劉怡軒，顏昌翔

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

在線式分光測(cè)色儀發(fā)展現(xiàn)狀

劉怡軒1，2，顏昌翔1*

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

介紹了顏色測(cè)量原理,歸納了在線式顏色測(cè)量的特點(diǎn)、要求及技術(shù)難點(diǎn),闡述了在線式顏色測(cè)量技術(shù)發(fā)展歷程。詳細(xì)介紹了當(dāng)前幾種國(guó)外典型的在線式分光測(cè)色儀的主要技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用范圍、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等,指出了每一種儀器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。從技術(shù)和應(yīng)用需求兩方面對(duì)在線式分光測(cè)色儀的發(fā)展趨勢(shì)做了展望,為在線式分光測(cè)色儀的發(fā)展起到一定的借鑒作用。

分光測(cè)色儀；非接觸；顏色測(cè)量；色度學(xué)；閉環(huán)控制

1 引言

當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)品的顏色指標(biāo)要求越來(lái)越高,顏色差異會(huì)直接影響質(zhì)量等級(jí)。與著色有關(guān)的行業(yè),如紡織印染、造紙、染料、顏料制造、涂料、塑料著色加工以及油墨印刷等,產(chǎn)品顏色的正確與否是一個(gè)至關(guān)重要的質(zhì)量指標(biāo)。產(chǎn)品顏色與標(biāo)準(zhǔn)試樣顏色的偏差超標(biāo),將會(huì)造成次品或廢品,給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。

使用顏色測(cè)量?jī)x器來(lái)代替人眼分辨顏色可以有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量,而且為計(jì)算機(jī)配色提供了前提條件。分光測(cè)色儀是顏色測(cè)量中最基本的儀器,主要利用分光原理測(cè)出物體的光譜分布,經(jīng)過(guò)計(jì)算求出物體色的三刺激值及其它色度參數(shù)。與光電積分式測(cè)色儀相比,其測(cè)量精度高,可方便獲得表征顏色的各種參數(shù),如今已經(jīng)成為顏色測(cè)量行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的儀器［3］。通常分光測(cè)色儀分為臺(tái)式和便攜式兩種［4］。臺(tái)式分光測(cè)色儀精度高、體積大,常用于實(shí)驗(yàn)室中；便攜式分光測(cè)色儀體積小,便于攜帶,使用范圍更加廣泛。這兩種分光測(cè)色儀皆為接觸式測(cè)量?jī)x器,使用時(shí)被測(cè)物與儀器接觸后才可進(jìn)行測(cè)量。

國(guó)內(nèi)印染企業(yè)大多使用離線測(cè)色法［5］,將生產(chǎn)線上的產(chǎn)品取下后用臺(tái)式或便攜式分光測(cè)色儀測(cè)量。而在生產(chǎn)線上,則由經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)人員目視測(cè)色,難以解決在大批量生產(chǎn)過(guò)程中,因細(xì)微的顏色漸變導(dǎo)致廢品問(wèn)題。傳統(tǒng)的離線式顏色測(cè)量通常都滯后于生產(chǎn),無(wú)法及時(shí)獲得生產(chǎn)線上產(chǎn)品的顏色信息,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品顏色出現(xiàn)偏差時(shí),很多或大批不合格的產(chǎn)品已經(jīng)被生產(chǎn)出來(lái),造成巨大浪費(fèi)。

在線式顏色測(cè)量是指將顏色測(cè)量?jī)x器安裝在生產(chǎn)線上,對(duì)產(chǎn)品的顏色進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中,產(chǎn)品不用離開(kāi)生產(chǎn)線,更不用停止生產(chǎn),可極大地節(jié)約時(shí)間和人力成本。在線式測(cè)量中,產(chǎn)品隨生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)動(dòng),必須使用非接觸式測(cè)量。因此以上兩種分光測(cè)色儀都不適用于在線式顏色測(cè)量。

2 顏色測(cè)量原理

完全漫反射體是對(duì)各種波長(zhǎng)輻射反射比均為1的理想漫反射體,它無(wú)損失地反射入射輻射,并且在各個(gè)方向上有相同的亮度。絕大多數(shù)的待測(cè)物體不是完全的漫反射體,因而測(cè)量條件會(huì)對(duì)于光譜反射率因數(shù)測(cè)量的精確度和實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影

