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顏色光譜測量解決方案

顏色是大腦對于射入人眼的光的主觀感受。一般人眼可感知的波段為380~780nm。顏色可以簡略分為反射顏色，透射顏色，光源色和結構色，前三種最為常見。待測物的反射/透射顏色取決于待測物的光譜反射率/透射率，參考光源和觀察條件。光源色取決于光源光譜。結構色與物體表面特殊的衍射結構有關。

傳統的測色方法直接用人眼觀察，方法簡單靈活，但是結果依賴于觀測人員的經驗和心理、生理等主觀因素的影響，也依賴于觀察條件，結果使得測量結果的準確性和公正性經常受到質疑，目前已經被光譜測色技術取代。

一、測量原理

 反射-物體色光譜測量

?然界中的所有顏色分??和彩?兩個系列，?灰?以外的所有顏色均為彩色系列，如紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等，其波長范圍在380-780μm。彩色有三個特性，即明度（也稱亮度純度）、色調（也稱主波長或補?主波長），色純度（也稱飽和度）。物體的顏色可以由CIE1976（L*a*b*）顏色空間來表述。L*代表顏色的亮度，正a*值代表紅色，負a*值代表綠色，與此相似，正b*值代表黃色，負b*值代表藍色。L*a*b*值可由樣品（物體）的CIE三刺激值X，Y，Z和標準光源的三刺激值Xn，Yn，Zn推導得到，物體顏色的CIE三刺激值X，Y，Z是把標準光源的相對功率P、物體的反射率R（或透射率T）和CIE標準觀測函數X(λ)， Y(λ)， Z(λ)（2度或10度角）相乘得到。把所得到的值在可見光范圍內對波長進行積分就可得到三刺激值。標準光源的三刺激值Xn，Yn，Zn為常量，僅取決于所選擇的標準光源的類型。專業的顏色測量軟件，測量得到的L*a*b*值和參考色，就可以得到色差

光譜測色是利用光譜儀獲取光源發射或物體透反射的可見光波段的光譜進行分析。根據色度學理論，任何顏色可用三個對人眼的顏色三刺激值來表示，因此獲得顏色三刺激值正是測色儀器的測量目的。顏色三刺激值可以通過顏色刺激函數分別乘以CIE光譜三刺激值，并在整個可見光譜范圍內分別對這些乘積進行積分。計算公式如下：

其中，φ(λ) 為色刺激函數，由光源輻射特性或物體的透反射特性決定；X(λ)， Y(λ)， Z(λ)為標準觀察者的光譜三刺激值；k為歸一化系數。X，Y 和Z則是顏色三刺激值，它們雖然從數量上對顏色進行了定量的描述。

 輻射-光源色光譜測量

輻射光能量可以量化為輻射通量，即一種表征從光源發出的每秒輻射能量（W）的度量標準。輻射測量一般要通過已知光譜能量分布的標準光源，對光譜儀系統進行絕對輻射標定，才能通過量化參數進行輻射測量。輻射能量與人眼視覺相關聯（光度學），就可以得到按照CIE中所定義的表征觀測者平均視覺的光譜發光效率函數。因此輻射測量定義輻射度學參數、光度學參數、色度學參數。輻射度學參數主要以輻照度μW/cm²、輻亮度μWatt/sr、輻射通量μWatt以及光子數μMol/s/m²，μMol/m²，μMol/s和μMol，光度學參數流明Lumens、光照度Lux、光強度Candela，色度學參數X，Y，Z，x，y，z，u，v，色溫、CRI顯色指數等。 

輻射顏色測量是光譜儀的一個重要應用，利用輻射顏色測量可對LED進行分選（分選的標準：功能好差、顏色亮度標準等等），來保證產品的一致性和質量穩定性。還可以使用輻射對屏幕的顯色進行校準，判定其是否在標準范圍。輻射顏色測量在園藝方面也具有很大用處，因為LED是植物研究和溫室光源的主要部分；另外在生物醫藥應用方面，比如與NASA合作的項目，使用LED激發細胞生長。

