第七章-光度学与色度学基础

1、2021/3/171 人眼有敏锐的辨别颜色能力人眼有敏锐的辨别颜色能力, 人们长期利用目视人们长期利用目视比较法来区别颜色。但目视法测量结果带有主观性比较法来区别颜色。但目视法测量结果带有主观性, 受到视觉适应性、人眼光谱响应差异、测量时人的状受到视觉适应性、人眼光谱响应差异、测量时人的状况等因素的影响。况等因素的影响。 CIE标准色度系统为客观地测量物体颜色奠定了标准色度系统为客观地测量物体颜色奠定了基础基础, 可通过对物体颜色三刺激值的测量确定颜色。可通过对物体颜色三刺激值的测量确定颜色。2021/3/172dxSKX)()()(dySKY)()()(dzSKZ)()()()()()(zy

2、x)(S)(式中式中, 为光源光谱分布；为光源光谱分布； 为物体光谱辐亮度因为物体光谱辐亮度因数；数；为标准观察者的光谱三刺激值。为标准观察者的光谱三刺激值。 颜色测量仪器就是通过一定途径求得三刺激值的颜色测量仪器就是通过一定途径求得三刺激值的工具。由于获得三刺激值的方式不同工具。由于获得三刺激值的方式不同, 测色仪器主要可测色仪器主要可分为两类分为两类:分光测色仪器和色度计。分光测色仪器和色度计。2021/3/173 分光测色仪器分光测色仪器:作为颜色测量最基本的仪器作为颜色测量最基本的仪器,不直接测不直接测量颜色的三刺激值本身量颜色的三刺激值本身,而是测量物体的光谱反射或而是测量物体的光谱

3、反射或光谱透射特性光谱透射特性,即测量物体的光谱辐亮度因数或光谱即测量物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比。再选用透射比。再选用CIE的标准照明体和标准观察者的标准照明体和标准观察者,通通过积分计算求得颜色的三刺激值。过积分计算求得颜色的三刺激值。 色度计色度计:其响应类似人眼视觉其响应类似人眼视觉,通过直接测得与颜色三通过直接测得与颜色三刺激值成比例的仪器响应刺激值成比例的仪器响应,换算颜色三刺激值。三刺激换算颜色三刺激值。三刺激值的获取由仪器内部完成值的获取由仪器内部完成,即用滤色镜来校正仪器光源即用滤色镜来校正仪器光源和探测元件光谱特性和探测元件光谱特性,使输出信号正比于颜色的三刺激使输出信

4、号正比于颜色的三刺激值。值。密度计密度计:不是标准颜色测量仪器不是标准颜色测量仪器,密度计在某些情况下密度计在某些情况下能给出颜色测量的近似值能给出颜色测量的近似值.2021/3/174分光测色仪器分光测色仪器1色度计色度计2光源颜色特性的测量光源颜色特性的测量3荧光材料的颜色测量荧光材料的颜色测量4下页下页白度的测量白度的测量52021/3/175 分光光度计分光光度计是颜色测量中最基本的仪器是颜色测量中最基本的仪器,其不直其不直接测量颜色接测量颜色,而是测量样品的反射特性和透射特性而是测量样品的反射特性和透射特性,经经过计算求得样品颜色的三刺激值。过计算求得样品颜色的三刺激值。 现代的分光

5、光度计由照明光源、提供单色光的色现代的分光光度计由照明光源、提供单色光的色散系统和对通过仪器的光辐射进行测量的探测器系统散系统和对通过仪器的光辐射进行测量的探测器系统组成。通常在仪器内部将由色散系统产生的单色辐射组成。通常在仪器内部将由色散系统产生的单色辐射分成样品光束和参考两条光路。当将样品放在样品光分成样品光束和参考两条光路。当将样品放在样品光路内时路内时,两条光束相等的状态被破坏两条光束相等的状态被破坏,探测器检测到差探测器检测到差别别,得到该波长上样品的透射比或反射比。得到该波长上样品的透射比或反射比。2021/3/176测量方法测量方法: 分光光度计测量分光光度计测量光谱透射比光谱透

6、射比或或光谱反射比光谱反射比都采都采用比较法用比较法,通过定量地比较某些已知光谱特性的通过定量地比较某些已知光谱特性的“标标准准”(参照物参照物)和样品在同一波长上透射或反射的单色和样品在同一波长上透射或反射的单色辐射功率辐射功率,测出样品的测出样品的光谱透射比光谱透射比或或光谱辐亮度因数光谱辐亮度因数。 优点优点:采用比较测量能够补偿测量中由于光源的采用比较测量能够补偿测量中由于光源的不稳定以及控制器灵敏度、光学系统透射比、分光元不稳定以及控制器灵敏度、光学系统透射比、分光元件效率等随波长而变化的各种因素影响件效率等随波长而变化的各种因素影响,由于这些因由于这些因素对样品和参照物有相同的影响

