CN103424367A - 基于d/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法，其设计了一种新型的颜色测量仪，所述颜色测量仪包括：光谱仪、光阱、拨片、光源、积分球、处理装置和拨片控制装置；所述拨片设置在光阱处，且涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；光谱仪设置在垂直于样品法线的-8°的位置处，且光谱仪连接处理装置；光阱设置在垂直于样品法线的+8°的位置处。其通过控制拨片，可以兼容SCI和SCE两种几何测量结构，通过对样品表面SCI和SCE数据进行同时测量，可获得样品表面的光泽数据。另外，还建立了一种根据样品表面光泽数据对SCE测量数据进行修正的矫正模型，大大改善了测试结果之间的一致性，具有很好的推广应用前景。

Description

基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法

技术领域

本发明涉及颜色测量技术领域，更具体地，涉及一种基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法。

背景技术

为了使颜色数据有统一的评价标准，对颜色测量需要在一定的照明和观察条件下进行，1971年CIE（国际照明委员会）正式推荐了四种用于反射样品测量的标准照明与观察几何条件，垂直/45°(符号为0/45)、45°/垂直(符号为45/0)、垂直/漫射（符号0/d）以及漫射/垂直(符号d/0)，其分别如图1(a)、1(b)、1(c)和1(d)所示。

为了便于讨论，可以将各种不同的照明与观察条件减少成三种最普通的几何条件：即漫射照明、8°观察角、包含镜面反射成分（d/8:i）；漫射照明、8°观察角、消除镜面成分（d/8:e）；45°环形照明、垂直观察（45/0:c）。在对材料表面进行产品质量检测时，为了得到与目视检测相符的检测结果，通常选择d/8:e的测量条件，一般使用积分球的光泽陷阱来消除反射光中的镜面反射。

CIE推荐的d/8:e几何条件，是通过设置如图2所示的光泽陷阱（简称：光阱）来消除镜面反射光。在不设置光阱的情况下，光阱位置应为完整的积分球内壁，如图3所示，测试光源发出的光经过在积分球内部的光阱位置(图中A点)反射，照射到样品表面后分为两部分：一部分为经过样品表面的镜面反射光直接入射至传感器中，如图3中A->B->D光线；另一部为样品表面发生漫反射后，经过积分球匀光后再次入射至样品表面，如图中A->B->C->E->D。每一次样品表面的反射光，既包括光源光谱，也包括物体表面光谱。在发生镜面反射时，镜面反射光中不包含被测物体表面光谱信息，为光源光谱，而在非镜面反射的情况下，反射光中包含被测物体表面光谱信息。

对于完整的积分球内壁的情况下，波长为λ的光经由样品表面镜面反射至传感器的光线A->B->D，传感器接收到总的光谱辐射强度为；

I₀(λ)＝α₀·I_s(λ)+β₀·R(λ)·I_s(λ)    o1)

其中，I₀(λ)为传感器接收到的光谱辐射强度，I_s(λ)为光线A->B的光谱辐射强度，α₀和β₀分别为光线在材料表面发生反射时，光线B->D中所包括的入射光线光谱信息系数和材料表面光谱信息系数；R(λ)为材料表面光谱反射率。

经由样品表面发生漫反射的光线，以光线B->C为例，在积分球内壁反射，再次入射至样品表面后入射至传感器的光辐射量为：

I₁(λ)＝α₁·Ｉ′_s(λ)+β₁·R(λ)·I′_s(λ)    (2)

其中，

I′_s(z)＝α′₀·I_s(λ)+β′₀·R(λ)·I_s(λ)    (3)

实际情况下，光源发出的光可能会经过若干次反射后再入射至传感器，传感器接受的光辐射量可以用下式表示，

I(λ)＝I₀(λ)+I₁(λ)+I₂(λ)+…+I_n(λ)    (4)

由式（2）和式（4）可得，

I(λ)＝K_s·I_s(λ)(a₀+a₁·R(λ)+a₂·R²(λ)+…+a_n·Rⁿ(λ))    (5)