顏色測(cè)量?jī)x器從原理上可分為光電積分式測(cè)色儀和分光測(cè)色儀［3］。光電積分式測(cè)色儀直接測(cè)量物體顏色的三刺激值,精度較低,可以獲得的顏色參數(shù)有限。分光測(cè)色儀利用分光原理測(cè)出物體的光譜分布,經(jīng)過(guò)計(jì)算求出物體色的三刺激值及其它色度參數(shù)。這種測(cè)色方法的實(shí)質(zhì)是用比較法測(cè)量不透明物體的光譜反射率因數(shù)R（λ）或透明物體的光譜透射比τ（λ）。R（λ）定義為在指定的方向上和限定的立體ω范圍內(nèi),物體的反射光譜輻通量ΦR（λ）與在相同條件下完全漫反射體的光譜輻通量ΦD（λ）之比,即：響,為了提高測(cè)量精度和統(tǒng)一測(cè)量方法,國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）于1971年正式推薦了4種測(cè)量反射色的標(biāo)準(zhǔn)照明觀察條件,分別為0/d、d/0、45/0、0/45,測(cè)量結(jié)果必須說(shuō)明所采用的測(cè)量條件。τ（λ）定義為物體的透射光譜輻通量ΦT（λ）dλ與入射光譜輻通量Φ0（λ）dλ之比,即：

CIE推薦了3種測(cè)量透射色的標(biāo)準(zhǔn)照明觀察條件,分別為0/0、0/d、d/d。按照式（3）求出物體色的三刺激值：

式中：X、Y、Z為CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的三刺激值；x（λ）、y（λ）、z（λ）是CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的光譜三刺激值；φ（λ）為顏色刺激函數(shù)：

式中：P（λ）為照明體相對(duì)光譜功率分布,k為歸化因子,它是將照明體（或光源）的Y值調(diào)整為100時(shí)得出的,即：

CIE還推薦了主要用于紡織印染等表面色料工業(yè)減混色（Subtractivemixture）的表示和評(píng)價(jià)的CIE 1976 L*a*b*顏色空間,也稱為CIE LAB顏色空間。作為該空間三維直角坐標(biāo)的明度L*和色品坐標(biāo)a*、b*的計(jì)算公式為：

式中：X0、Y0、Z0為標(biāo)準(zhǔn)光源照射到完全漫反射面上的三刺激值（查表可得）。ΔE*ab為樣品與標(biāo)準(zhǔn)的色差,分別測(cè)量并計(jì)算出樣品與標(biāo)準(zhǔn)的L*、a*、b*后,用此空間計(jì)算兩個(gè)顏色之間的色差

3 在線式顏色測(cè)量的特點(diǎn)和要求

在線式測(cè)量可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量情況,及時(shí)獲得產(chǎn)品顏色信息,不僅有利于減少生產(chǎn)浪費(fèi),而且可有效提高生產(chǎn)效率。與對(duì)靜止物體的離線式顏色測(cè)量相比,在線式顏色測(cè)量有以下特點(diǎn)［6］：被測(cè)物體是生產(chǎn)線上的產(chǎn)品,始終不停地運(yùn)動(dòng),速度從每分鐘幾十米到上百米不等；在線測(cè)量面臨著更嚴(yán)重的環(huán)境干擾等問(wèn)題,如溫度高、濕度大、灰塵多,被測(cè)樣品抖動(dòng)劇烈、環(huán)境光影響等。針對(duì)以上特點(diǎn),在線式分光測(cè)色儀需滿足以下要求［7-9］。

（1）由于被測(cè)物體的連續(xù)運(yùn)動(dòng),儀器和被測(cè)物必須設(shè)計(jì)成非接觸測(cè)量方式。

（2）非接觸測(cè)量,環(huán)境光必然會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響,為了準(zhǔn)確測(cè)量,必須消除環(huán)境光的影響。

（3）在一次測(cè)量的時(shí)間內(nèi),被測(cè)物體的測(cè)量區(qū)域相對(duì)于位置固定的儀器有一定的位移,為了使樣品的運(yùn)動(dòng)趨于“靜止”,要求一次測(cè)量的時(shí)間盡可能短。

（4）生產(chǎn)線的水平運(yùn)動(dòng)難免會(huì)導(dǎo)致被測(cè)物的上下抖動(dòng),而抖動(dòng)會(huì)直接影響進(jìn)入儀器的光譜輻通量,引起測(cè)量誤差,所以要采取距離補(bǔ)償措施。

