分光測色儀的模塊化設(shè)計(jì)與研究

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(tuán)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(jì)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(jìn)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(jì)方案實(shí)現(xiàn)了雙光路分光測色儀的設(shè)計(jì)和研發(fā)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

人觀察物體顏色時(shí)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(jìn)入人眼會(huì)刺激視網(wǎng)膜的視覺細(xì)胞，從而產(chǎn)生顏色的感知。鑒于此，利用分光測色儀進(jìn)行顏色測量時(shí)，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(hào)；軟件處理系統(tǒng)用于信號(hào)處理，通過數(shù)據(jù)計(jì)算得到顏色相關(guān)的參數(shù)。

本文設(shè)計(jì)的分光測色儀根據(jù)顏色測量的原理，采用模塊化設(shè)計(jì)，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

1.1 積分球照明系統(tǒng)

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(duì)樣品表面結(jié)果也不敏感。本文設(shè)計(jì)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(jìn)行測試。積分球采用異構(gòu)結(jié)構(gòu)，設(shè)置多個(gè)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(gè)角度反射回來的光稱之為漫射光。本文設(shè)計(jì)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。

1.2 光譜探測系統(tǒng)

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(jī)構(gòu)實(shí)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(jì)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(jìn)一步壓縮光譜儀的尺寸，三維設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 光譜分析儀三維設(shè)計(jì)圖

為保證設(shè)計(jì)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(qiáng)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(dòng)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(duì)個(gè)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(jì)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(hào)，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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)光纖座及狹縫的固定。

圖4 光譜分析儀實(shí)物圖

1.3 硬件電路

硬件電路同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)功能劃分為主控板、CCD驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集板、LED光源驅(qū)動(dòng)板、孔徑識(shí)別板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)各模塊之間、主機(jī)和外部程控電腦之間的通信，數(shù)據(jù)計(jì)算及分析等功能；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)SCI/SCE模式切換；LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)大陣列LED和單顆LED光源的驅(qū)動(dòng)和控制；孔徑識(shí)別電路將自動(dòng)識(shí)別測試樣品口的測試孔徑。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的分光測色儀軟件基于Linux操作系統(tǒng)和跨平臺(tái)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(dòng)程序、控制軟件及相應(yīng)數(shù)據(jù)文件構(gòu)成，負(fù)責(zé)控制分光測色儀主機(jī)，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(diǎn)擊軟件界面中的光源控制設(shè)置控件，控制光源驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)光源模式選擇，并實(shí)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(jìn)行配置。

本文設(shè)計(jì)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(jì)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)。

2 分光測色儀系統(tǒng)集成

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)、硬件電路和軟件系統(tǒng)，進(jìn)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(shí)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(hào)。

圖7 分光測色儀實(shí)物圖

3 性能測試

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(jìn)間隔、波長步進(jìn)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(jì)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。

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)國內(nèi)分光測色儀研制受制于人的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)自主可控。將校準(zhǔn)后的產(chǎn)品指標(biāo)基本達(dá)到部分優(yōu)于進(jìn)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(jiān)定的基礎(chǔ)。