一種基于復合led光源的光電積分式測色儀及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于復合LED光源的光電積分式測色儀及其測量方法，其中，所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀包括：積分球、在積分球的中心水平面上等角度地排列于積分球內壁的LED光源、以及位于積分球內壁且與材料表面法線方向呈8度夾角的探測器。本發(fā)明采用LED復合光源作為測量光源，通過調整LED復合光源的光譜分布，改變儀器的光譜響應。由于本光電積分式測色儀的設計中不使用濾光片，可以在一個光電積分式測色儀上對被測樣品測量多種標準光源下的顏色數(shù)據(jù)，并且降低了儀器測量示值誤差，保證了良好的測試重復性，具有很好的推廣應用前景。
【專利說明】一種基于復合LED光源的光電積分式測色儀及其測量方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及測色儀【技術領域】，特別涉及一種基于復合LED光源的光電積分式測色儀及其測量方法。

【背景技術】
[0002]測色儀，廣泛應用于塑膠、印刷、油漆油墨、紡織服裝等行業(yè)的顏色管理領域，可以測量出被測樣品的顏色數(shù)據(jù)。
[0003]現(xiàn)有技術手段中，光電積分式測色儀的光譜響應取決于測量光源光譜、探測器的相對光譜靈敏度和濾光片的光譜透射比。在儀器光源和探測器選定了之后，通過匹配濾光片的光譜透過率使儀器的光譜響應滿足盧瑟條件。由于通過鍍膜實現(xiàn)的濾光片對光線入射的角度要求較高，而顏色測量儀器中濾光片需要測量不同方向入射的光線，所以顏色測量儀器中的濾光片多采用多片有色玻璃匹配的方法實現(xiàn)。光電積分式測色儀，多采用鹵鎢燈或氙燈作為測量光源、采用硅探測器作為傳感器。在實際應用中采用鹵鎢燈作為光源時，在可見光短波部分齒鎢燈的相對光譜分布值較低，而且硅探測器在短波部分的光譜響應也相對較低，所以導致儀器在對顏色三刺激值中的Z值進行測量時，測量結果信噪比低，影響測量重復性；采用氙燈作為光源時，由于氙燈光譜曲線不平滑，導致所需濾光片的光譜透過率也是不平滑的，所以用多片有色玻璃進行匹配得到所需濾光片的難度很大。另外一方面，由于有色玻璃的品種有限、加工復雜、穩(wěn)定性差，對有色玻璃進行匹配修正時，很難找到匹配精度較好的方案，從而導致儀器測量存在較大示值誤差。用多片有色玻璃進行匹配得到所需濾光片通常需要三片以上的濾光片進行匹配，會導致濾光片透過率偏低，影響儀器測量的重復性。
[0004]有鑒于此，現(xiàn)有技術還有待改進和提高。