7、而自动地互相抵消。素对样品和参照物有相同的影响而自动地互相抵消。 2021/3/177参照标准参照标准:测量透射样品测量透射样品,选用选用空气空气作为参照标准作为参照标准,空气是理想透射体空气是理想透射体,在整个可见光谱范围透射比均近似为在整个可见光谱范围透射比均近似为1;液体样品则采用同液体样品则采用同样厚度的样厚度的溶剂溶剂作为标准作为标准;测量反射样品测量反射样品,虽然虽然全反射漫射体全反射漫射体的反射比在各波长上均为的反射比在各波长上均为1,是理想的参照标准是理想的参照标准,但实际材料难以达到这样的特性但实际材料难以达到这样的特性,只能只能选择与它性质比较接近的材料作为工作标准。选择与

8、它性质比较接近的材料作为工作标准。 颜色测量中所选用的反射标准常采用的有硫酸钡颜色测量中所选用的反射标准常采用的有硫酸钡(BaSO(BaSO4 4) )、海龙、海龙(Halon)(Halon)、氧、氧化镁化镁(MgO)(MgO)、碳酸钙、碳酸钙(CaCO(CaCO3 3) )和陶瓷等。和陶瓷等。 硫酸钡稳定性好硫酸钡稳定性好, ,但不易清洁但不易清洁, ,常用于传递标准。常用于传递标准。海龙是一种多氟树脂海龙是一种多氟树脂, , 在可见光波段反射率非常接近硫酸钡在可见光波段反射率非常接近硫酸钡, , 在红在红外波段优于硫酸钡外波段优于硫酸钡, , 但在但在250280nm250280nm处有微

9、弱的发光性。处有微弱的发光性。氧化镁光谱选择性小氧化镁光谱选择性小, ,反射比大反射比大, ,但稳定性差但稳定性差, ,过去曾用作原始标过去曾用作原始标准准, ,19691969年年CIECIE已用完全反射漫射体取而代之。已用完全反射漫射体取而代之。陶瓷使用方便陶瓷使用方便, ,容易清洁容易清洁, ,多用作仪器的工作标准。多用作仪器的工作标准。2021/3/178实现方式实现方式: 单光束法单光束法。仪器只有一条光路。仪器只有一条光路,将参照物和样品依次将参照物和样品依次放在光路中进行测量。其优点是能严格保持参照物和放在光路中进行测量。其优点是能严格保持参照物和样品在完全相同的光路中进行测量样

10、品在完全相同的光路中进行测量,但缺点较多但缺点较多,因此因此很少采用。很少采用。 双光束法双光束法。将单色光分成两束光。将单色光分成两束光,一束通过参照物一束通过参照物,另一束通过样品。双光束系统最基本的要求是保持两另一束通过样品。双光束系统最基本的要求是保持两光路对称光路对称,光学特性一致。在微机控制的仪器中光学特性一致。在微机控制的仪器中,可用可用数值方法校正光学特性的不一致性。数值方法校正光学特性的不一致性。2021/3/179由于颜色视觉的复杂性由于颜色视觉的复杂性,颜色测量条件必须标准化颜色测量条件必须标准化,仪仪器间的测量结果才有可比性。器间的测量结果才有可比性。v 测量样品的三刺

11、激值时测量样品的三刺激值时, 照明光源选择标准照明体照明光源选择标准照明体,常用的标准照明体有常用的标准照明体有A,C,D65等。等。v 测量样品的三刺激值时测量样品的三刺激值时, 要选用标准观察者要选用标准观察者,小视场小视场(1 4 )选用选用CIE1931标准色度观察者标准色度观察者,大视场大视场(10 )时选时选取用取用CIE1964标准补充色度观察者。标准补充色度观察者。v 标准照明观察条件。颜色测量时标准照明观察条件。颜色测量时,光源照明和控制光源照明和控制器收集光能的几何条件很重要器收集光能的几何条件很重要,几何条件不一致会造成几何条件不一致会造成测量结果的差异。为统一测量结果测

12、量结果的差异。为统一测量结果, CIE规定了统一的规定了统一的几何条件。几何条件。 在透射样品测量中在透射样品测量中, 一般采用对样品表面垂直方向照一般采用对样品表面垂直方向照明明,透射方向探测。照明光束的光轴与样品表面法线的夹透射方向探测。照明光束的光轴与样品表面法线的夹角不超过角不超过5, 照明光束中任一光线与光轴的夹角不应超照明光束中任一光线与光轴的夹角不应超过过5, 此几何条件不适合于漫透射物体。此几何条件不适合于漫透射物体。 在反射样品在反射样品(不透明物体不透明物体)测量中测量中,CIE1931年正式推荐年正式推荐四种测色的标准照明和观察条件。四种测色的标准照明和观察条件。2021

13、/3/1710垂直垂直/45(缩写缩写0/45)。样。样品被一束光照明品被一束光照明,照明光照明光束光轴和样品法线间的夹束光轴和样品法线间的夹角不应超过角不应超过10。在与样。在与样品表面法线成品表面法线成452的方向观测。照明光束的的方向观测。照明光束的任一光线和其轴之间的夹任一光线和其轴之间的夹角不超过角不超过8。观测光束。观测光束也应遵守同样的限制。也应遵守同样的限制。45/垂直垂直(缩写缩写45/0)。样品。样品可被一束或多束光照明可被一束或多束光照明,照照明光束轴线与样品表面法线明光束轴线与样品表面法线成成452。观测方向和。观测方向和样品的法线之间的夹角不应样品的法线之间的夹角不应

