标 准 观 察 者 , 如 C IE1931 标 准 色 度 观 察 者 、 C IE1964补 充 标 准 色 度 观 察 者 ; 标 准 白 板 参 数 以 及 仪 器 本 身 的校 正 数 据 等 。 各 种 颜 色 参 数 的 计 算 公 式 , 只 要 不 是 专 用仪 器 , 就 应 尽 量 齐 全 , 以 供 用 户 选 择 。 如 三 刺 激 值 、 色 品坐 标 的 计 算 ; 多 种 色 差 的 计 算 , 如 C IELAB、 FM C

37、-、 HUN T ER、 ANLAB ( P )、 JPC79、 CM C ( 1 1 )、CM C (2 1) 等 ; 多 种 白 度 指 数 、 黄 度 指 数 、 沾 色 牢 度 、变 色 牢 度 等 的 计 算 。 具 体 数 学 模 型 可 根 据 设 计 要 求 查阅 有 关 文 献 来 实 现 。参 考 文 献 : 1 Co lo rim etryS 1 Second Edition1 Publication C IENO 11512, 1986 2 汤 顺 青 1 色 度 学 M 1 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社 , 1990 3 李 全 臣 , 蒋 月 娟 1 光 谱 仪 器 原 理 M 1 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社 ,1999 4 大 田 登 著 1 色 彩 工 学 M 1 刘 中 本 译 1 西 安 : 西 安 交 通 大 学 出 版社 , 1997882光 学 技 术 第 27 卷