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色差計的設計方案

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色差計的設計方案

發布時間:2014-07-22 瀏覽:1568 次
色差是指用數值的方式表示兩種顏色給人色彩感覺上的差別。色差計的精度與其光譜特性符合盧瑟條件的程度有關,符合的程度高,則儀器測量精度高。盧瑟條件定義如下:
式中:S0(λ)為儀器內部光源的光譜分布;S(λ)為選定的標準照明體光譜分布;?x(λ)、?y(λ)、?z(λ)分別為X、Y、Z校正濾色器的光譜投射比;?(λ)為色彩傳感器的光譜靈敏度;Kx、Ky、Kz是3個與波長無關的比例常數;x(λ)、y(λ)、z(λ)為CIE1931標準色度觀察者光譜三次激值,如圖1所示。
圖1 CIE1931標準色度觀察者光譜三次激值
為了更好地匹配盧瑟條件,在實際中,常采用濾光片綠色修正法修正,但由于有色玻璃的品種有限,制作玻璃設備和調試設備復雜,價格較貴,所以此處放棄采用濾光片濾色修正方案。采用IIC總線的數字色彩傳感器,該傳感器內部置紅色、綠色、藍色和透明輸出濾光片以及IR遮光濾光片,分辨率為16位。利用軟件補償方法來對盧瑟條件進行較為精確的匹配。
色差計系統總體設計
色差計主要由光源、d/8度積分球、顏色傳感器、光譜響應曲線修正、信號處理及顯示部分組成。系統結構如圖2所示。由光源生產光線作為入射光線射到待測色邊上面,待測色板可以是標準色板或實測樣品,然后由積分球搜集光線給顏色傳感器。對顏色傳感器輸出進行光譜響應曲線修正,計算出色差結果并將顯示到LCD顯示屏上。
圖2  測色系統結構框圖
光源
同一顏色的物體在不同的光源照射下呈現的顏色是不一樣的,因此光源是影響色差計的一個非常重要的因素。可根據待測樣板的實際情況選擇CIE規定的A標準光源、C標準光源、D系列標準光源D50、D65、D75、F標準光源的一種,A光源的顏色偏黃,色溫為2856K,C光源的色溫6744K,它表示北方天空的日光,D系列的光源的色溫為5000~7500K,接近白色,所以其顯示性較好。F系列的光源為較節電的熒光燈顯示性一般。光源可以更換,但每次更換光源后要進行色差計校準。各種光源下用標準反射折板光譜三次激值如表1所示。
表1 各種光源下用標準反射白板光譜三次激值
序號 光源 2°視角理想白色物體 10°視角理想白色物體