（5）生產(chǎn)線上環(huán)境復(fù)雜,溫度高、濕度大,甚至車間內(nèi)有大量的酸堿氣體、灰塵、強(qiáng)電干擾等,儀器必須具備抗環(huán)境干擾能力,便于保養(yǎng),還應(yīng)在使用過(guò)程中經(jīng)常對(duì)儀器進(jìn)行定標(biāo)。

（6）生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)的,對(duì)產(chǎn)品顏色也需要連續(xù)測(cè)量,及時(shí)給出反饋信息,始終把握產(chǎn)品質(zhì)量。

非接觸測(cè)量方式和被測(cè)物體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)是在線式分光測(cè)色儀與傳統(tǒng)分光測(cè)色儀的主要差別,而環(huán)境光、物體運(yùn)動(dòng)和正常的抖動(dòng)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精確性將是在線式分光測(cè)色儀的技術(shù)難點(diǎn)。

一個(gè)完善的顏色測(cè)量系統(tǒng)不僅要求測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,而且更重要的是根據(jù)測(cè)量結(jié)果,對(duì)染料控制等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),使之符合生產(chǎn)要求［1］。將在線式分光測(cè)色儀與控制系統(tǒng)相連,形成閉環(huán)控制系統(tǒng),當(dāng)顏色數(shù)據(jù)不符合要求時(shí),儀器可向控制系統(tǒng)發(fā)出警告,甚至直接停止生產(chǎn)；與控制系統(tǒng)相連的另一個(gè)好處是,可以遠(yuǎn)程監(jiān)控顏色數(shù)據(jù),生產(chǎn)管理人員或質(zhì)量管理人員可以在辦公室監(jiān)視產(chǎn)品的顏色情況,也可以通過(guò)控制系統(tǒng)直接下達(dá)相關(guān)的命令。

4 在線式分光測(cè)色儀發(fā)展概況

美國(guó)Industrial Development Laboratory在1960年提出最初的裝置,由于受環(huán)境光的影響,需要在儀器上加一個(gè)遮光箱,故現(xiàn)場(chǎng)使用受到很大的限制［10］。19世紀(jì)70年代末美國(guó)Ford Aerospace＆Communications Corporation研制了一種名為“Qualscan”的在線顏色分析儀［11］,它采用連續(xù)光源照明,被測(cè)樣品的反射光由16個(gè)濾光片進(jìn)行分光,再用16個(gè)硅光電二極管接收,取得了良好的效果。1979年美國(guó)Macbeth公司提出的MS-4045在線分光光度計(jì),采用高能脈沖氙燈作為照明光源,用衍射光柵作分光元件,用線陣硅光電二極管作接收元件,獲得了很大的成功,處于領(lǐng)先地位［12-13］。1983年美國(guó)Macbeth公司的On-Line Scanning Color Eye在生產(chǎn)上取得了實(shí)效,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面顯得更為合理先進(jìn)［14］。

國(guó)內(nèi)在線式顏色測(cè)量?jī)x器的研究與國(guó)外相比報(bào)道較少。天津大學(xué)吳繼宗等人［6］在1984年開(kāi)始了在線測(cè)色的研究工作,并研制了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置,整個(gè)裝置由測(cè)色頭、分光器、電氣盒、微機(jī)、脈沖光源電源5大部件組成,毛玻璃與橢球面環(huán)形鏡的組合實(shí)現(xiàn)45°環(huán)形照明,樣品反射光由聚光鏡收集,由光導(dǎo)纖維傳至分色器,并且考慮了光源的不穩(wěn)定及雜散光等影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)裝置的原理方案及主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可行。該校陳興梧、周少敏等人做了誤差分析及修正［5］,雜散光修正和波長(zhǎng)純度分析［15］等工作,使測(cè)色儀達(dá)到了一級(jí)儀器要求的重復(fù)精度。國(guó)內(nèi)還報(bào)道了采用光電積分型原理的在線式測(cè)色儀研究［16-17］。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的技術(shù)改進(jìn),國(guó)外眾多廠商推出了一系列在線式分光測(cè)色儀,下面將針對(duì)幾個(gè)國(guó)際上知名公司的儀器進(jìn)行詳述。

