一种分光测色仪

摘要

本发明公开了一种分光测色仪，通过第一照明系统和第二照明系统构成的双光源系统的组合，实现兼容SCI和SCE测试条件。双光源系统中的第二照明系统由第二照明光源、前置透镜、聚光镜以及两个可调节光阑组成，第二照明光源发出的光经前置透镜成像于聚光镜附近，聚光镜再将前置透镜成像于目标区域附近。第二照明光源发出的光经过成像后光源的光形更为均匀，也即照射在被测样品上的光源更均匀，基于此光源获得的测试数据也将更加准确，测量复现性更好；通过调节两个光阑，还可实现对投射至被测区域光斑的大小以及强弱的调节，有效应对各种物体颜色的准确测量。此外还通过在被测样品采样区域的外围设置消光部分，进一步降低杂散光水平，提高测试准确度。

权利要求

1.一种分光测色仪，其特征在于，包括：

积分球(1)，所述积分球(1)上设有光源入射口(11)、测量窗口(12)以及采集被测样品(2)信号的采样窗口(13)，所述积分球(1)内壁涂覆有白色涂层,所述积分球(1)还包括消光部分(7)，所述消光部分(7)位于被测样品(2)采样区域的外围，且消光部分(7)具有低反射率；

光学接收装置(3)，所述光学接收装置(3)设置在测量窗口(12)的出射光路上，且光学接收装置(3)光轴通过采样窗口(13)中心；

第一照明系统(4)，所述第一照明系统(4)发出的光线在积分球(1)内混光后照明采样窗口(13)；

第二照明系统(5)，所述第二照明系统(5)发出的光线通过光源入射口(11)照明采样窗口(13)；

第二照明系统(5)包括第二照明光源(51)、沿光路依次设置的前置透镜(52)和聚光镜(53)，所述前置透镜(52)将第二照明光源(51)成像于聚光镜(53)附近；聚光镜(53)将前置透镜(52)成像至采样窗口(13)附近；由第二照明系统(5)发出的入射至采样窗口(13)上的光线光轴与光学接收装置(3)的光轴沿采样窗口(13)的中心法线镜像对称。

2.如权利要求1所述的测色仪，其特征在于，所述第二照明系统(5)直接照明采样窗口(13)，所述光源入射口(11)的中心法线与光学接收装置(3)的光轴沿采样窗口(13)的中心法线对称设置。

3.如权利要求1所述的测色仪，其特征在于，所述积分球(1)内壁设有第一反射区域(6)，第一反射区域(6)反射光的光轴与光学接收装置(3)的光轴沿采样窗口(13)的中心法线镜像对称；所述第二照明系统(5)通过第一反射区域(6)成像至采样窗口(13)附近。

4.如权利要求1-3任一项所述的测色仪，其特征在于，所述第二照明系统(5)还包括第一可调节光阑(54)，所述第一可调节光阑(54)位于前置透镜(52)与聚光镜(53)之间的光路中、且靠近前置透镜(52)一侧设置；或者所述第一可调节光阑(54)位于第二照明光源(51)与前置透镜(52)之间的光路中、且靠近前置透镜(52)一侧设置。

5.如权利要求4所述的测色仪，其特征在于，所述第二照明系统(4)还包括第二可调节光阑(55)，第二可调节光阑(55)靠近聚光镜(53)设置，所述第二照明光源(51)发出的光经前置透镜(52)成像在第二可调节光阑(55)附近。

6.如权利要求1所述的测色仪，其特征在于，所述消光部分(7)设于采样窗口(13)边缘的积分球(1)内壁上。

7.如权利要求1所述的测色仪，其特征在于，还包括样品辅助部件(8)，所述样品辅助部件(8)安装在积分球(1)上，并与积分球(1)球体吻合，为可拆卸部件；且样品辅助部件(8)上设有采样窗口(13)，在所述采样窗口(13)边缘的样品辅助部件(8)内壁上设有消光部分(7)。