序號

光源

2°視角理想白色物體

10°視角理想白色物體

X0

Y0

Z0

X0

Y0

Z0

1

D65日光

95.05

100.00

108.88

94.81

100.00

107.30

2

A白熾燈

109.85

100.00

35.59

111.14

100.00

35.20

3

F2熒光燈

99.19

100.00

67.40

103.28

100.00

69.03

4

F7熒光燈

95.04

100.00

108.76

95.79

100.00

107.69

5

F11熒光燈

100.97

100.00

64.37

103.87

100.00

65.63

6

C日光

98.07

100.00

118.23

97.29

100.00

116.15

7

D50日光

96.07

100.00

82.52

96.72

100.00

81.43

8

D55日光

95.68

100.00

92.15

95.80

100.00

90.26

9

D75日光

94.97

100.00

122.64

94.42

100.00

120.64

色差計使用一段時間后,光源色溫會發生變化,其相對光譜率分布就會改變,導致其與盧瑟條件的匹配精度降低,故其測色精度也隨之下降。因此,為了保證色差計的長期測量精度,需要定期用標準反射白板進行標定。
d/8度積分球
積分球可降低并除去由光線的形狀、發散角度、及探測器上不同位置的響應度差異所造成的測量誤差,此處檢測光路采用d/8度積分球,照明與觀察條件為d/8方式,如圖3所示。使用凸鏡可降低測量時因入射光源不均勻分布或光束偏移所造成的微小誤差,可以提高測量的準確度,因而在積分球的設計中使用了凸鏡。由光源產生光線入射到凸鏡上,經過凸鏡聚焦,以8°角直射到標準色板或被測樣品上,其鏡面反射成分被光澤陷阱吸收,漫射照明光線被積分球搜集,由RGB顏色傳感器接收。
圖3  d/8度積分球
顏色傳感器
數字顏色傳感器在單一芯片上集成有16個光電二極管,這二級管共分為4種類型,其中4個光電二極管帶有紅色濾光片,4個光電二級管帶有綠色濾光片,4個光電二極管帶有藍色濾光片,其余4個不帶有任何濾光片。這些光電二級管在芯片內飾交叉排列的,能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性,從而提高精確度。每組形同顏色的4個光電二極管是并聯連接的,均勻分布在二級管陣列中,這樣可以消除顏色的位置誤差。IR遮光濾光片除波長680nm以上
遠紅外波。為了使微處理器MCU在光傳感器積分期間更好的處理其他任務,芯片內部有4個并行16位高精度模數轉換器A/D,可通過I2C總線來設置內部控制和捕捉寄存器,同時捕捉4個ADC通道寄存器值進行數據傳送。INT引腳可及時的產生中斷信號,提高數據傳送的實時性。SYNC引腳可用做同步取樣,在光源發生閃爍時,也能保證取樣的穩定性與精確度的要求。圖4為數字色彩傳感器功能框圖。
圖4  數字色彩傳感器功能框圖
光譜響應曲線修正
圖5為數字色彩傳感器分別在紅濾光片、綠濾光片、藍濾光片、不帶有任何全通模式下的響應特征圖。要做到色差計的色彩統一性和與設備無關性,可通過光譜響應曲線線性變換矩陣M實現設備相關空間RGB與設備無關空間XYZ之間的正確轉換,完成對光譜響應曲線的修正。光譜響應曲線的修正公式如下:
式中:M為光譜響應曲線線性變換矩陣,是通過測量數據計算確定的3X3矩陣;Rxyz為CIE-XYZ光譜三次激值XYZ的列向量;RRGB為顏色傳感器輸出的RGB值的列向量。
圖5 數字色彩傳感器的響應特性
為了得到線性矩陣M,需要一臺高精度的色彩亮度計作為標準設備,最好采用分光輻射亮度計,色彩亮度計通過將二極管與光柵結合進行線性排列,40個傳感器保證了與CIE1931配色函數的最佳擬合度,可在2°標準觀測者與10°標準觀測者之間進行選擇。可以測量X、Y、Z,特征波長等參數。
標定用的色板采用標準24色色卡中的紅綠藍3張色卡。在D50光源,23℃±2℃環境溫度,相對濕度65%以下,用圖2積分球對紅綠藍色卡各種測量10次,記錄數字色彩傳感器輸出的RGB值后求平均,得到T矩陣,如表2所示。
表2  數字色彩傳感器T矩陣

 

R

G

B

紅色色卡

44063

12831

14609

綠色色卡

20357

37929

18478

藍色色卡

11850

17026

38033

然后把圖2中積分球上的RGB傳感器取下,色彩亮度計接在積分球上RGB傳感器位置對紅綠藍色卡測量各10次,記錄色彩亮度計輸出的是物體的三次激值X、Y、Z值后求平均。得到X矩陣。如表3所示
表3 色彩亮度計X矩陣

 

X

Y

Z

紅色色卡

21.698

12.565

3.797

綠色色卡

15.031

23.184

7.796

藍色色卡

6.882

5.752

21.097

光譜響應曲線線性變換矩陣M的系數可能過式計算得出結果,如表4所示。
表4 光譜響應曲線線性變換M矩陣

 

X

Y

Z

R

0.00045520

0.00016562

-0.00010398

G

0.00016999

0.00060596

-0.00003156

B

-0.00003699

-0.00017163

0.00060122

用式(3)計算出矩陣M代入式(2),得到下面的公式:
信號處理
為了進一步改進和統一顏色評價的方法,1976年CIE推薦了新的顏色空間及其有關的色差公式,即CIE1976LAB(或L*a*b*)系統,現在已經成為世界各國正式采納。作為國際通用的測色標準。CIE1976L*a*b*空間有CIEXYZ系統通過數學方法轉換得到,轉換公式如下:
式中:X、Y、Z是物體的三次激值;X0、Y0、Z0為理想白色物體的D65光源10°市場CIE標準照明體的三次激值;L*表示心理明度;a*、b*為色度。
有XYZ變換為L*a*b*轉換后的空間用迪卡直角坐標體系表示,形成表述的心理顏色空間,+a*表示紅色,-a*表示綠色,+b*表示黃色,-b*表示藍色,顏色的明度由L*的百分數表示。若兩個色樣樣品都按照L*、a*、b*標定顏色,則;兩者之間的總色差△E*ab用式(6)計算:
式中:△L*為心理明度差,△a*和△b*為心理色度差。
△E*ab即為得到的色差結果,顯示到LCD顯示屏上。用戶通過觀察顯示屏上的結果即獲得樣品的色差檢驗數據,從而進一步做出顏色篩選的決策。
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