分光測色儀的設計研究
摘 要: 介紹了測色分光光度計的基本要求和特點; 簡要說明了測色分光光度計軟件系統的基本組成和要求 ;分析了波長范圍對色度計算精度的影響 ;并對色度計量中標準白板的要求做了介紹。
測色分光光度計與分析用的分光光度計都用于測 量物體的光譜透射比或光譜反射比 ,因此有許多共同 之處。 事實上測色分光光度計就是由分析用的分光光 度計發展而來的。但是兩種分光光度計的用途不同 ,所 以測色分光光度**有自己的特點與其用途相適應。 2 照明和觀測條件 **大多數的待測物體不是完全的漫反射體 ,因而 照明和觀測條件對于光譜反射率因數測量的**度和 實測結果產生影響 ,為了提高測量精度和統一測量方 法 , CIE于 1971年正式推薦四種測色的標準照明和觀 測條件: o /d、 d /o、 o /45和 45 /o,任何儀器都**滿足 其中的一種。 3 分光測色用光源 測量物體表面的顏色 ,**在一定的光源下進行。 為了統一顏色的標準 , CIE規定了測色的標準照明體 和標準光源。 CIE對“照明體”和“光源”加以區分: “光 源”是指能發光的物理輻射體 ,“照明體”是指特定的光 譜功率分布 (以表格函數形式給出 ) ,這一光譜功率分 布不是**由一個光源直接提供 ,也不一定能用光源 來實現。 CIE推薦的標準照明體有 A、 B、 C、 D、 E。 4 分光測色波長范圍的選定 在 CIE出版物 No15. 2 ( 1986)推薦的三刺激值計算公式中 ,求和的波長范圍為 360～ 830 nm,波長間隔
為 1 nm。要求得準確的三刺激值就應按照上述要求進行。 但目前市場上許多測色分光光度計的測量范圍僅
為 400～ 700 nm。 由于兩端波長范圍的截去就會帶來三刺激值的計算誤差 , 在 CIE出版物中指出: 從實際
目的出發 ,波長范圍可取 380～ 780 nm; 如果波長范圍小于 380～ 780 nm,將會導致誤差。 我們研制的 SP-1000分光測色儀 ,按兩種波長范圍測試結果如下:
計算表明: ( 1) 波長范圍取為 380～ 780 nm 時計算三刺激值引起的**大誤差也是很小的 ,而且這些誤差主要來自短波截去的影響。( 2) 波長范圍取為 400～ 700 nm 時 ,有可能造成較大的誤差; 短波截去對 Z 值影響**大 ,對 Y 值影響很小; 長波截去對 X 值影響**大 ,對 Z 值沒有影響。 因此 ,測色分光光度計的波長范圍取為 380～ 780 nm較為適宜。
熒光材料的顏色特性也是用三刺激值和色品坐標表示的。 熒光材料不僅能反射一部分照射光的光譜成分 ,而且在照明光的激發下它能發射一定成分的光譜 , 所以熒光材料的顏色決定于它反射和發射光譜的總和 ,即
式中 UT (λ) 為波長λ處的總光譜輻亮度因數; US (λ) 為波長λ處反射輻亮度因數; UL (λ)為波長 L 處的熒光輻亮度因數。
熒光材料光譜特性的理想分析方法是雙單色儀法: 它通過激發單色儀給樣品以某一單色光照射 ,然后用分析單色儀來測量可見波段各波長 λ的輻射度因數。
許多熒光樣品在紫外光輻照下可以獲得**大程度的激發 ,因此測色用熒光分光光度計的波長范圍一般
為 300～ 780 nm。
5 色度計量中標準白板的應用
測色分光光度計是通過樣品反射或透射的光能量與在同樣條件下標準反射或透射的光能量進行比較而得到樣品的光譜反射因數 R 或光譜透射比 f的。透射標準是空氣 ,反射標準是完全反射漫射體 ,又稱朗伯表面?，F實中不存在這種理想概念的實物標準 ,但是可以應用物理技術來校準實物。我**色度的**家基準采用雙球法對色度基準白板進行了**測量 , 然后用光譜光度法將反射比量值傳遞到保持量值的副基準和工作基板組上 ,并通過傳遞標準白板向各省 (市 ) 計量部門或使用單位傳遞色度量值。樣品的光譜反射因數 R (λ) 可由下式計算
式中 Ro (λ) 為標準白板的光譜反射比; ro (λ) 為標準白板對應的光譜響應量值; r (λ) 為樣品對應的光譜響應量值; ko 為校正系數。
工作標準白板除了要求反射比高、中性好、不透光、表面平整均勻及漫射性盡量好外 ,更重要的是**具備: ( 1)光學穩定性好 ,長期重復使用量值不變。 ( 2)