从上式可知，在积分球内部不设置光阱的情况下，光源发出的光经过对应位置的积分球球壁漫反射，再经过被测物体表面的若干次反射后，入射传感器的光辐射量I(λ)与该积分球球壁位置的光辐射强度I_s(λ)和样品表面光谱反射率R(λ)相关。

当在积分球内部安装光阱后，光泽陷阱的尺寸对样品表面的光辐射强度有影响。在不同仪器的设计中，由于光阱的开口尺寸、位置等差异，式（5）中I_s(λ)和系数K_a、α₀、α₁…α_n也会有差异。光阱尺寸不同，进入传感器的光辐射量差可以用式(6)表示：

ΔI(λ)＝K·I_s(λ)(k₀+k₁·R(λ)+k₂·R²(λ)+…+k_n·Rⁿ(λ))   (6)

然而，由于CIE没有对光阱的尺寸和位置详细规定，导致了目前现有的颜色测量仪器会选用不同尺寸的光阱。在颜色测量过程中使用不同尺寸的光阱，通常会遇到以下问题：

由于CIE没有规定积分球的尺寸和光阱的尺寸大小，不同仪器采用的光阱尺寸也有不同，如图4和图5所示。两种不同的测量结构选用了不同尺寸的光阱，尺寸分别为：Model A光阱直径为8mm，Model B光阱直径12mm。两种结构对不同光泽的样品进行测量，得到样品的光谱反射率曲线，600nm处光谱反射率测量结果对应关系如图6、图7所示，当分别对光泽较低的半光泽色卡进行测量和对光泽较高的全光泽色卡进行测量时，均能得到较好的线性关系。但是，两种线性关系的斜率不一致，如图8所示。这种现象导致了不同仪器对相同样品进行测量时存在较大的器间差。理想情况下，无论样品的光泽程度如何，两种仪器测量的结果线性关系都应一致。这种现象是因为光阱尺寸不一致导致的。

有鉴于此，对于不同测试结构的仪器，应该对其SCE测试条件下由于光阱尺寸导致的测量误差进行修正。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法。旨在根据样品表面光泽数据对SCE测量数据进行修正，减小不同仪器结构之间的由于光阱尺寸偏差导致的测量误差。

本发明的技术方案如下：

一种基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪，用于对样品进行颜色测量；其中，所述颜色测量仪包括：

光谱仪、光阱、拨片、光源、积分球、处理装置和拨片控制装置；

其中，所述拨片设置在光阱处，且拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；样品设置在积分球的下部开孔处；光谱仪设置在垂直于样品法线的-8°的位置处，且光谱仪连接所述用于进行数据处理的处理装置；光阱设置在垂直于样品法线的+8°的位置处；

光源发出的光经过积分球后漫射到所述样品上，光谱仪接收由样品表面反射过来的反射光，拨片控制装置控制所述拨片开启或者关闭积分球上部开孔分别得到无光阱的SCI测量条件和有光阱的SCE测量条件；处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得测量结果。

所述的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪，其中，所述拨片控制装置为步进电机，所述处理装置为PC。

一种所述的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实现方法，其中，所述方法包括以下步骤：

S1、光源发出的光经过积分球后漫射到所述样品上，光谱仪接收由样品表面反射过来的反射光；

S2、拨片控制装置控制所述拨片关闭积分球上部开孔分别得到无光阱的SCI测量条件，处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得第一测量结果

S3、拨片控制装置控制所述拨片开启积分球上部开孔分别得到有光阱的SCE测量条件，处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得第二测量结果

S4、计算样品的光泽值

通过计算构建矫正值ΔI，得到ΔI与光泽值成线性关系：

ΔI＝k₂·G_m+b₂，从而对不同光泽的样品进行修正；

其中，k₂为一阶拟合的比例系数，b₂为常数项。

所述的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实现方法，其中，还包括步骤S4、建立了一种根据样品表面光泽数据对SCE测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型：即由Model C测量结果经光泽G_m修正后计算Model A测量结果：

