分光测色仪的基本工作原理

2022-10-19

分光测色仪通过测量物体反射光的相对光谱功率分布，得到物体表面的反射光谱，再与CIE光谱三刺激值加权相乘，积分后求出样品表面颜色的三刺激值、色坐标、色差等其他参数。系统设计的分光光度测色仪主要分为照明与观测系统、分光系统、光电检测系统以及电路控制系统等主要部分构成。

照明与观测系统

照明与观测系统包括了照明光源与照明与观测几何条件。

系统所要求的照明光源应在可见光波长范围内具有连续的光辐射，并应具有一定的光强度。在每个波长处都具有相近似的足够强的光谱能量，以提高仪器的信噪比。在分光测色仪中，CIE优先推荐的是D65标准光源，其相当于色温为6504k的日光的光谱功率分布，在实际应用中多采用脉冲氩灯来模拟D65光源；另外也有采用卤钨灯来模拟标准A光源作为照明光源。

为了达到均匀照明的目的，在CIE推荐使用的几种标准照明与观测条件中，分光测色仪大多采用d/8与d/0结构，而45/0结构同样也有仪器采用。其中d/8结构由于可以同时测量SCI和SCE两种测量模式，为分光测色仪的最佳照明与观测几何条件[18]。

现有的分光系统大多采用单光束和双光束光路两种结构。单光束结构简单，价格便宜。单光束仪器只有一个光栅和一个检测器。所以测量时光源点亮两次，分别测样品和参考白板。而两次测量时的系统误差（光源光强分布差异，光路变化，温度变化，电路漂移等）认为样品和参考白板之间的差异。单光束光路结构简单，但是稳定性差，随着光源的波动测量效果有一定的误差，分光结构中杂散光较多，信噪比大。由于测量时光源点亮两次，所以如光源的变化会导致误差变大，而不同的仪器之间也存在着误差。

双光束光路结构稳定性好，可以有效的消除由于光源波动而产生的误差，双光束仪器有两个光栅和两个传感器。测量过程中光源只需要点亮一次就可以，同时测量样品与参考点反射光谱，有效地就克服了光源变化所带来的误差，测量数据的精度非常高。双光束光路结构精度高，稳定性好，但是由于需要两个光栅和透镜，无形中提高了成本。

分光系统

将混合光分散成一系列单色光光谱的现象称为分光现象。常用的分光元件有光栅、棱镜以及滤光片等。分光测色仪中分光系统最终目的都是将物体对各个波

光电探测系统

作为分光测色仪最重要的元器件，光电探测技术发展十分迅速，其测量精度和稳定性也不断提高。目前应用较多的光电传感器主要分为：

（1）CCD，电荷耦合传感器；

（2）PDA，自扫描线性光电二极管阵列，属于MOS图像传感器；

（3）CID，电荷注入传感器。

这三种传感器之中，光电二极管阵列具有较高的灵敏度和响应速度、较宽的线性动态范围以及较好的波长分辨率和精度，目前分光测色仪多数探测器采用光电二极管阵列，少数采用CCD阵列。

电子控制与数据处理系统

主要包括电源控制与输入输出控制等模块；对由光电探测器测量得到的光谱信号进行后期处理和数据计算，从而得到物体表面颜色的三刺激值及其他参数，并采用LCD显示屏显示结果。