二、照明和觀察條件

n 漫反射、鏡面反射和逆反射

漫反射：指當入射光投射到物體表面后，光線向各個方向以等能量反射。

鏡面反射：又叫規則反射、定向反射。指如果反射光線在某一方向強烈，常常出現刺眼現象。

逆反射：又叫回射。指與入射光線入射線路正好相反的反射光線。

表面結構對色度測量的影響：理想毛面、光澤表面、金屬表面等。

n 定向投射和漫透射

定向透射：指當入射光投射到透明物體表面后，光線穿過物體繼續沿原來方向出射。

漫透射：指從透射物體出射的透射光線在各個方向強度相等。

不同透射性質的材料：濾色片、照相透明片基、玻璃、毛面薄膜、磨砂玻璃

                                       定向透射                                                             漫透射

n CIE標準顏色測量幾何

1、測量幾何（雙向幾何避開了鏡面反射，使測量與視覺觀察一致）

45°/0°：即以45°照射物體表面，在0°（垂直）方向觀測和采集光線。

0°/45°：即以0°（垂直）照射物體表面，在45°方向觀測和采集光線。

0°/0°：垂直照明，透射方向測量，包含了漫透射和規則透射。

d/0°：即以漫射光照射物體表面，在0°（垂直）方向觀測和采集光線。

0°/d：即以0°（垂直）照射物體表面，在漫射光觀測和采集光線。

                  垂直照明                      漫反射白板規則透射                     黑色陷阱漫透射                     漫反射白板總透射

2、積分球

漫射照明與測量中用到的積分球是一個直徑為十幾厘米的空心金屬球，內表面涂有高度漫反射物質，如硫酸鋇、聚四氟乙烯。開孔的總面積小于球內表面的10%。可以測得樣品的全部反射，包括漫反射和鏡面反射（部分）。

三、顏色測量方法

顏色測量包括光源色測量與物體色測量兩大類。物體色測量又分為熒光物體測量和非熒光物體測量。在實際生產和日常生活中，涉及到大量的非熒光物體測色顏色測量的方法分為目視測色和儀器測色兩大類。其中，儀器測色又包括密度法、光電積分法和分光光度法。光源色測量同樣的可以劃分為目視測色和儀器測色兩大類，其中的儀器測色主要有分光測色法和光電積分測色法兩類。

CIE1976（L*a*b*）顏色空間

 CIE標準色度系統的建立，為客觀地測量物體以及光源的顏色奠定了基礎。無論物體色還是光源色，都可以通過測量它們在CIE標準色度系統下的三刺激值來確定顏色顏色。

測量的根本任務是測定色刺激函數φ(λ)，對于光源的測量，實際上是要測定光源的相對光譜功率分布P(λ)；對于物體色的測量，則是測定物體的光譜光度特性，如反射物體的光譜輻亮度因數β(λ)和光譜反射比P(λ)、透射物體的光譜透射比τ(λ)等。在測得了色刺激函數φ(λ)之后，就可以根據色度學的三個基本方程求出被測顏色的CIE三刺激值X、Y、Z，將所選擇的標準照明體的Y值調整到100。

 1、目視法

 目視法是一種傳統的顏色測量方法。它是一種完全主觀評價方法，同時也是最簡單的一種方法。它將印刷品與標準樣張直接進行人為比對，評價印刷品與標準樣張呈色差異，同時還借助放大鏡來細微地觀察各色網點的形狀和疊印狀況，對網點的調值作定性評估。其實質是一種目視光度測定法，原理是利用加色混合定律，將各個分量的未知色加在一起，以描述所得的未知色。雖然對于色彩評價來說最可靠的方式是借助人眼，而且簡單靈活，但是由于觀測人員的經驗和心理、生理因素的影響，使得該方法可變因素太多，并且無法進行定量描述，從而影響到評估的準確性和可靠性。

2、密度檢測法

密度測量實際上并不直接測量密度值，只是測量反射光量和入射光量的大小，其中假設了反射光和密度計提供的光之間的差別是光的吸收量，即印刷表面油墨層的吸收光量大小。密度測量考慮的是整個反射光譜的總體光量特性，實質上是評價印刷表面各色的亮度因數，而與色調無關。在彩色印刷中，印刷油墨呈色實際上就是，油墨印在反射率較高的白紙上，從照射其上的光線中選擇性地吸收了一部分波長的光，而反射剩余的光，此時密度反映了油墨對光波的吸收特性。