(上接第 282頁 )
具有耐磨、抗震特性 ,在頻繁的日常使用中不致損壞工作表面。 ( 3)便于清潔。 滿足上述技術條件 ,常用作工作標準白板的材料有: 釉面陶瓷白板、拋光乳白玻璃、搪瓷白板等。
參比標準白板固定于雙光路測色儀的參比光束窗口處 ,其反射比量值不必知道 ,但要求反射比高、漫射性好、光譜選擇性小等特點。 主要用于儀器校準基線 , 以及在測量中消除諸如光源和探測器靈敏度不穩定 , 或光路不對稱等因素帶來的系統誤差。 BaSO4、 Ha Lo n 及 Mg O等壓制成的漫射白板可滿足參比標準白板的技術要求。
6 色度測量儀器的軟件系統
文件: 標準照明體 ,如常用的 A、 C、 D65、 CW F、 TL84等;
標準觀察者 ,如 CIE1931標準色度觀察者、 CIE1964
補充標準色度觀察者 ;標準白板參數以及儀器本身的校正數據等。各種顏色參數的計算公式 ,只要不是專用儀器 ,就應盡量齊全 ,以供用戶選擇。如三刺激值、色品坐標的計算; 多種色差的計算 , 如 CIELAB、 FM C-
Ⅱ 、 HUN T ER、 ANLAB ( P)、 JPC79、 CM C ( 1∶ 1)、
CM C ( 2∶ 1)等; 多種白度指數、黃度指數、沾色牢度、變色牢度等的計算。 具體數學模型可根據設計要求查閱有關文獻來實現。
測色分光光度計與分析用的分光光度計都用于測 量物體的光譜透射比或光譜反射比 ,因此有許多共同 之處。 事實上測色分光光度計就是由分析用的分光光 度計發展而來的。但是兩種分光光度計的用途不同 ,所 以測色分光光度**有自己的特點與其用途相適應。 2 照明和觀測條件 **大多數的待測物體不是完全的漫反射體 ,因而 照明和觀測條件對于光譜反射率因數測量的**度和 實測結果產生影響 ,為了提高測量精度和統一測量方 法 , CIE于 1971年正式推薦四種測色的標準照明和觀 測條件: o /d、 d /o、 o /45和 45 /o,任何儀器都**滿足 其中的一種。 3 分光測色用光源 測量物體表面的顏色 ,**在一定的光源下進行。 為了統一顏色的標準 , CIE規定了測色的標準照明體 和標準光源。 CIE對“照明體”和“光源”加以區分: “光 源”是指能發光的物理輻射體 ,“照明體”是指特定的光 譜功率分布 (以表格函數形式給出 ) ,這一光譜功率分 布不是**由一個光源直接提供 ,也不一定能用光源 來實現。 CIE推薦的標準照明體有 A、 B、 C、 D、 E。 4 分光測色波長范圍的選定 在 CIE出版物 No15. 2 ( 1986)推薦的三刺激值計算公式中 ,求和的波長范圍為 360～ 830 nm,波長間隔
為 1 nm。要求得準確的三刺激值就應按照上述要求進行。 但目前市場上許多測色分光光度計的測量范圍僅
為 400～ 700 nm。 由于兩端波長范圍的截去就會帶來三刺激值的計算誤差 , 在 CIE出版物中指出: 從實際
目的出發 ,波長范圍可取 380～ 780 nm; 如果波長范圍小于 380～ 780 nm,將會導致誤差。 我們研制的 SP-1000分光測色儀 ,按兩種波長范圍測試結果如下:
計算表明: ( 1) 波長范圍取為 380～ 780 nm 時計算三刺激值引起的**大誤差也是很小的 ,而且這些誤差主要來自短波截去的影響。( 2) 波長范圍取為 400～ 700 nm 時 ,有可能造成較大的誤差; 短波截去對 Z 值影響**大 ,對 Y 值影響很小; 長波截去對 X 值影響**大 ,對 Z 值沒有影響。 因此 ,測色分光光度計的波長范圍取為 380～ 780 nm較為適宜。
熒光材料的顏色特性也是用三刺激值和色品坐標表示的。 熒光材料不僅能反射一部分照射光的光譜成分 ,而且在照明光的激發下它能發射一定成分的光譜 , 所以熒光材料的顏色決定于它反射和發射光譜的總和 ,即
| UT (λ) = US (λ) + UL (λ) | ( 7) |
式中 UT (λ) 為波長λ處的總光譜輻亮度因數; US (λ) 為波長λ處反射輻亮度因數; UL (λ)為波長 L 處的熒光輻亮度因數。
熒光材料光譜特性的理想分析方法是雙單色儀法: 它通過激發單色儀給樣品以某一單色光照射 ,然后用分析單色儀來測量可見波段各波長 λ的輻射度因數。