14、超过超过10。照明光束的任一。照明光束的任一光线和共轴之间的夹角不应光线和共轴之间的夹角不应超过超过8,观测光束也应遵守观测光束也应遵守同样的限制。同样的限制。垂直垂直/漫射漫射(缩写缩写0/d)。样品。样品被一束光照明被一束光照明,照明光束光照明光束光轴和样品法线之间的夹角轴和样品法线之间的夹角不超过不超过10。照明光束的。照明光束的任一光线和其轴之间的夹任一光线和其轴之间的夹角不超过角不超过5。漫射漫射/垂直垂直(缩写缩写d/0)。样品被积分球漫射照明。样品被积分球漫射照明。样品法线和观测光束轴样品法线和观测光束轴线间的夹角不应超过线间的夹角不应超过10。观测轴线和任意。观测轴线和任意观测

15、光线间的夹角不应观测光线间的夹角不应超过超过5。CIE规定在规定在0/45, 45/0, d/0条件下测得的光谱反射因数条件下测得的光谱反射因数称为光谱辐亮度因数称为光谱辐亮度因数, 记为记为 0/45, 45/0, d/0。在。在0/d条件条件下测得的光谱反射因数称为光谱反射比下测得的光谱反射因数称为光谱反射比 0。2021/3/1711分光测色仪器设计时必须按照以上规定的几何条件安分光测色仪器设计时必须按照以上规定的几何条件安排光路排光路, ,可选择其中一种或多种条件。可选择其中一种或多种条件。仪器测试的数据也应说明是在何种条件下测量的结果仪器测试的数据也应说明是在何种条件下测量的结果。(

16、a) d/0分光光度计分光光度计 (b)0/d分光光度计分光光度计 图图10-2分光光度计的照明观察图分光光度计的照明观察图 2021/3/1712 分光光度计一般由照明光源、单色器、光度计量分光光度计一般由照明光源、单色器、光度计量部分以及输出装置等组成。部分以及输出装置等组成。 A光源光源 光源必须在仪器的整个波长范围内发出连续的光辐光源必须在仪器的整个波长范围内发出连续的光辐射射,且在每一波长上都应有足够能量且在每一波长上都应有足够能量,使探测元件有足够使探测元件有足够的信噪比。的信噪比。B单色器单色器 能输出不同波长单色光的装置叫单色器。根据单色能输出不同波长单色光的装置叫单色器。根据

17、单色器中色散元件的不同大致有以下几类器中色散元件的不同大致有以下几类: (1) 棱镜或光栅分光的单色器棱镜或光栅分光的单色器 (2) 滤光片分光的单色器滤光片分光的单色器 (3) 可调谐激光单色器可调谐激光单色器图图10-3 窄带干涉滤光片的透射比窄带干涉滤光片的透射比2021/3/1713C光度计量部分光度计量部分 光度计量部分使从单色器射出的单色光正确地光度计量部分使从单色器射出的单色光正确地照射到样品上照射到样品上, 用光电探测元件接收光能用光电探测元件接收光能,测定样品测定样品的透射比或反射比。的透射比或反射比。 分光测色仪器都采用比较法测量及双光束光路。分光测色仪器都采用比较法测量及

18、双光束光路。光度计量的具体方法有两种光度计量的具体方法有两种,即平衡法和比率法。即平衡法和比率法。 (1) 光度的平衡法测量光度的平衡法测量光学平衡法光学平衡法:单色光以双光束交替地照射标准样品和单色光以双光束交替地照射标准样品和待测样品待测样品,因此探测器因此探测器D输出一系列脉冲信号。将这输出一系列脉冲信号。将这两组脉冲信号的幅度进行比较两组脉冲信号的幅度进行比较,并通过伺服电机并通过伺服电机SM推动减光器改变推动减光器改变2021/3/1714光束强度光束强度,使探测器接收到从待测样品和标准样品上所反射使探测器接收到从待测样品和标准样品上所反射的的光度相等光度相等,即所谓光学平衡或达到光

19、学零位。即所谓光学平衡或达到光学零位。 减光器可以是变密度的中性滤光片减光器可以是变密度的中性滤光片, 光梳或偏振片等。光梳或偏振片等。在达到平衡时减光器的机械位置即代表标准样品和待测样在达到平衡时减光器的机械位置即代表标准样品和待测样品两个信号的比值。品两个信号的比值。图图10-4 光学平衡法光学平衡法 2021/3/1715(1) 光度的平衡法测量光度的平衡法测量电学平衡法电学平衡法:经过放大和解调的标准信号和样品信号分经过放大和解调的标准信号和样品信号分别流过波长补偿电位器及测量电位器别流过波长补偿电位器及测量电位器, 在测量标准信在测量标准信号的期间号的期间, 继电器继电器R标闭合把标

20、准信号储存在电容器标闭合把标准信号储存在电容器C标标内内, 样品信号则储存在样品信号则储存在C样样内。比较继电器快速地将内。比较继电器快速地将C标标和和C样样比较比较,如果二者电位不等如果二者电位不等,则差值被放大并经伺服电机推动测量电位器的触点则差值被放大并经伺服电机推动测量电位器的触点,以以达到达到C样样与与C标标的电位相等的电位相等即电学平衡。此时触点位置即电学平衡。此时触点位置即代表标准和样品两个信号的比值。此触点与记录笔即代表标准和样品两个信号的比值。此触点与记录笔相连相连,可绘出曲线可绘出曲线。 图图10-5 电学平衡法电学平衡法 2021/3/1716(2) 光度的比率法测量光度

