CN105136685A - 一种光学特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学特性测量装置，其内部设置有多角度光泽度测量模块和颜色测量模块；多角度光泽度测量模块包括相互独立的两个或以上光泽度测量单元，每个光泽度测量单元内均包括一个光泽度照明光源和一个光度接收器；颜色测量模块包括满足颜色测量照明要求的测色照明光源和接收经被测样品作用后光谱信息的光谱接收器。本发明集多角度光泽度测量和颜色测量于一体，通过合理设计光路，使得各个多角度光泽度测量与颜色测量互不干扰和影响，充分利用各测量通道的空间，结构合理、紧凑，有利于仪器的小型化，可广泛适用于各种物体光学特性的测量，具有结构合理、紧凑、操作便捷、应用范围广、测量精度高等特点。

Description

一种光学特性测量装置

【技术领域】

本发明涉及一种物体表面反射光学特性测量的装置，具体涉及一种物体光泽度和颜色等光学特性测量的装置。

【背景技术】

在现代化工业应用中，通常使用多种仪器来对样品表面特性作出评价以替代人眼评估，其中颜色、光泽度等参数是表征物体表面特性的重要指标之一，这些参数同时也是评价产品质量的重要手段。在陶瓷、纺织、油漆等行业中，需要对颜色进行准确测量，而光泽度表征了物体表面反射光的能力，物体的颜色一定程度上会影响测量的光泽度值，同时具有相同颜色不同光泽度的两个物体，呈现的颜色并非完全相同，出现人眼感知与实际不符的现象。鉴于颜色与光泽度之间的密切联系，同时测量物体的颜色和光泽度就显得很有必要。物体的表面光泽度往往具有很大的范围，一般高光泽样品需要在20°下实施测量，中光泽样品需要在60°下实施测量,低光泽样品需要在85°下实施测量,单个角度往往无法满足要求(如图1所示)。传统的物体表面颜色或光泽度的测量需要分别通过专门的颜色测量仪器和光泽度测试仪器来实现，因此集颜色测量和多角度光泽度测量的多功能仪器成为了人们迫切的需求。

【发明内容】

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种光学特性测量装置，集多角度光泽度测量和颜色测量于一体，通过合理设计光路，使得多角度光泽度测量与颜色测量互不影响，同时充分利用各测量通道的空间、使得结构紧凑，有利于仪器的小型化，可广泛适用于各种物体光学特性的测量，具有结构合理紧凑、操作便捷、应用范围广、测量精度高等特点。

本发明可通过以下技术方案实现：一种光学特性测量装置，其特征在于，包括设有测量窗口的壳体、设置在壳体内部的多角度光泽度测量模块和颜色测量模块；所述的多角度光泽度测量模块包括相互独立的两个或以上光泽度测量单元，每个光泽度测量单元内均包括一个光泽度照明光源和一个光度接收器；所述的颜色测量模块包括满足颜色测量照明要求的测色照明光源和接收经被测样品作用后光谱信息的光谱接收器。

本发明集多角度光泽度测量和颜色测量于一体，通过在多角度光泽度测量模块中设置多个独立且互不影响的光泽度测量单元以满足对不同测试样品光泽度测量的需求；本发明中还设置了与多角度光泽度测量模块互不影响且独立的颜色测量模块，颜色测量模块中设置了满足45/0的颜色测量几何条件的颜色单元。本发明中的测量窗口用于控制照明和测量的范围，测量窗口设置在壳体的底部、顶部或侧边，测试时将测量窗口对准被测区域实施测量。相比于现有技术，本发明通过合理充分利用空间，使得颜色测量和多角度光泽度测量成为可能，具有结构合理紧凑、测量精度高、应用范围广、成本低、操作方便等特点。

本发明还可通过以下技术方案进一步限定和完善：

作为一种技术方案，所述的光泽度照明光源和测色照明光源包括但不限于LED光源，所述的LED光源包括可单独点亮或者组合发光形成所需光谱的一个及以上白光和/或单色LED。LED具有发光效率高、光谱丰富、体积小、易控制驱动等特点；作为优选，利用单色LED对白光LED进行补光，可获得在各个波段均较为丰富的光谱分布，减轻人眼感知与实际测量不符的现象。