4.1 Hunterlab

美國(guó)Hunterlab公司作為世界上最重要的顏色實(shí)驗(yàn)室之一,具有將近60年的顏色測(cè)量?jī)x器研發(fā)歷史,當(dāng)前有多款在線式分光測(cè)色儀在售,表1列出了4款典型儀器名稱及主要技術(shù)指標(biāo)。4款儀器均達(dá)到NEMA4/IP65防護(hù)級(jí)別,可以適應(yīng)惡劣的工廠環(huán)境,有效做到防止灰塵、水、化學(xué)物質(zhì)等對(duì)儀器的影響。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS-422、RS-232或以太網(wǎng)通信可與PC連接,很容易與工廠控制系統(tǒng)整合,組成閉合控制。

如圖1（a）所示,SpectraTrend?HT［18-19］采用0°照明/30°測(cè)量的照明觀察條件,盡管不符合CIE推薦的標(biāo)準(zhǔn)照明觀察條件,但在很多場(chǎng)合仍有廣泛應(yīng)用,可測(cè)量不透明的網(wǎng)狀、單件和塊狀的產(chǎn)品,如固體、粉末、顆粒、小球等。該儀器內(nèi)置高速距離探測(cè)器,同時(shí)對(duì)顏色和高度進(jìn)行連續(xù)的在線非接觸式測(cè)量,根據(jù)高度和可接受的顏色范圍可以區(qū)分產(chǎn)品和背景。在被測(cè)物與儀器距離100 mm時(shí),測(cè)量區(qū)域直徑為25 mm。工作距離范圍為65～115 mm,高度補(bǔ)償范圍為50 mm,適用于各種高度的產(chǎn)品和不平整表面。儀器最小測(cè)量間隔為1 s。SpectraTrend?HT采用長(zhǎng)壽命的全譜段LED作為照明光源,可以保證高強(qiáng)度的光輸出。儀器為雙光束分光系統(tǒng)設(shè)計(jì),分光元件采用全息凹面光柵,探測(cè)器為256 pixel的光電二極管陣列。其光譜范圍為400～700 nm,光譜分辨率＜3 mm,間隔為10 nm的數(shù)據(jù)輸出。其光度范圍為0～150％,重復(fù)性ΔE*ab＜0.03,儀器間一致性ΔE*ab＜0.30,與臺(tái)式分光測(cè)色儀具有最佳的一致性。

如圖1（b）所示,SpectraProbe?XE［20-21］是一個(gè)多用途、高性能的在線分光測(cè)色儀,用于對(duì)產(chǎn)品顏色的持續(xù)測(cè)量、分析和報(bào)告,可以用來(lái)更快地優(yōu)化生產(chǎn)工藝,更準(zhǔn)確地保持產(chǎn)品質(zhì)量。該儀器使用0°照明/45°圓周測(cè)量的條件,可以測(cè)量各種方向性和光澤的表面,廣泛應(yīng)用于紡織品、紙張、塑料和卷材連續(xù)涂覆等測(cè)量。被測(cè)物與儀器距離25.4 mm時(shí),測(cè)量區(qū)域直徑為65 mm,工作距離范圍為25.4 mm±6.35 mm。儀器測(cè)量速度為每秒1次。SpectraProbe?XE采用脈沖氙燈作為照明光源,經(jīng)過(guò)濾光片的輸出光近似為D65標(biāo)準(zhǔn)照明體,光源壽命大于15億次閃光,采用全息凹面光柵和256像元的光電二極管陣列的雙光束分光系統(tǒng)設(shè)計(jì),如表1所示,分光系統(tǒng)指標(biāo)與Spectra-Trend?HT基本一致。光度范圍為0～150％,最小顯示分辨率為0.01％。重復(fù)性ΔE*ab＜0.02。

如圖1（c）所示,SpectraProbe?S/8［22-23］用于非接觸在線式金屬膜和高鏡面反射光產(chǎn)品的顏色測(cè)量,如鍍膜玻璃的第一表面。使用漫反射光照明（包含鏡面反射光）/8°測(cè)量的條件,測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室中d/8測(cè)量條件的儀器一致。被測(cè)物與儀器距離25.4 mm時(shí),測(cè)量區(qū)域直徑為76 mm,工作距離范圍為12.7～25.4 mm。儀器最小測(cè)量間隔為1 s。SpectraProbe?S/8采用鎢燈作為照明光源,分光系統(tǒng)采用全息凹面光柵和76像元的光電二極管陣列,光譜范圍為375～750 nm,光譜分辨率為10 mm,間隔為5 nm的數(shù)據(jù)輸出,重復(fù)性ΔE*ab＜0.1。該儀器具有自動(dòng)光譜定標(biāo)功能,一個(gè)由電磁鐵驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部釹鐠混合物濾光片會(huì)自動(dòng)插入和移出光路,用于光譜定標(biāo)。