21、的比率法测量光度比率法光度比率法:将解调后的标准信号输到一个差值放大器将解调后的标准信号输到一个差值放大器与一个基准电压与一个基准电压V基基相比较相比较, 标准信号太大时标准信号太大时, 减低光电减低光电倍增管的负高压或减小单色器的入射缝倍增管的负高压或减小单色器的入射缝, 标准信号太小标准信号太小时则相反时则相反, 这样通过闭环的反馈系统保持标准信号始终这样通过闭环的反馈系统保持标准信号始终稳定不变稳定不变, 说明此时光电探测器的灵敏度及系统的放大说明此时光电探测器的灵敏度及系统的放大率已调整至正常水平率已调整至正常水平, 因此因此, 可直接测量样品信号。可直接测量样品信号。 由于标准信号已

22、被由于标准信号已被归一化归一化,所以测得的样所以测得的样品信号本身就是样品信品信号本身就是样品信号与标准信号的比率号与标准信号的比率,即反射比或透射比。即反射比或透射比。 图图10-6 光度的比率测量法光度的比率测量法 2021/3/1717D测量数据的处理和输出装置测量数据的处理和输出装置 分光光度计输出的基本数据是分光光度计输出的基本数据是光谱透射比和光谱光谱透射比和光谱反射比反射比。其它数据都是根据其计算得到。随着计算机。其它数据都是根据其计算得到。随着计算机技术的发展技术的发展,许多新型的仪器都备有微处理器许多新型的仪器都备有微处理器,分光光分光光度数据可以保存在存储器内度数据可以保存

23、在存储器内,能以数字的形式显示、打能以数字的形式显示、打印出来印出来,并能驱动绘图机以图形显示出来。现代的分光并能驱动绘图机以图形显示出来。现代的分光测色仪器中测色仪器中,内装的微型计算机已和仪器有机结合内装的微型计算机已和仪器有机结合,实实现了测试计算自动化。现了测试计算自动化。2021/3/1718与分析用分光光度计相比与分析用分光光度计相比,测色分光光度计测色分光光度计有如下特有如下特点点: v 以测以测反射反射样品为主样品为主,兼顾兼顾透射样品。因为大多数色透射样品。因为大多数色度测试所涉及的是物体的反射色。度测试所涉及的是物体的反射色。 v 常规的测色局限在可见光范围内常规的测色局限

24、在可见光范围内,但是目前市场上但是目前市场上高档测色分光光度计可是分析、测色两用的仪器高档测色分光光度计可是分析、测色两用的仪器,波波长可从长可从紫外到近红外紫外到近红外。 v 一般物体的光谱反射曲线比较光滑平缓一般物体的光谱反射曲线比较光滑平缓,所以对仪所以对仪器的波长精度和分辨率要求较低而对仪器的光度准确器的波长精度和分辨率要求较低而对仪器的光度准确度要求较高。度要求较高。 2021/3/1719v测色分光光度计测量测色分光光度计测量光路的安排光路的安排必须满足测量颜必须满足测量颜色对样品的照明观察条件的规定。色对样品的照明观察条件的规定。 v 测色分光光度计数据处理复杂测色分光光度计数据

25、处理复杂,一般测色仪器中都一般测色仪器中都带有由带有由光谱数据计算出各种颜色参数的软件光谱数据计算出各种颜色参数的软件。 分光测色仪器可按若干不同的标准进行分类分光测色仪器可按若干不同的标准进行分类:u单光束或双光束仪器单光束或双光束仪器u单级单色仪和双级单色仪单级单色仪和双级单色仪u目视分光测色仪器和光电分光测色仪器目视分光测色仪器和光电分光测色仪器 2021/3/1720分光测色仪器分光测色仪器1色度计色度计2光源颜色特性的测量光源颜色特性的测量3荧光材料的颜色测量荧光材料的颜色测量43结束结束下页下页白度的测量白度的测量52021/3/1721 色度计包括色度计包括目视色度计目视色度计和

26、和光电色度计光电色度计两类。两类。 光电色度计可由仪器的响应值直接得到颜色的三刺光电色度计可由仪器的响应值直接得到颜色的三刺激值激值,在光电色度计中的积分由光学模拟方式完成。仪在光电色度计中的积分由光学模拟方式完成。仪器的照明光源需加滤色器校正器的照明光源需加滤色器校正,以使其具有所要求的以使其具有所要求的标标准光源光谱分布准光源光谱分布。同时探测器的响应也被滤色器修正。同时探测器的响应也被滤色器修正,使其与使其与CIE标准观察者标准观察者相一致。相一致。 光源光谱分布可选择光源光谱分布可选择CIE标准照明体标准照明体,在灯光下观察在灯光下观察物体常选物体常选A照明体照明体,在在日光日光下观察

