【反射颜色测量】典型配置、硬件说明、软件操作

2024-04-26 12:12:23 北京爱蛙科技有限公司


物体颜色的定量度量是涉及观察者的视觉生理、照明条件、观察条件等许多因素的复杂问题,为了能够得到一致的度量效果,国际照明委员会(简称 CIE) 基于每一种颜色都能用三个选定的原色按适当比例混合而成的基本事实,规定了一套标准色度系统,称为 CIE标准色度系统,构成了近代色度学的基本。

颜色测量是海洋光学光谱仪的一个重要应用, 可以得到表征样品颜色的相关参数,主要包括反射颜色测量和辐射颜色测量两种方式。反射颜色测量的对象为不发光的物体,而辐射颜色测量的对象为自主发光的物体,例如光源。以下将对反射颜色测量的典型配置、校准光源、主要配件及硬件操作步骤进行介绍(辐射颜色测量的相关内容将单独介绍)。

01

典型配置

海洋光学反射颜色测量包括以下两种方式:

1) QR 探头反射颜色测量的典型系统配置包括谱仪操作软件、光谱仪、光源、光纤、待测物。

图 1 QR 探头反射颜色测量系统配置图

2) ISP 积分球反射颜色测量的典型系统配置包括光谱仪操作软件、光谱仪、光源、积分球、 光纤、待测物。

图 2 ISP 积分球反射颜色测量系统配置图 

表1 典型系统配置▼

紫外/可见光波段

近红外波段

光谱仪

USB系列,HR系列, QE65000, Maya2000 Pro

NIRQUEST,Flame-S-VIS-NIR

软件

Oceanview 1.6.3

光源

HL -2000-FHSA

采样部件

积分球

ISP-REF 或 ISP-R

反射探头

QR400-7-VIS-NIR

光纤

QP400-2-VIS-NIR,QP600-2-VIS-NIR

反射探头支架RPH 系列或 STAGE

【HL -2000 光源介绍】

HL-2000 卤钨光源是一种多用途光源,使用范围 VIS-NIR (360 nm-2000 nm)。该光源内置致冷风扇,可以保证光源的稳定性。HL-2000 卤钨光源配有内嵌滤光片支架,支架的尺寸为 25.4 mm2 或 50.8 mm2,厚度为3mm。其中,HL-2000-FHSA 型号有手动和 TTL 快门, 用来控制光源的强弱。

光源的基本操作步骤:

启动光源,预热 10 分钟,以达到稳定状态;

光纤与光源连接后,可通过转动调节光阑旋钮控制光强;

如果用户在实验操作中对光源的输出光谱有特殊要求,可在插片凹槽处放置滤光片、衰减片等光学器件。

图 3 HL-2000-FHSA 光源实物图

【STAGE 反射探头支架介绍】

STAGE 反射探头支架适用于光学介质或其他材料反射率的测量,可配置直径 6.35 mm的光纤探头,与其他采样光学器件一起使用。探头到样品的高度调节范围约为 60 mm。使 用 STAGE 反射探头支架时,需注意以下两点:

1)在基板上放置样品时,以不同直径的同心圆为参照;

2)适配探头规格:直径 6.35 mm (1/4″)。

下图中的规格只能测量 0°入射时的反射率。

图 4 STAGE 反射探头支架图

表2  STAGE 反射探头支架规格▼

工程规格

STAGE

基板直径:

152.4 mm 

置样区域直径:

101.6 mm

重量:

620 g

高度:

滑杆高度可调至 63.5 mm

【RPH 反射探头支架介绍】

RPH 反射探头支架是坚固易用的机械夹具,用于将反射探头定位在与平面呈 45°和 90°的角度上。如配合海洋光学光谱仪、光源及反射探头使用,PPH 探头支架可帮助您完成 反射测量设置。RPH-1 反射探头支架能容放 6.35 毫米 (1/4")和 3.17 毫米 (1/8") 直径的反射 探头;后者需要有一个适配器(RPH-ADP)。RPH-2 具有同样特性,不过它用于端接有优 质级 SMA 905 连接器(QSMA)的反射探头。

(A) RPH-1

(B) RPH-2

图5. RPH 反射探头支架图

表3 RPH 反射探头支架规格▼

工程规格

RPH-1

RPH-2

探头支架材料:

阳极氧化铝

阳极氧化铝

探头支架定位:

45°或 90°

45°或 90°

反射探头尺寸:

6.35 毫米 (1/4") 直径;3.17 毫米 (1/8") 直径,含 RPH-ADP 适配器

6.35 毫米 (1/4") 直径

反射探头适配器:

有无

光纤连接器:

SMA 905

QSMA 905

反射探头适用于镜面反射或漫反射的测量。如图7所示,它由1个中心光纤和周围的6个照明光纤组成,具有25°视野。每个照明光纤从光源射出一束锥形光,出射光在样品的中心重叠。反射探头和支架一起使用时,从光纤照射到样品表面的光,需要一定的空间来形成反射光,所以探头需要与样品保持一定的距离。所见样品面积的直径约为探头尖和样品之间距离的 1/2(即在 4.0 mm 距离的操作将给出 ~2.0 mm 光点直径)。进行反射颜色测量时,反射探头支架的无光泽黑色涂饰层也有助于减少环境光。 