ColorQuest?OL［24］用于非混濁透明物體顏色在線測(cè)量,如薄膜、薄片等。如圖1（d）所示,由于透射式測(cè)量,照明和接收裝置被安裝在一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)上,樣品從中間通過(guò)。照明區(qū)域直徑為35 mm,測(cè)量區(qū)域直徑為25 mm,被測(cè)物與接收裝置距離為51～254 mm。儀器最小測(cè)量間隔小于5 s。ColorQuest?OL采用脈沖氙燈作為照明光源,光源壽命大于10億次閃光,照明光和接收光均由光纖束傳送。儀器為雙光束分光系統(tǒng)設(shè)計(jì),光譜范圍為400～700 nm,光譜分辨率為10 mm,間隔為10 nm的數(shù)據(jù)輸出。另外,對(duì)于混濁透明物體,可用ColorQuest?OL Haze同時(shí)測(cè)量顏色和混濁度［25］。

4.2 X-Rite

美國(guó)X-Rite（愛(ài)色麗）作為當(dāng)今最大的顏色質(zhì)量管理公司,研發(fā)的非接觸在線檢測(cè)系統(tǒng)Vericolor?Spectro［26-27］是一種可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)測(cè)量且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的檢測(cè)系統(tǒng),可廣泛應(yīng)用于各種行業(yè),如圖2所示。該系統(tǒng)允許安裝在生產(chǎn)線的上游,在生產(chǎn)過(guò)程中盡早檢測(cè)出色彩變化,減少報(bào)廢成本。由于采用了專利的光源設(shè)計(jì),系統(tǒng)對(duì)熒光燈、鈉燈和白熾燈等環(huán)境光不敏感,無(wú)須改變工廠的照明條件,更無(wú)須安裝遮光設(shè)施。該系統(tǒng)通過(guò)了NEMA-4/IP56的防護(hù)級(jí)別審核,可防液、防塵、防污染,并能經(jīng)受沖擊和振動(dòng)。該系統(tǒng)不僅設(shè)計(jì)堅(jiān)固,而且維護(hù)方便,僅需進(jìn)行日常的清潔和每月一次的校正即可。系統(tǒng)能通過(guò)RS-232與RS-485等多種數(shù)據(jù)接口與PC或PLC連接并傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件基于Windows操作系統(tǒng),使用方便,包括具有實(shí)時(shí)視覺(jué)監(jiān)控和趨勢(shì)圖形,而且生成的數(shù)據(jù)可以以EXCEL文件的形式記錄。

Vericolor?Spectro指標(biāo)如表2所示,采用0°/30°或30°/0°的測(cè)量條件（測(cè)量結(jié)果基于0°/30°）,為雙光束分光系統(tǒng)設(shè)計(jì),光譜范圍為400～700 nm,通過(guò)10 nm間隔的可見(jiàn)光光譜分析可提供精確的L*a*b*絕對(duì)值數(shù)據(jù)。光源為全譜段LED,壽命大于一千萬(wàn)次測(cè)量。系統(tǒng)測(cè)量精度高,短期重復(fù)性ΔE*ab為0.03,儀器間一致性ΔE*ab為0.3。儀器單次測(cè)量時(shí)間為750 ms,最小測(cè)量間隔為1 s。名義測(cè)量距離為101.6 mm,測(cè)量區(qū)域直徑為25.4 mm,且當(dāng)測(cè)量距離偏差在±5.0 mm之內(nèi),引起的色差ΔE*ab＜0.20,受距離波動(dòng)的影響較小,連續(xù)生產(chǎn)中無(wú)需使用穩(wěn)定滾筒。