作为优选，所述的多角度光泽度测量模块中包括但不限于满足20°、60°和85°测量几何条件的光泽度测量单元。20°、60°和85°测量几何条件即照明光源沿与被测样品法线的20°、60°和85°入射，而光度接收器在对应镜像的20°、60°和85°接收经被测样品作用过的光线。20°、60°和85°测量几何条件可满足目前绝大部分的被测样品的实际光泽度测量需求，同时根据不同测量需求还可设置其它相应的光泽度测量单元。

作为一种技术方案，所述的两个或以上光泽度测量单元的测量平面互不共面。测量平面是指光泽度照明光源的轴线与被测样品的法线形成的平面，对应光度接收器的光轴也在该测量平面内。实际光路设计中，如若将多个角度的测量单元共面设置，可能会导致这些测量几何条件下的光学元器件在设置时相互影响，因此本发明采用的是多个光泽度测量单元非共面设置以达到互不影响的目的；作为优选，其中的60°和85°测量单元的测量平面不共面，20°和85°测量单元的测量平面共面，通过这样充分利用空间，使得结构紧凑；还或者各个光泽度测量单元互相均不共面，也可达到互不影响的目的。

作为一种技术方案，所述的一个或以上光泽度测量单元中包括第一反射装置和第二反射装置；所述的第一反射装置将光泽度照明光源的光线转折以指定角度照明测量窗口，对应的第二反射装置在镜像反射方向接收被测样品作用后的光线并反射到对应的光度接收器上，光泽度照明光源和光度接收器的光轴水平或垂直设置；所述的第一反射装置与光度接收器同侧，第二反射装置与光泽度照明光源同侧，或者所述的第一反射装置与光泽度照明光源同侧，第二反射装置与光度接收器同侧。

上述技术方案包括以下几种具体的方案：作为优选，光泽度照明光源和光度接收器的光轴均水平设置，此时第一反射装置与光度接收器同侧，第二反射装置与光泽度照明光源同侧，首先设置于测量窗口中心法线一侧的第一反射装置将位于测量窗口中心法线另一侧的光泽度照明光源发出的水平入射光以一定的反射角(小于30°)入射到测量窗口处，然后与光泽度照明光源同侧设置的第二反射装置将在镜像反射方向接收的经被测样品作用的出射光以较小的反射角(小于30°)水平折射至与第一反射装置同侧设置的光度接收器，由于反射角比较小，此方案中两个反射装置的偏振效应对测量结果的影响较小；该技术方案充分利用了各测量通道的空间，有利于仪器的小型化。

或者上述技术方案还可以这样设置：第一反射装置与光泽度照明光源同侧，第二反射装置与光度接收器同侧，此时设置于测量窗口中心法线一侧的第一反射装置将与第一反射装置同侧设置的光泽度照明光源的光线转折以指定角度照明测量窗口，随后对应的设置于测量窗口中心法线另一侧的第二反射装置在镜像反射方向接收的经被测样品作用的出射光线并反射到与第二反射装置同侧设置的、对应的光度接收器上。此种情况下，光泽度照明光源和光度接收器的光轴的设置可以有以下几种方案，例如：光泽度照明光源和光度接收器的光轴均水平设置，且其光轴共轴或平行；或者光泽度照明光源的光轴水平设置，光度接收器可沿垂直方向设置；或者光泽度照明光源的光轴垂直设置，光度接收器的光轴可沿水平方向设置；还或者光泽度照明光源和光度接收器的光轴均垂直设置，此时第一反射装置和第二反射装置可沿测量窗口中心轴线对称设置。本发明通过引入反射装置在保证各个测量几何条件互不影响的前提下，有效的缩短设置距离，充分合理的利用空间，使得结构合理紧凑。

作为优选，所述的第一反射装置和第二反射装置为反射镜或者棱镜。反射装置的引入可有效的改善光路设计过程中可能存在的光路相互干扰和影响，使得多角度光泽度测量成为可能，同时还可有效利用空间，利于仪器的手持化和便携化。