【發(fā)明內容】

[0005]鑒于上述現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種基于復合LED光源的光電積分式測色儀及其測量方法，以解決現(xiàn)有光電積分式測色儀采用鹵鎢燈或氙燈作為測量光源所存在的濾光片匹配難度大的問題。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術方案:
[0007]—種基于復合LED光源的光電積分式測色儀,其中，包括:積分球、在積分球的中心水平面上等角度地排列于積分球內壁的LED光源、以及位于積分球內壁且與材料表面法線方向呈8度夾角的探測器；
[0008]其中，有復合LED光源的相對光譜分布應滿足如下式所示的關系。
[0009]Lx(A)y(A) = Sd(A)X10(A)
[0010]Ly(A)y(A) = SD(A)y10(A)
[0011]L,(A)v(a) = Sd(A)Z10(A)
[0012]其中，LxU)，LyU)，LzU)為分別在測量顏色三刺激值X、Y、Z時LED復合光源的相對光譜分布；Y (λ)為傳感器的相對光譜響應度；SdO)為為標準照明體D65的相對光譜功率分布3ιο(λ)，?ιο(λ), UA)為CIE1964標準觀察者光譜響應；λ為可見光范圍內的波長，從380-780nm。
[0013]LED光源發(fā)出的光首先入射到積分球內壁上，在積分球內壁充分反射，對樣品進行漫射照明，最終探測器接收光信號，并將其發(fā)送到相應的處理系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理得到相應的結果。
[0014]所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀，其中，所述LED光源的個數(shù)為31個，通過調整31個LED的驅動電流，獲得所需光譜分布。
[0015]所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀，其中，所述31個LED光源的峰值波長分別為 400nm, 412nm, 424nm, 436nm, 448nm, 460nm, 472nm, 484nm, 496nm, 508nm, 520nm,532nm，544nm，556nm，568nm，580nm，592nm，604nm，616nm，628nm，640nm，654nm，668nm，678nm，692nm，711nm，727nm，740nm，752nm，765nm，780nmo
[0016]一種上述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其中，所述方法包括以下步驟:
[0017]S1、LED光源發(fā)出的光首先入射到積分球內壁上，對樣品進行漫射照明；
[0018]S2、探測器接收光信號，并將其發(fā)送到相應的處理系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理得到相應的結果。
[0019]所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其中，所述LED光源的個數(shù)為31個，通過調整31個LED的驅動電流，獲得所需光譜分布。
[0020]所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其中，包括:
[0021]LED復合光源光譜合成的數(shù)學模型為
[0022]S(A) =^Ki XSj(A)
[0023]其中，Ki ( λ )為LED驅動電流系數(shù)，Si ( λ )為LED的光譜分布函數(shù)。
[0024]相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀及其測量方法，采用LED復合光源作為測量光源，通過調整LED復合光源的光譜分布，改變儀器的光譜響應。由于儀器設計中不使用濾光片，應用于光電積分式測色儀上，降低了儀器測量示值誤差，具有很好的推廣應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1a為現(xiàn)有技術的探測器光譜相應曲線的示意圖。
[0026]圖1b為現(xiàn)有技術中的鹵鎢燈光譜的示意圖。
[0027]圖1c為現(xiàn)有技術的鹵鎢燈濾光片的透過率的示意圖。
[0028]圖1d為現(xiàn)有技術的氙燈光譜的示意圖。
[0029]
[0030]圖2為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀中復合光源光譜的示意圖。
[0031]圖3a為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀中Lx光譜曲線的示意圖。
[0032]圖3b為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀中Ly光譜曲線的示意圖。
[0033]圖3c為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀中Lz光譜曲線的示意圖。
[0034]圖4為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的實施例的示意圖。
[0035]圖5為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的實施例中LED復合光源的排列的示意圖。
[0036]圖6為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法的流程圖。
[0037]圖7a為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀與標準儀器的X值測試結果的對比示意圖。
[0038]圖7b為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀與標準儀器的Y值測試結果的對比示意圖。
[0039]圖7c為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀與標準儀器的Z值測試結果的對比示意圖。
[0040]圖8a為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法中藍色LED光源采用單高斯擬合的示意圖。
[0041]圖Sb為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法中藍色LED光源采用左高斯右洛侖茲擬合的示意圖。
[0042]圖Sc為本發(fā)明提供的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法中藍色LED光源采用左洛侖茲右高斯擬合的示意圖。

【具體實施方式】
[0043]本發(fā)明提供一種基于復合LED光源的光電積分式測色儀及其測量方法，為使本發(fā)明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0044]首先，介紹一下光電積分式顏色測量的原理。光電積分式顏色測量是在整個測量波長范圍內對被測顏色的光譜能量進行一次積分測量。按國際照明委員會(CIE, Internat1nal Commiss1n on Illuminat1n)所推薦的測色原理,在 D65 標準光源下對顏色標準三刺激值進行測量時，儀器的光譜靈敏度(光源、光學系統(tǒng)、探測器三者的綜合響應)應符合式(I)