27、物体常选下观察物体常选D65照明体。照明体。CIE推荐作为标准观察者有推荐作为标准观察者有2 视场的视场的1931标准观察者和标准观察者和10 视场的视场的1964补充标准观察者。补充标准观察者。 光电色度计一般由照明光源、校正滤色器、探测器光电色度计一般由照明光源、校正滤色器、探测器组成。设计中关键问题是组成。设计中关键问题是校正滤色器的设计校正滤色器的设计。光电色。光电色度计量时所采用的照明观察几何条件与分光测色仪器度计量时所采用的照明观察几何条件与分光测色仪器相同。相同。2021/3/1722(1) 卢瑟条件卢瑟条件 通常光电色度计内部的照明光源是普通白炽灯或通常光电色度计内部的照明光源

28、是普通白炽灯或卤钨灯卤钨灯,探测器为光电池或光电管等。为了要模拟标准探测器为光电池或光电管等。为了要模拟标准观察者在标准照明下观察到的物体颜色观察者在标准照明下观察到的物体颜色,色度仪器的色度仪器的总总光谱灵敏度光谱灵敏度必须符合卢瑟条件必须符合卢瑟条件SA()为仪器内部光源的光谱分布为仪器内部光源的光谱分布;SC()为选定的标准照明为选定的标准照明体光谱分布体光谱分布;X ,Y ,Z为三种校正滤色器各自的光谱透射比为三种校正滤色器各自的光谱透射比; 为选定的标准观察者的光谱三刺激值为选定的标准观察者的光谱三刺激值;KX , KY , KZ为比例为比例常数常数; ( )为探测器的光谱灵敏度。为

29、探测器的光谱灵敏度。 zyx,)()()()()(xSSKCXAX)()()()()(ySSKCYAY)()()()()(zSSKCZAZ如果校正滤色器的光谱透射比满如果校正滤色器的光谱透射比满足卢瑟条件足卢瑟条件,则色度计实现了光则色度计实现了光学模拟的目的。仪器各个探测器学模拟的目的。仪器各个探测器测到的电信号值比例于物体颜色测到的电信号值比例于物体颜色的三刺激值。仪器符合卢瑟条件的三刺激值。仪器符合卢瑟条件的程度越高的程度越高,测量精度越高。测量精度越高。 2021/3/1723 X( )曲线有两个峰值曲线有两个峰值, 用滤色片组合比较困难用滤色片组合比较困难,常用两种常用两种方式实现方

30、式实现: 用用2个探测器和滤色器的组合分别模拟个探测器和滤色器的组合分别模拟 X( )的两段曲的两段曲线线 X1( )和和 X2( ), 这类色度计有四个探测元件。这类色度计有四个探测元件。 假设假设 X( )的短波次峰曲线的短波次峰曲线 X1( )的形状与的形状与 Z( )曲线相曲线相似似, 由由 Z( )校正滤色器来近似校正滤色器来近似; X2( )由一个探测器和滤由一个探测器和滤色器的组合来实现。此类色度计有三个探测元件色器的组合来实现。此类色度计有三个探测元件 X2( ), Y( ), Z( )。 ( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) , ( ) , ( )( ) ( )(

31、 ) ( )( ) ( )CCCXYZXAYAZASxSySzK SK SK S (2) 光谱透射比光谱透射比只要选定标准观察者和标准照明体只要选定标准观察者和标准照明体, ,确定仪器内使用确定仪器内使用的照明光源光谱分布和光电探测元件的光谱灵敏度曲的照明光源光谱分布和光电探测元件的光谱灵敏度曲线线, ,就可确定校正滤色器的光谱透射比。就可确定校正滤色器的光谱透射比。2021/3/1724)()()()(21KC1( )( )1,2,KCiiaiK 由光谱透射比曲线设计校正滤色器的方法是由光谱透射比曲线设计校正滤色器的方法是:由几由几块不同光谱透射比的滤色片组合起来块不同光谱透射比的滤色片组合

32、起来, 使其透射比等使其透射比等于要求的校正滤色器的光谱透射比。于要求的校正滤色器的光谱透射比。ai为为各滤色片的相对面积值。各滤色片的相对面积值。 (3) (3) 校正滤色器的设计方法校正滤色器的设计方法 图10-10 滤光片的组合方式 方式方式(I)(I)为为串联形式串联形式, ,由几块不同由几块不同材料材料, ,不同不同厚度的滤色厚度的滤色片沿着光线片沿着光线照射的方向照射的方向叠加在一起叠加在一起。方式方式(III)(III)采用上述采用上述两种混合两种混合的方式组的方式组成。成。 方式方式(II)(II)并联形式。由几块不同材料并联形式。由几块不同材料, ,不同面积和厚度的滤色片沿垂

33、直于光不同面积和厚度的滤色片沿垂直于光线照射方向并排组成。线照射方向并排组成。2021/3/1725为使校正滤色器的总透射比达到应有的数值为使校正滤色器的总透射比达到应有的数值,可根可根据选用的组合方式据选用的组合方式,按照公式适当地更换材料、厚度、按照公式适当地更换材料、厚度、相对面积值相对面积值,用试算的方式进行计算。现在通常用各用试算的方式进行计算。现在通常用各种优化方法种优化方法,编程计算程序。编程计算程序。但是但是,由于滤色片材料种类的限制由于滤色片材料种类的限制,厚度和相对面积厚度和相对面积相对更改时尺寸的限制相对更改时尺寸的限制,要使校正滤色器完全符合卢要使校正滤色器完全符合卢瑟