作为一种技术方案，所述的颜色测量模块包括满足45°/0°测量几何条件的颜色测量单元。本发明颜色测量单元中的测色照明光源发出光线的光轴与测量窗口中心法线成45°角，颜色测量单元中的光谱接收器沿测量窗口中心法线方向设置，这里的45°/0°可以是环带入射或者单方向入射。45°/0°测量几何条件(如图2所示)相比于其他颜色测量几何条件具有更接近目视观察条件的优点，可优先用于塑料、涂料等制品的颜色检测中，同时也可满足一般测量需求。

作为一种技术方案，所述的颜色测量单元还包括用以限定测色照明光源照明范围的一个或多个光阑，所述的一个或多个光阑包括设置在测色照明光源入射光路光轴中的中空光阑和/或设置在测色照明光源两侧的挡光光阑。一方面为使限制后的光源满足45°/0°环带颜色测量几何条件，因此需要设置若干个限制光阑，如包括在测色照明光源光轴方向中设置用以限制入射光范围和控制非期望光源进入主光路中的中空光阑，以及一组设置在测色照明光源两侧的用以分别控制环带入射光源内、外径的光阑，因为实际中光源发出的光线存在一定的光束角，并非完美的窄光源，因此在45°/0°的颜色测量中通常要求入射光源的光束角小于5°(如图3所示)，光束角的存在导致沿环带设置的光源在全部发光时发出具有内外径的环带光束，因此需要在相应位置设置限制光阑以满足内外径条件；另一方面，由于在颜色测量过程中，特别是环带测量时，光源发光的光线会从各个方向发散，为避免非期望光到达被测样品并经漫反射后进入光谱接收器，影响测量的准确度，需要光阑还可以起到避免非期望光进入期望光路的作用。

作为一种技术方案，所述的测色照明光源为一个环状光源，或者为一个以上的沿环形对称设置的多个光源。本发明中所选用的测色照明光源可以是一个单独的环形光源，直接发出全部可见光谱的环带光线照射测量窗口，构成环带45°/0°测量几何条件；或者为一个以上的沿环形对称设置的光源，其中环带光源中的单个测色照明光源单独发出45°单方向全部可见光谱的入射光，还或者一个以上的测色照明光源组合同时发出全部可见光谱的环带光源。

上述技术方案中，当测色照明光源为一个以上的沿环带设置的多个光源时，其包括至少一个白光LED在内的多个不同的单色LED，各个单色LED沿环带设置，测试时全部点亮以发出覆盖整个可见光谱范围的光线；或者测色照明光源为至少一个白光LED和多种单色LED(包括红光LED、蓝光LED和绿光LED)组成的LED阵列，该LED阵列沿环带对称设置，测试时可全部点亮以实现环带45°/0°照明，或者单独点亮其中一个LED阵列中的全部LED光源以实现45°/0°单方向入射。将测色照明光源沿环带对称设置可使环带入射光线更为均匀，对于具有明显颜色选择特性的被测样品，利用单色LED对白光LED补光，能获得各个波段均较为丰富的光谱分布，更接近被测样品表面光谱特性的光源，提高测试准确度。

作为优选，包括环形反射装置，所述的环形反射装置设置在测色照明光源的上方，所述的测色照明光源发出的光线经环形反射装置作用后以与测量窗口中心轴线成45°环带方向方式照明测量窗口。当不设置环形反射装置时，测色照明光源与测量窗口直接构成45°环带入射几何条件；当设置环形反射装置时，测色照明光源本身发出的光线并非直接与测量窗口构成45°环带入射，譬如，可以将环带反射装置设置在环带光源的正上方，环带光源的发光面向上、发出垂直光源照射环形反射装置，经环形反射装置作用后的光束与测量窗口构成45°环带入射测量几何条件，环形反射装置的引入可利于测色照明光源设置位置的多样化。

