分光測色儀的模塊化設計與研究

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.中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東 青島 266000）

測量顏色的儀器統稱為測色儀，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，經過計算求出物體色的三刺激值及其他色度參數，測量精度高，如今已經成為顏色測量應用當中最為廣泛的儀器。國內顏色相關產業單位使用的分光測色儀產品以進口為主，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域的話語權，本研究采用國產化設計方案實現了雙光路分光測色儀的設計和研發。

1 系統方案設計

人觀察物體顏色時需要具備三要素，即物體、光源和人眼。自身不發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。反射光進入人眼會刺激視網膜的視覺細胞，從而產生顏色的感知。鑒于此，利用分光測色儀進行顏色測量時，需要配置光源、光譜探測系統和軟件處理系統，其中：光源用于照射被測物體，使物體表面發生吸收和反射現象；光譜探測系統用于收集物體表面反射的光信號；軟件處理系統用于信號處理，通過數據計算得到顏色相關的參數。

本文設計的分光測色儀根據顏色測量的原理，采用模塊化設計，主要包括積分球照明系統、光譜探測系統、光學支架、硬件電路板和軟件系統等，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

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，對樣品表面結果也不敏感。本文設計的照明系統由LED和積分球組成，LED作為發光源，由積分球勻光后形成漫射光照明樣品，在與樣品法線成8°的方向上進行測試。積分球采用異構結構，設置多個窗口，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，內壁噴涂聚四氟乙烯，該部件由杭州彩譜加工制作。

CIE推薦的標準照明體有A、B、C、D和E，其中A和D65是CIE推薦優先采用的。D65是CIE目前優先推薦使用的標準照明體，有更接近日光的紫外光譜成分。實現D65的光源尚未標準化，常用高壓氙燈加濾光器來模擬D65的光譜功率分布。國內氙燈的研制技術尚未成熟，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的波段可優化光譜曲線可進一步提升關顧匹配精度，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，反之從各個角度反射回來的光稱之為漫射光。本文設計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

傳統的光譜分析儀采用單元探測器作為光電轉換單元，配以波長掃描機構實現波長掃描，結構復雜且體積大；隨著線陣CCD在光譜探測領域的應用，采用反射鏡、平面光柵的Czerny-Turner結構光譜儀得到了廣泛的應用。本文設計的光譜探測系統采用凹面光柵作為分光和聚焦的光學元件，進一步壓縮光譜儀的尺寸，三維設計如圖3所示。

圖3 光譜分析儀三維設計圖

為保證設計系統的整體具備完全的自主可控，選用中國電科44所的GL7160Z型高靈敏紫外增強線陣CCD，光譜響應范圍165～900 nm，光敏區像元數3 072（H）×1（V），動態范圍10 000∶1。在完成探測器選型基礎上，根據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、系統體積大小等因素，確定光柵選用凹面光柵，線對個數為580 g/mm；光學狹縫寬度選定為50 μm。凹面光柵和光學狹縫選用合肥賽洛測控的產品。

本文設計的分光測色儀采用雙光路探測系統，一路用于樣品反射光譜測試，一路用于積分球照明系統的光源穩定性監測。光譜分析儀通過光纖收集光信號，內部結構如圖4所示，光纖接頭采用SM905標準件，通過4個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，由此實現對光纖座及狹縫的固定。

圖4 光譜分析儀實物圖

1.3 硬件電路

硬件電路同樣采用模塊化設計，根據功能劃分為主控板、CCD驅動及數據采集板、LED光源驅動板、孔徑識別板和電機驅動電路板等構成，核心電子元器件選用深圳艾普信SIT3232系列、兆易創新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。各電路板之間的關系與所用核心器件如圖5所示。

圖5 電路關系圖

主控板實現各模塊之間、主機和外部程控電腦之間的通信，數據計算及分析等功能；步進電機驅動板實現SCI/SCE模式切換；LED驅動電路實現大陣列LED和單顆LED光源的驅動和控制；孔徑識別電路將自動識別測試樣品口的測試孔徑。

1.4 軟件設計

本文設計開發的分光測色儀軟件基于Linux操作系統和跨平臺開發工具QT，軟件主體采用C++開發，部分模塊使用JavaScript開發，配合其他第三方庫編寫的一套滿足光源選擇、數據采集與數據分析的圖形界面程序。軟件由驅動程序、控制軟件及相應數據文件構成，負責控制分光測色儀主機，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

用戶通過點擊軟件界面中的光源控制設置控件，控制光源驅動電路實現光源模式選擇，并實現設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設置控件設置測試參數，完成測量模式的選擇，包括儀器的測量模式、數據參數和系統參數進行配置。

本文設計的分光測色儀主要完成待測物體光譜反射率的獲取，并通過公式計算得到D65照明、10°標準觀察者條件下的三刺激值X10Y10Z10、x10y10z10、L*a*b*等色度參數。

2 分光測色儀系統集成

根據本文設計的光學系統、硬件電路和軟件系統，進行了各模塊的加工，最終完成了分光測色儀的集成及裝調，實物如圖7所示。各模塊通過螺釘固定在鋁合金的基板上，兩路光譜探測系統分別利用光纖收集光信號。

圖7 分光測色儀實物圖

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。其中光譜特性測試采用汞氬燈作為標準源，測試參數包括波長范圍、波長準確度、波長步進間隔、波長步進間隔、光譜帶寬；色度參數測試采用標準漫反射板（送中國計量院檢定）作為標準色板，測試參數包括色坐標、CIELAB色差重復性。測試結果見表1。

4 結論

本文主要針對國內分光測色儀研制受制于人的現狀，設計并開發了一套國產化自主可控的分光測色儀產品。產品采用模塊化設計方案，分為積分球照明系統、光譜探測系統、硬件電路和軟件系統等部分，核心光學元器件和電子元器件均采用國產化方案，實現自主可控。將校準后的產品指標基本達到部分優于進口產品指標，為國內分光測色儀的國產化研制奠定了堅定的基礎。