34、条件是不可能的。瑟条件是不可能的。因此光电色度计在原理上存在误差因此光电色度计在原理上存在误差,其精确度不如其精确度不如分光测色仪器分光测色仪器,但其成本低但其成本低,测量速度快测量速度快,故为各行业故为各行业广泛采用。广泛采用。 光电色度计由仪器探测器的响应值直接读出样品光电色度计由仪器探测器的响应值直接读出样品的三刺激值，故必须满足下列关系的三刺激值，故必须满足下列关系1122 , , gbXK RK RYK GZK B式中式中,R1,R2,G,B分别为四个光电探测元件的响应值。分别为四个光电探测元件的响应值。K1,K2,Kg,Kb为在测样品前必须首先确定的常数。为在测样品前必须首先确定的

35、常数。2021/3/1726得到得到Ki后就可测量任意样品后就可测量任意样品,测得样品的响应值测得样品的响应值R1,R2,G,B,即可求得样品的三刺激值为即可求得样品的三刺激值为X,Y,Z。 确定方法是用光电色度计去测量已知三刺激值为确定方法是用光电色度计去测量已知三刺激值为X10,X20,Y0,Z0的标准样品的标准样品,得到的响应值为得到的响应值为R10,R20,G0,B0,则可求得则可求得Ki值值,这个过程称为仪器定标。这个过程称为仪器定标。 10200012102000 , , , gbXXYZKKKKRRGB由于校正滤色器光谱透射特性不可能完全符合卢瑟条由于校正滤色器光谱透射特性不可能

36、完全符合卢瑟条件件, 经常配备多种已知三刺激值的标准样品经常配备多种已知三刺激值的标准样品, 可以选用可以选用与待测样品有近似颜色的标准样品进行定标与待测样品有近似颜色的标准样品进行定标, 以减小误以减小误差差, 提高仪器测量精度。一般光电色度计带有提高仪器测量精度。一般光电色度计带有410块不块不同颜色标准色板同颜色标准色板/标准滤色片。标准滤色片。2021/3/1727A目视色度计目视色度计 在目视色度计中在目视色度计中,人眼就是探测元件人眼就是探测元件,故不存在符故不存在符合卢瑟条件的问题。操作者观察两个并置的视场合卢瑟条件的问题。操作者观察两个并置的视场,一一个视场由已知的三原色光混合

37、组成个视场由已知的三原色光混合组成,另一视场为待测另一视场为待测色色,调节三原色光的光度来达到与待测色相匹配调节三原色光的光度来达到与待测色相匹配,由三由三原色的光度量求得待测色的三刺激值。原色的光度量求得待测色的三刺激值。B光电色度计光电色度计 光电色度计通过光电探测系统自动地给出样品光电色度计通过光电探测系统自动地给出样品的三刺激值的三刺激值,使用方便、测量速度快使用方便、测量速度快,对大多数应用具对大多数应用具有足够的准确度有足够的准确度,因而被用于各种生产和质量控制的因而被用于各种生产和质量控制的操作中。光电色度计的种类繁多操作中。光电色度计的种类繁多,但基本原理相同。但基本原理相同。

38、2021/3/1728 彩色亮度计彩色亮度计可用来测量自发光物体和非发光物体可用来测量自发光物体和非发光物体的颜色。人眼通过目镜和反射镜把仪器对准待测色源的颜色。人眼通过目镜和反射镜把仪器对准待测色源,探测器通过物镜接收色源的辐射。使用彩色亮度计时探测器通过物镜接收色源的辐射。使用彩色亮度计时,色源的被测部位应有均匀亮度。仪器内部没有照明光色源的被测部位应有均匀亮度。仪器内部没有照明光源源,因此测量物体色时因此测量物体色时,必须以标准光源照明物体必须以标准光源照明物体,仪器仪器可直接测得物体色的可直接测得物体色的三刺激值和色品坐标以及两个样三刺激值和色品坐标以及两个样品的色差。品的色差。图10

39、-11 彩色亮度计BM-2的工作原理图 2021/3/1729 光电色度计光电色度计利用仪器内部光源照明被测物体利用仪器内部光源照明被测物体, , 可直接可直接测得物体色的三刺激值和色品坐标测得物体色的三刺激值和色品坐标, , 还可通过与计算机连还可通过与计算机连接接, , 计算出两个物体的色差值。计算出两个物体的色差值。 仪器照明和观测条件为仪器照明和观测条件为0/d。光源光束经过聚光镜。光源光束经过聚光镜和和45角反射镜投射到反射样品上角反射镜投射到反射样品上,由积分球收集被样由积分球收集被样品反射的辐射通量。积分球内壁涂有品反射的辐射通量。积分球内壁涂有MgO或或BaSO4的的中性漫反射

40、涂料。中性漫反射涂料。X, Y, Z三个带有校正滤色器的探测三个带有校正滤色器的探测器分别在球壁的三个测试孔同时接收。当测量透射样器分别在球壁的三个测试孔同时接收。当测量透射样品时品时, 在反射样品处放置与积分球内壁同样材料的中性在反射样品处放置与积分球内壁同样材料的中性白板白板, 测得结果是透射样品三刺激值。测得结果是透射样品三刺激值。图图10-12 10-12 某种光电光度计的系统框图某种光电光度计的系统框图2021/3/1730分光测色仪器分光测色仪器1色度计色度计2光源颜色特性的测量光源颜色特性的测量3荧光材料的颜色测量荧光材料的颜色测量43结束结束下页下页白度的测量白度的测量5202