許多熒光樣品在紫外光輻照下可以獲得**大程度的激發 ,因此測色用熒光分光光度計的波長范圍一般
為 300～ 780 nm。
5 色度計量中標準白板的應用
測色分光光度計是通過樣品反射或透射的光能量與在同樣條件下標準反射或透射的光能量進行比較而得到樣品的光譜反射因數 R 或光譜透射比 f的。透射標準是空氣 ,反射標準是完全反射漫射體 ,又稱朗伯表面?，F實中不存在這種理想概念的實物標準 ,但是可以應用物理技術來校準實物。我**色度的**家基準采用雙球法對色度基準白板進行了**測量 , 然后用光譜光度法將反射比量值傳遞到保持量值的副基準和工作基板組上 ,并通過傳遞標準白板向各省 (市 ) 計量部門或使用單位傳遞色度量值。樣品的光譜反射因數 R (λ) 可由下式計算
| R (λ) = | Ro (λ) | * r (λ) = ko r (λ) | ( 8) |
| r (λ) | |||
| o | |||
式中 Ro (λ) 為標準白板的光譜反射比; ro (λ) 為標準白板對應的光譜響應量值; r (λ) 為樣品對應的光譜響應量值; ko 為校正系數。
工作標準白板除了要求反射比高、中性好、不透光、表面平整均勻及漫射性盡量好外 ,更重要的是**具備: ( 1)光學穩定性好 ,長期重復使用量值不變。 ( 2)
處理是體全息存儲的重要應用**域。
事實上 ,有一些應用對容量、數傳率和存取速率有特別的要求 ,而如今還沒有可滿足這些要求的設備。 體全息存儲具有滿足這些要求的潛力 ,并行通道探測陣列再加上大數據頁面能達到很高的數據讀出率 ,并且相位編碼參考光復用方案能快速訪問大型數據庫 ,因而在存儲體系中占據重要地位。
**初體全息存儲主要應用于大型圖書館以長期保存文本、視頻和聲頻數據。 隨著數據采掘的興起 ,人們的興趣已由大型的數據倉庫向發現數據間的聯系以輔助決策或精細化商業程序方向發展。體全息存儲因具有內容尋址的能力而在這一應用**域有很大的吸引力。
3 結束語
( 1) 任何新的存儲技術都**同市場上已經成熟的技術進行競爭。例如 ,磁盤存儲現在是 0. 03美元 /M B[16]。如果體全息存儲不夠便宜 ,就不會有市場 ,用戶不會為了性能上的微小改善而付出額外的費用。 存儲容量要超過 300G B,體全息存儲才能在硬件和價格上同磁存儲競爭 ,而這大約需要 3000美元 , 這顯然大大超出了普通 PC機用戶所愿意承擔的存儲費用。 所以體全息存儲技術的發展目標不應是為取代現有的成熟技術 , 而是作為存儲體系的一個必要補充。
( 2) 體全息存儲技術盡管已經取得很大進展 ,然而離商品化還有距離。 對體全息存儲系統來說 ,要以較低的價格實現激光、空間光調制器和探測器陣列的對準 ,還是一個巨大的挑戰。
( 3) 尋找合適的存儲材料對體全息存儲來說仍是一個尚待解決的問題 ,**今還沒有一種材料同時具有性能、容量和價格的綜合優勢。
參考文獻:
1997 pos td eadline paper.
[14 ] Bacher G, Chiao M , Dunning G, Klein M , Nelson C, W echsler B. Ultralong dark decay meas urem ents in Ba TiO 3 [ J] . Op t. Lett. ,
1996, 21( 1): 18.
[15 ] M eerholz, V olodin B L, Sandalph on, Kippelen B, Peyghambarian
N. A ph otorefractive polymer w ith high optical gain and diffraction efficiency near 100% [ J] . Natu re, 1994, 371: 497.
[16 ] Ju C, Dai F, Hong J. Statistics of both optical and electrical noise in digital volume holog raphic data s torage [ J] . Electron. Lett. ,
1996, 32( 15): 1400— 1402.