作为优选，包括用以监测光泽度照明光源和/或测色照明光源的监测装置，所述的监测装置为光辐射探测器或电学测量单元。由于LED光源具有明显的温度依赖特性，其结电压与结温有着密切的联系，结温对光输出有着显著的影响。在实际测量中，由于热漂移、电压或电流波动、机械振动或气压差异，都会造成光源特性随时间发生衰减，影响测试结果的重复性或一致性。作为优选，监测装置为光源电参数监测装置，用以监测光源LED光源电参数的变化，特别是电压的变化，并利用监测结果校正测量值，提高测试精度和一致性。这里的监测装置可同时监测光泽度照明光源和测色照明光源的变化情况，或者可分别设置监测装置用于单独监测光泽度照明光源或测色照明光源的变化情况。

作为优选，还包括用于观察测量位置的相机，所述的相机设置在与光泽度测量模块和颜色测量模块光路互不影响的任意位置处，测量窗口位于相机视场范围内。相机的作用在于方便操作者判断实际测量的区域与目标测量区域是否一致。

综上所述，本发明集多角度光泽度测量和颜色测量于一体，提供了多种各个独立光泽度测量模块互不影响的空间设计方案，通过合理设计光路，使得光泽度测量与颜色测量互不干涉，有效且充分的利用了空间，使得结构紧凑，利于仪器的小型化；此外还利用多个LED光源组合得到的不同发光方式获得指定波段的光谱源作为入射光源，可广泛适用于各种物体光学特性的测量，具有结构合理紧凑、操作便捷、应用范围广、测量精度高等特点。

【附图说明】

附图1是20°、60°和85°测量几何条件示意图；

附图2是环带45°/0°测量几何条件示意图；

附图3是单方向45°/0°测量几何条件示意图；

附图4是实施例1中20°、85°光泽度测量单元和环带45°/0°颜色测量单元的结构示意图；

附图5是实施例1中60°光泽度测量单元的结构示意图；

附图6是实施例1中颜色测量单元中测色光源的分布示意图；

附图7是实施例2中60°光泽度测量单元的结构示意图；

附图8是实施例3中60°光泽度测量单元的结构示意图；

附图9是实施例4中环带45°/0°颜色测量单元的结构示意图。

1-壳体；2-测量窗口；3-光泽度测量模块；31-光泽度照明光源；32-光度接收器；4-颜色测量模块；41-测色照明光源；42-光谱接收器；43-光阑；5-第一反射装置；6-第二反射装置；7-环形反射装置；8-监测装置。

【具体实施方式】

实施例1

如图4、5和6所示，本实施例中公开了一种集多角度光泽度测量和颜色测量于一体的光学特性测量装置，包括底部设有测量窗口2的壳体1、多角度光泽度测量模块3、颜色测量模块4和监测装置8，其中多角度光泽度测量模块3由20°、60°和85°三个独立且互不干涉的光泽度测量单元组成，且20°和85°光泽度测量单元构成的测量平面共面，60°光泽度测量单元构成的测量平面与20°和85°光泽度测量单元构成的测量平面垂直相交；颜色测量模块4由测色照明光源41、光谱接收器42和多个光阑43组成，测色照明光源41由3个白光LED、3个红光LED、3个绿光LED和3个蓝光LED光源组成，沿测量窗口2上方空间以白、红、绿、蓝的次序依次呈环形对称设置(如图6所示)，光谱接收器42沿测量窗口2中心法线上方空间设置，光谱接收器42为光谱辐射计，分别沿测色照明光源41的光轴方向和两侧设置多个光阑43，测色照明光源41和光谱接收器42与测量窗口中心2法线构成环带45°/0°测量几何条件；光泽度测量模块3中各个独立的光泽度测量单元中均包括有一个光泽度照明光源31和一个光度接收器32，其中光度接收器32为光度计，光泽度照明光源31由一个LED白光源、三个单色LED(红光LED、绿光LED和蓝光LED各一个)组成；其中60°和85°光泽度测量单元中还设置有第一反射装置5和第二反射装置6，第一反射装置5和第二反射装置6均为反射镜，其中60°光泽度测量单元中第一反射装置5与光度接收器32同侧，第二反射装置6与光泽度照明光源31同侧，85°光泽度测量单元中第一反射装置5与光泽度照明光源31同侧，第二反射装置6与光度接收器32同侧；60°光泽度测量单元中的光泽度照明光源31的光轴与光度计32的光轴均水平设置；85°光泽度测量单元中光泽度照明光源31的光轴与光度接收器32的光轴均垂直设置，且其第一反射装置5和第二反射装置6沿测量窗口2中心法线对称设置；在60°和85°光泽度测量单元中，光泽度照明光源31发出的入射光路中还设置有准直透镜，在光度接收器31接收的光路前还设置有聚焦透镜；监测装置8设置在光泽度照明光源31和测色照明光源41的侧面。

