張愛國,王少水,呂子敬,寧 欣
(1.中電科思儀科技股份有限公司,山東 青島 266000;2.中國電子科技集團公司第四十一研究所,山東 青島 266000)
測量顏色的儀器統(tǒng)稱為測色儀,可分為濾光片式和分光式。其中分光測色儀是利用分光原理測出物體的光譜分布,經(jīng)過計算求出物體色的三刺激值及其他色度參數(shù),測量精度高,如今已經(jīng)成為顏色測量應(yīng)用當(dāng)中最為廣泛的儀器。國內(nèi)顏色相關(guān)產(chǎn)業(yè)單位使用的分光測色儀產(chǎn)品以進口為主,主要廠商包括日本柯尼卡、美國愛色麗和德國德塔等。為了打破這種受制于人的窘境,提升我國在顏色測量領(lǐng)域的話語權(quán),本研究采用國產(chǎn)化設(shè)計方案實現(xiàn)了雙光路分光測色儀的設(shè)計和研發(fā)。
人觀察物體顏色時需要具備三要素,即物體、光源和人眼。自身不發(fā)光的物體把來自光源的光吸收掉一部分,并將其余的光反射出去。反射光進入人眼會刺激視網(wǎng)膜的視覺細胞,從而產(chǎn)生顏色的感知。鑒于此,利用分光測色儀進行顏色測量時,需要配置光源、光譜探測系統(tǒng)和軟件處理系統(tǒng),其中:光源用于照射被測物體,使物體表面發(fā)生吸收和反射現(xiàn)象;光譜探測系統(tǒng)用于收集物體表面反射的光信號;軟件處理系統(tǒng)用于信號處理,通過數(shù)據(jù)計算得到顏色相關(guān)的參數(shù)。
本文設(shè)計的分光測色儀根據(jù)顏色測量的原理,采用模塊化設(shè)計,主要包括積分球照明系統(tǒng)、光譜探測系統(tǒng)、光學(xué)支架、硬件電路板和軟件系統(tǒng)等,如圖1所示。
圖1 基于模塊化的分光測色儀仿真
本文選用漫反射照明、8°接收的方式,該方案不受吸收阱差異的影響,接收一致性更好,對樣品表面結(jié)果也不敏感。本文設(shè)計的照明系統(tǒng)由LED和積分球組成,LED作為發(fā)光源,由積分球勻光后形成漫射光照明樣品,在與樣品法線成8°的方向上進行測試。積分球采用異構(gòu)結(jié)構(gòu),設(shè)置多個窗口,分別用于樣品放置、光源入射、測試通道和SCI/SCE模式切換等。積分球的殼體采用ABS塑料材質(zhì),內(nèi)壁噴涂聚四氟乙烯,該部件由杭州彩譜加工制作。
CIE推薦的標(biāo)準(zhǔn)照明體有A、B、C、D和E,其中A和D65是CIE推薦優(yōu)先采用的。D65是CIE目前優(yōu)先推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)照明體,有更接近日光的紫外光譜成分。實現(xiàn)D65的光源尚未標(biāo)準(zhǔn)化,常用高壓氙燈加濾光器來模擬D65的光譜功率分布。國內(nèi)氙燈的研制技術(shù)尚未成熟,為此本文采用LED為光源,通過多通道LED光譜匹配技術(shù)模擬D65照明體。光源選用廣州巨宏的COB集成白光LED和深圳超自然的單波長LED進行光譜擬合,最終的光譜匹配曲線如圖2所示,通過增加單波長LED的波段可優(yōu)化光譜曲線可進一步提升關(guān)顧匹配精度,鑒于光源光譜曲線并不影響樣品反射率測試結(jié)果,無須刻意追求匹配精度。
圖2 LED光源光譜曲線
物體的反射光通常包括鏡面反射和漫反射2部分,由于光源照射產(chǎn)生從相同角度不同方向反射回來的光線稱之為鏡面反射光,反之從各個角度反射回來的光稱之為漫射光。本文設(shè)計的分光測色儀具有排除鏡面反射(Specular Component Excluded,SCE)和包含鏡面反射(Specular Component Included,SCI)2種測量模式。
傳統(tǒng)的光譜分析儀采用單元探測器作為光電轉(zhuǎn)換單元,配以波長掃描機構(gòu)實現(xiàn)波長掃描,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積大;隨著線陣CCD在光譜探測領(lǐng)域的應(yīng)用,采用反射鏡、平面光柵的Czerny-Turner結(jié)構(gòu)光譜儀得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計的光譜探測系統(tǒng)采用凹面光柵作為分光和聚焦的光學(xué)元件,進一步壓縮光譜儀的尺寸,三維設(shè)計如圖3所示。
圖3 光譜分析儀三維設(shè)計圖
