微型光谱仪之颜色检测

　　1、技术简介

　　颜色是大脑对于射入人眼的光的主观感受。一般人眼可感知的波段为380~780nm。

　　颜色可以简略分为反射颜色，透射颜色，光源色和结构色，前三种最为常见。

　　待测物的反射/透射颜色取决于待测物的光谱反射率/透射率，参考光源和观察条件。光源色取决于光源光谱。结构色与物体表面特殊的衍射结构有关。

　　颜色在生产和生活中扮演着重要的角色，颜色的控制已经成为评价许多产品外在和内在质量中最受重视的要素之一。传统的测色方法直接用人眼观察，方法简单灵活，但是结果依赖于观测人员的经验和心理、生理等主观因素的影响，也依赖于观察条件，结果使得测量结果的准确性和公正性经常受到质疑，目前已经被光谱测色技术取代。

图1 不同颜色光谱

　　光谱测色是利用光谱仪获取光源发射或物体透反射的可见光波段的光谱进行分析。根据色度学理论，任何颜色可用三个对人眼的颜色三刺激值来表示，因此获得颜色三刺激值正是测色仪器的测量目的。颜色三刺激值可以通过颜色刺激函数分别乘以CIE光谱三刺激值，并在整个可见光谱范围内分别对这些乘积进行积分。计算公式如下：

　　其中，φ(λ) 为色刺激函数，由光源辐射特性或物体的透反射特性决定;X(λ), Y(λ), Z(λ)为标准观察者的光谱三刺激值;k为归一化系数。X, Y 和Z则是颜色三刺激值，它们虽然从数量上对颜色进行了定量的描述。

　　历史上，由于各个行业颜色测量对象差异很大，颜色三刺激值直接使用多有不便。于是国际照明委员会(CIE)先后推出了CIE xyz和CIE L*a*b*等多种颜色空间，将颜色三刺激值转换后使用。在实践中，CIE xyz多用于发光体颜色描述，而CIE L*a*b*模型在物体表面色的色差，例如纺织品、油漆、塑料等行业。关于两种颜色空间的具体计算函数可直接参考CIE网站，一般颜色测量软件都集成了这些函数，比如著名的海洋光学的测量软件集成了所有主流的颜色空间函数，并集成了CIE规定的所有标准照明体函数模型，几乎可以满足所有颜色测量需要，给客户开展多种颜色测量带来了极大便利。

图2 CIE xyz

图3 CIE L*a*b*

　　2 、应用说明

　　颜色测量包含三个基本要素：参考光源，参考标准源，光谱采集装置。常用参考光源为卤钨灯或氙灯。参考标准源一般多用漫反射标准板。光谱采集装置则有光谱仪和配套附件组成。光谱仪必须涵盖可见光波段，并且要具有足够的灵敏度和稳定性，配套附件包括光纤探头和积分球等。

　　颜色计算较为繁琐，选择一款集成各种颜色参数自动计算功能的软件也是很有必要的。

　　农产品加工：肉类，果蔬等品质分类;

　　照明行业：LED颜色分析;

　　纺织行业：纺织物色差鉴定;

　　造纸行业：纸品颜色控制;

　　化工行业：油漆，涂料等品质控制。

　　典型配置

　　典型产品：高分辨率光谱仪，光源，探头，滤光片，聚光透镜

　　3、应用文章

　　3.1 LED颜色测量

图4 使用七步MacAdam 椭圆来定义LED在CIE 1931 色品图中的分割区域

　　3.2 化学变色反应测量

图5 化学变色反应中的吸光度图谱

图6 化学变色反应在553nm和759nm的吸光度变化趋势

　　3.3 基于颜色检测的犯罪现场的血迹的时间评价

图7 血迹检测图

（内容来源：海洋光学）