注意:当使用反射探头进行暗测量时,最好挡住灯光或将发光探头伸到光线弱的地方进行暗测量。若直接将灯关闭后再打开,将扰乱灯的热平衡,这需要额外的预热时间和新的标准测定。

图 6 QR400-7-UV-VIS 反射探头图

图 7 反射探头端口示意图

【反射用积分球介绍】

ISP-REF 积分球和 ISP-R 反射率积分球均可用于反射颜色的测量。ISP-REF 积分球具有一个孔径为 10.32 mm(0.41 英寸)的样品口,一个用于限制光纤视场角的光透射组件以及 一个内置的卤钨光源。该积分球涂层为特氟龙材料。积分球背面有包含(I)或不包含(E) 镜面反射的开关。

(说明:光纤连接口“S”用于测量样品表面的反射率或颜色;光纤连接口“R”用于收光或监测积分球的内置卤钨光源。)

图 8 ISP-REF 积分球

ISP-R 积分球有两个 SMA-905 接口,光输入端有一个用在光纤接入积分球之前校正光 纤的 8°角接口,光输出端口与输入端口成 90°角(用于连接光谱仪)。ISP-R 积分球配置有两种圆柱形衬垫,一种用于吸收镜面反射光(涂有黑色的吸光材料),另一种用于使镜面反射光进入积分球(与积分球内部材料相同)。两种圆柱形衬垫刚好能够放入与积分球顶部成-8°角的接入孔中。

图 9 ISP-REF 积分球

02

硬件操作

【QR 探头反射颜色测量硬件操作】

搭建 QR 探头反射颜色测量系统,具体操作步骤如下:

1)将 QR 探头的光纤一端与光谱仪连接,另一端与 HL-2000-FHSA 光源相连;

2)将 QR 探头插入 RPH-1 支架的 45°端口,调整探头尖到样品的距离;

3)通过 USB 数据线连接光谱仪至 PC 端;

4)用电源线连接光源和市电插座(注意选择带地线的国标电源线和市电插座); 

5)先测试标准反射白板,再用待测物替换参照物,进行反射颜色测量。

图 10 QR 探头反射颜色测量系统实物图

【ISP 积分球反射颜色测量硬件操作】

搭建 ISP 积分球反射颜色测量系统,具体操作步骤如下:

1)将光纤一端连接光谱仪,另一端连接 ISP 积分球的“S”端接口;

2)通过 USB 数据线连接光谱仪至 PC 端;

3)用电源线连接积分球和市电插座(注意选择带地线的国标电源线和市电插座); 

4)打开积分球的开关,先测试标准反射白板,再用待测物替换参照物,进行反射颜色测量。

图 11 ISP 积分球反射颜色测量系统实物图

图 12 Flame 光谱仪

注意:对待测物进行反射颜色测量时,测试条件与参照物的测试条件应保持一致。

03

软件操作

使用QR探头或积分球进行反射颜色测量的软件操作流程,具体的软件操作步骤如下:

从欢迎界面或者创建新的光谱应用,在光谱应用向导中;

2. 出现“颜色测量来源”窗口,请

辐射颜色测量:需要进行(绝对或相对)辐射校正。请根据具体需求,在下列窗口选择绝对辐射测量或相对辐射测量。

反射颜色测量:不需要辐射校正,但需要参考光谱。在相同的光学系统配置下,完成对参考样品的测量,替换测试样品时需保持同一测量位置。本文以反射颜色测量为例。

3. 调整好硬件配置后,在软件中设置数据采集参数,包括积分时间(integration time)、平均次数(average)和滑动平均(boxcar)。用户可根据光源的强度,调节积分时间和平均次数等参数,勾选 “暗噪声校准”和“非线性校准”功能。注意参考光谱测量和样品测量时的参数设置应相同。设置完成,光谱将显示在右侧谱图界面,

各个参数详细含义请参考软件手册或help菜单。或者复制打开下面链接: 

http://www.oceanoptics.cn/spectroscopy_glossary

下面是简单介绍:

积分时间:积分时间是检测器在将累积的电荷通过A/D转换器加工之前,被允许收集光子的时间长度。最小积分时间是设备支持的最短积分时间,它取决于检测器读出所有像素信息的快慢,积分时间与数据传输速度是不同的概念。