8.如权利要求1所述的测色仪，其特征在于，还包括支撑装置(9)，且所述消光部分(7)通过支撑装置(9)加以固定。

9.如权利要求1所述的测色仪，其特征在于，所述消光部分(7)设置在被测样品(2)上，且消光部分(7)位于被测样品(2)待测区域的边缘。

说明书

一种分光测色仪

【技术领域】

[0001] 本发明涉及颜色测量技术领域，具体涉及一种分光测色仪。【背景技术】

[0002] CIE推荐的d/8测量几何包含了SCI(包含被测样品表面的镜面反射光)和SCE(消除被测样品表面的镜面反射光)两种结构。SCI测量结果与材料表面光泽无关，数据一般用于配色；SCE则是排除镜面反射光，与眼睛观察颜色的结果比较接近，一般用于颜色验收、质控等。现有的d8分光测色仪，光源发出的光在积分球内混光后对样品进行漫射照明，在与样品法线偏8°的位置处设置一接收装置，并在积分球壁上与样品法线偏-8°的位置处开有一用于消除镜面成分的光陷阱孔(如图1所示)，通过机械开关的切换，封闭或打开光陷阱孔以提供SCI或SCE测量结构。但是机械切换不仅影响测量稳定性，每次切换还需要重新定标，测量时间较长，效率也不高。

[0003] 为了克服上述技术缺陷，US005859709A中公开了一种基于双光源兼容SCI/SCE测试条件的测色仪及实现方法，该方案在传统技术的基础上还设置了用于实现SCE观察条件的第二照明光源，其中第二照明光源设置在原光陷阱位置处，第二照明光源的入射光经样品反射后投射至接收装置，通过采用双光源分别依次照明的方式实现SCI/SCE测量条件切换，并利用两次照明获得的测试结果通过数据处理得到SCE条件下的测试值。但US005859709A的技术方案(图2)中的第二光源的光利用率较低，样品表面的照明不充足且积分球内壁还有二次的漫反射，且重复性较差。JP4400538B2(图3)中对第二照明系统作了改进，但第二照明光源通过扩散片和聚焦器件照射样品表面，这种结构虽提高了光源利用率和信噪比，但却存在几个显著的缺点：首先其是将照射光源一次直接成像于采样窗口处，但由于通常照明光源的光形是不均匀的，故而投射到被测样品上的光源的光形也是不均匀的，这将直接影响SCE测量结果的准确度，虽然可用光阑调节光斑大小，但光斑较小时，光源不均匀带来的缺陷将更加凸显；其次这种结构中由于仅有一个用于调节光斑尺寸的光阑，无法实现对光斑强弱的调节，导致当测量反射率相差较大的样品时，探测器接收到的信号强弱差异明显，动态范围小，测试准确度不高。【发明内容】

[0004] 针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是如何在兼容SCI和SCE测试条件的前提下，进一步提高测试数据的准确度以及测量结构的适应性。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的基本构思是：在普通测色积分球上除设置第一照明系统，还设置照明采样窗口的第二照明系统。利用双光源系统：第一照明系统和第二照明系统，实现在同一测色仪内兼容SCI和SCE测试条件，并通过对第二照明系统光源的照明途径实施改进，使得投射至采样窗口附近的光源光形更为均匀，进一步改善第二照明系统的照明质量，提高测试准确度。

[0006] 作为实现本发明的一种技术方案，第二照明系统直接照明采样窗口，具体的在测色积分球上设置多个开孔，包括光源入射口、测量窗口以及采集被测样品信号的采样窗口，在测量窗口处设置光学接收装置，光学接收装置光轴经过采样窗口中心；光源入射口的中心法线和光学接收装置的光轴沿采样窗口的中心法线呈8°对称设置，积分球内壁涂覆有白色涂层；第一照明系统发出的光线在测色积分球内混光后照明采样窗口；第二照明系统中包括第二照明光源、沿光路依次设置的前置透镜和聚光镜，前置透镜将第二照明光源发出的光成像于聚光镜附近，聚光镜再将前置透镜成像到目采样窗口附近。