以20°光泽度测量单元测试为例，开启20°光泽度测量单元中光泽度照明光源31的全部LED光源，其发出的光线经准直透镜准直后的光轴与测量窗口2中心法线构成20°入射角，经被测样品作用后镜面反射，经聚焦透镜聚焦后被光度接收器32接收测量；60°光泽度测量单元中光泽度照明光源31发出水平光线的光轴经准直透镜准直并被第一反射装置5折射后以60°入射角照射测量窗口2，经被测样品作用后镜面反射至第二反射装置6，经第二反射装置6折射后进入聚焦透镜，经聚焦透镜聚焦后被水平设置的光度接收器32接收测量。与60°光泽度测量单元不同的是，85°光泽度测量单元中光泽度照明光源31发出垂直光线经准直透镜准直后被第一反射装置5折射后以85°入射角照射测量窗口2，经被测样品作用后镜面反射至第二反射装置6，经第二反射装置6折射后进入聚焦透镜，经聚焦透镜聚焦后被垂直设置的光度接收器32接收测量。

实施颜色测量时，开启测色照明光源41中全部的LED光源，测色照明光源41发出与测量窗口2中心法线呈45°角的环带入射光，该入射光经被测样品作用后镜面反射被沿测量窗口2中心法线方向设置的光谱接收器42接收测量。

本实施例可实现20°、60°和85°测量几何条件下的镜面光泽度测量和45°/0°颜色测量。实施光泽度测量时，一般首先启用60°测量几何条件对被测样品的光泽度进行初步测量，当在60°测量几何条件下测得的被测样品的光泽度值大于70时，改用20°测量几何条件下对具有较高光泽度被测样品进行光泽度测定；当在60°测量几何条件下测得的被测样品的光泽度值小于30时，改用85°测量几何条件下对具有较低光泽度被测样品进行光泽度测定。实施颜色测量时，点亮沿环带设置的光源，经被测样品反射的光线沿测量窗口2中心法线方向设置的光谱接收器42接收测量。

本实施例中的监测装置8为光源电参数监测装置，监测光泽度照明光源31与测色照明光源41的电压变化，利用LED结电压与结温关系，判断LED光源的波动情况。

本实施例系统结构简单、紧凑，集成化程度高，测量速度快，适用于工业产线及现场快速和实验室测量。

实施例2

如图7所示，与实施例1不同的是，本实施例中60°光泽度测量单元中光泽度照明光源31的光轴与光度接收器32的光轴均水平设置且共轴，第一反射装置5和第二反射装置6沿测量窗口2中心法线对称设置，光泽度照明光源31发出的光线先被第一反射装置5折射后以60°入射角照射测量窗口2，经被测样品反射后的光线再经第二反射装置6折射后由水平设置的光度计32接收。

实施例3

如图8所示，与实施例1和2不同的是，本实施例中60°光泽度测量单元中的光泽度照明光源31的光轴水平设置，光度计32的光轴垂直设置。光泽度照明光源31发出的光线先被第一反射装置5折射后以60°入射角照射测量窗口2，经被测样品反射后的光线再经第二反射装置6折射后由垂直设置的光度计32接收，其中光度计32以第二反射装置6为中心沿垂直方向上/下设置(如图8中虚线位置所示)。

实施例4

如图9所示，与实施例1不同的是，颜色测量模块4中还包括了环形反射装置7，为清楚的阐明本实施例的技术方案，本实施例中将其他光泽度测量模块3的结构省略。其中测色照明光源41沿环形设置，测色照明光源41的发光面垂直向上，环形反射装置7设置在测色照明光源41的正上方。