4.3 GretagM acbeth

瑞士GretagMacbeth（格靈達(dá)麥克貝斯,現(xiàn)為X-Rite子公司）公司是世界色彩控制與色彩管理技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,于在線顏色測(cè)量領(lǐng)域開(kāi)發(fā)多款產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于造紙、玻璃、塑料制品等生產(chǎn)過(guò)程,如ERX40用于在線式白度測(cè)量,ERX54用于在線式透射樣品顏色測(cè)量,CarFlash用于汽車車身顏色測(cè)量,這里不再一一介紹,僅對(duì)用于紙張顏色測(cè)量的在線式分光測(cè)色儀ERX50［28-30］做詳細(xì)分析。

紙張生產(chǎn)過(guò)程中,如果顏色走偏了,一般需要手動(dòng)控制調(diào)整染料配方,直到重新調(diào)整好,會(huì)產(chǎn)生許多次品。配色很難可以一次就達(dá)到目標(biāo)值,一般顏色修正要重復(fù)幾次。這將消耗大量的時(shí)間、纖維和顏料,而且不合格紙將會(huì)被循環(huán)使用或者處理掉,造成不必要的浪費(fèi)。GretagMacbeth作為完備的系統(tǒng)供應(yīng)商,提供了正確的解決方案。如圖3所示,在線式分光測(cè)色儀ERX50是一套完整的顏色測(cè)量和閉環(huán)顏色控制系統(tǒng),可應(yīng)用于所有的紙和紙板產(chǎn)品。ERX50的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)顏色值進(jìn)行比較,通過(guò)軟件計(jì)算一步即可得出顏料的修正值,控制計(jì)量泵調(diào)整顏料劑量配比,無(wú)需反復(fù)修正即可完成顏色修正。ERX50通常在紙張卷曲前進(jìn)行顏色測(cè)量,此處質(zhì)量接近成品紙,對(duì)閉環(huán)顏色控制而言,此處也是最佳位置,而且與實(shí)驗(yàn)室儀器的相關(guān)性非常好。ERX50適用于所有連續(xù)的、非接觸的顏色測(cè)量場(chǎng)合,可以測(cè)量任何紙張的所有顏色（包含或者不含熒光增白劑）。測(cè)量系統(tǒng)一年365天,24 h不間斷地連續(xù)測(cè)量顏色,每天自動(dòng)的內(nèi)部校正能保證良好的精確性和重復(fù)性,使操作員從控制中解放出來(lái)。

ERX50為非接觸式測(cè)量,由于一種特殊的距離補(bǔ)償裝置,即使樣品有幾毫米的距離抖動(dòng),測(cè)量結(jié)果仍然很穩(wěn)定。環(huán)境光、車速或正常的抖動(dòng)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精確性,這一優(yōu)點(diǎn)尤其適合在線非接觸顏色測(cè)量。ERX50可以測(cè)量熒光樣品的顏色,通過(guò)UV控制,基礎(chǔ)顏色和熒光增白劑的效果會(huì)分開(kāi)測(cè)量,因此調(diào)色時(shí)兩者可以分開(kāi)來(lái)獨(dú)立控制。儀器設(shè)計(jì)緊湊、簡(jiǎn)潔、結(jié)實(shí),達(dá)到IP65防護(hù)級(jí)別,防塵防水,很少需要維修。為了保證精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性,系統(tǒng)自動(dòng)校正功能中包括標(biāo)準(zhǔn)白板校正和自動(dòng)光譜定標(biāo)。自動(dòng)內(nèi)部校正系統(tǒng)使用自帶的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)白板,在測(cè)量過(guò)程中按一定的時(shí)間周期自動(dòng)地進(jìn)行內(nèi)部校正,無(wú)需人工干預(yù)。ERX50通過(guò)USB和計(jì)算機(jī)連接起來(lái),測(cè)量數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)接?jì)算機(jī),CAN總線能保證計(jì)算機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)達(dá)500 m的通訊。

ERX50指標(biāo)如表3所示。系統(tǒng)采用45°環(huán)形照明/0°接收的標(biāo)準(zhǔn)照明觀察條件（符合CIE標(biāo)準(zhǔn)）,采用完全的雙光路設(shè)計(jì),由兩個(gè)相同的高分辨率分光系統(tǒng)組成,分光元件為全息凹面光柵,光譜范圍為330～730 nm,1 nm的光譜分辨率和1 nm的光譜測(cè)量間隔使測(cè)量結(jié)果十分精確。測(cè)量距離為10 mm時(shí),測(cè)量區(qū)域直徑為12 mm,測(cè)量距離抖動(dòng)為±4 mm,引起的色差ΔE*ab＜0.15。采用2個(gè)脈沖氙燈作光源,一個(gè)氙燈光譜分布近似D65,另一個(gè)氙燈截去紫外光（UV）,用于熒光樣品顏色測(cè)量。單次測(cè)量時(shí)間為20 ms,測(cè)量間隔從3 s到20 s可調(diào)。儀器具有較好的精度,重復(fù)性ΔE*ab＜0.1,儀器間一致性ΔE*ab＜0.3。

