微型光纖光譜儀在顏色測(cè)量中的應(yīng)用

　    摘要：傳統(tǒng)的光譜儀引文其高昂的價(jià)格，并沒(méi)有被普遍使用起來(lái)，雖然它在顏色測(cè)量等領(lǐng)域用途很廣泛。現(xiàn)在，由荷蘭公司生產(chǎn)的一款光譜儀，物廉價(jià)美，廣泛投入到工業(yè)使用中，本文針對(duì)這款產(chǎn)品在顏色測(cè)量中的應(yīng)用做一個(gè)分析。　

光譜學(xué)是測(cè)量紫外、可見(jiàn)、近紅外、紅外波段光強(qiáng)度的一種技術(shù)。光譜測(cè)量的應(yīng)用范圍非常廣泛，如顏色測(cè)量、化學(xué)成份的濃度測(cè)量、發(fā)光輻射分析等。
　　
　　傳統(tǒng)的光譜儀由于體積龐大、價(jià)格昂貴，從而限制了它們的工業(yè)在線(xiàn)應(yīng)用，只能用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀采用光纖作為信號(hào)采集裝置，使測(cè)量不受地點(diǎn)、環(huán)境和距離等因素的制約；而且體積減小到手掌般大小，成本也大大降低；此外，它的測(cè)量速度非常快、測(cè)量精度高。這些特點(diǎn)使得它可以用于工業(yè)在線(xiàn)分析，從而大大擴(kuò)展了光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　
　　顏色測(cè)量背景知識(shí)
　　
　　物體的顏色可以由CIE1976（L*a*b*）顏色空間來(lái)表述。L*代表顏色的亮度。正a*值代表紅色，負(fù)a*值代表綠色。與此相似，正b*值代表黃色，負(fù)b*值代表藍(lán)色。L*a*b*值可由樣品（物體）的CIE三刺激值X，Y，Z和標(biāo)準(zhǔn)光源的三刺激值Xn,Yn,Zn推導(dǎo)得到。
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)光源的三刺激值Xn,Yn,Zn是常數(shù)，只與所選擇的標(biāo)準(zhǔn)光源類(lèi)型有關(guān)。　　　　
　　物體顏色的CIE三刺激值X，Y，Z是把標(biāo)準(zhǔn)光源的相對(duì)功率P、物體的反射率R（或透射率T）和CIE標(biāo)準(zhǔn)觀(guān)測(cè)函數(shù)xλ,yλ,zλ（2度或10度角）相乘得到。把所得到的值在可見(jiàn)光范圍內(nèi)（從380到780nm，5nm步長(zhǎng)）對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行積分就可得到三刺激值。
　　
　　色度坐標(biāo)x,y,z可通過(guò)把三刺激值X，Y，Z分別與它們的和相除得到：　　
　　另一個(gè)常用的表述顏色參數(shù)a*和b*的方法是用色調(diào)角（h*）和色度（C*）。
　　
　　色調(diào)角的測(cè)量是從紅色方向（+a*）h*=0開(kāi)始，沿逆時(shí)針增加：　　
　　色度被定義為從點(diǎn)a*=b*=0到采樣點(diǎn)的線(xiàn)段長(zhǎng)度：　　
　　常用的描述色差的參數(shù)△ELab，被定義為：　　
　　其中，△L*，△a*，△b*表示參考顏色與實(shí)際測(cè)量的L*a*b*值之差。
　　
　　顏色測(cè)量?jī)x器
　　
　　Avantes公司可以為用戶(hù)提供兩款用于顏色測(cè)量的微型光譜儀系統(tǒng)。
　　
　　多用途顏色測(cè)量光譜儀——AvaSpec2048
　　
　　AvaSpec2048是一款操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，中等價(jià)位的微型光纖光譜儀。它采用對(duì)稱(chēng)式CzernyTurner光學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)，信號(hào)光由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SMA905接口進(jìn)入光學(xué)平臺(tái)，經(jīng)一個(gè)球面鏡準(zhǔn)直，然后由一塊平面光柵分光，經(jīng)由第二塊球面鏡聚焦到2048個(gè)像素的CCD陣列上。　　　　
　　AvaSpec2048的主要特點(diǎn)
　　
　　●響應(yīng)速度快，靈敏度高。
　　
　　●分辨率高，測(cè)量準(zhǔn)確。
　　
　　●熱穩(wěn)定性好，溫飄系數(shù)為0.1像元/℃。
　　
　　AvaSpec2048顏色測(cè)量系統(tǒng)包括AvaSpec2048光譜儀、AvaLightHAL鹵素?zé)簟?biāo)準(zhǔn)反射探頭、白色參考瓦和AvaSoftColor顏色測(cè)量軟件（需和AvaSoftFull全功能軟件一起訂購(gòu)）。光纖的方便靈活性使得它可以遠(yuǎn)距離測(cè)量任何形狀物體表面顏色，克服了目前市場(chǎng)上的色差儀和分光測(cè)色儀的缺陷。
　　
　　此外，該系統(tǒng)還可以進(jìn)行吸收率、反射率測(cè)量、輻射發(fā)光測(cè)量等（可能需要選購(gòu)其它附件），實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