彩色密度儀的基本構成

習慣上所指的“彩色密度”是指測量時，通過紅、綠、藍三種濾色片分別來測量黃、品、青油墨的密度。密度只是物理吸收特性的度量，只表示黑或灰的程度。從這個意義上說彩色密度測量也只是黑度的測量，是同一種油墨飽和度的相對值的反映。密度測量法中使用的密度計有透射和反射兩種，透射密度計測量透過膠片的光量或透過率，反射密度計測量從測試表面反射的光量或反射率。由于印刷品上油墨膜層由濕到干過程中反射光的強弱是不一樣的，故測定密度有一定誤差，而加有偏振濾光鏡的密度計可以克服墨膜的干濕造成的密度變化。彩色反射密度計已經成為印刷車間不可或缺的工具，它直觀地反映了C、M、Y、K四色印刷的密度、網點百分比、油墨疊印率等，被廣泛用于顏色和墨層厚度控制當中。

黑度與透射率的關系

理想油墨光譜分布

實際油墨光譜分布

3、光電積分法

長期以來，密度法在顏色測量中占有很高的地位，但是隨著CIE1976L*，a*，b*的應用逐漸普遍，并已遍及從印前到印刷的整個工作流程，以及密度測量已不足以滿足印刷或其它行業的需要，人們越來越意識到色度的重要性，并且現代色度學的迅速發展也為光電積分儀器客觀地評價顏色奠定了基礎。

光電積分法是20世紀60年代儀器測色中采用的常見方法。它不是測量某一波長的色刺激值，而是在整個測量波長區間內，通過積分測量測得樣品的三刺激值X、Y、Z，再由此計算出樣品的色品坐標等參數。通常用濾光片覆蓋在探測器上，把探測器的相對光譜靈敏度S(λ)修正成CIE推薦的光譜三刺激值x(λ)、y(λ)、z(λ)。用這樣的三個光探測器接收光刺激時，就能用一次積分測量出樣品的三刺激值X、Y、Z。濾光片需滿足盧瑟條件，以精確匹配光探測器。盧瑟條件如下：

此類型儀器的測色準確度是與儀器符合盧瑟條件的程度有直接關系的，要做到完全符合上述條件是很困難的。在實際的濾色修正中，由于色玻璃的品種有限，儀器不可能完全符合盧瑟條件，只能近似符合應用部分濾光片法可使x(λ)和z(λ)曲線的匹配積分誤差小于2%，y(λ)曲線的匹配積分誤差小于0.5%。

 光電積分式儀器不能精確測量出色源的三刺激值和色品坐標，但能準確測出兩個色源的色差，因而又被稱為色差計。國外色差計從上世紀60年代開始大量生產。我國從上世紀80年代初開始研制這類儀器，但和國外相比，我國研制的不同色差計的一致性不夠。彩色亮度計也是一種光電積分式儀器，通過望遠鏡系統對遠距離目標進行顏色參數測量。

4、分光光度法（光譜儀）

分光光度法又叫測色光譜光度計，它是通過樣品反射(透射)的光能量與同樣條件下標準反射(透射)的光能量進行比較得到樣品在每個波長下的光譜反射率，然后利用CIE提供的標準觀察者和標準光源按如下公式計算，從而得到三刺激值X、Y、Z，再由X、Y、Z按CIEYxy，CIELab等公式計算色品坐標x．y，CIELAB色度參數等。

它通過探測樣品的光譜成分確定其顏色參數，不僅可以給出X、Y、Z的絕對值和色差值△E，還可以給出物體的分光反射率值，并可以畫出物體色的分光反射率曲線。因此被廣泛用于顏色的配色及色彩分析中去，采用此類儀器可實現高準確度的色測量，可對光電積分測色儀器進行定標，建立色度標準等，故分光式儀器是顏色測量中的權威儀器。

分光光度計工作過程圖

測量透射樣品時，一般選用空氣作為比較的標準樣品。由于在較短的距離內可以不考慮大氣對光譜的吸收效應，因此空氣是理想的透射體，其在整個可見光譜范圍內的光譜透射因數或光譜透射比均近似為 1。

測量液體樣品時，一般采用同樣厚度的溶劑作為標準樣品，該溶劑的光譜透射因數或光譜透射比是已知的。

測量反射樣品時，無論分光光度計還是色度計，都應采用光譜輻亮度因數或光譜反射比在各波長上都近似為1的物體作為比較的標準樣品。雖然完全反射漫射體的反射比在各波長上均為 1，是理想的參照標準，但實際材料難以達到這樣的特性，只能選擇與它性質比較接近的材料作為工作標準。顏色測量中所選用的反射標準常采用的是碗酸鋇 (BaSo₄,)、海龍（Halon）氧化鎖（MgO）碳酸鈣（CaCo₃）和陶瓷等。