[ 17 ] Fegrus J. Once more the pendulum s wings [ J] . Data Storage, 2000( 1) .
[18 ] Neifeld M A , Chou W C. Information th eo retic limits to the capac-ity of volume holog raphic optical memory [ J] . Appl. Opt . 1997, 36: 514— 517.
[19 ] Sh elby R M , Hoffnagle J A, Burr G W , Jefferson C M , Bernal M
P, Coufal H, Grygier R K, Gǜ th er H, M acfarlan e R M , Sincerbox G
T. Pix el match ed h olographic data s torage w ith megabit pages
[ J] . Opt. Lett. 1997, 22: 1509— 1511.
事實上 ,有一些應用對容量、數傳率和存取速率有特別的要求 ,而如今還沒有可滿足這些要求的設備。 體全息存儲具有滿足這些要求的潛力 ,并行通道探測陣列再加上大數據頁面能達到很高的數據讀出率 ,并且相位編碼參考光復用方案能快速訪問大型數據庫 ,因而在存儲體系中占據重要地位。
**初體全息存儲主要應用于大型圖書館以長期保存文本、視頻和聲頻數據。 隨著數據采掘的興起 ,人們的興趣已由大型的數據倉庫向發現數據間的聯系以輔助決策或精細化商業程序方向發展。體全息存儲因具有內容尋址的能力而在這一應用**域有很大的吸引力。
3 結束語
( 1) 任何新的存儲技術都**同市場上已經成熟的技術進行競爭。例如 ,磁盤存儲現在是 0. 03美元 /M B[16]。如果體全息存儲不夠便宜 ,就不會有市場 ,用戶不會為了性能上的微小改善而付出額外的費用。 存儲容量要超過 300G B,體全息存儲才能在硬件和價格上同磁存儲競爭 ,而這大約需要 3000美元 , 這顯然大大超出了普通 PC機用戶所愿意承擔的存儲費用。 所以體全息存儲技術的發展目標不應是為取代現有的成熟技術 , 而是作為存儲體系的一個必要補充。
( 2) 體全息存儲技術盡管已經取得很大進展 ,然而離商品化還有距離。 對體全息存儲系統來說 ,要以較低的價格實現激光、空間光調制器和探測器陣列的對準 ,還是一個巨大的挑戰。
( 3) 尋找合適的存儲材料對體全息存儲來說仍是一個尚待解決的問題 ,**今還沒有一種材料同時具有性能、容量和價格的綜合優勢。
參考文獻:
| [ 1 ] | Sincerb ox G T. | Holog raphic s torage: | are w e there yet? | available | |||||
| from | w orld | w ide | w eb | site | [ DB /OL ], | http: / / | |||
| w ww . optics. arizona. edu /glenn /h olograp1. h tm | |||||||||
| [2 ] | Gabor D. A new microscope principle[ J ]. Nature, | 1948 . 161: | 774. | ||||||
| [3 ] v an Heerden P J. | Th eory of optical information | storage | in | solids | |||||
| [ J] . | Appl. | Opt. 1963, | 2( 4): | 393— 400. | |||||||||||
| [4 ] M ok | F H, Tackitt M C, | S toll H M . | Storage of 500high-resolution | ||||||||||||
| holograms in a LiNbO3 crys tal [ J] . Opt. Lett . 1991, 16( 8): | 605— | ||||||||||||||
| 607. | |||||||||||||||
| [5 ] | Ps altis D, M ok F. Holographic mem ories [ J ]. Scien tific American, | ||||||||||||||
| 1995, 273( 5): | 70 | ||||||||||||||
| [6 ] | Hess elink | L. | Digital | holog raphic data s to rage looks ahead [ J ]. | |||||||||||
| Ph otonics | Spectra, | 1996, 30( 3): 44— 46. | |||||||||||||
| [7 ] Hean ue J F, | Bashaw M | M , Hess elink L. Volume h olographic stor- | |||||||||||||
| age and retrieval of digital data [ J] . | Science, 1994, | 265( 5): | 749— | ||||||||||||
| 752. | |||||||||||||||
| [ 8 ] | Ps altis D, | M ok | F. | Holograph ic | M emories [ J] . | SCIENT IFIC | |||||||||
| AM ERICAN. | 1995, | 273( 5): 70— 76. | |||||||||||||
| [9] | Bu rr G W , M ok F | H, Ps altis | D. | Sto rage of 10, 000 h olograms in | |||||||||||
| LiNbO3 Fe[ C] . C LEO1994. | |||||||||||||||