平均次数:光谱被显示到软件里之前会采集多次,然后取平均。

滑动平均:平滑是一种可以应用于光谱的空间平均。该过程通过平均相邻像素点的值来消除噪声,因此它会以牺牲光学分辨率为代价来提高信噪比。空间平均在光谱相对平坦以及相近像元变化较小的情 况下使用是非常有效的,但由此产生是分辨率的损失会使得尖锐的光谱特征峰难以分辨。当应用空间平均时,信噪比会以像元平均的平方根为基数进行提高。请注意,在海洋光学软件中,平滑宽度的值 是指所有像元以中间为基准靠左或靠右的像元和的平均数。平滑值是4实际上是将9个像元一起平均(4个靠左像元+1个中心像元+4个靠右像元),信噪比将以3为倍数增加。同样的,平滑值是2(5个像元)将使信噪比以2.2为倍数增加,平滑值是0(1个像元),信噪比以1为倍数增加(因此光谱不改 变)。

暗噪声校准:海洋光学的大部分光谱仪都有自带的遮光像元。暗噪声校准会用当前光谱读数减去遮光像元的读书,以排除温飘等系统性影响。

非线性校准:光谱仪出厂前已完成。如无特殊需求,请默认勾选。

触发模式:请参考海洋网站的相关文档。如无特殊需求,可保持默认设置不变。 

注意:对光源进行绝对辐射颜色测量时,在软件中的参数设置必须与绝对辐射校准时的设置相同;硬件设备,如光谱仪、积分球(可选),余弦校正器(可选),光纤也需要保持一致。

4.出现“保存参考光谱”窗口,此时在反射探头支架或积分球下放置参考样品,并记录参考光谱,再

注意:反射标准板与反射支架或积分球保持较小距离,不能接触。

5.出现“保存背景光谱”窗口,使用光源自带的快门功能切断光路,或在光路中插 入挡片遮光,并记录背景光谱,再

6. 出现“Color Setup”窗口,勾选所关注的参数,并

CIE XYZ、CIE L*a*b*、CIE uv、CIE u''v''w''或 Hunter Lab 色彩空间。

相关色温(CCT):当某一种光源的色品与某一温度下的黑体的色品最接近,或者说在均匀色品图上的色差距离最小时黑体的温度。

显色指数(CRI):光源显色性的度量。以被测光源下与参考光源下物体颜色的相符程度表示。

白度和色彩:基于目视感知而判断反射物体所能“显白的程度”,术语上称之为白度。与其他颜色一样,白色也是三维空间的量,大多数色觉正常的观察者可以将一定范围内的光反射比、色饱和度和主波长不同的白色,按其白度的高低排成一维的白度序列,从而进行定量的评价。

主波长和纯度:颜色的色品除用色品坐标表示外,CIE还推荐用主波长和纯度来表示。一种颜色S的主波长,指一种单色光刺激的波长,这种单色光刺激按一定比例与一种规定的无彩色刺激相加混合,能匹配出颜色S。这种无彩色刺激在色 品图上的位置称为白点。色纯度是指样品的颜色同主波长光谱色接近的程度。色 纯度有兴奋纯度和色度纯度两种表示法。

色品图:一个单位颜色的色品只决定于三原色的刺激值各自在R+G+B总量中的 相对比例,即色品坐标,以色品坐标表示的平面图称为色品图。

观测者视场的选择。2°和10°视场角:在色度学的研究中,CIE 1931 标准色度观察者的数据适用于2°视场的中央视觉观察条件(视场在 1°~4°范围内),主要是中央凹锥状细胞起作用。10°视场角是为了适应大视场颜色测量的需要。1964 年,CIE 规定了一组 10°视场的“CIE 1964 补充标准色度观察者数据”。现有研究表明,人眼用于小视场观察颜色时,辨别颜色差异的能力较低。当观察视场从2°增大至10°时,颜色匹配的精度随之提高。但视场再进一步增大,颜色匹配精度就难以再提高了。

发光体的选择。物体的颜色与照明光源有密切关系,同一物体在不同的光源照明下会得到不同结果,为了统一颜色的评价标准和进行色度计算,CIE 推荐了标准照明体—由相对光谱功率分布来定义。包括:标准照明体 A、C、D65、D55、D75。自然光下,请选择 D65 发光体。下图分别以 10°视场角时,发光体A与发光体C为例。

7.数据测量 

1)移走参考样品,将被测样品置于相同的位置,保持软件的参数设置不变,开始数据测量。 

2)放置被测样品之后,用户可在上侧视图窗口查看被测样品光谱的实时测量曲线,而下侧视图窗口为反射率实时测量曲线。图谱窗口右侧为色品图。

注意:数据测量时,光谱两侧出现噪声和毛刺属于正常现象,这是由于光谱仪可探测范围的两端噪声较大,信噪比较低。

8. 数据保存

1) 暂停采谱,保存此时的光谱数据。OceanView 界面左上方工具栏中有运行、单步采集以及暂停采集的快捷键。  

 : 单步采集光谱数据,单次采集后停止,

: 暂停采集光谱数据,终结采集过程。 

2) 点击图标进行数据保存的设置,包括数据保存格式、路径、保存方式等。

3)点击启动设置,该按钮变红,表明保存工作正在进行。如果需要停止保存,请再次

4)也可以点击按钮,将全谱数据保存到电脑剪贴板,然后将数据直接粘贴到Excel 或 txt。

内容来源:爱蛙科技编辑整理

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