其中，Model A光阱尺寸与Model C不同的其它颜色测量仪器；为编号为n的被测样品在Model A结构下测量结果，

为编号为n的被测样品在Model C结构下测量结果,k、k₂为比例系数，b、b₂为常数项。

有益效果：

本发明的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法，其设计了一种新型的颜色测量仪，通过控制拨片，可以兼容SCI和SCE两种几何测量结构，通过对样品表面SCI和SCE数据进行同时测量，可获得样品表面的光泽数据。另外，还建立了一种根据样品表面光泽数据对SCE测量数据进行修正的矫正模型，大大改善了测试结果之间的一致性，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1（a）为第一种用于反射样品测量的标准照明与观察几何条件的示意图。

图1（b）为第二种用于反射样品测量的标准照明与观察几何条件的示意图。

图1（c）为第三种用于反射样品测量的标准照明与观察几何条件的示意图。

图1（d）为第四种用于反射样品测量的标准照明与观察几何条件的示意图。

图2为d/8:e几何条件下设置光阱消除镜面反射光的示意图。

图3为光线在积分球和样品间的多次反射的示意图。

图4为现有技术中Model A测试结构（光阱直径8mm）的示意图。

图5为现有技术中Model B测试结构（光阱直径12mm）的示意图。、

图6为600nm处model A vs Model B测量半光泽明度卡数据的示意图。

图7为600nm处Model A vs Model B测量全光泽明度卡数据的示意图。

图8为600nm处Model A vs Model B测量所有半光泽色卡和全光泽色卡样品数据的示意图。

图9为本发明的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实施例的Model C测量结构下的SCI测量模式的示意图。

图10为本发明的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实施例的Model C测量结构下的SCE测量模式的示意图。

图11为本发明的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪中光泽值和矫正值之间的关系示意图。

图12为600nm处本发明的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实施例的Model C测量结构下未经光泽矫正的测量结果vs CM-700D的示意图。

图13为600nm处本发明的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实施例的Model C测量结构下经光泽矫正的测量结果vs CM-700D的示意图。

图14（a）为对第一高光泽样品应用矫正模型在400-700nm进行矫正的示意图。

图14（b）为对第二高光泽样品应用矫正模型在400-700nm进行矫正的示意图。

图15为本发明的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实现方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪，用于对样品进行颜色测量；所述颜色测量仪包括：光谱仪、光阱、拨片、光源、积分球、处理装置和拨片控制装置；其中，所述拨片设置在光阱处，且拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；样品设置在积分球的下部开孔处；光谱仪设置在垂直于样品法线的-8°的位置处，且光谱仪连接所述用于进行数据处理的处理装置；光阱设置在垂直于样品法线的+8°的位置处。

具体来说，光源发出的光经过积分球后漫射到所述样品上，光谱仪接收由样品表面反射过来的反射光，拨片控制装置控制所述拨片开启或者关闭积分球上部开孔分别得到无光阱的SCI测量条件和有光阱的SCE测量条件；处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得测量结果。

本发明的关键在于在光阱处设置了一个拨片，由步进电机控制。拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料。积分球下部开孔，对样品表面进行测量。当步进电机控制拨片堵住积分球开孔时，此时的测量条件是无光阱的SCI测量条件。当步进电机（即拨片控制装置）控制拨片打开时，此时的测量条件是有光阱的SCE测量条件。每次测量时，分别测量样品在SCI和SCE条件下的数据。该颜色测量仪器是由光源、光谱仪、光阱和歩进机等部件组成，样品受到光源经单色仪分光后的漫射照明，而光谱仪在垂直于样品法线的-8°位置接收发射信号，光阱在垂直于样品法线的+8°位置来消除反射光中的镜面反射，信号光由光谱仪进行采样，最后由微机系统（即处理装置）进行数据处理而获得测量结果。

下面通过图9和图10来说明一下，拨片控制装置控制所述拨片开启或者关闭积分球上部开孔分别得到无光阱的SCI测量条件和有光阱的SCE测量条件。在本实施例中，拨片控制装置为一步进电机（图中用步进机表示）。本实施例的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的结构命名为ModelC测量结构。

请参阅图9，此时，步进机控制所述拨片关闭积分球上部开孔分别得到无光阱的SCI测量条件，光源发出的光经过积分球后漫射到所述样品上，光谱仪接收由样品表面反射过来的反射光。