【權利要求】
1.一種基于LED復合光源的光電積分式測色儀,其特征在于,包括:積分球、在積分球的中心水平面上等角度地排列于積分球內壁的LED光源、以及位于積分球內壁且與材料表面法線方向呈8度夾角的探測器； 其中，有LED復合光源相對光譜分布應滿足如下式所示的關系。
其中，Lx ( λ )，Ly ( λ )，Lz ( λ )為分別在測量三刺激值X、Y、Z時LED復合光源的相對光譜分布；Y (λ)為傳感器的相對光譜響應度；SdO)為為標準照明體D65的相對光譜功率分布；S1O(A)，Y10(A)，Z10W為CIE1964標準觀察者光譜響應； LED光源發(fā)出的光首先入射到積分球內壁上，對樣品進行漫射照明，最終探測器接收光信號，并將其發(fā)送到相應的處理系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理得到相應的結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀，其特征在于，所述LED光源的個數(shù)為31個，通過調整31個LED的驅動電流，獲得所需光譜分布。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀，其特征在于，所述31 個 LED 光源的峰值波長分別為 400nm, 412nm, 424nm, 436nm, 448nm, 460nm, 472nm, 484nm,496nm,508nm,520nm,532nm,544nm,556nm,568nm,580nm,592nm,604nm,616nm,628nm,640nm,654nm,668nm,678nm,692nm,711nm,727nm,740nm,752nm,765nm,780nmo
4.一種權利要求1所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: SULED光源發(fā)出的光首先入射到積分球內壁上，對樣品進行漫射照明； S2、探測器接收光信號，并將其發(fā)送到相應的處理系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理得到相應的結果O
5.根據(jù)權利要求4所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其特征在于，所述LED光源的個數(shù)為31個，通過調整31個LED的驅動電流，獲得所需光譜分布。
6.根據(jù)權利要求4所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其特征在于，包括: LED復合光源光譜合成的數(shù)學模型為
S ( λ ) = Σ Ki X Si ( λ ) 其中，Ki ( λ )為LED驅動電流系數(shù)，Si ( λ )為LED的光譜分布函數(shù)。
7.根據(jù)權利要求6所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其特征在于，采用非對稱高斯模型來進行擬合單個的LED光譜:采用左邊高斯分布右邊洛侖茲分布，如下式所示:
或左邊洛倫茲分布右邊高斯分布，如下所示:
其中，λ peak對應為LED的峰值波長，σ對應其半高寬。
8.根據(jù)權利要求7所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其特征在于，還包括: 對測量得到的每一個LED光譜分布分別應用單高斯擬合、左高斯右洛侖茲擬合、左洛侖茲右高斯擬合三種方案進行光譜擬合，選取擬合誤差最小的一個方案作為擬合確定方案， 即每個 LED 的光譜分布為[S1(A)1S2(A)1S3(A)jiiijS31(A)]； 當Σ St(A)-Sc(A) I =min取得最小值時，目標光譜StU)與擬合光譜Sj λ)最為接近，計算此時Ki的最優(yōu)化解； 采用類似相對誤差的計量方法評價計算結果S。( λ )和目標光譜St ( λ )的一致性，求匹配精度下式所示:
其中，P為匹配精度。P越小，光譜一致性則越高。
9.根據(jù)權利要求4所述的基于復合LED光源的光電積分式測色儀的測量方法，其特征在于，所述LED光源的個數(shù)為31個時，LED的驅動電流的計算方法如下: 首先，對31種LED均用20mA電流驅動，測量其光譜分布； 然后，對每種LED的光譜分布用分別應用單高斯擬合、左高斯右洛侖茲擬合、左洛侖茲右高斯擬合三種方案進行光譜擬合，選取擬合誤差最小的一個方案作為擬合確定方案，得到[S1(X)WUhS3Uh-^S31U)]； 再對下列公式進行求解:
Lx (入)=[Lx (400) Lx (410) Lx (420)…Lx (780) ] T=S X Kx
Ly (入)=[Ly (400) Ly (410) Ly (420) -Ly (780) ] T=S X Ky
Lz (入)=[Lz (400) Lz (410) Lz (420)…Lz (780) ] T=S X Kz 求出電流系數(shù)Kx、KY、Kz的最優(yōu)化值； 即復合LED光源Lx中，每種LED的驅動電流Ii=KjihZOmA復合LED光源Ly中，每種LED的驅動電流IeKjihZOmA復合LED光源Lz中，每種LED的驅動電流Ii=Kz [i] *20mA。
【文檔編號】G01J3/50GK104075806SQ201310754834
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權日:2013年12月31日
【發(fā)明者】袁琨, 陳剛, 王堅 申請人:杭州彩譜科技有限公司, 中國計量學院