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分光测色仪的开发与研究

分光测色仪原理
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CIE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,CIE推荐用求和来近似积分,表达式为

式中j(λ)为颜色刺激函数;`x(λ)、`y(λ)、`z(λ)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

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同,所以测色分光光度必须有自己的特点与其用途相适应。
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,CIE于1971年正式推荐四种测色的标准照明和观测条件:0/d、d/0、0/45和45/0,任何仪器都必须满足其中的一种。
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,CIE规定了测色的标准照明体和标准光源。CIE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现。
CIE推荐的标准照明体有A、B、C、D、E。
分光测色波长范围的选定
在CIE出版物No15.2(1986)推荐的三刺激值计算公式中,求和的波长范围为360~830nm,波长间隔为1nm。要求得准确的三刺激值就应按照上述要求进行。但目前市场上许多测色分光光度计的测量范围仅为400~700nm。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CIE出版物中指出:从实际目的出发,波长范围可取380~780nm;如果波长范围小于380~780nm,将会导致误差。分光测色仪,按两种波长范围测试结果如下:

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,CIE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400nm处ρ(λ)=15.38,则让360~400nm波长上所有的ρ(λ)都等于15.38。
将(1)式改写成下列一般积分形式

式中为由仪器测量的物体的光谱特性,例如:

g(λ)值与被测样品无关。如果波长范围截短,即λL>360nm,λU<830nm,则

产生的相对误差e为

由(3)式、(4)式和(5)式可得

计算表明:(1)波长范围取为380~780nm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400~700nm时,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380~780nm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,所以荧光材料的颜色决定于它反射和发射光谱的总和,即

式中βT(λ)为波长Κ处的总光谱辐亮度因数;βS(λ)为波长Κ处反射辐亮度因数;βL(λ)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λ的辐射度因数。许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300~780nm。
 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Σ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。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(Κ)可由下式计算

式中Ro(λ)为标准白板的光谱反射比;ro(λ)为标准白板对应的光谱响应量值;r(λ)为样品对应的光谱响应量值;ko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)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。BaSO4、HaLon及MgO等压制成的漫射白板可满足参比标准白板的技术要求。
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,软件系统必须有完整的数据文件:标准照明体,如常用的A、C、D65、CWF、TL84等;标准观察者,如CIE1931标准色度观察者、CIE1964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CIELAB、FMC-Ⅱ、HUNTER、ANLAB(P)、JPC79、CMC(1:1)、CMC(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。

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