第七章 光度学与色度学基础

10.1.3 分光测色仪器的组成
光束强度，使探测器接收到从待测样品和标准样品上所反 射的光度相等，即所谓光学平衡或达到光学零位。 减光器可以是变密度的中性滤光片, 光梳或偏振片等。 在达到平衡时减光器的机械位置即代表标准样品和待测样 品两个信号的比值。
图10-4 光学平衡法
10.1.3 分光测色仪器的组成
Y K S ( ) ( ) y ( )d
X K S ( ) ( ) x( )d
Z K S ( ) ( ) z ( )d
( ) 为物体光谱辐亮度因 式中, S ( ) 为光源光谱分布； 数； x( ) y( ) z( ) 为标准观察者的光谱三刺激值。
10.1.5 分光测色仪器的分类
测色分光光度计测量光路的安排必须满足测量颜
色对样品的照明观察条件的规定。
测色分光光度计数据处理复杂，一般测色仪器中
都带有由光谱数据计算出各种颜色参数的软件。
分光测色仪器可按若干不同的标准进行分类： 单光束或双光束仪器 单级单色仪和双级单色仪 目视分光测色仪器和光电分光测色仪器
光度数据可以保存在存储器内，能以数字的形式显示、
10.1.4 测色分光光度计的特点
与分析用分光光度计相比，测色分光光度计有如下特 点： 以测反射样品为主，兼顾透射样品。因为大多数 色度测试所涉及的是物体的反射色。 常规的测色局限在可见光范围内，但是目前市场 上高档测色分光光度计可是分析、测色两用的仪器， 波长可从紫外到近红外。 一般物体的光谱反射曲线比较光滑平缓，所以对 仪器的波长精度和分辨率要求较低而对仪器的光度准 确度比
10.1.3 分光测色仪器的组成
C．光度计量部分 光度计量部分使从单色器射出的单色光正确地 照射到样品上, 用光电探测元件接收光能，测定样品 的透射比或反射比。 分光测色仪器都采用比较法测量及双光束光路。 光度计量的具体方法有两种，即平衡法和比率法。 (1) 光度的平衡法测量 光学平衡法：单色光以双光束交替地照射标准样品 和待测样品，因此探测器 D 输出一系列脉冲信号。 将这两组脉冲信号的幅度进行比较，并通过伺服电 机SM推动减光器改变
10.2.1 卢瑟(Luther)条件和校正滤色器
(1) 卢瑟条件 通常光电色度计内部的照明光源是普通白炽灯或 卤钨灯，探测器为光电池或光电管等。为了要模拟标 如果校正滤色器的光谱透射比满 准观察者在标准照明下观察到的物体颜色，色度仪器 足卢瑟条件，则色度计实现了光 学模拟的目的。仪器各个探测器 的总光谱灵敏度必须符合卢瑟条件
测到的电信号值比例于物体颜色 K X S A () X () () SC的三刺激值。仪器符合卢瑟条件 () x() K S () () () S 的程度越高，测量精度越高。 () y()
第十章 色度的测量及其仪器
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分光测色仪器 色度计 光源颜色特性的测量 荧光材料的颜色测量 白度的测量
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10.2 色度计
色度计包括目视色度计和光电色度计两类。 光电色度计可由仪器的响应值直接得到颜色的三刺 激值，在光电色度计中的积分由光学模拟方式完成。 仪器的照明光源需加滤色器校正，以使其具有所要求 的标准光源光谱分布。同时探测器的响应也被滤色器 修正，使其与CIE标准观察者相一致。 光源光谱分布可选择 CIE 标准照明体，在灯光下观 察物体常选A照明体，在日光下观察物体常选D65照明 体。CIE推荐作为标准观察者有2视场的1931标准观察 者和10视场的1964补充标准观察者。 光电色度计一般由照明光源、校正滤色器、探测器 组成。设计中关键问题是校正滤色器的设计。光电色 度计量时所采用的照明观察几何条件与分光测色仪器 相同。
10.1.1 比较法测量与比较的标准
测量方法： 分光光度计测量光谱透射比或光谱反射比都采用 比较法，通过定量地比较某些已知光谱特性的“标 准”(参照物)和样品在同一波长上透射或反射的单色 辐射功率，测出样品的光谱透射比或光谱辐亮度因数。 优点：采用比较测量能够补偿测量中由于光源的 不稳定以及控制器灵敏度、光学系统透射比、分光元 件效率等随波长而变化的各种因素影响，由于这些因 素对样品和参照物有相同的影响而自动地互相抵消。
(1) 光度的平衡法测量 电学平衡法：经过放大和解调的标准信号和样品信号 分别流过波长补偿电位器及测量电位器 , 在测量标准 信号的期间, 继电器R标闭合把标准信号储存在电容器 C标内, 样品信号则储存在C样内。比较继电器快速地将 C标和C样比较，如果二者电位不等， 则差值被放大并经伺服电机推动测量电位器的触点， 以达到 C 样 与 C 标 的电位相等即电学平衡。此时触点位 置即代表标准和样品两个信号的比值。此触点与记录 笔相连，可绘出曲线。 图10-5 电学平衡法
45/0, d/0。在0/d条件下 测得的光谱反射因数称为光谱反射比0。
漫射/垂直(缩写d/0)。样 品被积分球漫射照明。 样品法线和观测光束轴 线间的夹角不应超过 10°。观测轴线和任意 观测光线间的夹角不应 超过5°。