　　
　　鼠標(biāo)式顏色測(cè)量光譜儀——AvaMouse針對(duì)平面物體顏色測(cè)量，Avantes公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一種低價(jià)位鼠標(biāo)式光譜儀AvaMouse。它由一個(gè)內(nèi)置氙燈（每秒閃光35次）、集成光電二極管陣列和微型光學(xué)平臺(tái)組成，通過(guò)RS232接口或USB接口與計(jì)算機(jī)連接。
　　
　　AvaMouse的主要特點(diǎn)
　　
　　●專(zhuān)為快速顏色測(cè)量而設(shè)計(jì)——可用于涂料、汽車(chē)
　　
　　噴漆、油墨、塑料、紡織、印刷、紙業(yè)等行業(yè)的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車(chē)間。
　　
　　●輕巧、耐用的便攜式設(shè)計(jì)——機(jī)身如同鼠標(biāo)一般大，重量輕，操作靈活。
　　
　　●采用0/45°設(shè)計(jì)——可以用于測(cè)量高光澤度的物體顏色。
　　
　　●與Mix2Match顏色配比軟件配合使用，可以進(jìn)行電腦配色。
　　
　　顏色測(cè)量軟件
　　
　　無(wú)論使用哪種光譜儀測(cè)量顏色，都需要AvaSoftFull全功能軟件和AvaSoftColor顏色測(cè)量應(yīng)用軟件。Avantes公司還提供AS161DLL和ColarDLL二次開(kāi)發(fā)軟件和Mix2Match顏色配比軟件，供廣大工業(yè)用戶(hù)使用。
　　
　　AvaSoftFull全功能軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單，功能全面，用戶(hù)可以在對(duì)話(huà)框中設(shè)置數(shù)據(jù)采集的參數(shù)（如探測(cè)器積分時(shí)間，自動(dòng)校正暗背景，信號(hào)平均，樣條插值和光譜平滑），同時(shí)軟件還有自動(dòng)校準(zhǔn)波長(zhǎng)、校準(zhǔn)漂移和周期性自動(dòng)存儲(chǔ)光譜等功能。
　　
　　AvaSoftColor顏色測(cè)量應(yīng)用軟件是為用光譜儀系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)顏色測(cè)量而開(kāi)發(fā)的。它可用于反射式顏色測(cè)量，AvaSoft顏色測(cè)量應(yīng)用軟件可以計(jì)算CIE1976L*a*b*顏色參數(shù)，也可以計(jì)算其它常用的參數(shù)如色調(diào)（Hue），色度（Chroma）和X，Y，Z值等。
　　
　　這些參數(shù)可以用一個(gè)CIELAB表（如圖4）顯示，也可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多至8個(gè)顏色參數(shù)）隨時(shí)間變化（如圖5）。還可以把在線(xiàn)測(cè)量到的L*a*b*值保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后再把數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)產(chǎn)品顏色作為參考色。通過(guò)比較測(cè)量得到的L*a*b*值和參考色，就可以得到色差（△Elab,△L*,△a*,△b*）。　　　　　　
　　通過(guò)采用發(fā)射測(cè)色法還可以測(cè)量光源的顏色（如LED）。這種測(cè)量需要一個(gè)輻射光譜來(lái)計(jì)算顏色參數(shù)x，y和z。通過(guò)AvaSoftIrrad輻射測(cè)量應(yīng)用軟件，可以進(jìn)行比相對(duì)輻射測(cè)量模式（假設(shè)一個(gè)已知色溫的理想黑體光源）更準(zhǔn)確的輻射測(cè)量。基于上面的原因，輻射顏色計(jì)算或“光顏色”計(jì)算是輻射測(cè)量應(yīng)用軟件的功能之一。
　　
　　對(duì)于油墨、涂料生產(chǎn)商，印染廠(chǎng)、印刷廠(chǎng)或別的需要電腦配色的行業(yè)，Avantes公司提供了Mix2Match顏色混合及匹配軟件。它的主要功能是創(chuàng)建一個(gè)新顏色與數(shù)據(jù)庫(kù)中的已知顏色進(jìn)行比對(duì)并進(jìn)行校正，也可以創(chuàng)建一個(gè)新顏色來(lái)與著色文件中的顏色進(jìn)行比對(duì)。
　　
　　Mix2Match軟件進(jìn)行顏色匹配的步驟：
　　
　　1．測(cè)量原始顏色
　　
　　2．計(jì)算機(jī)生成適當(dāng)?shù)幕焐浞?br />　　
　　3．把產(chǎn)生的樣品顏色與原始顏色進(jìn)行比較
　　
　　4．使用改進(jìn)程序優(yōu)化混色配方
　　
　　綜上所述，AvaSpec2048和AvaMouse便攜式微型光譜儀得出現(xiàn)必將給顏色測(cè)量領(lǐng)域帶來(lái)新的選擇，使工業(yè)在線(xiàn)顏色測(cè)量成為可能。