[0007] 作为实现本发明的另一种技术方案，第二照明系统通过积分球内壁的第一反射区域照明采样窗口，具体的第一反射区域反射光的光轴与光学接收装置的光轴沿采样窗口的中心法线呈8°镜像对称，此区域相当于镜面反射的入射光源，其发出的光线只有经过被测样品的作用后才能被接收装置接收测量。为了将第二照明系统发出的光投射至第一反射区域，可通过在积分球外引入一个反射装置，第二照明系统发出的光线先经反射装置反射后通过光入射口投射至积分球内壁上的第一反射区域处，该区域发出的光线投射至被测样品表面后被接收装置接收。还或者可将反射装置置于积分球内，第二照明系统发出的光线先通过光入射口投射至安装反射装置的位置处，反射装置再将入射到其上的光线反射至积分球内壁上的第一反射区域处，再由第一区域将光线投射至被测样品表面，并经被测样品作用后被接收装置接收测量。

[0008] 上述两种方案中，无论第二照明系统是直接照明采样窗口，还是第二照明系统通过积分球内壁的第一反射区域照明采样窗口，由第二照明系统发出的入射至采样窗口上的光线光轴与光学接收装置的光轴沿采样窗口的中心法线镜像对称，以实现对镜面成分的测量。

[0009] 作为优选，前述方案中的第二照明系统中还可以包括用于调节照射至被测样品上光斑大小的第一可调节光阑，第一可调节光阑可以设置在前置透镜与第二照明光源之前的光路中、且靠近前置透镜一侧；或者可调节光阑设置在前置透镜与聚光镜之间的光路中、且靠近前置透镜一侧。以第一可调节光阑设置在前置透镜与聚光镜之间的光路中为例说明，第二照明光源发出的光线经前置透镜均匀照射在第一可调节光阑上，调节第一可调节光阑的尺寸，可改变进入第一可调节光阑光线的数量，前置透镜和第一可调节光阑共同作用将第一可调节光阑尺寸限定范围内的光线成像至聚光镜附近，聚光镜再将这些光线成像至采样窗口附近，由于是将均匀照射在第一可调节光阑上的光线成像至采样窗口附近，因此投射至采样窗口附近的光源光形也较为均匀，测试数据的准确度也将有所提升。

[0010] 作为优选，前述方案中的第二照明系统中还可以包括用以调节投射至被测样品上光斑强弱的第二可调节光阑，第二可调节光阑靠近聚光镜设置，第二照明光源发出的光经过前置透镜成像在第二可调节光阑附近。由于入射光源强度的不同会对测试结果有所影响，因此第二可调节光阑的引入可保证在应对具有不同反射率被测样品时接收装置具备较好的动态范围，有效应对各种测试需求。

[0011] 测试时需首先使用至少两块可溯源至相关认证机构的、且具有不同镜面反射率和漫反射率的标准板来对测色仪进行定标。具体的做法是：将一块已知镜面反射率和漫反射率的标准板置于采样窗口处，开启第一照明系统，此时第一测量装置测得值I1,1；关闭第一照明系统，开启第二照明系统，第一测量装置测得值I1,2：

[0012] I1,1＝k1I1,SCE+h1I1,SCI  (1-1)

[0013] I1,2＝k2I1,SCE+h1I1,SCI  (1-2)

[0014] 用另一块已知镜面反射率和漫反射率的标准板替换前一块标准板，同上述步骤，此时第一测量装置两次测得值分别为I2,1和I2,2：

[0015] I2,1＝k1I2,SCE+h2I2,SCI  (2-1)

[0016] I2,2＝k2I2,SCE+h2I2,SCI  (2-2)

[0017] 其中I1,SCE表示第一块标准板的SCE反射率，I1,SCI表示第一块标准板的SCI反射率；同样的I2,SCE和I2,SCI分别表示第二块标准板的SCE和SCI反射率。

[0018] 联立上述方程，可以得到系数k1、k2、h1和h2。然后再将待测样品放置在采样窗口处，同上述操作步骤，此时第一测量装置两次测得值分别为IS,1和IS,2：

[0019] IS,1＝k1IS,SCE+h2IS,SCI  (3-1)