45°/ 垂直 ( 缩写 45/0) 。样品 可被一束或多束光照明，照 明光束轴线与样品表面法线 成 45°±2°。观测方向和 样品的法线之间的夹角不应 超过10°。照明光束的任一 光线和共轴之间的夹角不应 超过 8°，观测光束也应遵 d/0条件下测得的光谱反射因数称 守同样的限制。
图10-6 光度的比率测量法
10.1.3 分光测色仪器的组成
D．测量数据的处理和输出装置 分光光度计输出的基本数据是光谱透射比和光谱 反射比。其它数据都是根据其计算得到。随着计算机 技术的发展，许多新型的仪器都备有微处理器，分光 打印出来，并能驱动绘图机以图形显示出来。现代的 分光测色仪器中，内装的微型计算机已和仪器有机结 合，实现了测试计算自动化。
第十章 色度的测量及其仪器
人眼有敏锐的辨别颜色能力 , 人们长期利用目视
比较法来区别颜色。但目视法测量结果带有主观性 ,
受到视觉适应性、人眼光谱响应差异、测量时人的状
况等因素的影响。
CIE标准色度系统为客观地测量物体颜色奠定了
基础, 可通过对物体颜色三刺激值的测量确定颜色。
第十章 色度的测量及其仪器
10.1.1 比较法测量与比较的标准
实现方式： 单光束法。仪器只有一条光路，将参照物和样品依 次放在光路中进行测量。其优点是能严格保持参照物 和样品在完全相同的光路中进行测量，但缺点较多， 因此很少采用。 双光束法。将单色光分成两束光，一束通过参照物， 另一束通过样品。双光束系统最基本的要求是保持两 光路对称，光学特性一致。在微机控制的仪器中，可 用数值方法校正光学特性的不一致性。
仪器测试的数据也应说明是在何种条件下测量的结果。
10.1.3 分光测色仪器的组成
分光光度计一般由照明光源、单色器、光度计量 部分以及输出装置等组成。 A．光源 光源必须在仪器的整个波长范围内发出连续的光辐 射，且在每一波长上都应有足够能量，使探测元件有 足够的信噪比。 B．单色器 能输出不同波长单色光的装置叫单色器。根据单色 器中色散元件的不同大致有以下几类： (1) 棱镜或光栅分光的单色器 (2) 滤光片分光的单色器 (3) 可调谐激光单色器
垂直 / 漫射 ( 缩写 0/d) 。样品 被一束光照明，照明光束 光轴和样品法线之间的夹 角不超过 10°。照明光束 的任一光线和其轴之间的 夹角不超过5°。
10.1.2 颜色测量的标准化
(a) d/0分光光度计
(b)0/d分光光度计
图10-2分光光度计的照明观察图
分光测色仪器设计时必须按照以上规定的几何条件安 排光路，可选择其中一种或多种条件。
10.1.1 比较法测量与比较的标准
参照标准： 测量透射样品，选用空气作为参照标准，空气是理想透射 体，在整个可见光谱范围透射比均近似为 1 ；液体样品则 采用同样厚度的溶剂作为标准； 测量反射样品，虽然全反射漫射体的反射比在各波长上均 为 1 ，是理想的参照标准，但实际材料难以达到这样的特 性，只能选择与它性质比较接近的材料作为工作标准。
颜色测量仪器就是通过一定途径求得三刺激值的工 具。由于获得三刺激值的方式不同 , 测色仪器主要可分 为两类：分光测色仪器和色度计。
第十章 色度的测量及其仪器
分光测色仪器:作为颜色测量最基本的仪器，不直接 测量颜色的三刺激值本身，而是测量物体的光谱反 射或光谱透射特性，即测量物体的光谱辐亮度因数 或光谱透射比。再选用CIE的标准照明体和标准观察 者，通过积分计算求得颜色的三刺激值。 色度计:其响应类似人眼视觉，通过直接测得与颜色三 刺激值成比例的仪器响应，换算颜色三刺激值。三刺 激值的获取由仪器内部完成，即用滤色镜来校正仪器 光源和探测元件光谱特性，使输出信号正比于颜色的 三刺激值。 密度计:不是标准颜色测量仪器，密度计在某些情况下 能给出颜色测量的近似值.
10.1.3 分光测色仪器的组成
(2) 光度的比率法测量 光度比率法：将解调后的标准信号输到一个差值放大 器与一个基准电压V基相比较, 标准信号太大时, 减低光 电倍增管的负高压或减小单色器的入射缝 , 标准信号太 小时则相反, 这样通过闭环的反馈系统保持标准信号始 终稳定不变, 说明此时光电探测器的灵敏度及系统的放 大率已调整至正常水平, 因此, 可直接测量样品信号。 由于标准信号已被 归一化，所以测得的样 品信号本身就是样品信 号与标准信号的比率， 即反射比或透射比。
10.1.2 颜色测量的标准化
由于颜色视觉的复杂性，颜色测量条件必须标准化， 仪器间的测量结果才有可比性。 测量样品的三刺激值时, 照明光源选择标准照明体， 常用的标准照明体有A，C，D65等。 测量样品的三刺激值时, 要选用标准观察者，小视 场 (1~4) 选用 CIE1931 标准色度观察者，大视场 (10) 在透射样品测量中 , 一般采用对样品表面垂直方向照 时选取用 CIE1964标准补充色度观察者。 标准照明观察条件。颜色测量时，光源照明和控 明，透射方向探测。照明光束的光轴与样品表面法线的 制器收集光能的几何条件很重要，几何条件不一致会 夹角不超过5°, 照明光束中任一光线与光轴的夹角不应 造成测量结果的差异。为统一测量结果, CIE规定了统 超过5°, 此几何条件不适合于漫透射物体。 一的几何条件。