分光测色仪的模块化设计与研究

张爱国，王少水，吕子敬，宁 欣

（1.中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛 266000；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛 266000）

测量颜色的仪器统称为测色仪，可分为滤光片式和分光式。其中分光测色仪是利用分光原理测出物体的光谱分布，经过计算求出物体色的三刺激值及其他色度参数，测量精度高，如今已经成为颜色测量应用当中最为广泛的仪器。国内颜色相关产业单位使用的分光测色仪产品以进口为主，主要厂商包括日本柯尼卡、美国爱色丽和德国德塔等。为了打破这种受制于人的窘境，提升我国在颜色测量领域的话语权，本研究采用国产化设计方案实现了双光路分光测色仪的设计和研发。

1 系统方案设计

人观察物体颜色时需要具备三要素，即物体、光源和人眼。自身不发光的物体把来自光源的光吸收掉一部分，并将其余的光反射出去。反射光进入人眼会刺激视网膜的视觉细胞，从而产生颜色的感知。鉴于此，利用分光测色仪进行颜色测量时，需要配置光源、光谱探测系统和软件处理系统，其中：光源用于照射被测物体，使物体表面发生吸收和反射现象；光谱探测系统用于收集物体表面反射的光信号；软件处理系统用于信号处理，通过数据计算得到颜色相关的参数。

本文设计的分光测色仪根据颜色测量的原理，采用模块化设计，主要包括积分球照明系统、光谱探测系统、光学支架、硬件电路板和软件系统等，如图1所示。

图1 基于模块化的分光测色仪仿真

1.1 积分球照明系统

本文选用漫反射照明、8°接收的方式，该方案不受吸收阱差异的影响，接收一致性更好，对样品表面结果也不敏感。本文设计的照明系统由LED和积分球组成，LED作为发光源，由积分球匀光后形成漫射光照明样品，在与样品法线成8°的方向上进行测试。积分球采用异构结构，设置多个窗口，分别用于样品放置、光源入射、测试通道和SCI/SCE模式切换等。积分球的壳体采用ABS塑料材质，内壁喷涂聚四氟乙烯，该部件由杭州彩谱加工制作。

CIE推荐的标准照明体有A、B、C、D和E，其中A和D65是CIE推荐优先采用的。D65是CIE目前优先推荐使用的标准照明体，有更接近日光的紫外光谱成分。实现D65的光源尚未标准化，常用高压氙灯加滤光器来模拟D65的光谱功率分布。国内氙灯的研制技术尚未成熟，为此本文采用LED为光源，通过多通道LED光谱匹配技术模拟D65照明体。光源选用广州巨宏的COB集成白光LED和深圳超自然的单波长LED进行光谱拟合，最终的光谱匹配曲线如图2所示，通过增加单波长LED的波段可优化光谱曲线可进一步提升关顾匹配精度，鉴于光源光谱曲线并不影响样品反射率测试结果，无须刻意追求匹配精度。

图2 LED光源光谱曲线

物体的反射光通常包括镜面反射和漫反射2部分，由于光源照射产生从相同角度不同方向反射回来的光线称之为镜面反射光，反之从各个角度反射回来的光称之为漫射光。本文设计的分光测色仪具有排除镜面反射（Specular Component Excluded，SCE）和包含镜面反射（Specular Component Included，SCI）2种测量模式。

1.2 光谱探测系统

传统的光谱分析仪采用单元探测器作为光电转换单元，配以波长扫描机构实现波长扫描，结构复杂且体积大；随着线阵CCD在光谱探测领域的应用，采用反射镜、平面光栅的Czerny-Turner结构光谱仪得到了广泛的应用。本文设计的光谱探测系统采用凹面光栅作为分光和聚焦的光学元件，进一步压缩光谱仪的尺寸，三维设计如图3所示。