41、1/3/1731光源的颜色特性光源的颜色特性:v人眼直接观察光源时所看到的颜色人眼直接观察光源时所看到的颜色,这与一般这与一般物体色类似物体色类似,可用三刺激值和色品坐标来表示。可用三刺激值和色品坐标来表示。v评价物体在光源照明下所呈现的颜色效果评价物体在光源照明下所呈现的颜色效果, 用用显色指数来表示。显色指数来表示。 光源的颜色特性和一般物体色类似光源的颜色特性和一般物体色类似,只决定于只决定于光源辐射的光谱分布光源辐射的光谱分布。一旦得到光源的光谱分布。一旦得到光源的光谱分布,就可计算出它的三刺激值、色品坐标、相关色温和就可计算出它的三刺激值、色品坐标、相关色温和显色指数。显色指数。20

42、21/3/1732测量仪器测量仪器: 测量光源光谱分布的仪器称为测量光源光谱分布的仪器称为光谱辐射计光谱辐射计。光。光谱辐射计也是一种谱辐射计也是一种分光测量仪器分光测量仪器,基本原理和结构与基本原理和结构与分光光度计相似分光光度计相似,但由于测量对象是但由于测量对象是光源光源,而不是一般而不是一般物体物体,所以与测色分光光度计相比有一些特点所以与测色分光光度计相比有一些特点: 对波长准确度和波长分辨率要求高。光源光谱分对波长准确度和波长分辨率要求高。光源光谱分布可能存在布可能存在线状线状光谱光谱, ,要准确测量线谱必须有要准确测量线谱必须有高的高的波波长准确度和高的长准确度和高的分辨率分辨率

43、。 比较测量的标准不是标准比较测量的标准不是标准白板和空气白板和空气, ,而是经过精而是经过精确定标的已知光谱分布的标准光源。常用的标准光源确定标的已知光谱分布的标准光源。常用的标准光源有黑体、钨带灯、钨丝灯等。有黑体、钨带灯、钨丝灯等。2021/3/1733测量原理测量原理: 光谱辐射计一般由入射部分、单色仪、光度计光谱辐射计一般由入射部分、单色仪、光度计量部分、输出装置等组成。量部分、输出装置等组成。 入射部分入射部分将标准光源和待测光源发出的光交替将标准光源和待测光源发出的光交替送进单色仪。测光谱辐亮度时送进单色仪。测光谱辐亮度时,要将选定的光源发光要将选定的光源发光部位成像在单色仪的入

44、射缝上。测光谱辐照度时部位成像在单色仪的入射缝上。测光谱辐照度时,光光源先照射在标准源先照射在标准白板或散光器白板或散光器上上,而后送进单色仪。而后送进单色仪。因此光谱辐射计为适应测因此光谱辐射计为适应测辐亮度辐亮度和和辐照度辐照度两种用途两种用途而有不同的入射部分。而有不同的入射部分。 光度计量部分光度计量部分用来测量光能大小用来测量光能大小,标准灯与待测标准灯与待测灯由同一单光路进行灯由同一单光路进行,比分光测色计简单比分光测色计简单,仪器的双光仪器的双光路部分则放在入射部分。路部分则放在入射部分。 单色仪单色仪和和输出装置输出装置在原理上与分光测色计相同。在原理上与分光测色计相同。202

45、1/3/1734分光测色仪器分光测色仪器1色度计色度计2光源颜色特性的测量光源颜色特性的测量3荧光材料的颜色测量荧光材料的颜色测量4下页下页白度的测量白度的测量52021/3/1735 荧光材料广泛应用于各种行业荧光材料广泛应用于各种行业,其颜色也用三刺其颜色也用三刺激值和色品坐标表示激值和色品坐标表示,可用分光光度计和色度计测量。可用分光光度计和色度计测量。荧光材料和自发光体不同处在于荧光材料和自发光体不同处在于:它只在其它光源照它只在其它光源照射下才有光发射。与一般物体的区别是射下才有光发射。与一般物体的区别是:不仅能反射不仅能反射一部分照射光的光谱成分一部分照射光的光谱成分,而且在照明光

46、的激发下能而且在照明光的激发下能发射一定成分光谱的辐射发射一定成分光谱的辐射,而这些光谱成分在照明光而这些光谱成分在照明光束中可能不存在束中可能不存在,所以荧光材料的颜色决定于它反射所以荧光材料的颜色决定于它反射和发射光谱的总和和发射光谱的总和,其中发射光谱往往起主要作用。其中发射光谱往往起主要作用。荧光材料测量一般有两种测量方法。荧光材料测量一般有两种测量方法。v单色光激发测量法单色光激发测量法v复合光照射测量法复合光照射测量法2021/3/1736测量原理测量原理: 通过通过激发单色仪激发单色仪给样品以波长为给样品以波长为 的单色光照射的单色光照射,用用分析单色仪测量分析单色仪测量可见波段