| [10 ] Den z C, | Pauliat | G, | Roos en | G , | Tschudi T. V olume h ologram | ||||||||||
| multiplexing | using | a | d eterminis tic | phase | encoding meth od [J ]. | ||||||||||
| Opt. Comm un. 1991, | 85: 171. | ||||||||||||||
| [11 ] Bernal M P, | Burr G W , Coufal H, | Grygier R K, | Hoffnag le J A, | ||||||||||||
| Jefferson C | H, M acfarlane | R M , | Shelby | R M , Sincerbox G T, | |||||||||||
| Wittmann | G. | Holog raphic | Data | Storage | M aterials [ J] . | M ater. | |||||||||
| Res. | Bull. | 1996, 21: 51— 60. | |||||||||||||
| [12 ] M a J, Ch ang T, Hong J, Neu rg aonkar R, | Barbastathis G, | Ps altis | |||||||||||||
| D. Electrical | Fixing of 1000 angle-mu ltiplexed holograms in SBN: | ||||||||||||||
| 75. Opt . Lett. , 1997, 22(14): 1116. | |||||||||||||||
| [13 ] Orlov S, | Akella A , Hes selink | L, | Neurgaonk ar R. | High sen sitivi - | |||||||||||
| ty, tw o-colo r non-volatile recording in lithium niobate [C ] . | CLEO | ||||||||||||||
1997 pos td eadline paper.
[14 ] Bacher G, Chiao M , Dunning G, Klein M , Nelson C, W echsler B. Ultralong dark decay meas urem ents in Ba TiO 3 [ J] . Op t. Lett. ,
1996, 21( 1): 18.
[15 ] M eerholz, V olodin B L, Sandalph on, Kippelen B, Peyghambarian
N. A ph otorefractive polymer w ith high optical gain and diffraction efficiency near 100% [ J] . Natu re, 1994, 371: 497.
[16 ] Ju C, Dai F, Hong J. Statistics of both optical and electrical noise in digital volume holog raphic data s torage [ J] . Electron. Lett. ,
1996, 32( 15): 1400— 1402.
[ 17 ] Fegrus J. Once more the pendulum s wings [ J] . Data Storage, 2000( 1) .
[18 ] Neifeld M A , Chou W C. Information th eo retic limits to the capac-ity of volume holog raphic optical memory [ J] . Appl. Opt . 1997, 36: 514— 517.
[19 ] Sh elby R M , Hoffnagle J A, Burr G W , Jefferson C M , Bernal M
P, Coufal H, Grygier R K, Gǜ th er H, M acfarlan e R M , Sincerbox G
T. Pix el match ed h olographic data s torage w ith megabit pages
[ J] . Opt. Lett. 1997, 22: 1509— 1511.
(上接第 282頁 )
具有耐磨、抗震特性 ,在頻繁的日常使用中不致損壞工作表面。 ( 3)便于清潔。 滿足上述技術條件 ,常用作工作標準白板的材料有: 釉面陶瓷白板、拋光乳白玻璃、搪瓷白板等。
參比標準白板固定于雙光路測色儀的參比光束窗口處 ,其反射比量值不必知道 ,但要求反射比高、漫射性好、光譜選擇性小等特點。 主要用于儀器校準基線 , 以及在測量中消除諸如光源和探測器靈敏度不穩定 , 或光路不對稱等因素帶來的系統誤差。 BaSO4、 Ha Lo n 及 Mg O等壓制成的漫射白板可滿足參比標準白板的技術要求。
6 色度測量儀器的軟件系統
文件: 標準照明體 ,如常用的 A、 C、 D65、 CW F、 TL84等;
標準觀察者 ,如 CIE1931標準色度觀察者、 CIE1964
補充標準色度觀察者 ;標準白板參數以及儀器本身的校正數據等。各種顏色參數的計算公式 ,只要不是專用儀器 ,就應盡量齊全 ,以供用戶選擇。如三刺激值、色品坐標的計算; 多種色差的計算 , 如 CIELAB、 FM C-
Ⅱ 、 HUN T ER、 ANLAB ( P)、 JPC79、 CM C ( 1∶ 1)、
CM C ( 2∶ 1)等; 多種白度指數、黃度指數、沾色牢度、變色牢度等的計算。 具體數學模型可根據設計要求查閱有關文獻來實現。
- 上一篇：一種基于分光測色的印刷油墨配色數學模型
- 下一篇：色差儀消除色差的技術原理