测试时，测色照明光源41本身发出的光线并非直接与测量窗口2构成45°环带入射，沿环带设置的测色照明光源41发出垂直向上的光源照射环形反射装置7，经环形反射装置7作用后的光束与测量窗口2构成45°环带入射测量几何条件，环形反射装置7的引入可利于测色照明光源41设置位置的多样化。

Claims (12)

1.一种光学特性测量装置，其特征在于，包括设有测量窗口(2)的壳体(1)、设置在壳体(1)内部的多角度光泽度测量模块(3)和颜色测量模块(4)；所述的多角度光泽度测量模块(3)包括相互独立的两个或以上光泽度测量单元，每个光泽度测量单元内均包括一个光泽度照明光源(31)和一个光度接收器(32)；所述的颜色测量模块(4)包括满足颜色测量照明要求的测色照明光源(41)和接收经被测样品作用后光谱信息的光谱接收器(42)。

2.如权利要求1所述的光学特性测量装置，其特征在于，所述的光泽度照明光源(31)和测色照明光源(41)包括但不限于LED光源，所述的LED光源包括可单独点亮或者组合发光形成所需光谱的一个及以上白光和/或单色LED。

3.如权利要求1所述的光学特性测量装置，其特征在于，所述的多角度光泽度测量模块(3)中包括但不限于满足20°、60°和85°测量几何条件的光泽度测量单元。

4.如权利要求3所述的光学特性测量装置，其特征在于，所述的两个或以上光泽度测量单元的测量平面互不共面。

5.如权利要求3所述的光学特性测量装置，其特征在于，所述的一个或以上光泽度测量单元中包括第一反射装置(5)和第二反射装置(6)；所述的第一反射装置(5)将光泽度照明光源(31)的光线转折以指定角度照明测量窗口(2)，对应的第二反射装置(6)在镜像反射方向接收经被测样品作用后的光线并反射到对应的光度接收器(32)上；光泽度照明光源(31)和光度接收器(32)的光轴水平或垂直设置，所述的第一反射装置(5)与光度接收器(32)同侧，第二反射装置(6)与光泽度照明光源(31)同侧；或者所述的第一反射装置(5)与光泽度照明光源(31)同侧，第二反射装置(6)与光度接收器(32)同侧。

6.如权利要求5所述的光学特性测量装置，其特征在于，所述的第一反射装置(5)和第二反射装置(6)为反射镜或者棱镜。

7.如权利要求1所述的光学特性测量装置，其特征在于，所述的颜色测量模块(4)为满足45°/0°测量几何条件的颜色测量单元。

8.如权利要求7所述的光学特性测量装置，其特征在于，所述的颜色测量单元还包括用以限定测色照明光源(41)照明范围的一个或多个光阑(43)，所述的一个或多个光阑(43)包括设置在测色照明光源(41)入射光路光轴中的中空光阑和/或设置在测色照明光源(41)两侧的挡光光阑。

9.如权利要求1或2或8所述的光学特性测量装置，其特征在于，所述的测色照明光源(41)为一个环状光源；或者为一个以上的沿环形对称设置的多个光源。

10.如权利要求9所述的光学特性测量装置，其特征在于，包括环形反射装置(7)，所述的环形反射装置(7)设置在测色照明光源(41)的上方，所述的测色照明光源(41)发出的光线经环形反射装置作用后以与测量窗口(2)中心轴线成45°环带方向照明测量窗口(2)。

11.如权利要求1所述的光学特性测量装置，其特征在于，包括用以监测光泽度照明光源(31)和/或测色照明光源(41)的监测装置(8)，所述的监测装置(8)为光辐射探测器或电学测量单元。

12.如权利要求1所述的光学特性测量装置，其特征在于，还包括用于观察测量位置的相机，所述的相机设置在与光泽度测量模块(3)和颜色测量模块(4)光路互不影响的任意位置处，测量窗口(2)位于相机视场范围内。