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分光測色儀的基本工作原理

2022-10-19

分光測色儀通過測量物體反射光的相對(duì)光譜功率分布，得到物體表面的反射光譜，再與CIE光譜三刺激值加權(quán)相乘，積分后求出樣品表面顏色的三刺激值、色坐標(biāo)、色差等其他參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分光光度測色儀主要分為照明與觀測系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)以及電路控制系統(tǒng)等主要部分構(gòu)成。

照明與觀測系統(tǒng)

照明與觀測系統(tǒng)包括了照明光源與照明與觀測幾何條件。

系統(tǒng)所要求的照明光源應(yīng)在可見光波長范圍內(nèi)具有連續(xù)的光輻射，并應(yīng)具有一定的光強(qiáng)度。在每個(gè)波長處都具有相近似的足夠強(qiáng)的光譜能量，以提高儀器的信噪比。在分光測色儀中，CIE優(yōu)先推薦的是D65標(biāo)準(zhǔn)光源，其相當(dāng)于色溫為6504k的日光的光譜功率分布，在實(shí)際應(yīng)用中多采用脈沖氬燈來模擬D65光源；另外也有采用鹵鎢燈來模擬標(biāo)準(zhǔn)A光源作為照明光源。

為了達(dá)到均勻照明的目的，在CIE推薦使用的幾種標(biāo)準(zhǔn)照明與觀測條件中，分光測色儀大多采用d/8與d/0結(jié)構(gòu)，而45/0結(jié)構(gòu)同樣也有儀器采用。其中d/8結(jié)構(gòu)由于可以同時(shí)測量SCI和SCE兩種測量模式，為分光測色儀的最佳照明與觀測幾何條件[18]。

現(xiàn)有的分光系統(tǒng)大多采用單光束和雙光束光路兩種結(jié)構(gòu)。單光束結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。單光束儀器只有一個(gè)光柵和一個(gè)檢測器。所以測量時(shí)光源點(diǎn)亮兩次，分別測樣品和參考白板。而兩次測量時(shí)的系統(tǒng)誤差（光源光強(qiáng)分布差異，光路變化，溫度變化，電路漂移等）認(rèn)為樣品和參考白板之間的差異。單光束光路結(jié)構(gòu)簡單，但是穩(wěn)定性差，隨著光源的波動(dòng)測量效果有一定的誤差，分光結(jié)構(gòu)中雜散光較多，信噪比大。由于測量時(shí)光源點(diǎn)亮兩次，所以如光源的變化會(huì)導(dǎo)致誤差變大，而不同的儀器之間也存在著誤差。

雙光束光路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，可以有效的消除由于光源波動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，雙光束儀器有兩個(gè)光柵和兩個(gè)傳感器。測量過程中光源只需要點(diǎn)亮一次就可以，同時(shí)測量樣品與參考點(diǎn)反射光譜，有效地就克服了光源變化所帶來的誤差，測量數(shù)據(jù)的精度非常高。雙光束光路結(jié)構(gòu)精度高，穩(wěn)定性好，但是由于需要兩個(gè)光柵和透鏡，無形中提高了成本。

分光系統(tǒng)

將混合光分散成一系列單色光光譜的現(xiàn)象稱為分光現(xiàn)象。常用的分光元件有光柵、棱鏡以及濾光片等。分光測色儀中分光系統(tǒng)最終目的都是將物體對(duì)各個(gè)波

光電探測系統(tǒng)

作為分光測色儀最重要的元器件，光電探測技術(shù)發(fā)展十分迅速，其測量精度和穩(wěn)定性也不斷提高。目前應(yīng)用較多的光電傳感器主要分為：

（1）CCD，電荷耦合傳感器；

（2）PDA，自掃描線性光電二極管陣列，屬于MOS圖像傳感器；

（3）CID，電荷注入傳感器。

這三種傳感器之中，光電二極管陣列具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度、較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍以及較好的波長分辨率和精度，目前分光測色儀多數(shù)探測器采用光電二極管陣列，少數(shù)采用CCD陣列。

電子控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

主要包括電源控制與輸入輸出控制等模塊；對(duì)由光電探測器測量得到的光譜信號(hào)進(jìn)行后期處理和數(shù)據(jù)計(jì)算，從而得到物體表面顏色的三刺激值及其他參數(shù)，并采用LCD顯示屏顯示結(jié)果。