測(cè)量時(shí),脈沖氙燈發(fā)出的光照射在樣品上,樣品表面法線方向的反射光將被收集并被導(dǎo)入到分光系統(tǒng)中；同時(shí),另一個(gè)光譜儀將測(cè)量光源的能量分布以用于光源發(fā)光能量波動(dòng)的補(bǔ)償。分光系統(tǒng)將測(cè)量到的光信號(hào)按波長(zhǎng)分解,通過(guò)401個(gè)光電傳感器進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量信號(hào)經(jīng)放大和數(shù)字化處理,由微處理器計(jì)算得到修正的光譜反射數(shù)據(jù)。從330 nm到730 nm的401個(gè)反射率數(shù)據(jù)是所有進(jìn)一步計(jì)算的基礎(chǔ),最終得出樣品顏色參數(shù)。

4.4 KONICA M INOLTA

日本KONICA MINOLTA（柯尼卡美能達(dá)）公司在顏色測(cè)量領(lǐng)域具有很高的地位,在臺(tái)式分光測(cè)色儀和便攜式分光測(cè)色儀領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn),市場(chǎng)占有率名列前茅。直到2013年才在北美市場(chǎng)推出第一臺(tái)非接觸在線式顏色測(cè)量系統(tǒng)NC-1［31］,如圖4所示。需要指出該系統(tǒng)并不是分光測(cè)色儀,而是光電積分式色度計(jì),在此僅作簡(jiǎn)單介紹。

該系統(tǒng)集成過(guò)程控制系統(tǒng),因此可提供閉環(huán)控制。系統(tǒng)采用多方向22°照明/0°接收的測(cè)量條件,并不符合CIE推薦的測(cè)量條件,但由于采用了多方向照明,系統(tǒng)可測(cè)量質(zhì)地粗糙的、不平坦的物體,在食品、建筑材料、塑料、藥品等行業(yè)中可以得到良好的應(yīng)用。與傳統(tǒng)單個(gè)傳感器的在線系統(tǒng)相比,NC-1每個(gè)控制器可監(jiān)控多達(dá)5個(gè)傳感器,更適用于寬的生產(chǎn)線,單個(gè)傳感器最大測(cè)量速度高達(dá)20次/s。在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中,IP66級(jí)別的防護(hù)措施,保證該系統(tǒng)耐用可靠。分析軟件可由控制面板進(jìn)入,也可由計(jì)算機(jī)進(jìn)入,極大方便遠(yuǎn)程控制。NC-1主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示,光源采用鎢絲燈,具有反射色和透射色兩種測(cè)量模式,靜態(tài)條件下反射測(cè)量區(qū)域直徑為10 mm,透射測(cè)量區(qū)域直徑為28 mm,名義工作距離為70 mm,可接受的垂直抖動(dòng)范圍為±5 mm,重復(fù)性ΔE*ab為0.04。

5 在線式分光測(cè)色儀的發(fā)展趨勢(shì)

縱觀在線式分光測(cè)色儀發(fā)展歷程及現(xiàn)狀,從技術(shù)層面來(lái)看,未來(lái)在線式分光測(cè)色儀的發(fā)展趨勢(shì)如下。

（1）上述在線式分光測(cè)色儀中,多數(shù)都采用了雙光束分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),可有效補(bǔ)償光源發(fā)光不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量造成的影響,從而使儀器具有非常好的測(cè)量精度,這在采用脈沖氙燈作為光源的儀器中是非常必要的。當(dāng)前雙光束分光系統(tǒng)在分光測(cè)色儀中已較多采用,未來(lái)必將成為標(biāo)配。