请继续参阅图10，步进机控制所述拨片开启积分球上部开孔分别得到有光阱的SCE测量条件，光源发出的光经过积分球后漫射到所述样品上，光谱仪接收由样品表面反射过来的反射光。

另外，为了减小不同仪器结构之间由光阱导致的测量误差，通过引入光泽数据建立一种矫正模型。现假设Model A测量得到的数据为标准颜色数据，对Model C测量得到的数据进行修正，使之和Model A测量数据保持一致。

以600nm处为例，Model A和Model C下对31张半光泽明度卡进行测量，分别测得样品在两种结构下SCE测试条件下的数据

和

由图6可知，两组数据有较好的线性关系，对两组数据进行一阶线性拟合，得式：

$R_n^{A-\mathrm{HG}}=k\·R_n^{C-\mathrm{HG}-\mathrm{SCE}}+b---\left(7\right)$

式中，

为Model A下测量的第n张半光泽明度卡的光谱强度，为Model C下测量的第n张半光泽明度卡的光谱强度，k为一阶拟合的比例系数，b为常数项。由图8可知，当用Model C测量光泽不同的其它样品时，Model C和Model A的测量数据并不满足(7)式。我们希望对不同光泽的样品，根据样品光泽进行修正，构建矫正值ΔI，使得对任意光泽的样品，都能满足式(8)：

$R_n^A=k\·R_n^C+b+\mathrm{\ΔI}---\left(8\right)$

其中，

为编号为n的被测样品在Model A结构下测量结果，

为编号为n的被测样品在Model C结构下测量结果。k、b分别为半光泽样品的定标系数。ΔＩ为根据被测样品表面光泽计算的矫正值。用Model A对m种不同光泽的样品进行测量，得到的数据

Model C分别在SCI和SCE条件下对m种不同光泽的样品进行测量,得到测量结果和

计算样品的光泽值如式（9）所示：

$G_m=R_m^{C-\mathrm{SCI}}-R_m^{C-\mathrm{SCE}}---\left(9\right)$

计算其矫正值:

$\mathrm{\ΔI}=R_m^{C-\mathrm{SCE}}-\frac{R_m^{A-\mathrm{SCE}}-b}{k}---\left(10\right)$

对Gm和ΔI进行拟合，可以得到G_m和k₂的关系如式（11）所示：

ΔI＝k₂·G_m+b₂    (11)

综合式和式可得由Model C测量结果经光泽修正后计算Model A测量结果：

$R_n^A=k\·R_n^C+b+k_2\·G_m+b_2---\left(12\right)$

根据新的测量结构Model C得到测量结果

和

计算样品的光泽值 $G_m=R_m^{C-\mathrm{SCI}}-R_m^{C-\mathrm{SCE}}$

应用式(11)通过计算构建矫正值ΔI，得到其与光泽值成线性关系：ΔＩ＝k2·G_m+b₂，从而对不同光泽的样品进行修正。光泽值和矫正值之间的关系如图11所示。

同时，本发明还建立了一种根据样品表面光泽数据对SCE测量数据进行修正的矫正模型—

以600nm处的测量数据为例，在对不同光泽的样品测量时，得到结果数据满足线性关系。设计实验：用Model C和柯尼卡公司的测色仪CM-700D对不同光泽的样品进行测试。在600nm处，未经光泽矫正Model C与CM-700D的测量结果之间的存在着一定的测试不一致性，如图12所示。经光泽矫正的Model C与CM-700D的测量结果之间测试结果一致性大大改善了，如图13所示。

请继续参阅图14(a)和图14（b），图中，——表示：ModelC没有经过矫正的测量样品反射光谱曲线。

表示CM-700D测量样品反射光谱曲线。表示ModelC经过光泽矫正后测量样品反射光谱曲线。具体来说，图中所示的实验结果是对整个可见光范围内的数据进行实验得到的，图14(a)和图14（b）分别是两个高光泽样品进行测量的结果，CM-700D测试数据和没有经过矫正Model C测试数据有较大区别，经过光泽矫正后，两种仪器的测试结果体现出较好的一致性。

