強光探照燈光譜儀的工作原理及顏色測量方法

2020-12-03 強光探照燈

強光探照燈顏色測量的方法分為目視測量與儀器測量兩大類,其中儀器測量包括分光光度法和光電積分法即三刺激值法兩種。目視測色方法是一種較為古老的測量方法,其通過人眼的觀察對顏色樣品與標準顏色之間的差別進行直接的視覺比較,有著很大的主觀性。隨著儀器科學的發展,在顏色測量領域,這種測量方法已基本被客觀的儀器視覺測量方法所取代。

分光光度測色法主要是測量物體反射的光譜分布或者物體本身的光譜光度特性,然後基於這些光譜數據計算求得物體在各種標準光源和標準照明體照明下的三刺激值。這種測量方法是客觀的,具有較高的精度。目前隨著光譜儀器的發展,在此類顏色測量中可以使用光譜儀替代複雜的分光光度儀器系統,且同樣能夠保證較高的精度。

由此可知,顏色測量對於微型光纖光譜儀系統而言,也是非常重要的應用領域。若使用微型化的光譜儀,那麼可以在保證較高測量精度的同時,大大簡化傳統的基於大型分光光度計或大型光譜儀的此類系統的結構,降低了顏色測量對測量硬體的要求,且提高了測量靈活度,有利於滿足其在工業生產和科研教育領域日益增長的需求。此外,光電積分法是通過把光電探測器的光譜響應匹配成所要求的CIE標準色度觀察者光譜三刺激值曲線,或某一特定的光譜響應函數,從而對探測器所接收到的來自被測顏色的光譜能量進行積分測量。此類儀器測量速度快,但測量精度較分光光度測色法低。

以下分別介紹顏色測量部分參數的意義及測量原理。

(1)CIE1931RGB色度系統

在1931年,國際照明協會(CIE)綜合了萊特(W.D.Wright)和吉爾德(J.Guild)各自的配色實驗,將三原色定義為紅(700nm)、綠(546.1nm)和藍(435.8nm),並取其實驗結果的平均值,制定出了匹配等能光譜色的RGB三刺激值,並正式推薦了CIE1931RGB系統標準色度觀察者光譜三刺激值,由此被稱為CIE1931RGB色度系統。在該系統下,任何一種顏色都可以用上述線性無關的三原色以適當的比例相加混合得到。

(2)CIE1931 XYZ色度空間坐標

由於CIE1931 RGB色度系統計算顏色的三刺激值時會出現負數,給數據處理帶來了很大的不便,所以CIE又推出了CIE1931 XYZ色度系統。

在獲得各光譜波長的色品坐標的基礎上,將各波長譜線的坐標點連接起來就形成了CIE1931 XYZ系統色品圖。當前顏色測量時基本都採用CIE1931的xy色品坐標值來表示光源的顏色。

(3)色溫及相關色溫

色溫及相關色溫用於描述輻射源的光色,是評價光源顏色特性的技術參數之一。當輻射源在溫度T時所所呈現的顏色與黑體在某一溫度Tc時的顏色相同時,則將黑體的溫度Tc稱為該輻射源的顏色溫度,簡稱為色溫。

對於一些熱輻射源如白熾燈,其光譜分布與黑體比較接近,所以色品坐標點基本處於黑體軌跡上。但是對於白熾燈以外的一些常用輻射源,其光譜分布與黑體相差較遠,所以它們在溫度T時的光譜功率分布所決定的色坐標不一定落在色品圖的黑體溫度軌跡上,而在其附近。

為解決該問題,規定當輻射源的顏色與黑體在某一溫度下的顏色最接近時,或者說二者在色品圖上的坐標點相距最小時,就用該黑體溫度來表示此輻射源的色溫,此時其被稱為該輻射源的相關色溫。同時,為了確定輻射源的相關色溫,可將色品圖上的黑體軌跡分成許多等色溫線,以便於確定輻射源的相關色溫,平時我們講的色溫一般都指相對色溫。色溫的測量可以採用查表法或者公式法來計算確定。

(4)顯色指數

由物體顏色三刺激值的計算方法可知,物體的顏色不僅與物體本身的特性,如反射比、透射比、光譜輻亮度係數等有關,還與照明光源的顏色特性有很大關係。顯色性反映了光源對物體的顯色能力的好壞,目前定義光源顯色性的普遍方法是計算顯色指數,其也是衡量光源顏色特性的重要參數。

CIE光源顯色性評價方法把在待測光源下物體色外貌和在參照照明體下物體色外貌的一致程度進行定量化,並稱之為顯色指數,並且提出把普朗克輻射體作為評價色溫在5000K以下的低色溫光源的參照標準,認為黑體的顯色指數為100;把標準照明體D作為評價色溫在5000K以上的高色溫光源顯色性的參照標準。光源的光譜功率分布決定了光源的顯色性。光源的色溫和顯色性之間沒有必然聯繫,具有不同光譜功率分布的光源可能有相同的色溫,但顯色性可能差很多。顯色指數的計算方法比較複雜,可以參考相關標準計算。

(5)其他顏色參數

顏色相關的參數除以上幾個以外,還包括波長、色純度、色容差等一系列顏色相關參數,其測量及計算方法可以參考「色度學」的相關內容。

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