47、各波长可见波段各波长 辐亮度因数辐亮度因数 ( , )。对于不同的入射波长对于不同的入射波长 都可测得相应的辐亮度因数都可测得相应的辐亮度因数 ( , ),排列出数据矩阵。排列出数据矩阵。 图10-14 单色光激发测量法表10-1 荧光测量的辐亮度因数(, )2021/3/1737( )( )( )( )XxYKRyZz770300)(),()(SR 根据根据Stokes定律定律,发射波长一定长于激发波长发射波长一定长于激发波长,这可这可说明表中对角线右上角为说明表中对角线右上角为0的现象。利用的现象。利用矩阵矩阵可计算在已可计算在已知光谱分布的光源照射下知光谱分布的光源照射下,荧光材料的颜色

48、特性。为此需荧光材料的颜色特性。为此需要计算当入射辐射光谱分布为要计算当入射辐射光谱分布为S()时时,荧光材料在波长荧光材料在波长的的反射和发射的相对光谱分布反射和发射的相对光谱分布R() 荧光材料的三刺激值为荧光材料的三刺激值为该方法原则上是一完善方法该方法原则上是一完善方法, ,但确定矩阵相当麻但确定矩阵相当麻烦烦, ,实际应用受限。实际应用受限。2021/3/1738测量原理测量原理: 复合光照射测量法的激发光源由复合光源直接照复合光照射测量法的激发光源由复合光源直接照明明, 可直接测出荧光材料在测试所用光源照射下的特性可直接测出荧光材料在测试所用光源照射下的特性,测得物体的测得物体的光

49、谱辐亮度因数光谱辐亮度因数 ( ),从而计算出从而计算出三刺激值三刺激值。但计算结果只局限于这种特定光源照射下的客观效果但计算结果只局限于这种特定光源照射下的客观效果,无法推算另一光源下此荧光材料的颜色特性。无法推算另一光源下此荧光材料的颜色特性。图10-15 复合光照射测量法原理图图10-16 D65和A光源照射下的荧光光谱2021/3/1739分光测色仪器分光测色仪器1色度计色度计2光源颜色特性的测量光源颜色特性的测量3荧光材料的颜色测量荧光材料的颜色测量43结束结束下页下页白度的测量白度的测量52021/3/1740 白色是人们生活中最喜爱和最常见的一种颜色白色是人们生活中最喜爱和最常见

50、的一种颜色, 白色又白色又常是衡量工农业产品质量好坏的一种标志。在建材、轻工、常是衡量工农业产品质量好坏的一种标志。在建材、轻工、纺织、造纸等工业部门纺织、造纸等工业部门,白色程度的评价白色程度的评价是广泛遇到的问题。是广泛遇到的问题。 一般来说一般来说,当物体表面对可见光谱内所有波长的反射比当物体表面对可见光谱内所有波长的反射比都在都在80%以上以上,可认为物体表面为可认为物体表面为白色白色。有些专家用三刺激。有些专家用三刺激值值Y(即即光反射比光反射比)和和色度纯度色度纯度(Pc)来表征白色。来表征白色。伯杰和麦克伯杰和麦克亚当认为亚当认为:当样品表面当样品表面Y70,Pc10%时可当作白

51、色时可当作白色;格鲁姆格鲁姆(Grum)等认为等认为物质表面的物质表面的Pc在在012%且具有高反射比时可且具有高反射比时可看作为白色。这些颜色位于色空间中相当狭窄的范围内。看作为白色。这些颜色位于色空间中相当狭窄的范围内。 虽然白色与其它颜色一样可用光反射比虽然白色与其它颜色一样可用光反射比Y、纯度、纯度Pc和主和主波长三维量来表示。但是人们常用白度波长三维量来表示。但是人们常用白度(W)这个一维量来表这个一维量来表示白的程度示白的程度,将光反射比将光反射比Y、纯度、纯度Pc和主波长不同的白色样和主波长不同的白色样品根据白度排成一维等级来定量地评价物体的白色程度。品根据白度排成一维等级来定量

52、地评价物体的白色程度。2021/3/1741A单波段白度公式单波段白度公式 用一个光谱区的反射比来表示白度公式用一个光谱区的反射比来表示白度公式,主要有主要有WG （1）WB （2） 式中式中, W表示白度表示白度;G表示绿光反射比表示绿光反射比;B表示蓝光反射表示蓝光反射比。比。(1)式表示用绿光的反射比表示样品的白度式表示用绿光的反射比表示样品的白度,(2)式式表示用蓝光的反射比表示样品的白度表示用蓝光的反射比表示样品的白度,也称为也称为TAPPL公式。公式。 国际标准化组织（国际标准化组织（ISO）在造纸工业中采用主波）在造纸工业中采用主波长为长为4570.5nm,半峰宽度为半峰宽度为44nm的蓝光测定样品的的蓝光测定样品的反射比反射比,即即WR457,造纸工业用它来评价纸张的白度造纸工业用它来评价纸张的白度,称为称为ISO白度白度。2021/3/1742B多波段白度公式多波段白度公式 以特定波长区域的反射比及其系数来反映样品的白色程度。常用的公式有: Taube公式: W4B3G 黄度指数: W=(A-B)/G A,G,B对应于红、绿、蓝区的反射比,与三刺激的关系为当已知样品的三刺激值当已知样品的三刺激值,可确定