[0020] IS,2＝k2IS,SCE+h2IS,SCI  (3-2)

[0021] 由于系数k1、k2、h1和h2已经通过定标得到确定，因此联立方程(3-1)和(3-2)即可求得被测样品的镜面反射率IS,SCE和漫反射率IS,SCI。

[0022] 作为优选，前述测色仪中的积分球还包括消光部分，消光部分位于被测样品采样区域的外围，且消光部分具有低反射率。由于实际应用中进入光学探测器的光线不仅仅来自于被测样品表面的反射光，还包含很多非期望光线，这部分杂散光对测量结果的影响不可忽视，并且探测器所接收的这部分杂散光的比例会因为采样窗口处放置不同的测量对象而不同。然而在传统的仪器定标以及测量过程中，一般粗略地将这部分杂散光信号看作相等进行处理，这极大的影响了光学参数的测量准确度，不能真实的反应材料表面的光学特性。因此可采用消光部分将这部分杂散光进一步较少，以降低对系统的干扰。

[0023] 具体的，消光部分可设于采样窗口边缘处的积分球内壁上；或者在积分球上安装一样品辅助部件，该样品辅助部件与积分球球体相吻合，并且可拆卸，采样窗口设置在样品辅助部件上，此时消光部分则设于采样窗口边缘的样品辅助部件内壁上；还或者在被测样品上设置消光部分，该消光部分位于被测样品采样区域的边缘，并且测试时被测样品紧靠采样窗口设置。前两种方案中，消光部分还可以通过设于积分球内壁、且靠近采样窗口边缘区域处设置的支撑装置加以固定。需要指出的是，这里的消光部分可以为低反射率涂层或者其它具有低反射特性的材料或者物件，通常为黑色涂层，这里的黑色涂层可以是黑色漫反射涂层，或黑色半漫反射涂层，或黑色镜面反射涂层，或黑色半镜面反射涂层；或者消光部分为低反射率材料。为了保证消光质量，通常消光部分的反射率应不高于8％。

[0024] 需要指出的是，前述的各种方案中第一照明系统既可置于积分球外，也可置于积分球内。当第一照明系统置于积分球外时，积分球壁上对应位置处需要开设相应的光入射口，以便将第一照明系统发出的光引入积分球内；对于第一照明系统置于积分球内的情况，则无需在积分球壁上开设对应的光入射口，但需设置挡板以防止第一照明系统直射被测样品。

[0025] 综上所述，本发明通过引入双光源照明系统，实现兼容SCI和SCE测试条件，并通过对第二照明系统的改进，在第二照明系统中设置前置透镜、聚光镜以及分别用以调节光斑大小和光斑强弱的可调节光阑，使成像至采样窗口附近的光源更为均匀，提高了测试结果的准确度；通过调节光阑的尺寸，改变照明采样窗口的光斑的大小以及强弱，有效应对各种测量需求。【附图说明】

[0026] 附图1是现有技术中一种d/8观察几何条件结构示意图；

[0027] 附图2是现有技术中一种双光源测色系统的结构示意图；

[0028] 附图3是现有技术中另一种双光源测色系统的结构示意图；

[0029] 附图4是实施例1中的结构示意图；

[0030] 附图5是实施例2中的结构示意图；

[0031] 附图6是实施例3中的结构示意图；

[0032] 附图7是实施例4中的结构示意图；

[0033] 附图8是实施例1中积分球内包含消光部分的俯视结构示意图。

[0034] 附图9是实施例5中消光部分通过支撑装置加以固定的局部示意图；

[0035] 附图10是实施例6中与积分球配合的样品支撑部件上设置消光部分的局部示意图。

[0036] 1-积分球；11-光源入射口；12-测量窗口；13-采样窗口；14-第二测量窗口；2-被测样品；3-光学接收装置；4-第一照明系统；5-第二照明系统；51-第二照明光源；52-前置透镜；53-聚光镜；54-第一可调节光阑；55-第二可调节光阑；6-第一反射区域；7-消光部分；8-样品辅助部件；9-支撑装置。【具体实施方式】

