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光譜掃描式測色儀的結構組成及工作過程

2010-10-07

                                         光譜掃描式測色儀的結構組成及工作過程
   在顏色測量儀器的發展進程中，光譜掃描式測色儀在分光光度測色儀器中占有十分重要的地位，這是快速分光光度測色儀出現以前在顏色科學研究和實現工業生產中應用廣泛的測色系統。這類儀器一般由單色儀、光電檢測系統和微型計算機電子控制系統等三個主要部件構成，樣品的光譜反射比是相對于標準的光譜反射比進行測量的，樣品和標準均受到光源經單色儀分光后的漫射照明，而光探測器在接近垂直的角度接收反射信號，后由微機系統進行處理而獲得測量結果，這里采用的是通過積分球實現的D/0照明和觀察幾何條件。
      作為這種基本形式的掃描式分光光度測色儀的一個具體事例是Hunter D54P-分光光度計，該系統采用連續的干涉作為單色儀，組成了一種單光束掃描光度計。光源采用石英鹵素鎢絲燈通過光學濾色片來模擬D65，使用積分球來滿足D/0照明和觀察幾何條件，并用硅光二極管作為探測器，光譜帶寬在700nm出可達10~18nm.
      掃描式分光度測色儀的光學系統也從單光束發展到雙光束結構，Pye Unicam PU8800就是這樣一臺具有現代類型單色儀的雙光光譜光度計，該儀器提供了兩個光源，分別為鎢絲燈和疝氣電燈，可以通過移動反射鏡M1到合適的位置來選擇使用其中的任何一個光源，系統有兩個濾色片，藍色的是用來消除550nm以上波長的輻射，以使平面光柵不會產生二級光譜，另一個濾色片是用來減少在285~390nm和700~850nm波長范圍內的雜散光。單個凹面反射鏡M3則用來將平面光柵產生的單色輻射導向光度計部分，其中擋板的作用是防止雜散光入射光柵從而造成多次衍射。該光柵是全息閃耀光柵，它和反射鏡都涂以二氧化硅，并將整個單色儀密封起來，以免受實驗室空氣的強勢，因為如果這種光學儀器不加以特別保護的話，其反射鏡元件在極短的時間內就會積灰并改變性能。當單色輻射從出射狹縫2出來后便被旋轉的暫波器交替地沿著兩條光路導向積分球體，后射到參考樣品口或測量樣品口。測量條件是0/d,只要在測量球體的鏡面孔蓋位置分別放上白色孔蓋或黑色光陷阱，就可以使從參考白標準或測量樣品反射的光線中的鏡面成分包括在測量中或從測量中消除。秋種的檔屏是為了防止光線直接從參考或測量樣品以及直接從通過鏡面靠孔蓋的鏡面反射光束射向光電倍增管探測器。這樣，該儀器在340nm車的雜散光小于0.01%，波長精度為+—0.3nm光度精度以反射比表示是+—0.2%。利用這臺儀器可以獲得從380nm~780nm的連續反射比曲線，并在記錄紙上繪出該曲線或將側枝讀入微機以對反射比曲線進行白標準和黑標準的校正，后確定測量結果。當然，計算機也可以計算出任何光源下合在如CIE等的標準觀察者或任何其它顏色空間中的色度坐標。
      隨著掃描式分光光度儀的進一步發展，就出現了具有現代設計概念的反射光譜光度計，Zeiss RFC3就是這樣的一個系統。該儀器采用疝燈發出的混色光照明樣品，然后通過一系列窄帶干涉濾光片瀨分析樣品反射的噶ung，由計算機控制光譜光度計重的測量操作時序，并在得到測值后自動計算出所要求的色度參數。當然，整個系統的操作指令可同過鍵盤輸入，同色計算機配置了合適的顯示器和打印設備。
     疝燈的光線射入積分球在球內漫射混光后照明測量樣品口和白色（參考）標準樣品口，在積分球上還有另外兩個開孔分別與式樣和標準表面的法線成8度角，用于測量來自式樣和標準的輻射。在儀器的光度計測部分對積分球射出的混色光進行分析時，設置在光路中的旋轉圓盤每次只讓兩束光中的一束通過一塊干涉濾光片使之變為單色光，然后射到光電倍增管上。干涉濾光片安裝在以個打轉盤的圓周上，每當在以個給定波長上的測量完成后轉盤便轉到下一個位置。當需要的濾色片轉入光路是，光電倍增管就輸出一個方波形式的信號，它代表了分別由參考標準和測量樣品反射的光強R和rs之間的差別，然后改信號反饋到控制機構以調整來自參考標準的光束中的光纜，直到信號為零。在這種情況中，光纜衰減了參考光束的光強來補償式樣的低發射比。這樣，一個實測的反比信號被送人計算機，濾色片盤轉向下一波長位置進行測量，由此用16塊濾色排尿可以在400~700nm的波長范圍內實現20nm間隔的測量。
     在這臺Zeiss儀器中，利用計算機實現了對實測反射比的修正。在測量過程中始終不動的參考標準是一塊用純硫酸鋇特別壓制的小圓盤，只有當它被損傷或弄臟時才需更換。在對式樣進行實際測量之前，先要完成兩項預測量工作，一是對由標準試驗室標定過的陶瓷白板，二是對一個黑色光陷阱，儀器給出的當前讀數與計算機存儲的定標值進行比較，并用定標數據來修正在后繼式樣測量中得到的實測反射比值。然后，將修正值用于計算在任何選定的標準光源或觀察者條件下的CIE三刺激值和在任何其它具有轉換方程的顏色空間中的色度參數。這種采用100%和0%自動定標修正的方法大大提高了測量的長期和短期重復性。