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光譜三刺激值加權相乘，積分后求出樣品表面顏色的三刺激值、色坐標、色差等其他參數。系統設計的分光光度測色儀主要分為照明與觀測系統、分光系統、光電檢測系統以及電路控制系統等主要部分構成。

照明與觀測系統

照明與觀測系統包括了照明光源與照明與觀測幾何條件。

系統所要求的照明光源應在可見光波長范圍內具有連續的光輻射，并應具有一定的光強度。在每個波長處都具有相近似的足夠強的光譜能量，以提高儀器的信噪比。在分光測色儀中，CIE優先推薦的是D65標準光源，其相當于色溫為6504k的日光的光譜功率分布，在實際應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準A光源作為照明光源。

為了達到均勻照明的目的，在CIE推薦使用的幾種標準照明與觀測條件中，分光測色儀大多采用d/8與d/0結構，而45/0結構同樣也有儀器采用。其中d/8結構由于可以同時測量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]。

現有的分光系統大多采用單光束和雙光束光路兩種結構。單光束結構簡單，價格便宜。單光束儀器只有一個光柵和一個檢測器。所以測量時光源點亮兩次，分別測樣品和參考白板。而兩次測量時的系統誤差（光源光強分布差異，光路變化，溫度變化，電路漂移等）認為樣品和參考白板之間的差異。單光束光路結構簡單，但是穩定性差，隨著光源的波動測量效果有一定的誤差，分光結構中雜散光較多，信噪比大。由于測量時光源點亮兩次，所以如光源的變化會導致誤差變大，而不同的儀器之間也存在著誤差。

雙光束光路結構穩定性好，可以有效的消除由于光源波動而產生的誤差，雙光束儀器有兩個光柵和兩個傳感器。測量過程中光源只需要點亮一次就可以，同時測量樣品與參考點反射光譜，有效地就克服了光源變化所帶來的誤差，測量數據的精度非常高。雙光束光路結構精度高，穩定性好，但是由于需要兩個光柵和透鏡，無形中提高了成本。

分光系統

將混合光分散成一系列單色光光譜的現象稱為分光現象。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最終目的都是將物體對各個波

光電探測系統

作為分光測色儀最重要的元器件，光電探測技術發展十分迅速，其測量精度和穩定性也不斷提高。目前應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速度、較寬的線性動態范圍以及較好的波長分辨率和精度，目前分光測色儀多數探測器采用光電二極管陣列，少數采用CCD陣列。

電子控制與數據處理系統

主要包括電源控制與輸入輸出控制等模塊；對由光電探測器測量得到的光譜信號進行后期處理和數據計算，從而得到物體表面顏色的三刺激值及其他參數，并采用LCD顯示屏顯示結果。