微型光纖光譜儀在顏色測量中的應用

　    摘要：傳統的光譜儀引文其高昂的價格，并沒有被普遍使用起來，雖然它在顏色測量等領域用途很廣泛。現在，由荷蘭公司生產的一款光譜儀，物廉價美，廣泛投入到工業使用中，本文針對這款產品在顏色測量中的應用做一個分析。　

光譜學是測量紫外、可見、近紅外、紅外波段光強度的一種技術。光譜測量的應用范圍非常廣泛，如顏色測量、化學成份的濃度測量、發光輻射分析等。
　　
　　傳統的光譜儀由于體積龐大、價格昂貴，從而限制了它們的工業在線應用，只能用于實驗室檢測。荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀采用光纖作為信號采集裝置，使測量不受地點、環境和距離等因素的制約；而且體積減小到手掌般大小，成本也大大降低；此外，它的測量速度非常快、測量精度高。這些特點使得它可以用于工業在線分析，從而大大擴展了光譜儀的應用領域。
　　
　　顏色測量背景知識
　　
　　物體的顏色可以由CIE1976（L*a*b*）顏色空間來表述。L*代表顏色的亮度。正a*值代表紅色，負a*值代表綠色。與此相似，正b*值代表黃色，負b*值代表藍色。L*a*b*值可由樣品（物體）的CIE三刺激值X，Y，Z和標準光源的三刺激值Xn,Yn,Zn推導得到。
　　
　　標準光源的三刺激值Xn,Yn,Zn是常數，只與所選擇的標準光源類型有關。　　　　
　　物體顏色的CIE三刺激值X，Y，Z是把標準光源的相對功率P、物體的反射率R（或透射率T）和CIE標準觀測函數xλ,yλ,zλ（2度或10度角）相乘得到。把所得到的值在可見光范圍內（從380到780nm，5nm步長）對波長進行積分就可得到三刺激值。
　　
　　色度坐標x,y,z可通過把三刺激值X，Y，Z分別與它們的和相除得到：　　
　　另一個常用的表述顏色參數a*和b*的方法是用色調角（h*）和色度（C*）。
　　
　　色調角的測量是從紅色方向（+a*）h*=0開始，沿逆時針增加：　　
　　色度被定義為從點a*=b*=0到采樣點的線段長度：　　
　　常用的描述色差的參數△ELab，被定義為：　　
　　其中，△L*，△a*，△b*表示參考顏色與實際測量的L*a*b*值之差。
　　
　　顏色測量儀器
　　
　　Avantes公司可以為用戶提供兩款用于顏色測量的微型光譜儀系統。
　　
　　多用途顏色測量光譜儀——AvaSpec2048
　　
　　AvaSpec2048是一款操作簡單，測量精度高，中等價位的微型光纖光譜儀。它采用對稱式CzernyTurner光學平臺設計，信號光由一個標準的SMA905接口進入光學平臺，經一個球面鏡準直，然后由一塊平面光柵分光，經由第二塊球面鏡聚焦到2048個像素的CCD陣列上。　　　　
　　AvaSpec2048的主要特點
　　
　　●響應速度快，靈敏度高。
　　
　　●分辨率高，測量準確。
　　
　　●熱穩定性好，溫飄系數為0.1像元/℃。
　　
　　AvaSpec2048顏色測量系統包括AvaSpec2048光譜儀、AvaLightHAL鹵素燈、標準反射探頭、白色參考瓦和AvaSoftColor顏色測量軟件（需和AvaSoftFull全功能軟件一起訂購）。光纖的方便靈活性使得它可以遠距離測量任何形狀物體表面顏色，克服了目前市場上的色差儀和分光測色儀的缺陷。
　　
　　此外，該系統還可以進行吸收率、反射率測量、輻射發光測量等（可能需要選購其它附件），實現一機多用。
　　
　　鼠標式顏色測量光譜儀——AvaMouse針對平面物體顏色測量，Avantes公司專門開發了一種低價位鼠標式光譜儀AvaMouse。它由一個內置氙燈（每秒閃光35次）、集成光電二極管陣列和微型光學平臺組成，通過RS232接口或USB接口與計算機連接。
　　
　　AvaMouse的主要特點
　　
　　●專為快速顏色測量而設計——可用于涂料、汽車
　　
　　噴漆、油墨、塑料、紡織、印刷、紙業等行業的實驗室和生產車間。
　　
　　●輕巧、耐用的便攜式設計——機身如同鼠標一般大，重量輕，操作靈活。
　　
　　●采用0/45°設計——可以用于測量高光澤度的物體顏色。
　　
　　●與Mix2Match顏色配比軟件配合使用，可以進行電腦配色。
　　
　　顏色測量軟件
　　
　　無論使用哪種光譜儀測量顏色，都需要AvaSoftFull全功能軟件和AvaSoftColor顏色測量應用軟件。Avantes公司還提供AS161DLL和ColarDLL二次開發軟件和Mix2Match顏色配比軟件，供廣大工業用戶使用。
　　
　　AvaSoftFull全功能軟件界面友好，操作簡單，功能全面，用戶可以在對話框中設置數據采集的參數（如探測器積分時間，自動校正暗背景，信號平均，樣條插值和光譜平滑），同時軟件還有自動校準波長、校準漂移和周期性自動存儲光譜等功能。
　　
　　AvaSoftColor顏色測量應用軟件是為用光譜儀系統進行在線顏色測量而開發的。它可用于反射式顏色測量，AvaSoft顏色測量應用軟件可以計算CIE1976L*a*b*顏色參數，也可以計算其它常用的參數如色調（Hue），色度（Chroma）和X，Y，Z值等。
　　
　　這些參數可以用一個CIELAB表（如圖4）顯示，也可以同時監測多至8個顏色參數）隨時間變化（如圖5）。還可以把在線測量到的L*a*b*值保存到數據庫中，然后再把數據庫中的一個產品顏色作為參考色。通過比較測量得到的L*a*b*值和參考色，就可以得到色差（△Elab,△L*,△a*,△b*）。　　　　　　
　　通過采用發射測色法還可以測量光源的顏色（如LED）。這種測量需要一個輻射光譜來計算顏色參數x，y和z。通過AvaSoftIrrad輻射測量應用軟件，可以進行比相對輻射測量模式（假設一個已知色溫的理想黑體光源）更準確的輻射測量。基于上面的原因，輻射顏色計算或“光顏色”計算是輻射測量應用軟件的功能之一。
　　
　　對于油墨、涂料生產商，印染廠、印刷廠或別的需要電腦配色的行業，Avantes公司提供了Mix2Match顏色混合及匹配軟件。它的主要功能是創建一個新顏色與數據庫中的已知顏色進行比對并進行校正，也可以創建一個新顏色來與著色文件中的顏色進行比對。
　　
　　Mix2Match軟件進行顏色匹配的步驟：
　　
　　1．測量原始顏色
　　
　　2．計算機生成適當的混色配方
　　
　　3．把產生的樣品顏色與原始顏色進行比較
　　
　　4．使用改進程序優化混色配方
　　
　　綜上所述，AvaSpec2048和AvaMouse便攜式微型光譜儀得出現必將給顏色測量領域帶來新的選擇，使工業在線顏色測量成為可能。