（2）通常認(rèn)為分光測(cè)色儀的光譜分辨率和采樣間隔都在10 nm左右即可保證足夠的測(cè)量精度,當(dāng)前在線式分光測(cè)色儀多數(shù)也采用這個(gè)指標(biāo),但1 nm光譜分辨率和采樣間隔的儀器已經(jīng)出現(xiàn)。隨著光電探測(cè)器技術(shù)的成熟和廣泛使用,在線式分光測(cè)色儀的光譜分辨率和采樣間隔必將朝著更高方向發(fā)展。

（3）越來(lái)越多的儀器會(huì)采用內(nèi)部自動(dòng)校正功能,包括標(biāo)準(zhǔn)白板校正和光譜定標(biāo)。只有經(jīng)常的內(nèi)部自動(dòng)校正才能保證儀器良好的精確性和重復(fù)性。

（4）未來(lái)儀器必將具有更好的重復(fù)性,與臺(tái)式分光測(cè)色儀具有更佳的儀器間一致性。

從當(dāng)前的應(yīng)用需求來(lái)看,未來(lái)在線式分光測(cè)色儀主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展：通用性強(qiáng),可廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)；快速的信息反饋及閉環(huán)控制,可以用來(lái)更快地優(yōu)化生產(chǎn)工藝,更準(zhǔn)確地保持產(chǎn)品質(zhì)量；更好的穩(wěn)定性及更長(zhǎng)的使用壽命；更友好的軟件,完善的數(shù)據(jù)管理,方便操作人員控制,減輕勞動(dòng)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文歸納了在線式顏色測(cè)量的特點(diǎn)、要求及技術(shù)難點(diǎn),簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程,詳細(xì)介紹了當(dāng)前國(guó)外典型的在線式分光測(cè)色儀,并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)做出展望。國(guó)外在線式分光測(cè)色儀已有幾十年發(fā)展歷史,技術(shù)比較成熟,當(dāng)前有多款成熟產(chǎn)品在售,均解決了環(huán)境光、被測(cè)物運(yùn)動(dòng)和抖動(dòng)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果精確性的技術(shù)難點(diǎn),滿足較高的防護(hù)級(jí)別,可以很好地適應(yīng)惡劣的工廠環(huán)境；通過(guò)數(shù)據(jù)接口,皆可形成閉環(huán)控制,并且部分儀器具有距離探測(cè)器或自動(dòng)定標(biāo)功能。這些儀器可為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)在線式顏色測(cè)量?jī)x器的研究起步晚,成果較少,存在較大的差距,而且近十年來(lái),在線式分光測(cè)色儀方面鮮有報(bào)道。進(jìn)口儀器昂貴的價(jià)格讓國(guó)內(nèi)大多數(shù)中小企業(yè)望而卻步,因而只能依賴傳統(tǒng)的離線式測(cè)量,很大程度上限制了其發(fā)展。本文將對(duì)在線式顏色測(cè)量?jī)x器的發(fā)展起到一定的借鑒作用,相信不久的將來(lái)會(huì)推動(dòng)在線式分光測(cè)色儀的國(guó)產(chǎn)化。

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作者簡(jiǎn)介：

劉怡軒（1987-）,男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,博士研究生,2010年于太原理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事光譜儀器設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：liuyixuanhx@163. com

顏昌翔（1973-）,男,湖北洪湖人,博士,研究員,2001年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事空間光學(xué)遙感技術(shù)方面的研究。E-mail：yancx@ciomp.ac.cn

Development and status of on-line spectrophotometer

LIU Yi-xuan1,2,YAN Chang-xiang1*
（1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China；2.Uniυersity of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）
*Corresponding author,E-mail：yancx@ciomp.ac.cn

The principle of colormeasurement is introduced,and the characteristics requirements and technical difficulties of on-line colormeasurement are summarized.The development process and the current state of the artof on-line colormeasurement technology are also presented.The specifications,applications and system structures of several advanced on-line spectrophotometes abroad are presented in detail.The characteristics and advantages of every instrumentare highlighted.The development trend of on-line spectrophotometer is discussed from two aspects of technical perspective and application requirements in this paper,which will provide a reference for study on the development of on-line spectrophotometer.

spectrophotometer；non-contact；colormeasurement；colorimetry；closed-loop control

O433.1；TH744.1

A

10.3788/CO.20140705.0712

2095-1531（2014）05-0712-11

2014-04-15；

2014-06-13

國(guó)防高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（No.2011AA12A103）；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局資助項(xiàng)目（No. 1212011120227）