為保證設(shè)計系統(tǒng)的整體具備完全的自主可控,選用中國電科44所的GL7160Z型高靈敏紫外增強線陣CCD,光譜響應(yīng)范圍165~900 nm,光敏區(qū)像元數(shù)3 072(H)×1(V),動態(tài)范圍10 000∶1。在完成探測器選型基礎(chǔ)上,根據(jù)光譜分辨率需求及探測器靶面尺寸,綜合考慮光柵角色散能力、系統(tǒng)體積大小等因素,確定光柵選用凹面光柵,線對個數(shù)為580 g/mm;光學(xué)狹縫寬度選定為50 μm。凹面光柵和光學(xué)狹縫選用合肥賽洛測控的產(chǎn)品。
本文設(shè)計的分光測色儀采用雙光路探測系統(tǒng),一路用于樣品反射光譜測試,一路用于積分球照明系統(tǒng)的光源穩(wěn)定性監(jiān)測。光譜分析儀通過光纖收集光信號,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示,光纖接頭采用SM905標(biāo)準(zhǔn)件,通過4個孔位定位安裝在光纖接頭與狹縫的安裝坐上;狹縫采用拼接狹縫,將狹縫的2片分別固定于安裝座的另外一面,由此實現(xiàn)對光纖座及狹縫的固定。
圖4 光譜分析儀實物圖
硬件電路同樣采用模塊化設(shè)計,根據(jù)功能劃分為主控板、CCD驅(qū)動及數(shù)據(jù)采集板、LED光源驅(qū)動板、孔徑識別板和電機驅(qū)動電路板等構(gòu)成,核心電子元器件選用深圳艾普信SIT3232系列、兆易創(chuàng)新GD32F系列、圣邦微電子SGM系列、深圳芯海SLM系列和深圳霍爾微SOT-23-3L系列等元器件。各電路板之間的關(guān)系與所用核心器件如圖5所示。
圖5 電路關(guān)系圖
主控板實現(xiàn)各模塊之間、主機和外部程控電腦之間的通信,數(shù)據(jù)計算及分析等功能;步進電機驅(qū)動板實現(xiàn)SCI/SCE模式切換;LED驅(qū)動電路實現(xiàn)大陣列LED和單顆LED光源的驅(qū)動和控制;孔徑識別電路將自動識別測試樣品口的測試孔徑。
本文設(shè)計開發(fā)的分光測色儀軟件基于Linux操作系統(tǒng)和跨平臺開發(fā)工具QT,軟件主體采用C++開發(fā),部分模塊使用JavaScript開發(fā),配合其他第三方庫編寫的一套滿足光源選擇、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析的圖形界面程序。軟件由驅(qū)動程序、控制軟件及相應(yīng)數(shù)據(jù)文件構(gòu)成,負責(zé)控制分光測色儀主機,軟件總體方案如圖6所示。
圖6 分光測色儀軟件總體方案框圖
用戶通過點擊軟件界面中的光源控制設(shè)置控件,控制光源驅(qū)動電路實現(xiàn)光源模式選擇,并實現(xiàn)設(shè)備的連接以及軟件的初始化;軟件完成初始化后,用戶通過界面中測試參數(shù)設(shè)置控件設(shè)置測試參數(shù),完成測量模式的選擇,包括儀器的測量模式、數(shù)據(jù)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)進行配置。
本文設(shè)計的分光測色儀主要完成待測物體光譜反射率的獲取,并通過公式計算得到D65照明、10°標(biāo)準(zhǔn)觀察者條件下的三刺激值X10Y10Z10、x10y10z10、L*a*b*等色度參數(shù)。
根據(jù)本文設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)、硬件電路和軟件系統(tǒng),進行了各模塊的加工,最終完成了分光測色儀的集成及裝調(diào),實物如圖7所示。各模塊通過螺釘固定在鋁合金的基板上,兩路光譜探測系統(tǒng)分別利用光纖收集光信號。
圖7 分光測色儀實物圖
分光測色儀的測試包括2部分:光譜特性和色度參數(shù)。其中光譜特性測試采用汞氬燈作為標(biāo)準(zhǔn)源,測試參數(shù)包括波長范圍、波長準(zhǔn)確度、波長步進間隔、波長步進間隔、光譜帶寬;色度參數(shù)測試采用標(biāo)準(zhǔn)漫反射板(送中國計量院檢定)作為標(biāo)準(zhǔn)色板,測試參數(shù)包括色坐標(biāo)、CIELAB色差重復(fù)性。測試結(jié)果見表1。
本文主要針對國內(nèi)分光測色儀研制受制于人的現(xiàn)狀,設(shè)計并開發(fā)了一套國產(chǎn)化自主可控的分光測色儀產(chǎn)品。產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計方案,分為積分球照明系統(tǒng)、光譜探測系統(tǒng)、硬件電路和軟件系統(tǒng)等部分,核心光學(xué)元器件和電子元器件均采用國產(chǎn)化方案,實現(xiàn)自主可控。將校準(zhǔn)后的產(chǎn)品指標(biāo)基本達到部分優(yōu)于進口產(chǎn)品指標(biāo),為國內(nèi)分光測色儀的國產(chǎn)化研制奠定了堅定的基礎(chǔ)。