[0037] 实施例1

[0038] 如图4所示，本实施例公开了一种分光测色仪，由积分球1、光学接收装置3、第一照明系统4和第二照明系统5组成。积分球1底部开有采样窗口13，积分球1内壁靠近采样窗口13边缘处设有消光部分7，这里的消光部分7为反射率低于8％的黑色涂层(如图8所示)，积分球1内壁其余部分涂覆有高反射率的白色涂层。在与采样窗口13中心法线偏-8°处的积分球1上开有一光源入射口11，第二照明系统5发出的光线经该光源入射口11照明采样窗口
13；与采样窗口14中心法线偏8°的积分球1处开有测量窗口12，光学接收装置3的光轴经过采样窗口13中心，其接收经测量窗口12出射的光信号；积分球1的侧壁还开有光入射狭缝，第一照明系统4发出的光线经该开孔进入积分球1内。第二照明系统5依次由第二照明光源
51、前置透镜52、第一可调节光阑54、第二可调节光阑55和聚光镜53组成，聚光镜53将前置透镜52成像于采样窗口13附近。

[0039] 测试时，首先开启第一照明系统4，第一照明系统4发出的光从光入射狭缝投射到积分球1的内壁上，经积分球1内壁多次反射后，以漫入射形式照明采样窗口13，光学接收装置3测得值IS,1；关闭第一照明系统4，开启第二照明系统5，第二照明光源51发出的光线经前置透镜52、第一可调节光阑54、和第二可调节光阑55和聚光镜53后成像于采样窗口13附近，光学接收装置3测得值IS,2。此外，根据测试需求，调节第一可调节光阑54，可改变照射至采样窗口13处光斑的大小，调节第二可调节光阑55，实现改变照射至采样窗口13处光斑的强弱。

[0040] 本实施例通过第一照明系统4和第二照明系统5的切换，实现了SCI和SCE测试条件的兼容；同时利用对第二照明系统5的改进，进一步改善第二照明系统5照明质量，提高了测量精度。

[0041] 实施例2

[0042] 如图5所示，与实施例1不同的是，本实施例中的第一照明系统4置于积分球内，此时无需在积分球1侧壁开设相应的入射狭缝。第一照明系统4发出的光线直接经积分球1多次反射后，以漫入射形式照射被测样品表面。与实施例1中将第一照明系统4置于积分球外的方案相比，本实施例适于小体积的第一照明系统4，更为重要的是开口数量较实施例1更少，可实现更好的混光效果。

[0043] 实施例3

[0044] 如图6所示，与实施例1和2均不同的是，本实施例中还包括一个反射镜装置，反射装置位于积分球1光入射口11的外侧，且沿第二照明系统5之后的光路设置。经第二照明系统5聚光镜53出射的光线先经反射装置反射后通过光入射口11投射至积分球1内壁的第一反射区域6处，经第一反射区域6反射的光的光轴与光学接收装置3的光轴沿采样窗口13中心法线呈镜像对称关系。经第一反射区域6反射的光线投射至被测样品2表面并经作用后被光学接收装置3接收。

[0045] 实施例4

[0046] 如图7所述，与实施例3不同的是，本实施例中的反射装置位于积分球1内，且沿第二照明系统5之后的光路设置。此时第二照明系统5发出的光线先通过光入射口11投射至安装反射装置的位置处，反射装置将入射到其上的光线反射至积分球1内壁上的第一反射区域6处，再由第一反射区域6将光线投射至被测样品2表面，并经被测样品2作用后被接收装置3接收测量。

[0047] 实施例5

[0048] 如图9所示，省略了其他相同结构，与实施例1不同的是，本实施例中有一样品辅助部件8与积分球1相配合，采样窗口13设置在样品辅助部件8上，且该样品辅助部件8是可拆卸的，此时消光部分7则设于采样窗口13边缘区域处的样品辅助部件8内壁上。

[0049] 实施例6

[0050] 如图10所示，省略了其他相同结构，与实施例1不同的是，本实施例中的消光部分7通过一设置于积分球1内壁且靠近采样窗口13边缘区域处的支撑装置9加以固定。