概括来说，本发明提供的一种所述的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实现方法，如图15所示，所述方法包括以下步骤：

S1、光源发出的光经过积分球后漫射到所述样品上，光谱仪接收由样品表面反射过来的反射光；

S2、拨片控制装置控制所述拨片关闭积分球上部开孔分别得到无光阱的SCI测量条件，处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得第一测量结果

S3、拨片控制装置控制所述拨片开启积分球上部开孔分别得到有光阱的SCE测量条件，处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得第二测量结果

S4、计算样品的光泽值

通过计算构建矫正值ΔI，得到ΔI与光泽值成线性关系：

ΔI＝k₂·G_m+b₂，从而对不同光泽的样品进行修正；

其中，k₂为一阶拟合的比例系数，b₂为常数项。

进一步地，所述的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实现方法中，还包括步骤S4、建立了一种根据样品表面光泽数据对SCE测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型：即由Model C测量结果经光泽G_m修正后计算Model A测量结果：

其中，Model A光阱尺寸与Model C不同的其它颜色测量仪器；

为编号为n的被测样品在Model A结构下测量结果，

为编号为n的被测样品在Model C结构下测量结果,k、k₂为比例系数，b、b₂为常数项。

综上所述，本发明的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法，其设计了一种新型的颜色测量仪，所述颜色测量仪包括：光谱仪、光阱、拨片、光源、积分球、处理装置和拨片控制装置；其中，所述拨片设置在光阱处，且拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；样品设置在积分球的下部开孔处；光谱仪设置在垂直于样品法线的-8°的位置处，且光谱仪连接所述用于进行数据处理的处理装置；光阱设置在垂直于样品法线的+8°的位置处。其通过控制拨片，可以兼容SCI和SCE两种几何测量结构，通过对样品表面SCI和SCE数据进行同时测量，可获得样品表面的光泽数据。另外，还建立了一种根据样品表面光泽数据对SCE测量数据进行修正的矫正模型，大大改善了测试结果之间的一致性，具有很好的推广应用前景。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪，用于对样品进行颜色测量；其特征在于，所述颜色测量仪包括：

光谱仪、光阱、拨片、光源、积分球、处理装置和拨片控制装置；

其中，所述拨片设置在光阱处，且拨片上涂覆与积分球内壁相同的白色漫反射涂料；样品设置在积分球的下部开孔处；光谱仪设置在垂直于样品法线的-8°的位置处，且光谱仪连接所述用于进行数据处理的处理装置；光阱设置在垂直于样品法线的+8°的位置处；

光源发出的光经过积分球后漫射到所述样品上，光谱仪接收由样品表面反射过来的反射光，拨片控制装置控制所述拨片开启或者关闭积分球上部开孔分别得到无光阱的SCI测量条件和有光阱的SCE测量条件；处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪，其特征在于，所述拨片控制装置为步进电机，所述处理装置为PC。

3.一种权利要求1所述的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、光源发出的光经过积分球后漫射到所述样品上，光谱仪接收由样品表面反射过来的反射光；

S2、拨片控制装置控制所述拨片关闭积分球上部开孔分别得到无光阱的SCI测量条件，处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得第一测量结果

S3、拨片控制装置控制所述拨片开启积分球上部开孔分别得到有光阱的SCE测量条件，处理装置对光谱仪发送的信号进行数据处理而获得第二测量结果

S4、计算样品的光泽值

通过计算构建矫正值ΔI得到ΔI与光泽值成线性关系：

ΔI＝K₂·G_m+b₂，从而对不同光泽的样品进行修正；

其中，k₂为一阶拟合的比例系数，b₂为常数项。

4.根据权利要求3所述的基于D/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪的实现方法，其特征在于，还包括步骤S4、建立了一种根据样品表面光泽数据对SCE测量条件下得到的测量数据进行修正的矫正模型：即由Model C测量结果经光泽G_m修正后计算ModelA测量结果：

其中，Model A光阱尺寸与Model C不同的其它颜色测量仪器；

为编号为n的被测样品在Model A结构下测量结果，

为编号为n的被测样品在Model C结构下测量结果,k、k₂为比例系数，b、b₂为常数项。

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