分光光度計光路組成圖

5、光電積分測色法（光源色）

光源的顏色特性有兩方面的意義：一是人眼直接觀察光源時所看到的顏色，這與一般物體色類似，可用三刺激值和色品坐標來表示；二是評價物體在光源照明下所呈現顏色效果，用顯色指數來標識。光源的顏色特性和一般物體色類似，只取決于光源輻射的光譜分布。

光譜輻射計其光路結構與上述分光光度計相似，僅比分光光度計減少了照明結構。但由于測量對象是光源而不是一般物體，所以光譜輻射計與測色分光光度計相比有以下特點：

（1）對波長準確度和波長分辨率要求高。因為光源的光譜分布可能存在線狀光譜，要將線譜準確測量到，就必須有高的波長準確度和分辨率。

（2）比較測量的標準不是標準白板和空氣，而是經過精確定標的已知光譜分布的標準光源。常用的標準光源有黑體、鎢帶燈和鎢絲燈等。

四、應用領域

顏色在生產和生活中扮演著重要的角色，顏色的控制已經成為評價許多產品外在和內在質量中最受重視的要素之一，目前的主要應用在：

1. 農產品加工：肉類，果蔬等品質分類

2. 照明行業：LED顏色分析

3. 紡織行業：紡織物色差鑒定

4. 造紙行業：紙品顏色控制

5. 化工行業：油漆，涂料等品質控制

6. 醫學檢測：血跡檢測

LED顏色測量 

化學變色反應測量

人體血液、油漆、醬油的反射率光譜測量

五、典型配置

反射-顏色測量

反射測量（積分球）

 輻射-光源顏色測量

輻照度測量

LED顏色測量

顏色測量包含三個基本要素：參考光源，參考標準源，光譜采集裝置。常用參考光源為鹵鎢燈或氙燈。參考標準源一般多用漫反射標準板。光譜采集裝置則有光纖光譜儀和配套附件組成。光譜儀必須涵蓋可見光波段，并且要具有足夠的靈敏度和穩定性，配套附件包括光纖探頭和積分球等。

萊森光學的光譜儀具有體積小，穩定性高，支持軟件二次開發，配件豐富等特點，已經成功的廣泛應用于玻璃、高分子材料等行業的測試。而光纖光譜儀采用光纖光路，解決了光路在儀器集成中的限制。并且萊森光學為用戶提供了以光譜儀為核心的光譜測量設備，利用這些配置豐富的設備，即可搭建各種常見的光譜測量系統。

當我們對物體進行透射測量時，光譜儀的選擇很重要，但其實配件的選擇也同樣不可小覷。整套解決方案的每個部分都和測量結果的可靠性和準確性密切相關。接下來我們就透射測量解決方案（光譜配件、探頭等等）進行詳細分析。

? 光源：

iLight-HAL、iLight-HAL-HP、LS-UV-HAL鹵鎢燈、紫外增強鹵鎢燈

iLight-DH-ADJ 氚鹵組合光源

iLight-DHc、iLight-Xe 氙燈

Xe燈典型的發射光譜分布 汞燈典型的發射光譜分布

? 光纖：

采用純度很高的進口石英纖芯，光纖類型采用多模光纖，數值孔徑為0.22，也可以為用戶提供如NA=0.12、0.15/0.26/0.37等數值孔徑的多模光纖。

? 積分球：

主要實現對漫散射強材料的光學透過率/反射率測量（可根據需要，切換使用SMA905光學光譜法或標準BNC探測器法），主要適用于手機屏、顯示屏、玻璃鏡片、膠水、油墨、鍍膜鏡片等透過率測量，特別適合IR油膜孔透過率測量。

? 鏡頭：

LS-FOL  光纖準直聚焦鏡頭

推薦：

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是萊森光學（LiSen Optics）光譜儀系列中基于面陣背照式BT-CCD傳感器開發而來明星產品之一，成功地把紫外可見近紅外高量子效率和高測量速度相結合。其獨有的消雜散光技術、降噪電路控制技術、再加上出眾的高量子效率探測器性能，使光譜儀的靈敏度、信噪比得到極大的提升。在200nm-1100nm波段的靈敏度較為出眾，非常適用于紫外輻射光譜、熒光測量、透反射測量等應用。

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