图3 光谱分析仪三维设计图

为保证设计系统的整体具备完全的自主可控，选用中国电科44所的GL7160Z型高灵敏紫外增强线阵CCD，光谱响应范围165～900 nm，光敏区像元数3 072（H）×1（V），动态范围10 000∶1。在完成探测器选型基础上，根据光谱分辨率需求及探测器靶面尺寸，综合考虑光栅角色散能力、系统体积大小等因素，确定光栅选用凹面光栅，线对个数为580 g/mm；光学狭缝宽度选定为50 μm。凹面光栅和光学狭缝选用合肥赛洛测控的产品。

本文设计的分光测色仪采用双光路探测系统，一路用于样品反射光谱测试，一路用于积分球照明系统的光源稳定性监测。光谱分析仪通过光纤收集光信号，内部结构如图4所示，光纤接头采用SM905标准件，通过4个孔位定位安装在光纤接头与狭缝的安装坐上；狭缝采用拼接狭缝，将狭缝的2片分别固定于安装座的另外一面，由此实现对光纤座及狭缝的固定。

图4 光谱分析仪实物图

1.3 硬件电路

硬件电路同样采用模块化设计，根据功能划分为主控板、CCD驱动及数据采集板、LED光源驱动板、孔径识别板和电机驱动电路板等构成，核心电子元器件选用深圳艾普信SIT3232系列、兆易创新GD32F系列、圣邦微电子SGM系列、深圳芯海SLM系列和深圳霍尔微SOT-23-3L系列等元器件。各电路板之间的关系与所用核心器件如图5所示。

图5 电路关系图

主控板实现各模块之间、主机和外部程控电脑之间的通信，数据计算及分析等功能；步进电机驱动板实现SCI/SCE模式切换；LED驱动电路实现大阵列LED和单颗LED光源的驱动和控制；孔径识别电路将自动识别测试样品口的测试孔径。

1.4 软件设计

本文设计开发的分光测色仪软件基于Linux操作系统和跨平台开发工具QT，软件主体采用C++开发，部分模块使用JavaScript开发，配合其他第三方库编写的一套满足光源选择、数据采集与数据分析的图形界面程序。软件由驱动程序、控制软件及相应数据文件构成，负责控制分光测色仪主机，软件总体方案如图6所示。

图6 分光测色仪软件总体方案框图

用户通过点击软件界面中的光源控制设置控件，控制光源驱动电路实现光源模式选择，并实现设备的连接以及软件的初始化；软件完成初始化后，用户通过界面中测试参数设置控件设置测试参数，完成测量模式的选择，包括仪器的测量模式、数据参数和系统参数进行配置。

本文设计的分光测色仪主要完成待测物体光谱反射率的获取，并通过公式计算得到D65照明、10°标准观察者条件下的三刺激值X10Y10Z10、x10y10z10、L*a*b*等色度参数。

2 分光测色仪系统集成

根据本文设计的光学系统、硬件电路和软件系统，进行了各模块的加工，最终完成了分光测色仪的集成及装调，实物如图7所示。各模块通过螺钉固定在铝合金的基板上，两路光谱探测系统分别利用光纤收集光信号。

图7 分光测色仪实物图

3 性能测试

分光测色仪的测试包括2部分：光谱特性和色度参数。其中光谱特性测试采用汞氩灯作为标准源，测试参数包括波长范围、波长准确度、波长步进间隔、波长步进间隔、光谱带宽；色度参数测试采用标准漫反射板（送中国计量院检定）作为标准色板，测试参数包括色坐标、CIELAB色差重复性。测试结果见表1。

4 结论

本文主要针对国内分光测色仪研制受制于人的现状，设计并开发了一套国产化自主可控的分光测色仪产品。产品采用模块化设计方案，分为积分球照明系统、光谱探测系统、硬件电路和软件系统等部分，核心光学元器件和电子元器件均采用国产化方案，实现自主可控。将校准后的产品指标基本达到部分优于进口产品指标，为国内分光测色仪的国产化研制奠定了坚定的基础。